[PPT]南京地铁修建的相关工程地质与环境岩土工程问题_ppt

1、地铁修建的相关工程地质与环境岩土工程问题 提纲1. 工程背景与相关科研课题2. 主要工程地质问题 2.1 断裂控稳控水机制极其对工程稳定性的影响 2.2 土体工程地质层组的划分及敏感层组 2.3 城市浅埋隧道岩体质量评价体系以及声波测试结果的认识 2.4 地基变形参数的理论与测试问题及沉降变形控制的工程对策 2.5 静止土压力系数测定与盾构掘进控制 2.6 软弱敏感围岩加固机理与适宜性 2.7 水文地质条件对防排水与抗浮设计的影响 2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价3. 主要环境岩土工程问题 3.1 地铁工程环境背景调查的主要内容 3.2 地层移动与环境土工安全问题 3.3 地铁围岩

2、的传热与热环境演化 3.4 工程建设对水环境及生态环境的影响1. 工程背景及相关科研课题南京地铁规划的六条线路目前已完成完成的是1号线一期工程工程(16.99km) 及西延工程(4.8km)1. 工程背景及相关科研课题南京地铁1号线一期工程:全长: 16.9km (13 站) 10.4km 地下 (8 站) 6.5km 地面与高架 (5 站)西延线:4.8km（三站三区间）五种主要工法: T-D: 盖挖逆筑法 C-C: 明挖法 M: 矿山法 S: 盾构法 P: 挖孔桩、灌注桩与扩底桩等 1. 工程背景与科研课题1号线一期工程地貌单元：三个隆起：构造剥蚀残丘两段凹陷秦淮河古河道1. 工程背景与科

3、研课题地下水的类型及其相关参数1. 工程背景与科研课题工程地质特征 地貌变换，基岩起伏 断裂构造发育 岩土交替变化，岩性变化大 软流塑的极软地层与饱水粉细砂层 孔隙、裂隙、岩溶水三水并存，长江漫滩与秦淮河古河道 地下水极丰富 1. 工程背景与科研课题完成和正在进行的相关科研课题课题名称项目来源南京地铁工程勘察监理与详勘总报告的编制南京地铁工程指挥部城市浅埋隧道工程岩体质量分级研究南京地铁工程指挥部城市地下工程岩土体复杂工程特性研究江苏地质工程勘察院隧道工程建设对水环境及生态环境的影响江苏省交通科技项目地铁工程围岩热物理特性、传热模型与热环境演化规律的研究建设部科技攻关项目编号：04-2-17

4、2. 地铁修建的主要工程地质问题 2.1 断裂控稳控水机制与相关评价方法 四级结构面与工程的两类稳定性结构面是控制区域稳定性和岩体变形稳定性的关键因素，级 别不同的结构面所起角色不同，研究与评价模式亦不同。 区域断裂发震抗震评价 构造稳定性 场区断裂错动、蠕动抗断评价稳定性 断裂破碎带与软弱层控稳边界地质模型概化 变形稳定性 低级序小规模结构面弱化岩体岩体质量评价2.1 断裂控稳控水机制与相关评价方法 控制市区区域稳定性的的断裂主要有三条：郯庐、茅东、长江断裂。 Tanlu fault is deeply anchoring the crust with 2400 km length insi

5、de the Chinese territory. Maodong fault is shallowly anchoring the crust with 85 km length and 1.5-4km width. 郯庐、茅东断裂规模大，活动性强，但相对较远 (最近点分别为100km、 60 km ). 总体来说，工程的区域稳定性条件较好 (罗国煜,李晓昭. 1998).Maodong faultNanjingTanlu faultI 级区域性断裂 发震 抗震评价2.1 断裂控稳控水机制与相关评价方法 II级 场区断裂 错动与蠕动变形 抗断评价 In the city area, many

6、 faults have been found, in which the NWW Dinghuaimen-Gulou fault F2 (10km) and the NW Nanjing-Hushu fault F1 (80km) are comparatively large and were active to some degree during Quaternary period. They all pass through the axis of metro line1. Although they will not cause strong earthquake in view

