昆明市地鐵深基坑巖土工程層組劃分研究

楊文輝, 吳國斌, 潘建華, 劉偉, 李冬冬, 蔣良文, 張禮

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,云南 昆明 650200; 2.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046)

在巖土工程勘察中,建立巖土分層系統(tǒng)進(jìn)行研究,國內(nèi)學(xué)者對此做了較多工作。隋耀華、張華[1]研究了淺基巖區(qū)地層沉積特點(diǎn)、地層基本特性及工程應(yīng)用特點(diǎn),以福州軌道交通2號線為例總結(jié)了淺基巖地區(qū)工程地質(zhì)分層的“九分法”。茍富剛等[2]考慮沉積時代、沉積環(huán)境、土體結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)參數(shù),建立了長江三角洲北岸基本地層結(jié)構(gòu)層序和編碼,將土體劃分為7個工程地質(zhì)層組和21個工程地質(zhì)層,找出了2個軟弱敏感層和4個優(yōu)勢持力層。王建偉等[3]按時代-成因-巖性對50 m深度范圍的巖土體進(jìn)行層組劃分,為牡丹江市工程地質(zhì)勘察工作提供了統(tǒng)一的分層參照準(zhǔn)則,對市區(qū)進(jìn)行了工程地質(zhì)分區(qū)。

對于概化分層,學(xué)者研究極少。李曉昭等[4]認(rèn)為工程地質(zhì)巖組的劃分是地質(zhì)模型概化的基礎(chǔ),以南京地鐵南北線為例,探討了土體工程地質(zhì)巖組的劃分。韓昌瑞等[5]把地表附近強(qiáng)度低的土概化為“軟土層”,把強(qiáng)—微風(fēng)化巖概化為“巖層”,把“軟土層”和“巖層”間的殘積土和全風(fēng)化巖概化為“硬土層”,建立了概化地質(zhì)模型,結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演得到“硬土層”、“巖層”的參數(shù)。

綜上,建立巖土分層系統(tǒng)進(jìn)行巖土工程勘察評價具有理論和實(shí)踐意義。但過去的巖土層組劃分研究,與勘察設(shè)計規(guī)范中巖土的分類和鑒定具體要求結(jié)合不緊密,系統(tǒng)性不強(qiáng);而且針對具體設(shè)計問題進(jìn)行概化分層的研究很少。昆明市地鐵4號線火車北站地基,第四系地層厚度大于100 m,主體工程基坑深達(dá)37.1 m,為昆明最深建筑基坑。筆者對地基進(jìn)行詳細(xì)分層,主層按時代成因、亞層按土的名稱、次亞層按土的狀態(tài)劃分,地層劃分完全對應(yīng)勘察設(shè)計規(guī)范[6-8]中對時代成因、土層名稱、土層狀態(tài)劃分的要求;概化分層考慮地層的強(qiáng)度、透水性來研究勘察深度范圍內(nèi)含水層分布及特點(diǎn)。詳細(xì)分層與概化分層研究可揭示基坑圍護(hù)設(shè)計關(guān)注的巖土工程條件及問題。研究結(jié)果將對復(fù)雜地質(zhì)條件下的大型工程、長距離線狀工程、深基坑巖土工程勘察以及統(tǒng)一地區(qū)性巖土工程層組劃分具有理論、實(shí)踐借鑒與指導(dǎo)價值。

1 地基巖土詳細(xì)分層

根據(jù)現(xiàn)行勘察設(shè)計規(guī)范要求,結(jié)合勘察揭示的地質(zhì)情況[9],提出詳細(xì)分層依據(jù)、原則和編碼方法。

1.1 詳細(xì)分層依據(jù)

①地層時代:反映沉積歷史長短和沉積順序。②地層成因:反映沉積環(huán)境及其演變,影響巖土的類別及主要土性特征。③土的類別及土的名稱:反映土的結(jié)構(gòu)、顆粒組成及特殊組分等。④土的狀態(tài):與土的物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān),反映土的軟硬和密實(shí)程度。

