填海區(qū)人工填土層及地下水對基坑施工導致的不利影響及存在問題

邵恩慶，盧笑，劉世安，張志芹，顧朝杰

青島地礦巖土工程有限公司，山東 青島 266000

0 引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，地鐵建設數(shù)量越來越多，地鐵沿線地區(qū)地表環(huán)境以及穿越地質(zhì)條件也是復雜多樣。為了增加土地資源儲備、開擴城市的發(fā)展空間，中國許多沿海發(fā)達城市都進行了規(guī)模宏大的填海造陸工程[1]，因此這使得填海區(qū)成為地鐵沿線穿越的眾多復雜地質(zhì)環(huán)境中的一種。填海區(qū)為人工改造形成，主要有以下特點：①一般填土年限較短，填土成分復雜，填土中塊石粒徑大小不一；②填土層一般是拋石擠淤，也含有淤泥、淤泥質(zhì)土等成分；③地下水水量豐富，填土層透水性強[1]。因此，在填海區(qū)修建地鐵車站時，會涉及到基坑工程建設，而復雜的填土成分必然給基坑施工造成一定難度。同時填海區(qū)在明挖基坑設計及施工過程中，地下水對基坑工程的不利影響不容忽視，大多數(shù)基坑工程破壞事故都與地下水有關(guān)[2-4]。因此，在填海地區(qū)進行基坑支護工程施工時，除了考慮地下水流量、環(huán)境類型變化外，也應考慮填土成分在內(nèi)的地質(zhì)因素的影響。筆者依托青島地鐵安子東站，從填土成分、地下水水量和地下水環(huán)境類型變化等方面對填海區(qū)地鐵車站基坑施工主要影響因素進行分析研究。

1 工程概況

青島市地鐵1號線為一條南北走向線路，線路南起黃島，跨海向北進入青島4大主城區(qū)(市南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū)和城陽區(qū))，形成了貫通青島市南北的快速軌道交通走廊[5-6]。線路全長約60 km，共設車站39座，均為地下站，其中換乘車站12座，最大站間距8 298 m，為瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間；最小站間距700 m，為貴州路站—西鎮(zhèn)站區(qū)間，平均站間距1 564 m，包含車輛段2座，停車場1座?？刂浦行奈挥邳S島，與M1、M6、R3共享。

本文依托青島市地鐵1號線安子東站，安子東站位于黃島開發(fā)區(qū)珠江路與新港山路路口東側(cè)新港山路下方(圖1中標粉紅位置)，主體呈北西—南東向，沿新港山路順向展開，車站南側(cè)為大片居住小區(qū)，北側(cè)為大片廠房，距離北側(cè)海邊約200 m。新港山路為黃島區(qū)交通主干道，道路紅線寬50 m，現(xiàn)狀道路寬40 m，為雙向6車道，交通流量較大。

圖1 擬建場地交通位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of traffic location of proposed site

車站起點里程為YSK18+932.55，終點里程為YSK19+184.40，中心里程為YSK19+022.00。車站全長251.85 m，標準段寬度約20.0 m。本站為地下兩層島式車站，站臺寬度11 m，有效站臺長度為118 m，車站地板標高為-14.4 m，埋深約為19 m。車站所在位置地面較為平坦，采用明挖順做法施工。具體位置見圖1。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

擬建場地地形較為開闊，地勢大多平坦，車站主體南側(cè)分布有一工地廢棄水塘，地勢相對較低，地面高程0.51～5.07 m，主要位于新港山路下方，地面車輛較多、兩側(cè)管線縱橫交錯。歷史地形地貌資料顯示，本場地2000年前后為濱海沼澤，后經(jīng)人工填海改造而成，填海先是采用塊石拋石擠淤，塊石塊徑一般50 cm±，最大可超過1 m，后用風化砂和黏性土回填夯實，填土年限<20年。

