北京市区地铁、深基础岩土工程特征及降水技术.doc

北京市区地铁、深基础岩土工程特征及降水技术侯景岩（国土资源部 教授级高级工程师）摘要：本文由北京四环路以内浅层（埋深30米以内）土质分区入手，介绍地铁、深基础施工中各区段的工程地质和水文地质条件，并对与之相关的工程环境进行分区，同时介绍降水技术。关键词：北京市区、岩土分区、工程环境、降水北京平原区是一个北部、西部靠山，东南部连接华北大平原，不甚完整的盆地地区，燕国建都以来已有3000年的城市建设历史，由局部看，是一个西北高（标高70-90米）东南低（标高30米左右）的第四系沉积平原。北部为阴山山系，西部为太行山系。有五大河流（大清河、永定河、北运河、潮白河、泃错河）由西北向东南入海，各河流所携带的堆积土石是北京平原的主要组成物质。河流相的砂、砂砾石、砂卵石以及各类粘性土，互层而生。地下水以不同埋藏形式，赋存其中，形成了北京平原工程地质条件中的水文特点。本文拟以地铁以及一些工程为对象，讨论它的岩土工程环境，同时讨论一些与之相关的工程分区问题。图一 北京的地形及河系一、 北京市区的岩土工程特征北京平原即北京行政区所辖平原区16800Km2 ，而北京市区即东城、西城、崇文、宣武、朝阳、丰台、海淀各区所属的建成区只有400 Km2，地铁工程及高大建筑物多分布在本区之内，这也是本文的讨论重点。北京市区是北京平原的一个局部。就岩土工程条件看，它有如下特点：（一）三大河系沉积物控制其成长发育：北京古地理及其沉积环境，是一个很复杂的问题，以将今比古的研究方法看，永定河、北运河和潮白河这三条河流是对北京市区影响最大的三条河系，也就是说以永定河为主的三条河流所带来的沉积物构成了北京市区所属范围。特别是更新世晚期和全新世时期。其特征是山前几个冲积扇相连；西部、中部以及西南部为永定河的堆积物；北部为北运河的现代堆积物；东部为潮白河的影响区。所形成的沉积物：第四系地层厚度西部复兴门以西为30-40米、中部天安门一带为70-80米、东部建国门以东为120-200米。岩土组成特征：西北岩土颗粒粗、东南岩土颗粒细；西北为单一的砂卵石含水层、东南为砂砾石与粘性土互层；西北为单一潜水区、东南为潜水与承压水并存区。岩土物理力学性质：因岩土颗粒组成、结构构造以及含水特性的不同而有所差异，相关指标各勘察资料均有记载，这里不一一赘述。由地形上看，西部高、东部低、北部高、南部低。图二 市区阶地分布及标高示意图作为其佐证，请看穿过市区南北向地铁各站地面标高即可看出，各级阶地和河漫滩，产生不同的地层结构。（二）古老岩系控制了市区第四系地层岩土工程特性：图三 市区基底东西向剖面由图三“市区基底东西向剖面”可以看出，北京市区基底由三个部分组成，即西部古老岩系、东部大兴隆起和中部北京凹陷。1、西部古老岩系：埋深20-40米，由煤系地层为主组成，下伏奥陶系石灰岩，将西山雨水导入平原，对平原工程条件影响甚大。2、中部北京凹陷：即著名的北京沉降带，东西宽约30华里，（航天桥高碑店），东北西南向分布，广安门一带厚约3000米。由不透水、半胶结的第三系红灰色砂砾岩组成，天安门地面70米以下即为第三系，它控制了地下水的运动和分布，对全区工程、水文地质要件有着重大影响。3、东部大兴隆起：实际是一个潜伏在地下的隆起带，分布在通县县城和大兴县城的连线上，是由寒武、奥陶系灰岩组成，岩溶发育，埋藏又较深，其供水方面的意义，大于工程地质方面的影响。二、市区浅层（30m以上）第四系地层的分布规律。按本区地层、岩性、富水性以及其它水理特性综合分区为以下五区。1、富水区（区）：浅层水井的单井出水量大于30m3/h。 