1.2 詳細(xì)分層原則

1.3 詳細(xì)分層編碼方法

地基土詳細(xì)分層編碼解析如圖1所示。圖中:土層時代+成因編碼,由新至老、由淺至深,用數(shù)字由小到大進(jìn)行編碼,構(gòu)成時代+成因主層層號,北站地基分為5個主層;土層名稱編碼,同主層按層序由上到下用數(shù)字由小到大編碼,具體到規(guī)范中“土的名稱”,與時代+成因編碼組合,構(gòu)成土層亞層層號;土層狀態(tài)編碼,黏性土(碎石土、砂土)用0、1、2、3、4代表規(guī)范中“土的狀態(tài)(密實(shí)度)”,分別為流塑(松散)、軟塑(稍密)、可塑(中密)、硬塑(密實(shí))、堅硬(很密);粉土用1、2、3代表規(guī)范中“土的密實(shí)度”,分別為稍密、中密、密實(shí)(3級)。填土按土質(zhì)參照執(zhí)行。

圖1 詳細(xì)分層編碼解析

1.4 詳細(xì)分層系統(tǒng)

勘察深度內(nèi)巖土第1級按時代+成因劃分為5個主層,第2級按時代成因+土名劃分為30個亞層,第3級按時代成因+土名+狀態(tài)分為31個次亞層(詳細(xì)分層),詳見表1、圖2。

圖2 北站深基坑地基工程地質(zhì)縱剖面圖(代表段)(單位:m)

表1 北站深基坑地基詳細(xì)分層系統(tǒng)說明表

2 昆明第四紀(jì)沉積環(huán)境演化與地層

4號線昆明火車北站主體基坑地基覆蓋層厚度大,若按照上述分層依據(jù)與原則研究地基的詳細(xì)分層系統(tǒng),有必要搞清楚昆明第四紀(jì)沉積環(huán)境演化與地層[9-10]。在新構(gòu)造運(yùn)動前期的漸新世E3晚期至中新世N1,昆明盆地處于一個相當(dāng)長的地殼寧靜、外力夷平環(huán)境,昆明地區(qū)地形達(dá)到了準(zhǔn)平原的標(biāo)準(zhǔn)。在上新世N2初,地殼不均勻上升,原來準(zhǔn)平原面抬升并遭到一定的破壞。西山斷裂和黑龍?zhí)丁俣蓴嗔阎g相對下降,形成斷陷盆地。

早更新世Q1,早期地殼又發(fā)生抬升,其特點(diǎn)為繼承南北向基底斷裂而又有不均一性,使前期地形高差加大。滇池盆地繼續(xù)下陷,滇池范圍逐漸擴(kuò)大,與北部龍頭街凹陷連成一片,并向東部發(fā)展。白邑地區(qū)沿斷裂下陷成谷盆,新街盆地亦具雛形。中后期地殼又變?yōu)檩^穩(wěn)定。滇池及新街等較大盆地為湖泊環(huán)境,滇池范圍逐漸擴(kuò)大,沉積環(huán)境模式為河流相-濱湖相,沉積滇池組(Q1d)地層,北站基坑勘察深度未揭示該層。

3 地基土概化分層

3.1 概化分層因素與方法

對復(fù)雜地基進(jìn)行概化分層研究,有利于揭示基坑圍護(hù)方案研究、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、地下水控制及施工關(guān)注的地基工程與水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其規(guī)律性[11]。土的強(qiáng)度對連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定、基坑壁穩(wěn)定、基坑整體穩(wěn)定、坑底隆起及土壓力大小均有重要影響;地基土的含水、透水性控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型及地下水控制方案。把土的強(qiáng)度及土的含水透水性作為地基概化分層的主要因素。地基內(nèi)的素填土微透水,黏土不透水,粉質(zhì)黏土弱—微透水,均概化為隔水層;淤泥質(zhì)土、泥炭質(zhì)土,具軟土的物理力學(xué)特性,對連續(xù)墻槽壁、基坑璧、基坑整體穩(wěn)定及周邊建構(gòu)筑物地基變形有控制性影響,均概化為隔水軟弱層;雜填土透水,圓礫、礫砂、中砂、細(xì)砂、粉砂強(qiáng)—中透水,粉土弱透水,均概化為透水層。

