地铁隧道结构对环境地质问题的影响

地铁隧道结构对环境地质问题的影响

1工业地质及地下水系统成都地铁将分阶段建设。该一期从北部的红花池延伸至世纪工厂，全长14.975公里。有14个地下车站和车辆段、综合基地、车站和其他相关设施，总投资约68亿元。根据初步设计,所有车站均采用明挖法施工;小天竺以北,区间隧道采用盾构法施工;小天竺以南采用明挖法施工(图1、图2)。成都市地处岷江冲洪积扇状平原的南东边缘,区内地形平坦,地势受扇状平原控制,总体上西高东低、北高南低,海拔490～520m;地铁沿线北高南低,地面高程490.31～507.74m,相对高差17.3m;地铁围岩为饱水的Q3+Q4砂卵砾石,车站埋深1～5m、区间隧道埋深2～15m。地铁车站及区间隧道明挖疏干排水可能引发地面沉降及建筑物破坏;由于排水量巨大、排水时间长,可能对成都市地下水系统的径流、交替有一定影响;隧道建成后,整个隧道就象一座大型地下潜坝,必将对地下水径流产生影响,并可能在一定范围内产生雍水。地下水水位的升高,将造成浅表部粘土层的软化,并威胁一些中、低层建筑物的安全。此外,由于整个隧道都将被泡在饱水砂卵石层中,还存在结构防水及路基稳定等问题。由于该工程规模巨大、特别是沿线交通繁忙、高楼林立、居民区密集,对上述可能出现的环境工程地质问题进行评估是十分必要的。2地下水c3地铁一期工程沿线初勘钻孔所揭穿的地层单位自上而下依次为第四系全新统(Q4)\,上更新统(Q3)和白垩系上统(K2?g)。Q4上段为杂填土,主要为建筑垃圾混粘性土,分布连续,厚度1.1～6.8m。下段上部为黄灰色粉质粘土,呈可塑-硬塑状态,湿;分布不连续,埋深1.7～3.5m,厚度1.2～3.6m。下段底部为灰黄色卵石土,卵石呈圆-次圆状。漂石组、卵石组、砾石组和土粒组在卵石土中所占的重量百分比分别为15.4%、69.2%、7.1%和8.3%。根据密实程度,卵石土可以划分出稍密卵石、中密卵石和密实卵石3个亚层。卵石层埋藏深1.6～5.3m,厚度5.2～9.7m。Q3(Q1313+Q23)主体为褐黄色卵石土,卵砾石呈圆-次圆状;按重量百分比,漂石组、卵石组、砾石组和土粒组分别占14.8%、68.5%、5.9%和10.8%。卵石土饱和、局部钙质胶结,可以划分为稍密卵石、中密卵石和密实卵石3个类别。Q3中含有少量呈可塑-硬塑状态的粘土、粉质粘土及粉士透镜体,厚度0.7～3.7m,分布不连续。Q3中存在以透镜状不连续分布的饱水砂层,出现于卵石土层顶或夹于其中,厚度1.5～3.0m;砂层呈稍密-中密、稍湿-饱和状态,可细分为细砂和中砂两种砂层。Q3下部(Q13)为冰水堆积,含有10%～15%(个别地段20%～30%)、粒径20～40cm的“大砾石”,个别地段富集成层。此外,Q13中还零星分布有胶结砾石层透镜体。Q3+Q4中粘土、砂卵石层的物理力学指标被总结于表1、表2。K2g(灌口组)为浅紫红色中-厚层泥岩,从上向下可分为全风化泥岩(0.5～4.0m)、强风化泥岩(0.3～4.2m)及中风化泥岩(1.80～22.0m)。区内地下水主要为Q3+Q4砂砾卵石层孔隙潜水。孔隙潜水广布市区及郊区,含水层埋深一般在3.0～5.0m之间,地下水位的年际变幅在1.0～3.0m之间。受地面标高的控制,地铁一期工程沿线含水层厚度自北端的27m逐渐减薄至南端的8m左右(图2)。Q4+Q23\,Q13砂卵石层的渗透系数分别为20～40m/d和15～20m/d。含水层富水程度以单井出水量衡量,一般为800～1500m3/d(均以200mm井径、5m降深计)。