本区主要分布在海淀区紫竹院、阜城门、天坛以西地区，岩性主要以砂砾石、砂卵石、粗中砂为主，粘性土多以夹层或透镜体状态分布，西部及北部含水层颗粒粗，东部及南部含水层颗料细，主要含水层水位埋深在19m上。地区平均含水层厚度13 m左右，含水层渗透系数80-120m /d，平均水力坡度千分之二，局部有第三系地层隆起。图四 浅层（30m以上）第四系富水性分区2、较富水区（区）：浅层水井的单井出水量20-30m 3/h。本区主要分布在市中心地带，以故宫为中心，呈Y字型南北向的条形地带，即五道口、阜城门、天坛公园以东、东直门、建国门、吕家营以西地。地面标高44m左右。地层分布主要以圆砾、砂砾卵石为主，一般有厚层的粘性土分布其间。表现出明显的分层性，地层颗粒由北向南略有变细的趋势，地层平均含水层厚度8-12m。地下水基本流向由西北向东南，地下水位比较混乱，水位埋深17-19m。含水层渗透系数50-80 m /d。平均水力坡度千分之1.5。3、中等富水区（区）：浅层水井的单井出水量10-20m3/h。共分两个亚区，1区是在城区东部西坝河、东直门、建国门、吕家营以东，东四环以西地带；2区，西北至西直门以北、东北至西坝河曙光里，南到北新桥、后海的一个U字形地带。地层主要为砂、砂砾与粘性土互层。平均渗透系数20-60m/d，地下水位埋深15-17m。4、弱富水区（区）：浅层水井的单井出水量5-10 m3/h。1区主要分布在北三环路安贞桥及马甸桥以北的U字形地带，西北至东升路、东北至太阳宫一带。2区主要分布在亚运村及安外小关地带，为一个逐渐向北扩大的半圆形，向北又进入另一个富水区。3区主要分布在玉渊潭以南，公主坟附近一个东西长、南北短的环形地带。本区地层主要以砂质粘土、粉质粘土等粘性土为主，在粘性土之间夹部分中细砂或粉细砂层，地层岩性分层界限不清，浅层难以成井。不同的是3区是因第三系岩层隆起至使第四系地层变浅而划入第四区，出水量较1、2区为大，但不稳定。本区渗透系数10-40m/d，水位埋深14-20m，3区水位较其他地区为深。地质学院图五 市区浅层南北向剖面图六 市区浅层东西向剖面5、贫水区（V层）：浅层水井的单井出水量小于5m3/h。共分2个亚区，V1区位于北京市北部中轴线，北三环路以北、亚运村南呈U字型分布。向西北及东北延伸，西北至地质大学，东北至干杨树附近。V2区分布在西部公主坟地区，范围很小，只有1.2平方公里。本区地层主要以粘性土、砂质粘土、粉质粘土为主，中央有少量粉质砂层及砂层透镜体。V2区公主坟出水量不稳定。三、北京地铁4#、5#、10#线各地铁站段岩土特性就此三条地铁线路第四系地层颗粒而论、西部粗、东部细。南北两头粗、中间细。西部水位埋深大，东部水位埋深浅。西部地层分层性差，东部地层分层性好。可将各线按岩土工程条件概略的进行分段：1、地铁四号线：全线多砂砾类土含水层，颗粒较粗、水位埋深较深，可将其分为4段。（1）新街口以南。属砂砾类土与粘性土互层分布区，砂类土多。南部为永定河主影响区。（2）新街口至黄庄。为较巨厚的砂砾卵石分布区。（3）黄庄至成府路。上部为粉土质地层，深部为砂卵石地层。（4）园明圆至龙背村。浅层砂砾卵石多，且极富水。2、地铁五号线：全线南北差异较大，南部为砂类土与粘性土互层，北部为粉质类粘土广泛分布。可将其分为2段。（1）北新桥以南为多层砂类土与粘性土互层，崇文门以南砂类土多。（2）北新桥以北为粉土质粘性土广泛分布，局部有砂卵石，粉土类地层自稳性好，但有少量层间水极难去除。北土城东路站以北地铁钻出地面，故未作分区。3、地铁十号线：全线穿过几个地质单元，岩土特性变化较大，概略地将其分为3段。（1）亮马河以南；为砂类土与粘性土互层出现，除南部外粘性土相对多余其他条线路，水位相对较浅。