7、of their scales, geologic features, etc., their influences on the foundation stability merit attention in the design of the project. F1、F2规模相对较大，并且Q4有一定的活动，结构设计中应予考虑。F1F2F3F4F5F6Lager faults in the city area2.1 断裂控稳控水机制与相关评价方法 III 级特定工程位置的断层破碎带与软弱夹层 控稳边界 地质模型与等效力学模型概化Fault gauges:Completely kaoliniz

8、ed or choritized 初步设计的群桩基础脚下有多段厚达10m 的断层泥，不仅会降低承载力，而且，已构成了控稳边界。2.1 断裂控稳控水机制与相关评价方法 IV级 低序次结构面 弱化工程岩体 岩体质量评价 IV-1: 破碎带 工程地质岩组的划分IV-2: 侵入接触带 IV-3: 节理分布，结合风化程度 亚组的划分及质量评价2.1 断裂控稳控水机制与相关评价方法断裂富水性的分级评价与采动活化 由于埋深较浅，断裂富水性的探查相对容易，南京地铁工程遇2条富水断裂。值得注意的是，非导水断裂由于采动活化（断裂带法向与切向应力发生显著变化，诱发地下水运移）。（李晓昭等，岩土工程学报, 2002,

9、24(6):695-700）2.2 土体工程地质层组的划分及敏感层组 李晓昭等,岩土力学. (in Chinese), 2004,25(5) 地铁穿越多达 50 层的第四纪地层 地层划分过细，设计师不便于进行 工程地质模型的概化和参数的取用。 通过概化，划分工程地质层组是必要的。原由与目的2.2 土体工程地质层组的划分及敏感层组 李晓昭等,岩土力学. (in Chinese), 2004,25(5)划分依据 层组划分 成因 沉积时代 亚组划分 沉积相与组分 物理状态 工程特性 简化其间，基岩作为一个大组（划分亚组）1 (CH)土性和工程性质：“硬粘性土：Hard Cohensive soil”

10、亚组：“第1亚组”层组：“第层组”工程地质层组的代码串表述透过代码串：可以很直观的总览第四纪地层的沉积时代、成因类型和地质结构；又可直观地看出场地土层的基本工程特性和组合特征，便于进一步的地质模型的概化和等效力学模型的建立。 2.2 土体工程地质层组的划分及敏感层组 李晓昭等,岩土力学. (in Chinese), 2004,25(5) 划分结果2.2 土体工程地质层组的划分及敏感层组 李晓昭等,岩土力学. (in Chinese), 2004,25(5) 层组划分的合理性与工程意义 更清楚地显示沉积结构 更便于工程地质模型的概化Profile based on the Eng. Geo. S

11、trata Group基于该层组划分统计得到的物理学参 数的离散性，从变异系数看，满足要求 2.2 土体工程地质层组的划分及敏感层组 李晓昭等,岩土力学. (in Chinese), 2004,25(5) J. Li X.-Z. Et al. Proc. of Int. Symp. High Altitude & Sensitive Ecological Environ. Geotech.,2001 敏感与软弱粘性土层组 亚组 II2(CS), III2(CS)软-流塑的淤泥质粉质粘土 沉积时代: II2(CS)为中晚全新世； III2(CS) 晚更新世到早全新世。 分布: II2(CS) 在

12、一级与二级阶地的埋藏坳沟； III2(CS) 古河道透镜状分布。 岩性: 高含水（w分别为35.4% and 33.7%）； 强度低，高灵敏度； 高压缩性（a1-2分别为0.50、0.45MPa-1 ); 渗透系数低。 相对而言，亚组 II2(CS) 沉积时代更晚，更软弱。 2.2 土体工程地质层组的划分及敏感层组 李晓昭等,岩土力学. (in Chinese), 2004,25(5) Li X.-Z. Et al. Proc. of Int. Symp. High Altitude & Sensitive Ecological Environ. Geotech.,2001 勘察研究要点 明确

