上海市地鐵隧道工程地質(zhì)條件分析

上海市地鐵隧道工程地質(zhì)條件分析

1工程地質(zhì)條件我國我國城市軌道交通內(nèi)目前，上海軌道交通線網(wǎng)絡(luò)已開通11條線路和26條車站，運(yùn)營距離為210公里。未來還有許多路線將投入建設(shè)。受到上海地區(qū)用地條件的限制,大部分地鐵均位于地下,深度一般在50m以淺。上海地區(qū)淺層分布有厚度較大的軟土和砂、粉性土,這些特有的工程地質(zhì)條件給軌道交通建設(shè)帶來較大的難度和風(fēng)險(xiǎn)隱患,不僅在地鐵基坑工程、區(qū)間隧道工程建設(shè)中都出現(xiàn)過不同程度的工程事故,也大大增加了工程建設(shè)投資和運(yùn)營維護(hù)成本,并威脅著今后軌道交通的正常運(yùn)營管理。結(jié)合上海地質(zhì)背景特征,作者總結(jié)了上海地區(qū)地鐵隧道建設(shè)中的工程地質(zhì)條件,并通過近年來對大量地鐵隧道工程建設(shè)中出現(xiàn)的地質(zhì)問題進(jìn)行分析研究,討論了建設(shè)中出現(xiàn)的主要地質(zhì)問題的原因及其危害,作為工程設(shè)計(jì)、施工的參考依據(jù)。2工程地質(zhì)條件上海境內(nèi)除西南部裸露有零星火山巖殘丘外,基巖面被厚約250～350m的第四系所覆蓋。由于基巖出露面積較少,工程地質(zhì)條件主要涉及100m以淺的主要由軟土、粉土和黏性土組成的第四系松散土體,其中與地鐵隧道工程建設(shè)密切相關(guān)的主要為淺部砂、粉土層(上海地區(qū)地基土層號分別為②3、⑤2、⑦層)和軟土層(上海地區(qū)地基土層號分別為③、④層)。2.1層序地層及層壓上海地區(qū)埋深50m以淺的砂土、粉土主要有②3層砂質(zhì)粉土、⑤2砂質(zhì)粉和⑦層粉砂,由于砂、粉性土處于飽水狀態(tài),且上海地區(qū)地下水位高,地鐵隧道施工時(shí)易產(chǎn)生流砂、管涌、突涌等現(xiàn)象。第②3層巖性主要為砂質(zhì)粉土,部分地區(qū)為粉砂,埋深總體變化不大,層頂標(biāo)高一般在2m左右,但厚度變化較大,在1～27m之間;崇明島、長興島等島嶼地區(qū)厚度最大,一般均大于11m,其余地區(qū)厚度一般小于5m。該層含水量為26.8%～38.3%,壓縮系數(shù)0.20～0.42MPa-1,靜探Ps值為0.96～3.47MPa,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N63.5在1.6～6.9之間。第②3層也是上海地區(qū)的潛水含水層。第⑤2層砂質(zhì)粉土、粉砂為溺谷相沉積,分布于古河道切割區(qū),在崇明島、長興島等島嶼地區(qū)普遍分布,而市區(qū)則局部分布,且不連續(xù)。該層巖性以砂質(zhì)粉土為主,部分地區(qū)下部為粉砂,埋深、厚度變化大,除島嶼以外地區(qū)層頂標(biāo)高為-14～-28m,厚度為2～8m,島嶼區(qū)層頂標(biāo)高為-29～-42m,厚度3～18m。⑤2層含水量一般為26.9%～36.8%,靜探Ps值一般為2.60～7.80MPa,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N63.5一般在10.7～16.5之間。第⑤2層也是上海地區(qū)的微承壓含水層。⑦層砂質(zhì)粉土、粉砂為濱海-河口相沉積,由于受到古河道切割,該層埋深、厚度變化較大。正常沉積區(qū)埋深為28～31m,西北部寶山局部地區(qū)埋深則一般小于26m,西部青浦、金山、嘉定等地區(qū)埋藏最淺,一般為9m。古河道切割區(qū)則由于切割深度的不同,使該層埋深變化差異較大,從35m到50m不等。該層厚度表現(xiàn)為西部薄,東部厚,正常沉積區(qū)厚,古河道切割區(qū)薄的特征。西部及寶山地區(qū)厚度為2～10m,中心城區(qū)南部厚度最大,最厚大于36m。⑦層含水量一般為18.5%～33.1%,壓縮系數(shù)0.09～0.25MPa-1,靜探Ps值一般為10.2～25.8MPa,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N63.5一般在36.0～50之間。⑦層也是上海地區(qū)的第一承壓含水層。