杭州地铁1#线岩土工程的特点及问题

杭州地铁1#线岩土工程的特点及问题

1堡线路—引言规划中的杭州地铁1号线从临平出发，途经火车北站、武林广场、延安街、杭州火车站、秋涛街、福春江街，经过钱塘江，经滨江区至湘湖旅游区，再经过九宝支线。地下埋深10～20m，线路总长度61.095km，其中地下线约22.9km，高架线约35.085km，地面线2.05km,U型槽1.06m。全线共设车站34座(不含3座预站)，其中地下站17座、高架站17座，地面站1座，如图1所示。线路经过的都是客流量最大的路段，远期高峰每小时达到3.5万人。建成后的地铁1#线将成为市区内部公共交通骨干线，为改善市区交通、促进经济和文化发展服务。2沿线工程的水文条件2.1低山丘陵地形杭州市区位于钱塘江下游北岸，在地理环境上属我国长江三角洲区域；地形位置上处在天目山系余脉的低山丘陵与平原的交接地带，西南部为低山丘陵地形。本工程线段位于杭州东北部郊外广阔的冲积平原上，陆路交通发达，河道水系密布，沿线地势基本平坦，地面高程在4.14～8.42m之间，沿线除穿越滨江区、杭州城区、九堡镇、乔司镇到临平镇外，其余均为乡村民居及农田。2.2工程地质和剪切波速依据区域地质、地震资料，存在于本区的球川–萧山深断裂和昌化–普陀大断裂，为微弱活动性断裂。拟建工程按7度近震设防。场地沿线在地表下15m范围内分布的主要是粉砂性土层，15m范围内土层的平均剪切波速厚度加权平均值为170m/s，根据标准贯入试验及剪切波速试验综合判断结果沿线饱和粉砂性土层为局部液化。场地土属中软(场地)土，场地类别为III类。2.3加固一带3场地位于杭州东北部冲积平原区，第四纪覆盖层厚度达50～70m左右。上部主要为钱塘江近代冲积沉积的粉砂性土，下部为陆–海相软、硬土层交替沉积地层。根据区域地质资料及初勘钻孔资料，对场地沿线岩土层进行整理和分析，地表以下70m范围内自上而下分为如下11个大层：(1)人工填土层；(2)钱塘江冲积沉积层，河口相(Q43～Q42)；(3)第一软土层，最后一次海侵后期沉积淤泥质软土层，滨海、海湾相(Q42)；(4)第一硬土层。古苕溪河流、滨岸相、沉积层，Q41;(5)第二软土层，最后一次海侵早期沉积的淤泥质软土层，浅海、溺谷相(Q41)；(6)第二硬土层，陆相、河湖相及海陆交互相地层，此层曾出露地表，经氧化，沐滤及失水固结形成(Q32)；(7)第三软土层，第二次海侵软土沉积物(Q32)；(8)钱塘江及古苕溪江河床冲洪积层，俗称第三硬土层(Q32)；(8)a含砂(砾)粘土层；(8)b砂混砾石层；(8)c砂卵园砾层；(9)第四软土层，杭州第一次海侵沉积层(Q31)；(9)a粘土；(9)b粘土牡蛎层；(10)山前坡洪积层及古河谷洪冲积层，俗称第四硬土层(Q31)；(10)a含砾粘性土；(10)b砂卵砾石层；(11)基岩及风化带；(11)a基岩全风化带；(11)b强风化带；(11)c中等风化带；(11)d微风化带；(11)e未风化(新鲜基岩)。沿线各主要土层的物理力学性质指标见表1(部分指标合并)。2.4地下水对混凝土的腐蚀沿线浅部地下水属潜水类型，主要赋存于上部填土层及粉土、砂土层中，补给来源主要为大气降水及地表水，其静止水位一般在深1～4m，并随季节性变化。根据初勘资料场地沿线潜水层及承压含水层中地下水对混凝土无腐蚀性。