13、其分布范围（控制在5m之内），并搞清其成因和沉积环境； 针对其土质结构，通过对比优化地层加固方案。 针对有关地铁工程的勘察要点，主持编制了勘察技术规定（10章108款）。由地铁公司下发。 2.2 土体工程地质层组的划分及敏感层组 李晓昭等,岩土力学. (in Chinese), 2004,25(5) Li X.-Z. Et al. Proc. of Int. Symp. High Altitude & Sensitive Ecological Environ. Geotech.,2001 液化危险性层组 II4(SL) （沉积时代晚的松散砂性土）地质特征 沉积时代: 全新世 岩性: 粉土、粉细

14、砂 工程特性: 饱水、松散、粘粒含量低 (w= 29.8%; e=0.89; N=6.2) 分布: 古河床上部 最大可能液化深度: 12m, 主要出现在隧道拱顶部位 土质结构与动力特性 南京地铁穿越的砂层多呈片状结构，结构疏松，孔隙比与不均匀系 数大，同圆粒结构相比，在相同的标贯击数下，更易于液化。 也就是说，套用现行规范，会低估其液化指数。岩体质量分级体系- Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5). 目前没有源自于且适合浅埋的地铁隧道工程岩体质量分级体系现有的可参考的分级体系地铁规范

15、（照搬铁路山岭隧道）BQ（以深埋隧道为主要对象）Q、RMR城市浅埋隧道围岩质量特点低应力岩性变化大，土岩皆有地下水的条件变化大与之相适应的分级方法研究沿用原有分级体系的指标取值与综合 分级计算方法建立新的分级方法2.3 城市浅埋隧道岩体质量评价体系以及 声波测试结果的认识岩体质量的风险分析 Firstly, The discontinuity system is simulated by Monte-Caro method,Then the RMR is calculated.Each rock mass quality value of RMR is of a risk probabilit

16、y. The more gentle the curve of RMR vs risk probability is, the more greatly the rock mass quality varies. The more important the project is, the smaller risk probability of the rock mass quality value should be. 2.3 城市浅埋隧道岩体质量评价体系以及 声波测试结果的认识 岩芯卸荷扰动的声学反应 与岩体完整性系数的波速定义岩体完整性系数 Kv where, Vmp-longitudi

17、nal wave velocity of rock mass; Vrp -the longitudinal wave velocity of rock core一般说来， Vmp Vrp 的现象主要出现在软弱、破碎、胶结弱的岩体。 分析表明其原因主要岩芯的卸荷扰动。 岩性 软弱岩石对卸荷扰动更为敏感 VmpVrp frequently occurred in tuff breccia, which is softer than granite; Vmp are more higher than Vrp with the decrease of dynamical elastic modulus

18、 of rock Relations between dynamical elastic modulo and longitudinal wave velocity change of rock cores due to unloading disturbances2.3 城市浅埋隧道岩体质量评价体系以及 声波测试结果的认识- 李晓昭等. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(12):2086-2092.2.3 城市浅埋隧道岩体质量评价体系以及 声波测试结果的认识结构面 缓倾结构面对卸荷扰动更为敏感。- 李晓昭等. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(12):2086-2092.胶结胶结

19、越弱对卸荷扰动越敏感。#1#4#7#5#2#3From the above table and figure, it also can be seen that: 岩芯抗压强度 Rc, 波速 Vrp 与其频谱间有较好的相关关系。2.3 城市浅埋隧道岩体质量评价体系以及 声波测试结果的认识- 李晓昭等. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(12):2086-2092.岩样的接收谱与频率响应研究表明： 岩体的测井波速 Vmp 可能会大于岩块的波速 Vrp 在应用岩体与岩块的波速来表征岩体的完整性系数KV 时应慎重 2.3 城市浅埋隧道岩体质量评价体系以及 声波测试结果的认识- 李晓昭等. 岩石