3.2 概化分層揭示的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及含水層特征

3.2.1 淺部孔隙潛水含水層

層頂深4.0～8.6 m,層底深31.2～42.3 m,厚25.0～38.3 m。以<2-11-2>含水層為主,夾<2-5-1>、<2-7-0>、<2-8-1>、<2-10-1>、<3-7-2>含水透鏡體,局部夾<2-1-2>、<2-2-2>隔水薄透鏡體。潛水水位變幅1～3 m,埋深1.8～5.6 m,連通性好、水量豐富,滲透系數(shù)3.2～11.9 m/d,屬中—強(qiáng)透水。

3.2.2 中部孔隙承壓水含水層

層頂深32.5～42.3 m,層底深52～57 m,厚12.90～20.68 m。由<3-5-2>、<3-7-2>、<3-8-2>、<3-10-2>、<3-11-2>含水層構(gòu)成。K9+967—K10+132含水層呈較大凸透鏡狀產(chǎn)出于<3-1-3>、<3-2-3>隔水層下,其中K10+28.3—K10+68.3含水層厚5.4～9.4 m,含水層與隔水層厚度比為0.51～1.12;K10+132—K10+171含水層尖滅,隔水層厚18.4～20.5 m;K10+171—K10+331含水層呈一個薄透鏡和一個較大的凸透鏡狀產(chǎn)出于<3-1-3>、<3-2-3>隔水層中或其下部,薄透鏡狀含水層厚度0.0～1.8 m,凸透鏡狀含水層在K10+222—K10+273厚3～6 m,含水層產(chǎn)出于隔水層中,連通性差。整個含水層連通性一般,部分連通性差或不連通,水量較豐富,承壓水位埋深10.6 m,滲透系數(shù)6.4～7.9 m/d,屬中透水。

3.2.3 下部孔隙承壓水含水層

層頂深52～57 m,層底深74.5～79.5 m,厚19.2～26.0 m。由<6-5-2>、<6-7-2>及局部<6-8-2>、<6-10-2>含水層構(gòu)成,呈層或透鏡狀分布于<3-1-3>及<3-2-3>隔水層之下,夾于<6-1-3>、<6-2-3>和<6-4-2>隔水層之間或為互層。2個較大的層狀含水層厚19.2～26.0 m,與隔水層為互層狀,除了2個較大的層狀含水層,剖面內(nèi)還顯示有1、2個不規(guī)律分布、厚6～8 m的透鏡狀含水層夾在隔水層之中,層狀含水層連通性好,透鏡狀連通性差或不連通。整個含水層連通性一般或差,承壓水位埋深8.3 m,水量較豐富,滲透系數(shù)11.0～12.1 m/d,屬強(qiáng)透水。

3.2.4 深部孔隙承壓水含水層

層頂深74.5～99.5 m,厚0.5～4.2 m。由<8-5-2>、<8-7-2>、<8-10-2>含水層構(gòu)成,呈條帶狀或透鏡狀,連通性一般,滲透系數(shù)0.5～10 m/d,屬弱—中透水。

4 層組工程地質(zhì)分析

4.1 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

采用如下方法獲得地基土的分層及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo):

1)研究區(qū)域及場地周邊既有工程的勘察資料。

2)布置勘探及測試:①鉆探取芯,鑒別分層,進(jìn)行地質(zhì)描述。②原位測試:標(biāo)貫、動探、靜力觸探及十字板剪切試驗。③物探:剪切波速、地溫及電阻率測試。④抽水試驗:測定含水地層的滲透性、富水性。⑤取樣試驗:實(shí)測土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

3)按照前述詳細(xì)分層的依據(jù)、原則和分層編碼方法進(jìn)行分層、作圖、統(tǒng)計計算,推薦地基各土層的物理力學(xué)性質(zhì)及建議設(shè)計指標(biāo)[9],結(jié)果見表2。

表2 詳細(xì)分層主要物理力學(xué)性質(zhì)及建議設(shè)計指標(biāo)

4.2 基坑深度范圍地層性質(zhì)及主要巖土工程問題

基坑深度范圍地層性質(zhì)見表3?；由疃确秶鷥?nèi)含水層厚度占65%,其中圓礫層厚度占79%,隔水層透鏡狀分布于含水層中,開挖深度系以圓礫為主的潛水含水層,中—強(qiáng)透水,含水層與地表水有水力聯(lián)系,水量豐富,水位淺,基坑易發(fā)生較大滲水、涌水,坑壁及坑底易產(chǎn)生潛蝕、流砂、管涌,不利抗浮及抗隆起。地下水控制不當(dāng)會引起周邊建構(gòu)筑物過大沉降。