2.2 地層巖性

鉆探結(jié)果顯示，安子東站區(qū)域及鄰區(qū)地層主要由第四系、中生代地層和侵入巖組成。區(qū)域上第四系的厚度為15.2～19.2 m，分為3個詳細層位，分別為第四系全新統(tǒng)人工填土層、全新統(tǒng)海相沉積層(淤泥質(zhì))粉質(zhì)黏土及中-粗砂層、上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土層和含黏性土礫砂層。區(qū)域上的中生代地層和侵入巖為工程基巖，中生代地層主要為白堊系萊陽群林寺山組、白堊系青山群八畝地組和白堊系青山群石前莊組等，侵入巖主要為燕山晚期石英二長巖和花崗斑巖。同時由于薛家島斷裂及其分支斷層的發(fā)育，安子東站及其鄰區(qū)存在構(gòu)造破碎帶，內(nèi)部發(fā)育節(jié)理、裂隙不均勻分布的斷裂構(gòu)造巖(碎裂狀)。節(jié)理裂隙受區(qū)域性斷裂構(gòu)造控制，通過鉆孔巖芯揭示，節(jié)理結(jié)構(gòu)面一般較平直，緊閉-閉合，少量微張并有充填物，多為高角度節(jié)理，傾角一般為60°～85°。詳細地質(zhì)情況見車站地質(zhì)縱斷面圖(圖2)。

其中第四系全新統(tǒng)人工填土層對本站點施工影響最大。主要由于該層人工填土成分復雜，力學性質(zhì)差異較大，穩(wěn)定性差(如降水較多、污水管線滲漏等情況容易發(fā)生)，易形成空洞，同時對基坑開挖及支護影響較大。該人工填土層主要由塊石(圖3)、碎石(圖4)和夾強風化巖等組成，回填年限最高為20年。該層在車站范圍內(nèi)連續(xù)分布，大部分鉆孔均有揭露，揭露厚度2.20～12.00 m，平均厚度8.80 m，層底標高-7.69～2.63 m。根據(jù)挖探及向施工單位收集到的資料，塊石塊徑約20～40 cm(圖3)，部分塊石塊徑>50 cm。

圖3 人工填土層中的大塊石Fig.3 Boulder in artificial fill layer

圖4 人工填土層中的碎石Fig.4 Crushed stone in artificial fill layer

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

基于《區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告—黃島幅》等相關(guān)資料，黃島區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以中、新生代脆性斷裂構(gòu)造最為發(fā)育，韌性斷裂不甚發(fā)育。由于受控于華夏構(gòu)造體系，黃島地區(qū)區(qū)域性構(gòu)造跡線主要表現(xiàn)為NE-NNE向斷裂發(fā)育[7]。安子東站及鄰區(qū)主要受NE-NNE向薛家島斷裂及其次生斷裂的影響，同時斷裂帶兩側(cè)比較發(fā)育節(jié)理密集帶，使得安子東站及鄰區(qū)局部地質(zhì)體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，形成相對不均勻的巖石地基和基坑穩(wěn)定性較差的巖體。

3 水文地質(zhì)條件

3.1 地下水概況

第四系孔隙潛水的詳勘水位埋深3.5～8.6 m，部分地勢低洼處的鉆孔水位埋深較小，水位標高-4.23～1.16 m。含水層主要為填土、中粗砂及含黏性土礫砂層，中間夾有粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土層，局部具有微承壓性，隔水層不甚連續(xù)，潛水與微承壓水局部貫通，孔隙潛水主要以側(cè)向徑流補給為主，并接受大氣降水、上層滯水的垂直滲透補給，而其流失方式以側(cè)向徑流為主，人工采集為其次要流失方式。

3.2 地層滲透性

本車站共進行了4個孔的穩(wěn)定流抽水試驗(表1)。

表1 抽水試驗統(tǒng)計表

潛水的滲透系數(shù)計算依據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049—2004)中的8.2節(jié)公式(8.2.1-3)完整井抽水試驗公式[8]，計算模型如下：

(1)

承壓水的滲透系數(shù)計算依據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049—2004)中的8.2節(jié)公式(8.2.1-1)完整井抽水試驗公式[8]，計算模型如下：

(2)

式中：Q為出水量，m3/d；K代表滲透系數(shù)，m/d；r為過濾器半徑，m；S為水位下降值，m；Ry為影響半徑，m；H為自然狀況下潛水含水層厚度，m；M為承壓水含水層厚度，m；H為潛水含水層在抽水試驗時的厚度，m。