20、力学与工程学报, 2003, 22(12):2086-2092.在地铁工程围岩质量分级中修正的 BQ 分析程序2.3 城市浅埋隧道岩体质量评价体系以及 声波测试结果的认识- 李晓昭等. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(12):2086-2092.2.4 地基变形参数的理论与测试问题及沉降 变形控制的工程对策基床系数的理论问题随着应力路径的变化而变随着开挖支护的时空效应出而变2.4 地基变形参数的理论与测试问题及沉降 变形控制的工程对策基床系数的测试方法室内试验： 固结法 （初勘时近似估算） 小尺度模型试验法 三轴慢剪法（一般四个路径）原位测试： 扁铲 旁压Ps (specific pe

21、netration resistance of CPT)p1 (testing pressure of DMT)p0 (testing pressure of DMT)p1-p02.4 地基变形参数的理论与测试问题及沉降 变形控制的工程对策控制垂直差异沉降的措施结构加强 采取地下连续墙槽段间设抗剪接头、围护墙顶部设钢筋混凝土冠梁、适当增加底板厚度等措施，并在设计中严格控制结构的绝对沉降量。设置后浇带 将施工阶段差异沉降产生的次应力先期释放，结构设计中只需考虑后期沉降产生的次应力。另外，先重后轻的施工顺序，也可降低差异沉降的影响。接头处理 比如设置可挠接头、“剪力棒”，上海地铁采用双变形缝等。2

22、.5 静止土压力系数测定与盾构掘进控制日本部分土压平衡盾构开挖面管理压力实例2.5 静止土压力系数测定与盾构掘进控制静止土压力系数的确定方法室内试验： 剪切实验 （初勘时近似估算） K0仪测试（利用国产测试仪测定结果普遍偏小） 三轴试验原位测试： 扁铲 旁压 载荷试验2.6 软弱敏感围岩加固机理与适宜性 敏感与软弱软粘性土 II2(CS), III2(CS) ( 软-流塑淤泥质粉质粘土)特殊的岩土工程问题 土体自稳能力差，需要进行加固处理 大管棚+超前小导管注浆； 地层的人工冻结 2.6 软弱敏感围岩加固机理与适宜性 大管棚+超前小导管注浆2.6 软弱敏感围岩加固机理与适宜性管棚注浆加固机理可

23、以概括为“支”、“锚”、“注” 在北京地铁砂层中用的较成功。然而，在这种软流塑地层中，难以达到理想的“支”、“锚”、“注”的效果。难成孔，注浆难 地层软 钻孔易缩径、坍塌 扩大孔径，顶管加二次成孔； 含水量高，渗透系数低 可注性差，注浆过程中到处跑浆， HC-T浆材，劈裂注浆拱脚下沉 在某些区段（特别是XZG3孔以南），隧道顶、底、帮与掌子面全软， 采用通常的从上到下的分层开挖方法时，可能产生拱脚下沉的问题。 土质结构决定加固机理，加固方案要适应地层条件。2.6 软弱敏感围岩加固机理与适宜性冻结法主要工程地质与环境岩土工程问题土体性质的弱化 颗粒间粘聚力减小，承载力降低；孔隙比增大，尤其是流塑

24、性粘土；压缩系数增大；透水性增大。可考虑预留未冻结区等。冻胀融缩与地表移动 冻胀融缩主要是由于土体中水分的迁移与相变造成的。由此引起地表移动，应予严格控制。冻融附加应力对主体工程结构的影响 伴随着冻胀融缩中土体结构的变化和地下水的迁移，冻土围岩发生变形，使主体工程结构承受附加应力，甚至会对主体工程结构造成破坏。自1987年以来，华东地区20余矿井井壁严重破裂多源于此。混凝土低温冻害 在正常情况下，混凝土浇注施工的环境温度要求控制在5左右。而冻土为负温度，一般在-2-10左右。冻土低温，会使混凝土早期与长期强度受到影响。- 李晓昭等. 十五届地铁年会论文集,2000.2.7水文地质条件对防排水与