表3 基坑深度范圍地層分析結(jié)果

4.3 基坑底地層性質(zhì)及主要巖土工程問題

基坑底地層性質(zhì)分析結(jié)果見表4。左剖面18個鉆孔,若忽略xz-11孔及xz-14孔的<2-1-2>隔水層,則11孔基坑底面為含水層,厚0.90～5.96 m,7孔基坑底面為隔水層。即坑底面處有0.00～5.96 m厚的含水層,其下為第一個穩(wěn)定隔水層,厚4.5～20.5 m。預(yù)計地連墻穿過坑底下厚4.5～20.5 m的穩(wěn)定隔水層,形成落底式截水帷幕,有利于基坑地下水控制。但潛水位埋深淺(地面下1.8～5.6 m),坑底含水層易產(chǎn)生潛蝕、流砂、管涌。

表4 基坑底地層性質(zhì)分析

4.4 連續(xù)墻嵌固段地層性質(zhì)及主要巖土工程問題

按主體基坑左右剖面34個鉆孔統(tǒng)計,預(yù)計地下連續(xù)墻嵌固段隔水層平均厚度為21.9 m,嵌入段隔水層厚與嵌固深度之比為0.67。嵌固段系隔水層為主,對地下水控制較為有利。連續(xù)墻穿過淺部孔隙潛水,嵌入中、深部孔隙承壓水含水層(水頭埋深10.6、8.3 m),在潛水水壓及承壓水頭差作用下,連續(xù)墻槽壁或帷幕樁樁壁易產(chǎn)生潛蝕、流砂、管涌[12];嵌固段2個承壓含水層對基坑抗浮及坑底抗隆起均有影響。

4.5 軟黏性土、軟土性質(zhì)及主要巖土工程問題

地基內(nèi)的<2-1-2>、<2-2-2>為可塑狀軟黏性土;<2-3-2>、<3-4-2>、<6-4-2>及<8-4-2>為軟土,可塑—軟塑狀。軟黏性土和軟土(其分布與性質(zhì)見表1、表2)對基坑壁、基坑整體及連續(xù)墻槽壁等的穩(wěn)定不利[13],地下水控制不當(dāng)易引起超預(yù)期沉降,影響周邊建(構(gòu))筑物的正常使用。

5 巖土層組劃分合理性

5.1 工程地質(zhì)剖面沉積層組分析

分析工程地質(zhì)剖面知,由深至淺土層的顆粒粒徑變化總趨勢是相對由細(xì)變粗,這與區(qū)域早更新世Q1早期地殼發(fā)生抬升、中更新世Q2地殼上升數(shù)千米、晚更新世Q3地殼為小幅度的震蕩升降、全新世Q4地殼又抬升加劇的沉積環(huán)境演化模式相統(tǒng)一;在總趨勢內(nèi),勘察深度內(nèi)土層顆粒存在多次由粗至細(xì)的正旋回,與第四紀(jì)以來滇池水位經(jīng)歷了三起三落,其間存在小幅震蕩的沉積環(huán)境演化相關(guān)[10,14];各鉆孔相同的主層、亞層土質(zhì)土性相近,詳細(xì)分層層組土質(zhì)及物理力學(xué)性質(zhì)較一致,層間分層明顯,土質(zhì)以漸變?yōu)橹?但分層對比清楚,與沉積環(huán)境演化、層組劃分的詳細(xì)程度具有好的相關(guān)性。