沿线承压含水层主要分布于深部的圆砾层中，隔水顶板为其上部的粘性土层，该层承压水对混凝土无腐蚀性。3沿线高架站及区间的岩石工程问题分析3.1桩基方案比选高架段区间标准跨跨间距为25m，基础形式受地面道路宽度限制，独立承台尺寸小，类似于柱下独立承台基础形式，故相应柱基荷载大，所需的单桩承载力也大。与普通的公路高架桥不同，铁路高架桥采用的是整体道床设计，因此根据设计要求，高架桥基工后沉降要求高，一般需小于10mm。其次地铁轨道工程行车速度大，为保证运行安全，对桩基沉降量和差异沉降量的控制要求更严，故桩基方案的选择不但要满足单桩承载力的大小，而且桩基沉降量及沉降差也要满足工程设计要求。高架车站因上部荷重较大，加之车辆的启动、停靠、人流等活动荷载影响，其桩基设计要求比区间要求更高。在跨河桥、跨路桥段根据设计要求，桥墩均设置于河流及道路两侧，因此桥跨间距大，单桩受荷大，桩基沉降变形也大，故两侧桥墩部位桩基设计较标准跨部位要求更高。3.2层状结构及厚度根据上述工程特点，沿线高架桩基持力层的选择，除应满足单桩承载力要求外，还必须满足桩基沉降量特别是相邻桥基沉降差的要求。根据沿线地层分布特征，桩基持力层选择，分析如下：沿线浅部第(2)层粉性土厚约15～20m，各亚层锥尖阻力qc约为2500～8000kPa，呈稍密～中密状，土性尚可，但因埋藏浅，无法获取较高的单桩承载力。沿线中部第(4)，(6)层部分亚层以粉性土或粉砂为主，呈稍密～中密状，但总体呈透镜状分布，且厚度较薄，其下卧层为软粘性土层，对沉降及沉降差的控制极为不利，故不宜作为高架线路的桩基持力层。下部第(8)层圆砾及第(12)层中风化基岩，可获取较高的单桩承载力，并对控制沉降及沉降差极为有利，故为高架线路较为理想的桩基持力层。3.3预制桩方案比选根据沿线桩基础持力层的地下空间分布特点，高架线路(区间及车站)当采用下部第(8)层圆砾或第(11)层基岩中风化岩层作桩基持力层，桩身需穿越上部厚度较大的第(2)层粉性土及中部第(4)，(6)层粉性土与砂土亚层，并且桩端须进入密实的第(8)层圆砾层或中风化基岩一定深度，因此采用预制桩方案，桩体需穿越约50m深度的上覆土层，给沉桩施工带来极大困难，同时桩长也不易控制，因此根据杭州地区已建公路高架和肖甬线与浙赣线互通铁路高架经验，此类工程一般均采用大口径钻孔灌注桩方案。3.4高站和区间单链负荷估算沿线各高架车站及区间单桩竖向承载力估算见表2。3.5桥基变形沉降对于高架线路工程，桩基设计除应满足单桩承载力要求，还应满足桩基沉降量特别是相邻墩台间差异沉降要求。根据杭州大量工程实践经验表明，当工程选择第(8)层圆砾层及中风化基岩作为桩基持力层时，桩基总沉降量一般都较小，根据同类桥基工程经验，当桩端持力层钻孔孔底沉渣厚度被严格控制到小于设计值5.0cm时，或采用桩端孔底注浆工艺时，此时高架桥基的沉降值主要为施工期间发生在桩体上的弹性变形沉降值，而工后桩端下部地基压缩变形沉降值则很小，一般根据监测小于10mm，因此可使高架段(车站、区间)桥基变形沉降差满足设计要求。因此，高架车站及区间段勘察，应以桩基勘察为主，勘察深度应满足查清第(8)层砂砾层和第(11)层中风化基岩持力层及以上各土层的桩基物理学特性、灰岩岩溶稳定性等方面的要求。4地下连续墙围护地铁1#线有明挖法施工的地下车站与地下隧道区间分布。局部地下区间采用浅埋矩形隧道，埋深约为8～16m。