25、抗浮设计的影响施工降水与施工方案 南京地铁工程穿越秦淮河古河道和长江漫滩，遇饱水粉细砂层，地下水位高、含水丰富。工程地质问题 降水困难，钻孔与基坑涌砂； 施工方案应慎重论证研究认识 除了测准地下水位和正确估算渗透系数K，还应该切实搞清水文地 质结构和补给条件，才能保证降水方案和施工的科学性。 2.7水文地质条件对防排水与抗浮设计的影响施工降水与施工方案 古河床平缓部分与深槽 的补给条件差别很大 同样位于一个古河床中，渗透系数接近，连续墙均未穿过粉细砂含水层： （1）张府园站基坑降水容易； （2）位于古河床深槽中的三山街站降水极为困难，且由于降水引起周围地表较大沉陷，不得不改作基坑底板加固处理。

26、2.7水文地质条件对防排水与抗浮设计的影响施工降水与施工方案长江近代沉积物与秦淮河埋藏古河道 的水文地质条件差别较大1号线西延工程，初期勘察中对粉细砂-中粗砂的判别，认为其是秦淮河古河道沉积物（最大单井涌水量不超过1400m3/d）；详勘水文试验发现，单井涌水量超过4000m3/d，降深还不到4m，经研究认为砂层为长江近代沉积物，与长江有一定的水力联系。 原设计的工程降水方案被迫更改 由于其富水性和承压性，钻孔咬和桩出现钻孔涌砂， 混凝土超灌过大，充盈系数多在1.3以上，最大达3.72.7水文地质条件对防排水与抗浮设计的影响工程防水叠合墙与复合墙的利弊与规范推荐复合墙防水结构的可行性 叠合墙：

27、侧墙的刚度大（）； 内衬和水平构件易开裂，防水效果差（）。 复合墙：总体刚度小（）； （叠合墙的刚度/复合墙的刚度=（h围护墙+h内衬）3/(h围护墙3+h内衬3)） 抗浮阻力小（）； 防水效果好（?）。 （缺点：；优点：） ？南京地铁工程经验，在设置导水小盲管的区段，隧道渗水不严重，相反采用全包防水层的区段却渗水严重。 2.7水文地质条件对防排水与抗浮设计的影响工程防水工程防水原则的再思考 我国地铁设计的初期规范中提出“防排结合”，后来改为“刚柔结合，多道防线”。 根据条件，防排结合 堵不住，有些条件堵排结合可行。 根据南京地铁工程经验，在设置导水小盲管的区段，隧道渗 水不严重；相反采用全包

28、防水层的区段却渗水严重。广州、 上海有类似经验。 选择排放，定要慎重 环境影响：渗透系数小且补给不丰富，可限量排放；渗透系数 大、补给丰富，或可能诱发地层移动与建筑破坏时，则不排。 排水管可能发生堵塞。2.7水文地质条件对防排水与抗浮设计的影响结构抗浮设计浅埋、高水位地段抗浮控制设计天然地下水位要测准 对于抗浮力的计算，如何考虑侧壁摩阻力作法也不一样。 当不考虑侧壁摩阻力时，北京、上海、广州、深圳、南京地铁采用抗浮安全系数不小于1.05； 当考虑侧壁摩阻力时，北京、广州、南京地铁采用抗浮安全系数不小于1.15； 上海地铁采用抗浮安全系数不小于1.10（考虑软粘土的流变特性，取极限摩阻力的一半）

29、。 过内秦淮河段抗浮设计2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5).工程地质分区的原则 “三个一致”原则：在每个区段内工程地质、水文地 质条件与施工方法一致或相似。地形地貌与工程地质条件 地貌单元 地质结构 岩性与沉积相 工程地质层组 岩土体工程特性水文地质条件 水文地质类型 含水岩组 水文地质参数施工工法2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground

30、Space Technology, 2004, 19(4/5).2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5).2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5).2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground

31、Space Technology, 2004, 19(4/5).2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5).2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5).2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground

32、Space Technology, 2004, 19(4/5).2.8 工程地质分区及其主要岩土工程问题评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5).3. 主要环境岩土工程问题 3.1 地铁工程环境背景调查的主要内容 按照“建设项目环境保护管理条例”，地铁与轻轨建设需要进行项目环境影响评价，环境背景的调查是首要环节。地形地貌、地质结构、地震与地质灾害记录水文地质条件与水污染状况空气质量（悬浮物与其它污染物浓度）噪声状况与控制要求垃圾等废弃物的处理方式不同地点与时间的振动量与控制要求

33、电子、通讯设备与电磁干扰状况生态环境状况与适应力名胜古迹、文化与旅游资源社会经济环境与沿线的土地利用与开发状况交通运输现状与施工便道建造的可行性3.2 地层移动与环境土工安全问题原因 工程扰动诱发围岩应力场与地下水流场的变化环境影响形式基坑、边坡与地下工程的变形失稳地层移动对周围建、构筑物的影响3.2 地层移动与环境土工安全问题脆弱环境与敏感因素城市环境约束因素既有建筑 南京地铁车站位于南京火车站下方、穿越中山大厦桩基 上海地铁一号线延长线的几个车站上有商场与写字楼 北京地铁太平湖车场上有高层住宅，复八线停车与维护厂房顶盖有大型社区既有管线 主要是重力排水管敏感地层与不良地质条件 流塑软土、饱

34、水粉细砂、含沼气夹层、软弱破碎带等特殊工法与施工地段盾构：旁通道（上海轨道交通四号线事故点）、进出工作井、浅埋曲线段、 超挖与故障停推段等。SMW工法：与建筑基础距离近 3.2 地层移动与环境土工安全问题 敏感与软弱地层地面沉降与建筑破坏 洞身及顶板为软-流塑淤泥质粉质粘土 II2(CS),III2(CS)鼓楼-玄武门区间K11+390地面沉降槽 3.2 地层移动与环境土工安全问题 SMW刚度不足，对临近建筑产生威胁 3.3 地铁围岩的传热与热环境演化 环控是地铁工程的重要系统 亚特兰大地铁环控系统费用达整个工程费用810%。围岩传热计算，是环控设计的基础，也是一个难题 估计过低，巨大投资和运

35、行能耗浪费；估计过高，环控效果难以保证。对南京地铁二号线的测算，如果围岩传热量增加10%，仅空调通风机房投资可节省108126万元/站；每月、每站运行用电就可节省13800KW。围岩热环境恶化，影响地铁稳定运营和城市可持续发展 运营过程中，英法海峡隧道、日本地铁银座线、香港地铁、北京地铁等均出现围岩升温度。由于初期设计对此考虑不周，后期因此而停运改造的例子屡见不鲜。这需要高昂费用，涉及地下新老建筑衔接与环境扰动。地下设施停用带来的不便等问题对城市的正常秩序影响巨大。尚缺乏可靠的预测方法与调控原理 传热计算方法过于粗略，缺乏实验证。对地下空间围岩温度场演化规律及时空特征的现场实测与系统研究尚未见

36、报道。围岩传热与热环境控制是一个突出问题 3.3 地铁围岩的传热与热环境演化 浅层地下空间岩土体与围护结构热物理特性与影响因素围岩传热模型与传热量计算公式围岩温度场的演化规律、时空特征及预测与调控原理建设部科技攻关项目（04-2-17）的主要研究内容3.4 工程建设对水环境及生态环境的影响水环境变化的原因 工程建设引起地下水流场的变化水环境效应的表现形式改变或破坏水资源的调蓄能力 疏排水与地下建筑，减少地下岩土层的储蓄量，降低地下水的调蓄能力，影响当地及临近区域的水资源开发。雍高地下水位，改变水环境质量 南京地铁1号线两次横穿秦淮河古河道，占据了其断面一半，宛如两道“地下坝”，对市区的地下水流场与污染物运移产生重要影响。诱发环境岩土工程问题与地质灾害 地下水位的变化，影响建筑地基承