哈市地鐵穿越段堤防塌陷處理方案的比選與確定

史曉東

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

1 塌陷原因分析

塌陷段堤防為松花江南岸道里堤防人民廣場段，頂高程為120.0 m，堤頂庫寬120.0 m。始建于1958年，1998年洪水過后，重新進(jìn)行了修繕?，F(xiàn)堤岸高7.7 m，岸頂高出現(xiàn)有江面約4.7 m，堤防坡面現(xiàn)為漿砌塊石。并于2003年在前堤肩新建裝配式活動(dòng)鋼閘板防洪墻基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)基本形式是以灌注樁、梁為基礎(chǔ)，梁頂與堤頂路面齊平，梁上澆筑防洪墻。加固工程已實(shí)施完畢。

1.1 抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)2011年8月由黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院和哈爾濱市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院共同出版《黑龍江省哈爾濱市城市近期堤防工程可行性研究報(bào)告》中關(guān)于該段堤防抗滑穩(wěn)定論述“由于松花江洪水位漲落較慢，不存在驟降問題，上游坡不分析穩(wěn)定……”

根據(jù)《防洪影響評價(jià)》報(bào)告中得知，哈爾濱市軌道交通2號(hào)線一期工程穿越松花江段，100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，穿越前后右岸道里堤防背水面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均為5.08，大于允許安全系數(shù)1.30；100年一遇設(shè)計(jì)洪水驟降時(shí)，穿越前后堤防迎水面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均為1.88，大于允許安全系數(shù)1.30，堤防抗滑穩(wěn)定滿足要求。

該段堤防工程1998年洪水過后，重新進(jìn)行了修繕，安全運(yùn)行至今。未發(fā)現(xiàn)堤防堤身及深層堤基出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，故此次堤防塌陷應(yīng)與堤防自身穩(wěn)定無關(guān)。

1.2 滲流穩(wěn)定分析

堤身表層0.3～0.6 m 為混凝土磚石、塊石澆筑，下部為粉質(zhì)黏土夾少量砂類土、碎石壓實(shí)。由于筑堤時(shí)多為人工填筑，其結(jié)構(gòu)較松散，局部孔隙較大，土質(zhì)不均。堤身外有較寬河漫灘，堤身防滲指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

從滲透性上分析，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告可知，堤身粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)一般為1.0×10-5～1.0×10-7cm/s，屬于微透水性，滿足規(guī)范要求，因而堤身填筑土滿足堤壩的防滲要求，且根據(jù)2014年3月，由哈爾濱市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)的《哈爾濱市主城區(qū)道里、道外段江堤維修工程技施設(shè)計(jì)圖集》中，可知該段堤防岸坡采用干砌石砌塊石（350 mm厚）防護(hù)，下部鋪設(shè)碎石墊層200 mm 厚，砂墊層200 mm 厚及有400 g/m2無紡布反濾層，穩(wěn)定性好，基本不存在滲透穩(wěn)定問題。

根據(jù)《防洪影響評價(jià)》報(bào)告，哈爾濱市軌道交通2號(hào)線一期工程穿越松花江段，100年一遇堤防設(shè)計(jì)洪水時(shí)，穿越右岸道里堤后堤防背水面滲流出口比降0.027，稍大于穿越前0.025，但均小于允許比降0.080，堤防滲透穩(wěn)定滿足要求；2號(hào)線一期工程與堤防結(jié)合部位最大滲流比降0.021，小于允許比降0.120，2號(hào)線一期工程與堤防結(jié)合部位滲透穩(wěn)定滿足要求。

故地鐵穿越段堤防不存在滲透問題，故此次堤防塌陷應(yīng)與堤防自身滲透無明顯關(guān)聯(lián)，且道里堤防2003年經(jīng)過修復(fù)后，安全運(yùn)行多年，未出現(xiàn)抗滑及滲漏破壞險(xiǎn)情發(fā)生。實(shí)踐證明，堤防自身的安全穩(wěn)定是能夠得到保證。

1.3 深層地基液化分析

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，塌陷處上部地層為2-2粉砂層，松散，飽和，標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)N63.5 為5～10擊，平均8 擊，承載力低，水下休止角24°～26°，具III 級(jí)凍脹性。其中場地內(nèi)ZK03 和ZK04 孔2-2 松散飽和粉砂層局部液化，ZK01 孔2-3-1 層松散飽和細(xì)砂層液化。根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》判定地基液化等級(jí)，ZK01 孔液化指數(shù)IlE=7.99，ZK03 孔液化指數(shù)IlE=2.83，ZK04 孔液化指數(shù)IlE=6.28，綜合判定液化等級(jí)中等。地震液化判定結(jié)果為局部液化土，該層自穩(wěn)性差，易產(chǎn)生滑移。液化判定詳見表1。

表1 液化判定表

根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及國家標(biāo)準(zhǔn)GB18306-2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，該工程堤防段所在區(qū)域，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g（對應(yīng)于抗震設(shè)防烈度Ⅶ度），反應(yīng)譜特征周期Tg為0.35 s，地震動(dòng)峰值加速度反應(yīng)譜