2.2穩(wěn)定性控制及材料埋深上海為典型的軟土地區(qū),地鐵隧道工程建設(shè)范圍內(nèi)廣泛分布淤泥質(zhì)黏性土層(③、④層)。軟土層以淤泥質(zhì)黏性土為主,其中第③層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主,第④層基本為淤泥質(zhì)黏土。③層土自東向西由濱海沼澤向湖沼相沉積過渡,巖性上有所變化,西部地區(qū)一般黏性土層和淤泥質(zhì)土層均有分布,含水量較小,壓縮性較低,夾粉土薄層少,工程性質(zhì)較好,而東部地區(qū)則屬水動(dòng)力條件更弱的濱海-淺海相沉積,以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主,且普遍夾有粉土、粉砂薄層,工程性質(zhì)差。④層土均為淺海相沉積,以淤泥質(zhì)黏土為主。軟土層一般埋深在1～5m之間(圖1),但在南匯東灘地區(qū)以及島嶼地區(qū)埋藏較深,層頂標(biāo)高在-7～-16m之間。軟土層厚度變化不大,島嶼區(qū)一般為16m,其余地區(qū)為6～20m。軟土所具有的不良工程地質(zhì)特性對地鐵隧道建設(shè)將產(chǎn)生不同程度的不良影響。3市地水位分布上海地區(qū)地下水位埋深淺,地鐵隧道等地下工程不但在施工過程中受到地下水的影響,而且建成后還將長期位于地下水位以下,因此,必須重視地下水對地下空間開發(fā)的影響問題。上海地區(qū)與地下空間開發(fā)建設(shè)密切相關(guān)的潛水含水層、微承壓含水層和第一承壓含水層。潛水水位動(dòng)態(tài)較為穩(wěn)定,但年內(nèi)有一定的變化幅度,水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律多年基本相似。2009年上海地區(qū)中心城區(qū)以外水位標(biāo)高基本保持在3.5m左右,變化幅度一般為0.5m;而位于市中心地區(qū)的潛水水位總體處于相對低的狀態(tài),水位標(biāo)高在2.4m左右。微承壓含水層由于分布不連續(xù),長期以來未有該層的水位動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù),僅有工程勘察時(shí)的短期觀測數(shù)據(jù),不能反映其變化規(guī)律。近年來,我院設(shè)置了大量的微承壓含水層水位長期觀測孔,根據(jù)2009年的監(jiān)測數(shù)據(jù),市中心南部世博會會址區(qū)周圍黃浦江兩岸水位相對較低,標(biāo)高一般小于-4m,其他地區(qū)一般在-1～-3m之間,而市中心以外地區(qū)相對較高,一般大于-2m。第一承壓含水層水位總體穩(wěn)定,部分時(shí)間段變化較大,變化幅度總體在1～2m之間(圖2),但在該含水層與下部含水層溝通區(qū)變化幅度較大。2009年位于外環(huán)線北部的寶山、楊浦區(qū),浦東新區(qū)北部高橋等地區(qū)水位相對較高,地下水位標(biāo)高基本界于0.5～-2m。普陀-閘北—浦東金橋一線以南的廣大地區(qū),地下水位相對低,界于-3～-5m,最低水位分布于南部塘橋、世博園區(qū)等地區(qū),地下水位標(biāo)高普遍在-4～-5m左右。4土層工程地質(zhì)問題根據(jù)上述工程地質(zhì)條件,地鐵隧道車站影響范圍內(nèi)的地基土層以軟黏性土和砂、粉性土為主,建設(shè)過程中引發(fā)的主要工程地質(zhì)問題有砂、粉性土的流砂、軟土地基變形、基坑突涌水問題,此外還有因施工引起的變形、穩(wěn)定等問題。4.1等地表體下穿越的砂、粉性土層上海地區(qū)大部分地鐵車站均需進(jìn)行基坑開挖,在開挖過程中需進(jìn)行降水,從而使坑外地下水位大于坑內(nèi),由于地下水位較高,施工過程中往往發(fā)生流砂問題。流砂發(fā)生時(shí)能造成大量的土體流動(dòng),引發(fā)基坑邊坡失穩(wěn)、塌方及塌陷等地質(zhì)災(zāi)害,使周圍環(huán)境受到嚴(yán)重破壞,特別是當(dāng)?shù)叵鹿こ虖慕?、河等地表水體以下穿越時(shí),流砂造成的管涌可能使大量泥砂和地表水體涌入地下結(jié)構(gòu)物,造成重大財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡。上海地區(qū)地鐵車站基坑開挖揭露的砂、粉性土層主要為上述的②3、⑤2、⑦層。依據(jù)基坑開挖所揭示的上述土層空間分布特征,本文繪制了上海市市區(qū)地鐵車站基坑工程施工中的產(chǎn)生流砂問題嚴(yán)重程度分區(qū)圖(圖3)。從圖中可看出,對于地鐵車站等開挖較大的基坑工程,施工時(shí)產(chǎn)生流砂的可能性非常大,該圖可為車站設(shè)計(jì)、施工提供參考依據(jù)。上海地區(qū)地鐵隧道施工時(shí)因流砂導(dǎo)致的工程事故屢見不鮮,如2003年7月,上海市某軌道交通施工中就有因⑦層的流砂問題而導(dǎo)致施工事故。事故地點(diǎn)隧道埋深約35m,處于第⑦1、⑦2砂性土之中,由于施工中聯(lián)絡(luò)通道出現(xiàn)滲水,隨后出現(xiàn)大量泥沙涌入,引起地面大幅沉降,導(dǎo)致附近防汛墻折斷、新建排水泵站毀壞,附近二幢八層樓房由于嚴(yán)重傾斜而拆除(圖4),造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。4.2軟土變形特征上海地區(qū)軟土層③、④層具有高含水量、大孔隙比、低強(qiáng)度、高壓縮性等性質(zhì),在外荷載作用下壓縮變形量大,易產(chǎn)生較大的沉降。根據(jù)已有的監(jiān)測資料分析,上海地區(qū)區(qū)間隧道施工大部分區(qū)域涉及軟土層,軟土層厚度越大,壓縮性越高,沉降量越大。而且隧道為線性工程,沿線軟土層分布特征的差異將會造成不均勻沉降,致使軌道產(chǎn)生裂縫,嚴(yán)重影響隧道的正常運(yùn)營。圖6為上海市某地鐵工程某一段自建設(shè)至今累計(jì)沉降變形量,該段基本位于軟土區(qū),從圖中可看出最大變形量達(dá)150mm,而最小僅約10mm,差異變形量達(dá)140mm。此外,軟土由于抗剪強(qiáng)度低,基坑開挖時(shí),坑邊難自立,從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn);軟土還具有明顯的流變特征,對于基坑工程,開挖時(shí)易產(chǎn)生側(cè)向變形和剪切破壞,導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或邊坡失穩(wěn);軟土還具有明顯的觸變特性,若土體受到擾動(dòng)或震動(dòng),影響土體結(jié)構(gòu),會使強(qiáng)度驟然降低,導(dǎo)致土體沉降或滑動(dòng),使地鐵隧道施工的安全度降低。4.3易產(chǎn)生突涌問題土層上海地區(qū)由于淺部承壓含水層水頭高,地下空間開發(fā)中常受淺部承壓含水層地下水影響而發(fā)生基坑突涌現(xiàn)象?；油挥恐饕l(fā)生在車站基坑開挖以及聯(lián)絡(luò)通道施工等過程中。當(dāng)基坑開挖超過一定深度,在高水頭地下水作用下,坑底下地基土不足于抵抗承壓水水頭壓力,可能會使坑底土層產(chǎn)生隆起現(xiàn)象甚至破壞,嚴(yán)重時(shí)地下水和砂土一起突然涌出,淹沒已開挖的基坑,從而造成地面塌陷或基坑邊坡失穩(wěn),不僅對工程本身安全造成影響,對周圍環(huán)境也帶來嚴(yán)重影響。上海地區(qū)易產(chǎn)生突涌問題土層主要為⑤2、⑦層砂、粉性土層,該兩層分別是上海地區(qū)的微承壓含水層和第一承壓含水層,根據(jù)上述水文地質(zhì)條件可知,承壓水頭較高,基坑開挖面或盾構(gòu)施工時(shí)易形成較大的水頭差,極易誘發(fā)基坑突涌問題。因此,在地鐵車站基坑開挖施工工程中,應(yīng)特別重視該兩層土引發(fā)的基坑突涌問題,施工時(shí)做好降水工作。根據(jù)⑤2層微承壓含水層和⑦層第一承壓含水層空間分布特征及水位變化特征,結(jié)合上海地鐵車站開挖影響范圍內(nèi)的地基土層,本文繪制了市區(qū)20m基坑產(chǎn)生基坑突涌程度分區(qū)圖(圖5)。5淺部質(zhì)質(zhì)問題(1)上海地區(qū)影響地鐵隧道工程建設(shè)的主要地基土層為淺部軟土層及砂、粉性土層。其中軟土層有第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)黏土,砂、粉性土主要有