对埋深≥10m的车站设计要求宜采用地下连续墙作围护，对埋深<10m的地下车站或区间宜用SMW工法作围护。沿线经过的工程地质区域的不同情况，就区间浅埋隧道和地下车站基础设置以及与之相关的基坑围护施工所带来如下的一些岩土工程问题，勘察中应引起注意。4.1基坑支护形式根据设计要求和杭州市基坑围护的实际经验，当隧道和地下车站埋设于高水位的第(2)层砂土地层中时，基坑的围护结构形式根据基坑的开挖深度不同，在杭州地区一般采用以下几种较为常用的支护形式：(1)当基坑开挖深度小于10m时，采用排桩加旋喷桩止水、坑内结合井点降水的围护结构；(2)当基坑开挖深度大于10m时，采用素混凝土与钢筋混凝土交圈排列的连续排桩、结合坑内降水的围护结构或者采用地下连续围护结构等形式进行基坑支护。因杭州地区的砂土层密实程度较大，搅拌机械一般无法搅动，SMW工法一般不适用。当隧道和地下车站埋设于第(3)层和第(5)层软土地层中时，基坑的围护结构形式根据其开挖深度的不同，一般采用以下几种较为常用的支护形式：(1)当基坑开挖深度小于10m时，采用排桩加水泥搅拌桩止水的围护结构，或者采用SMW工法(西湖隧道工程)；(2)当基坑开挖深度小于12m时，仍采用排桩加水泥搅拌桩止水坑内加多道内支撑的围护结构；(3)当基坑开挖深度大于12m时则采用地下连续墙围护结构等形式进行基坑支护，如杭州商城地下工程。因此基坑围护结构的选型，勘察时应充分考虑上述多种围护结构形式在不同地层中的应用特点，进行必要的工程地质与水文地质调查，为围护结构最终选型提供依据。4.2在基础上开挖岩石和土木工程的分析4.2.1砂类土层支护结构出现破坏的因素在砂土地层施作基坑工程，根据杭州地区基坑施工经验，当基坑开挖深度小于15m时，围护结构的水平位移，通过土方分段分区、逐层开挖、随挖随撑等施工措施，水平位移一般较易得到控制，其水平位移量一般可控制在4.0cm左右，因此当采用明开挖顺筑法或盖挖法施工时，由水平位移引起的对基坑周边建筑物及地下管线的影响程度一般较小，是一项在支护结构设计中容易得到保证的质量指标；但在较大厚度的砂类土层中，高地下水位和土体自身具有的强透水特性往往是控制基坑支护结构保持整体稳定的主要因素：(1)当支护结构插入坑底深度不足时，坑内外地下水在渗流力的作用下使坑内土体发生流砂而使支护结构发生整体破坏；(2)当支护结构因止水帷幕施工不佳坑壁漏水时，往往会引起管涌造成坑壁土体局部塌陷、地面破坏，如杭州城站某饭店工程属此类型；(3)当支护结构坑底存在第(4)，(6)层(部分亚层的粉性土，砂土)含水层时，赋存于土中的微承压水头压力超过顶板覆盖土的自重压力时，基坑坑底就会发生突涌事故，使支护结构遭受破坏，如发生于1998年杭州解百商城14m深3层地下室逆筑法施工的地下连续墙基坑不能按设计深度挖至预定标高属于此类型；(4)当支护结构坑底存在第(4)，(6)层(部分亚层的粉性土，砂土)含水层时，赋存于土中的微承压水头压力超过顶板覆盖土的自重压力时，基坑坑底就会发生突涌事故，当采用盖挖法施工可使地下连续墙墙底地基承载力严重不足，发生墙体下沉事故，导致连续墙作为地下车站墙体的一部分不能正常利用，因此勘察中研究地下水的水力特性是砂土基坑保持稳定的主要岩土工程问题。4.2.2基坑水平位移与支护结构在软土地层施作基坑工程，根据杭州地区工程实践，围护结构的水平位移不仅受支护结构的弹性变形控制，且受坑壁软土的流变作用控制。