1.4 主要原因分析結(jié)論

根據(jù)以上各原因并考慮到塌陷產(chǎn)生時(shí)間及塌陷坑反映特性等因素分析，得出堤防塌陷結(jié)論為：堤防塌陷部位夏季受江水浸泡。此外堤防每年都會(huì)受春暖凍融侵襲，也會(huì)對堤防產(chǎn)生一定影響。加之太陽島站至人民廣場區(qū)間，盾構(gòu)機(jī)從松花江底掘進(jìn)至江堤，正處在隧道覆土變截面（江底覆土約16 m、江堤覆土約為22 m），盾構(gòu)總推力增加，動(dòng)荷載增大等綜合因素，堤基下部2-2 粉砂層為局部液化土，該層自穩(wěn)性差，易產(chǎn)生滑移，在盾構(gòu)施工震動(dòng)影響下，2-2 粉砂層產(chǎn)生滑移，引起堤防邊坡產(chǎn)生塌陷。

2 塌陷原因分析

根據(jù)上述分析的塌陷原因選擇專項(xiàng)方案，以保證堤防修復(fù)后擋水運(yùn)行安全、可靠；選擇的設(shè)計(jì)方案應(yīng)避免對地鐵施工造成影響，且不應(yīng)對地鐵工程自身結(jié)構(gòu)造成破壞；選擇的設(shè)計(jì)方案應(yīng)施工方便、快捷、安全、經(jīng)濟(jì)，滿足該段堤防渡春汛的時(shí)間要求等原則初擬3 種設(shè)計(jì)方案：方案一，振沖碎石樁法；方案二，強(qiáng)夯法；方案三，高噴灌漿圍封法。

2.1 方案比較

設(shè)計(jì)分別從造價(jià)、處理效果、施工難度、對地鐵工程的影響等方面對選擇的3個(gè)方案進(jìn)行綜合比較，最終確定此次修復(fù)方案。

2.1.1 造價(jià)比較

從造價(jià)方面分析，3 種方案造價(jià)由高到低分別為方案三、方案一、方案二，因此方案二較優(yōu)。

2.1.2 處理效果比較

從處理效果方面分析，對國內(nèi)外多數(shù)工程的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行梳理和總結(jié)，得出以下結(jié)論：方案二的有效處理深度為10～20 m，適用區(qū)間較寬，處理可靠性較高。方案一振沖深度可達(dá)達(dá)30 m，處理效果不僅能夠增加土體密實(shí)性，同時(shí)碎石樁可以起到置換一部分土體的作用，原地基土行成復(fù)合地基，綜合處理效果最優(yōu)。方案三有效治理深度可達(dá)到近20 m 左右，通過將可液化土體分隔成獨(dú)立的封閉塊，大大提高被處理土體的抗滑移穩(wěn)定性，限制并消除地層振動(dòng)液化擴(kuò)散與流動(dòng)滑移，但該方案對圍封區(qū)內(nèi)土體的局部變形作用有限。該工程存在滑移性的2-2 砂層埋深最高達(dá)到10 m 左右，故三種處理方案處理效果由均能滿足此次設(shè)計(jì)目的及需要，故3個(gè)方案均可行。

2.1.3 施工難度及對周邊建筑物影響比較

強(qiáng)夯法對場地地下水條件要求較高，施工時(shí)需要進(jìn)行排水措施，該工程區(qū)地下水位較高，對強(qiáng)夯法的施工產(chǎn)生不利影響；振沖法生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜，對其填料量、加密段長度、加密電流、留振時(shí)間等參數(shù)選取受地質(zhì)情況、土（砂）層性狀等條件影響，選擇較困難；因該工程位于道里中心區(qū)，施工區(qū)距離市區(qū)較近，周邊建筑及人口均較多，強(qiáng)夯及振沖法會(huì)產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊波，對周邊市政建筑物及市民生活造成嚴(yán)重影響，同時(shí)也會(huì)對已施工完成的地鐵工程隧洞產(chǎn)生較大影響。

高噴灌漿圍封法技術(shù)及施工工藝成熟，樁體強(qiáng)度大，成墻整體性較好，且受到地質(zhì)情況、土（砂）層性狀等條件制約因素小。并且高噴灌漿圍封法施工不產(chǎn)生較大震動(dòng)，對周邊建筑及市民生活影響較小，同時(shí)對施工完成的地鐵隧洞工程不會(huì)產(chǎn)生影響。但該方案施工過程中會(huì)出現(xiàn)孔口返漿，需要建設(shè)截水溝，避免漿液進(jìn)入河道，污染環(huán)境。故3 種方案從施工難度及影響度方面，由小及大分別為方案三、方案一、方案二，故方案三較優(yōu)。

2.1.4 對地鐵工程的影響

根據(jù)地質(zhì)提供成果分析，堤基2-2 粉砂層埋深至高程110.5 m 左右，故無論選擇3 種方案的任何一種，其處理深度應(yīng)不小于堤基2-2 粉砂層埋深高程110.5 m，地鐵左、右線穿堤段洞頂高程約為98.00 m，加固處理底高程距洞頂尚有12.5 m 厚土層。