各層巖土層滲透系數(shù)依據(jù)抽水試驗結(jié)果和鉆探揭示情況，結(jié)合收集到的水文地質(zhì)資料和青島地區(qū)經(jīng)驗，并根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)10.3.5條進行透水性分級。抽水試驗結(jié)果顯示：安子東站第四系孔隙潛水的綜合滲透系數(shù)介于20.0～387.0 m/d，為強透水層；第四系微承壓水的綜合滲透系數(shù)為12.0 m/d，也為強透水層；而基巖裂隙水的綜合滲透系數(shù)僅為0.151 m/d，屬弱透水層。

3.3 水、土腐蝕性及環(huán)境類型作用等級

場地詳勘階段共取4組地下水樣及1組地表水樣(車站南側(cè)水塘)進行水質(zhì)分析試驗，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(2009版)對安子東站的地下水進行腐蝕性判定(表2)。

表2 水的腐蝕性評價表

按照國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》(GB/T50467—2008)將混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別分為一般環(huán)境、凍融環(huán)境、海洋氯化物環(huán)境、除冰鹽等其他氯化物環(huán)境和化學腐蝕環(huán)境，依據(jù)第3.2.1條、第3.2.2條，根據(jù)本次水質(zhì)分析結(jié)果，對不同類別環(huán)境的作用等級進行劃分。

本工程的一般環(huán)境為Ⅰ-B；車站主體結(jié)構(gòu)的凍融環(huán)境作用等級建議按Ⅱ-C考慮；局部位于凍融線以上的構(gòu)件環(huán)境條件特征為微凍地區(qū)的有鹽環(huán)境混凝土高度飽水，環(huán)境作用等級為Ⅱ-D。本工程主體結(jié)構(gòu)為純地下，主體結(jié)構(gòu)的除冰鹽等其他氯化物環(huán)境作用等級為Ⅳ-D；本工程不屬于海洋氯化物環(huán)境；出入口、風亭等附屬結(jié)構(gòu)除冰鹽等其他氯化物環(huán)境作用等級為Ⅳ-E。根據(jù)本段線路水、土腐蝕性分析結(jié)果，本工程化學腐蝕環(huán)境Ⅴ-C；本工程不屬于大氣污染環(huán)境。

4 地下水影響分析與控制方案

4.1 地下水對基坑設計施工綜合影響分析評價

根據(jù)安子東站地質(zhì)勘察結(jié)果，本車站結(jié)構(gòu)頂板埋深約3.4 m，上覆為第四系人工填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉質(zhì)黏土和含黏性土礫砂，厚15.2～19.2 m，下伏燕山晚期侵入巖，主要為石英二長巖、花崗斑巖的全、強、中風化帶，局部揭示有微風化帶。本車站地下水主要為第四系孔隙水，賦存于第四系人工填土、砂層，富水性、透水性良好，基坑開挖過程中如地下水控制不當可能發(fā)生流沙、基坑坍塌等問題，進而對周圍管線、道路等造成破壞。

4.2 地下水在不同地質(zhì)斷面中的主要影響

斷面類型一如圖2中黑色虛線框(A)部分所示，車站基坑底板位于含黏性土礫砂層上，含黏性土礫砂層為強透水層。車站止水帷幕底部應穿透該層，并進入下部全風化或強風化石英二長巖等弱透水層一定深度。若止水帷幕進入弱透水層深度不足，可能會造成基坑底部砂層突涌。該類工程地質(zhì)條件在本車站有多處揭露，也是本車站的施工重點難點。

斷面類型二如圖2中黑色實線框(B)部分所示，車站基坑底板位于全風化、強風化石英二長巖上，車站基坑開挖至基底標高時，應注意及時清理基坑內(nèi)積水，全風化、強風化石英二長巖長期浸水，巖石易軟化，亦可能造成基坑底部涌水。

4.3 地下水控制方案建議

本車站上覆第四系人工填土層、粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、含黏性土礫砂及全風化石英二長巖，受水浸泡后強度將迅速降低，當遇雨季或坡頂雨、污水管溝滲漏水等特殊情況時，建議對坡頂?shù)谒南低玲攭Σ糠肿龊闷马斀厮畨Α⑵旅嫘顾缀推碌着潘疁系扰潘胧?，在基坑底部做好排水溝、集水坑，對基坑滲水采用集水明排即可，避免造成基坑邊坡變形過大甚至垮塌，影響周邊道路、地下管線等的正常使用。