（2）亮马河至知春路为粉土质类粘性土广泛分布区，局部有砂卵石，土的自稳性较好，但有少量空间水，极难去除。（3）知春路以西，较少粘性土而多为巨厚砂卵石分布区，水位较深，地层颗粒较粗、掘进困难。颐和园一带有砂岩分布。图七 地铁4#、5#、10#线地理分布示意图以上只是一个粗略的工程地质分区，相信随着北京地铁等大型工程的大规模建设，不断的取得新的工程资料，还会取得一些新认识、新看法，使北京市区的岩土工程分区，更为成熟，更为完善。四、降水技术 自1896年德国建造柏林地下铁道采用深井降水以来，因地下铁道埋置深度的加大，施工人员无时无刻不在和地下水作艰苦斗争，施工降水也随之而有所发展。北京地区为降低地下水位采用多种工具及施工方法，将多种施工工艺系统配套以适应于各种地层，把地下水位下降到基础层以下，保证了以往各条地铁线路的建设的顺利进行，因而，也创造了一些成功的经验。（一） 降水工程的作用：在地下水位下，开挖隧道或深挖基坑时，采用降水的作用是：1、截住基坑或隧道侧面及基底的渗水，满足施工的需要；2、增加侧壁及边坡的稳定性，并防止侧壁或基层土壤流失；3、减少侧桩和隧道初期支护的压力，减少隧道内的空气压力；4、改善基坑和填土的砂土特性；5、防止基底隆起和破坏。总之，不仅施工作业面需要降水，同时水位降低能使土的有效应力增加，可使水位以下的土进一步固结，有加固基坑、隧道侧壁和基础强度的作用。（二）设计降水工程的依据：设计某一处的降水工程，需要搜集和了解以下方面的资料：1、地下水分布和埋藏条件：2、动水压力及流纲的分布；3、地层渗透性（渗透系数）；4、补给源及补给边界资料。总降水量计算公式，请参阅“建设中的北京地铁”（中国铁道出版社）。（三）北京地区常用的降水方法：1、轻型井点2、喷射井点3、深井井点（管井井点）4、渗水井点（自渗井）5、电渗井点6、辐射井点7、泄水暗沟（管）和明排等其他方法（四）辐射井的应用：北京北郊地区，由于地层透水性及降水井施工条件的限制，有些施工单位采用辐射井降水方法，北京地铁5#线已完成了十二眼降水辐射井，其特点如下：1、降水施工时，占用施工场地小。边长小于100米基坑只在四个角上设辐射降水井即可；2、充分发挥水平方向渗透性大于垂直方向渗透性的优势；3、机械设备的改进，已使主井可以用机械施工，水平井也可以克服地层方面的困难，大大提高了效率；4、可节省资金和电力：据有关方面统计，施工辐射井比普通深井井点贵14%，但深井点运转电费比辐射井贵30%，如果考虑地面拆迁费用、减少管线费用，辐射井综合成本还是有和深井降水比较的余地。辐射井 主井口径 3.23.3m（壁厚0.15m）水平井口径 89mm114mm（最终下入3英寸，波纹滤水管）水平井长度 3050m（五）降水引起沉降问题的讨论一般认为，地下水位下降后，该土的溶重由原有水下浮重增加到饱和容重，由于土的自重压力增加，再加上动水压力的作用，可能引起附加沉降。但在北京地区，由于下述原因：1、水位变幅的往复发生，多层水位下降区域沉降早已多次发生而近于完成；2、本区水位下降发生在砂层之中，基底式的砂粒接触，使砂粒支撑了部分水压力；3、粘土层释水的缓慢性。所以降水所引起的地面沉降，量有多大，不同地层不同降水方式沉降有什么变化，应加强测量监测，进一步加以讨论。（六）地下水含水层中砂土悬涌塌方分析：图八 管道漏水形成饱和砂土水丘示意图稳定的饱和砂土，在大量放水、放砂平衡状态被严重破坏，或者受到其他外力作用时，剪切力促使砂粒滑动而改变排列状态，应力由砂骨架转移至水，引起超孔隙水压力。当既有的全部应力转移至孔隙水后，超孔隙水压力等于原饱和砂所承受的总压力，形成了所谓的液化。此刻，水压不能承受剪切力这一特性的影响下，稳定饱和砂土变成流体，向着不平衡的方向掏空的隧道掌子面