5.2 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)離散性分析

層組劃分按照現(xiàn)場鉆探巖芯鑒別描述并結(jié)合原位測試和土工試驗進(jìn)行,理想狀態(tài)是層組的物理力學(xué)性質(zhì)變化不大。Ingles和Harr教授曾給出國外土工指標(biāo)的變異系數(shù)值[15];國內(nèi)采用巖土指標(biāo)變異系數(shù)的大小評價巖土層的變異性[6]?？辈煲?guī)范[6]將土的狀態(tài)(密實(shí)度)分為流塑(松散)、軟塑(稍密)、可塑(中密)、硬塑(密實(shí))、堅硬(很密)5級;粉土分為稍密、中密、密實(shí)3級。國標(biāo)地基基礎(chǔ)設(shè)計、建筑樁基和基坑規(guī)范也有按土的狀態(tài)(密實(shí)度)推薦采用土的相關(guān)計算參數(shù)的情況。根據(jù)規(guī)范[6-8]要求,詳細(xì)分層應(yīng)按土的狀態(tài)(密實(shí)度)劃分到次亞層即詳細(xì)分層。北站深基坑詳細(xì)分層物理指標(biāo)變異性為很低—中等,力學(xué)指標(biāo)變異性為中等—高,分層詳細(xì)程度和主要指標(biāo)變異系數(shù)的大小協(xié)調(diào)(見表5)。

表5 北站深基坑地基詳細(xì)分層主要指標(biāo)變異系數(shù)(δ)

5.3 施工監(jiān)測結(jié)果及運(yùn)營分析

依據(jù)規(guī)范[8],結(jié)合基坑支護(hù)設(shè)計布置施工變形監(jiān)測(圖3),中鐵西南科學(xué)研究院有限公司于2018年7月26日至2019年10月30日完成了14期施工監(jiān)測月報。經(jīng)過施工階段逐月統(tǒng)計分析,墻頂水平位移、建筑物沉降、土體水平位移3種監(jiān)測的測點(diǎn)數(shù)分別為34、134、5個,其監(jiān)測值最大累計、最大變形速率均未超限。監(jiān)測到的超限測點(diǎn)均為局部點(diǎn)、單點(diǎn),無系統(tǒng)性、連鎖性、累進(jìn)性及破壞性的超限情況(表6)。施工階段沒有發(fā)生影響施工及基坑自身穩(wěn)定的事故,施工、運(yùn)營期間(已近3年)無影響車站及周圍建(構(gòu))筑物正常使用的情況。

圖3 北站深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計及變形監(jiān)測布置圖(單位:m)

表6 監(jiān)測超限統(tǒng)計(2018.07.26～2019.10.30共14期)

6 結(jié)論

1)提出了巖土工程詳細(xì)分層依據(jù):地層時代、成因、土名、狀態(tài);詳細(xì)分層原則:按時代+成因類型劃分主層,按土層名稱劃分亞層,按土層狀態(tài)(密實(shí)度)劃分次亞層;詳細(xì)分層編碼方法。

2)按分層依據(jù)、原則及編碼方法,詳細(xì)研究了昆明第四紀(jì)沉積環(huán)境演化與沉積地層,建立了地基詳細(xì)分層系統(tǒng),北站深基坑地基分5個主層、30個亞層、31個詳細(xì)分層,詳細(xì)分層完全符合現(xiàn)行勘察設(shè)計規(guī)范要求,分層層號工程意義直觀。

3)針對關(guān)注的地基工程與水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及規(guī)律性,提出了地層強(qiáng)度和透水性為概化分層要素,將地基土概化為隔水層、隔水軟弱層、透水層。概化模型清晰地反映出勘察深度范圍內(nèi)地基存在的4個含水層的分布及其主要工程水文地質(zhì)特點(diǎn)。

4)基坑深度范圍內(nèi)含水層是以圓礫為主的潛水含水層,底面60%為砂類土含水層,基底下存在2個砂類土承壓水含水層。在水頭壓差作用下,基坑易發(fā)生較大滲水、涌水,基底及預(yù)計連續(xù)墻槽壁易產(chǎn)生潛蝕、流砂、管涌,對基坑抗浮及坑底抗隆起有影響;預(yù)計地連墻形成落底式截水帷幕,對地下水控制相對有利,但地基內(nèi)軟黏性土及軟土對坑壁、基坑整體及連續(xù)墻槽壁等的穩(wěn)定不利;地下水控制不當(dāng)易引起超預(yù)期沉降。

5)通過工程地質(zhì)剖面沉積層組分析、土層主要物理力學(xué)指標(biāo)離散性分析以及施工監(jiān)測結(jié)果和運(yùn)營分析,均證明詳細(xì)分層物理力學(xué)性質(zhì)及建議設(shè)計指標(biāo)可靠,本文給出的巖土工程層組劃分是合理的。