4.4 抗浮與防滲方案建議

由于設計車站頂板處于地下水位以下，設計時應考慮水壓力及浮力對車站結(jié)構(gòu)的影響，在不滿足抗浮驗算時應采取相應的抗浮措施，可考慮采用增加結(jié)構(gòu)自重及設置抗浮錨桿或抗浮樁等形式，并應加強底板配筋，以提高底板的抗彎抗剪能力。

根據(jù)本車站工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及周邊環(huán)境條件，車站地下部分應嚴格作好防水、防滲處理，基坑回填時應采用優(yōu)質(zhì)黏土回填并分層夯實，建議車站采用防滲混凝土，并應連續(xù)灌筑，施工縫、沉降縫和伸縮縫應采取可靠的防水措施。

5 地質(zhì)條件中不利因素最可能導致的施工問題

5.1 基坑樁基設計措施

依據(jù)工點設計院圖紙，圍護樁為樁徑1 000 mm的鉆孔灌注樁，間距1 300 mm，采用C35混凝土，主筋采用HRB400，箍筋采用HRB400，保護層厚度70 mm。止水措施采用樁徑1 000 mm旋噴樁止水，旋噴樁樁中心間距750 mm，旋噴樁需插入全風化層或強風化層≥0.5 m。具體措施見圖5。

5.2 施工存在問題

根據(jù)本車站勘察的地質(zhì)結(jié)果，在后期施工過程中，主要存在以下兩個方面的問題：

根據(jù)設計圖紙，安子東站基坑開挖施工過程中，先進行圍護樁施工，后進行止水帷幕施工。施工場地為填海區(qū)，填土層中存在塊石，塊徑大小不一，最大塊徑超過1 m，易導致灌注樁、地連墻及高壓旋噴樁施工時存在一定困難，同時易導致勘察鉆孔塌孔，采用普通巖芯鉆機無法施工，無法進行超重型動力觸探試驗。因此在圍護樁和旋噴樁施工前，本段填土層需采用無巖芯偏心錘鉆探工藝進行引孔。由于塊石塊徑較大，鉆孔灌注樁孔深約為22 m，旋噴樁孔深約為18 m，樁的垂直度較難保證，個別旋噴樁的樁間咬合不密實，這將會導致在基坑開挖過程中，存在基坑側(cè)壁滲漏水的情況。必要時可考慮將表層填土挖除換填，確保不影響支護樁及止水帷幕質(zhì)量。

依據(jù)本車站詳勘地下水試驗結(jié)果，判定本工點不屬于海洋氯化物環(huán)境，地下水氯離子含量最大為1 772.6 mg/L。填海區(qū)施工場地距離海岸線近，地下水與海水的水力聯(lián)系相對較強[12]，然而在大氣降水的淡化作用下，施工場地地下水氯離子含量也會逐漸降低[13]。因此，后期施工時，做好止水措施，施工場地周邊地下水環(huán)境一般不會有較大改變。若止水措施存在問題，基坑存在大量滲漏水或基坑地下水突涌時，本站點北側(cè)的海水必然向施工場地周邊大量補給，會導致地下水環(huán)境改變，使得地下水氯離子含量大幅增加，甚至可以使基坑內(nèi)地下水氯離子含量高達15 338.33 mg/L，變?yōu)楹Ｑ舐然锃h(huán)境，那么相應的車站施工需采用更高標號混凝土[14]，也將使得施工成本大幅增加。

①人工填土；⑥淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；○○○16強風化石英二長巖。場平標高單位：m.圖5 車站圍護措施及止水措施Fig.5 Station enclosure measures and water stop measures

6 結(jié)論

(1)本工點位于填海區(qū)，地下水水量豐富，地下水控制是施工的重點難點。基坑開挖前應加強止水措施，并保證施工質(zhì)量，才能有效避免基坑涌水、漏水風險。

(2)填海區(qū)填土成分較復雜，對基坑施工的圍護措施和止水措施的選擇和施工都存在較大影響，勘察時應重點查明填土層厚度以及填土層成分。

(3)填海區(qū)基坑施工過程中，止水措施不當會引起地下水的氯離子含量變化，變?yōu)楹Ｑ舐然锃h(huán)境，施工需采用更高標號混凝土，增加施工成本。