分別對3 種方案的擾動(dòng)范圍加以評價(jià)，其中振沖碎石樁法及強(qiáng)夯法原理均通過加載外力，對需處理的土（砂）體進(jìn)行擠壓、夯擊，其振沖波及夯擊波亦對下部地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生震動(dòng)影響，對地鐵隧洞工程造成不利影響。高噴灌漿圍封法施工不產(chǎn)生教的震動(dòng)，因此對地鐵隧洞工程影響較小。

故從對地鐵工程的影響方面，由大到小為方案一、方案二、方案三，故方案三占優(yōu)。各方案比選成果見表2。

表2 方案比選表

綜上所述，此次設(shè)計(jì)方案選用高噴灌漿圍封法。

3 推薦方案

3.1 處理深度確定

根據(jù)前章對堤身及堤基評價(jià)可知，堤身存在壓實(shí)度指標(biāo)低；堤基2-2 砂層自然松散，具有滑移性，2-2 砂層至地鐵洞頂位置堤基地層密實(shí)度、標(biāo)貫擊數(shù)及承載力特征值均基本無變化，故此次設(shè)計(jì)處理深度應(yīng)以存在滑移性的2-2 砂層埋深為主要參考指標(biāo)。

2-2層粉砂灰黃色～黃褐色，松散、飽和，成分以長石、石英為主，含云母，層底深度3.50～9.10 m，平均厚度2.64 m。根據(jù)地質(zhì)剖面圖獲得2-2 砂層底高程110.10～113.98 m。設(shè)計(jì)深度應(yīng)將平面范圍內(nèi)2-2 砂層全部處理，且考慮一定安全儲(chǔ)備，高噴灌漿圍封墻樁底高程應(yīng)深入穩(wěn)定土（砂）層不少于1 m，此次設(shè)計(jì)高噴樁底高程統(tǒng)一為EL=109.00 m。施工時(shí)實(shí)際灌漿深度可視現(xiàn)場情況適度調(diào)整。

3.2 高噴灌漿圍封墻布置

3.2.1 墻排距

此次設(shè)計(jì)采用高噴灌漿圍封法，因在堤頂處有防洪墻樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，考慮其對防洪安全的重要性，此次設(shè)計(jì)在堤頂防洪墻側(cè)，采用雙排高噴灌漿圍封，其余均為單排高噴灌漿圍封，即用高壓將水泥漿液強(qiáng)制旋噴至深層地基中，形成大深度高強(qiáng)連續(xù)墻體。平面布置型式采用“網(wǎng)格圍封法”，使得高壓旋噴墻體縱橫相互交叉，通過圍封形成封閉網(wǎng)格柱，平面形成網(wǎng)格封閉塊，增強(qiáng)地層抗滑移穩(wěn)定性，限制并消除地層振動(dòng)液化擴(kuò)散與流動(dòng)滑移。高壓旋噴使?jié){液在地層中產(chǎn)生滲透擴(kuò)散，同時(shí)起到對堤深層固結(jié)凝聚，提高承載力。

高噴灌漿墻體順堤防軸線方向布置平行于堤防軸線（縱排），分別在迎水側(cè)堤坡頂部至堤腳范圍內(nèi)，均布4個(gè)縱排，間排距為6.09 m。其中堤頂防洪墻側(cè)縱排為雙排高噴灌漿圍封墻，雙墻間墻距為0.80 m，其他3 縱排均為單排高噴灌漿圍封墻。為盡量減少高噴灌漿對地鐵隧洞工程的影響，高噴灌漿墻體垂直堤防軸線方向布置應(yīng)與地鐵隧洞軸線平行，并且避免在地鐵隧洞結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)布設(shè)。由此確定垂直于堤防軸線方向（橫排）在處理范圍內(nèi)均布6 排，排間距為7.64 m，每個(gè)橫排均為單排高噴灌漿圍封墻。為盡量減小對現(xiàn)有地鐵隧道的影響，將橫排軸線布置與堤防軸線斜交，交角為81°，橫排高噴灌漿墻體均位于地鐵隧洞結(jié)構(gòu)范圍以外。

4 處理后效果

該工程于2019年5月末竣工驗(yàn)收，并經(jīng)受了松花江干流汛期洪水考驗(yàn)，其防洪功能已完全修復(fù)。

在施工及后期運(yùn)行中對堤防以及地鐵工程的沉降監(jiān)測情況分析得出，此次設(shè)計(jì)選用的高噴灌漿圍封法，對處理堤防深層地基液化問題效果明顯，且對于施工中的地鐵工程影響幾乎為零。

5 結(jié)語

堤防塌陷原因不盡相同，文中根據(jù)地質(zhì)及堤防條件并考慮到塌陷產(chǎn)生時(shí)間及塌陷坑反映特性等因素綜合分析，確定此次堤防塌陷為沙土液化產(chǎn)生。現(xiàn)階段針對沙土液化問題主要選擇多數(shù)采取本文中的3 種方案，但每個(gè)方案亦有各自適用性，在選取時(shí)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況及各種因素綜合分析確定。