当基坑深度超过8.0m，坑壁土体的流变作用会突显出来，过大的水平位移不仅会影响基坑周边环境，而且还可使基坑的自身结构遭受破坏，因此控制软土地区基坑的水平位移是基坑设计中一项较重要的质量指标。除了采用分段分区、逐层开挖、随挖随撑的施工措施外，还须加强支护结构的刚度和支撑道数等设计方法来控制土体的侧向变形，从而达到控制基坑水平位移过大的目的。在深厚软土地层中，基坑稳定性除了与支护结构有关，还与坑壁土体的整体稳定有关：(1)当支护结构插入深度不足则可引起坑内土体隆起，坑外土体下沉；(2)当坑内被动区土体抗力不足(坑内土体水平变形过大)，则可引起坑壁土体整体破坏；(3)当支护结构坑底存在第(4)，(6)层(部分亚层的粉性土，砂土)含水层时，赋存于土中的微承压水头压力超过顶板覆盖土的自重压力时，基坑坑底就会发生突涌事故，使支护结构遭受破坏。因此加强软土基坑中软土强度和变形特性的各种测试是保证基坑设计安全可靠的主要岩土工程问题。4.2.3基坑截流和护坡本工程沿线穿越多条河流及众多小河浜，应充分注意地表水体对基坑开挖的施工影响，若不重视往往会发生基坑透水事故导致基坑淹没。根据经验可对水域段先截流施工，然后根据地层情况，选用排桩加旋喷桩支护或SMW工法施工，待地铁构筑物浇注完毕后，回填并挖除围护结构疏通河道。故在水域段基坑支护勘察，不仅要查明河流的断面形状，还应重点查明河底淤泥的分布状况和对围护结构不利的其他岩土工程问题，诸如暗浜等。5岩土工程勘探工程设计地铁1#线暗挖隧道区间主要分布于杭州主城区。沿线穿过繁华的商业闹市区，建筑物及地下管道密集，交通繁忙。正线隧道采用双单园盾构装配式结构，双单园间距为13.0～15.0m，直径D=6.0m，埋深10～20m。沿线场地地质条件复杂，地层分布有两个工程区：其一是钱塘江河口相冲积堆积的粉性土及砂性土，下卧海陆交互相沉积的淤泥质土和粘性土；其二是海陆交互相沉积的粘性土，地层软硬交替，地下水位高。根据初勘地质资料和隧道埋深情况，地下暗埋隧道沿线穿越的岩土层主要为流塑～软塑状的第(3)，(5)层软土和稍密～中密状的第(2)层饱和粉砂类土，局部地段的第(4)，(6)层硬可塑状的粘性土，隧道围岩类别为Ⅰ和Ⅱ类，土石可挖性分级为Ⅰ级，局部Ⅱ级。围岩极易变形，有水时土、砂常与水一齐涌出，且浅埋时易坍塌至地表。利用盾构自身具有的掘进和掩护土体的双重功能，无疑是最合适的方案。暗挖隧道穿越上述地层对盾构施工和环境造成的主要岩土工程问题有：(1)当盾构在第(3)，(5)层软土中推行由于软土层灵敏度高，强度低，土层易产生流动而造成开挖面失稳，进出洞部位极易发生塌方。(2)当盾构在第(2)层砂性土中推行由于地下水位高，砂土透水性强(渗透系数为10-3～10-4cm/s)，结构松散，极易发生流砂和涌水并引起开挖面失稳和地面下沉。(3)当盾构在第(4)，(6)层硬可塑状粘性土中推行(局部地段)，由于第(4)，(6)层粘性土的塑性指数IP大于17，盾构壳体可能因粘着造成盾构体推行困难，而使掘进进度放慢。同时，当盾构在第(4)，(6)层地层中推行时，可能会遇到具有微承压水头的砂土透镜体亚层，发生突发性的涌水和流砂，随着地层空洞的扩大从而引起地表大范围的塌陷。(4)当盾构开挖面，处于第(2)层与第(3)层，第(3)层与第(4)层，第(4)层与第(5)层，第(5)层与第(6)层软硬不均的交界面时，因软弱层排土过多可引起地层下沉，并可能