地下水类型以HCO3—Ca型为主,次为HCO3·SO4—Ca型,矿化度小于1g/L;pH值一般在6.9～7.5之间,为中性低矿化淡水,对混凝土不具侵蚀性。地下水的补给充足,来源包括岷江河口(NW)方向地下水的侧向径流补给、西郊农灌及纵横交错的渠系渗漏和部分降水补给;以泄流方式向河流排泄是地下水最主要的排泄途径。成都市区地下水的天然动态总体稳定,但在基建地区由于大量深基坑排水的影响,地下水动态较为紊乱。3工程影响评估3.1地下疏干影响范围小天竺站至世纪广场之间的区间隧道及全线所有车站(9km),在采用明挖法施工之前,均需进行疏干排水。由于隧道结构的主体全部位于潜水面以下,疏干深度一般在5m以上(人北站、天府广场及文武路等车站的疏干深度超过10m),如此长距离、长周期、大降深的线状疏于排水对环境产生的扰动是地铁工程需要考虑的重要问题之一。确定疏干排水影响范围一般有两种方法,一是将所有抽水井概化为一个大口径井或干扰井群,利用井流公式确定影响半径;二是根据隧道涌水预测理论,利用相应公式确定疏干范围。考虑到车站及区间隧道的几何尺寸及疏干深度,这里采用隧道涌水理论估算疏于影响范围。隧道疏干影响范围的确定一直是难于突破的重要水文地质问题,不同学者、不同单位给出的计算公式往往差别较大。这里分别采用《铁路供水水文地质勘测规范》—TB10049—96(1式)和《公路排水设计规范》—JTJ018—97(2式)推荐的计算公式。R={r20+30×Κ×S2(1+0.00015r20)}0.5(1)r0=0.25L式中,R为疏干影响宽度(m);L为疏干长度(m):K为渗透系数(m/d);S为降深(m)。R=3000×S×√Κ(2)各符号的意义同前,K的单位为m/s。用(1)、(2)式计算的各车站及区间隧道的疏干影响范围见表3。小天竺以北各车站的排水影响范围在300～600m之间;小天竺以南明挖路段的最大影响范围为1700m,出现在火车南站-南三环-行政广场路段,其它路段的疏干影响范围在500m以内。(1)式综合考虑了降深、渗透系数和疏干段长度,结果更趋合理,特别适合于长距离的线状疏干排水;(2)式由于没有考虑疏干长度,当疏干长度较小或很大时,其计算结果与(1)式差别较大;当疏干长度在300～500m时,两个公式的计算结果比较接近。根据成都市的地层结构、地下水埋藏与分布、含水介质组成及结构特征以及既有的施工排水经验,地铁一期工程施工排水引起显著地面沉降或差异沉降的可能性比较小,对地面建筑物安全的影响是比较小的。通常所说的抽水引起的地面沉降,是由于含水层(组)内地下水位下降,水压降低,导致含水层压密的结果。抽水期间,发生地面沉降的含水层结构可能是复杂的,但无论什么条件,所抽取的含水层“承压”往往是发生地面沉降的最基本条件,这类含水层可以划分为单一承压含水层、双层含水层及含水层与弱透水层组成的多层含水层系统等。根据成都市已有的大量高层建筑勘察资料,该区地下水基本不具备上述埋藏特征。根据地铁初勘资料,尽管地下水面距上覆粘土层高度较小,砂卵石层饱和程度较高,但仍然属于潜水的范畴;个别路段表现出一定的承压性,但承压水头很低(图2)。抽水诱发含水层压密及地面沉降除与地下水埋藏条件有关外,还与含水介质的组成及物理力学特性密切相关。一般说来,抽水后发生压密的含水层及弱透水层一般由砂、粉砂、砂质粘土及粉质粘士等构成,因为只有这些介质才具有较大的孔隙度和较低的压缩模量。成都地铁工程区的含水层主体为砂卵石层,其中,卵砾石的含量占有绝对优势(图3),从而形成粗粒搭架、细粒填隙的颗粒支撑结构(图4)。显然,具有这种结构的松散层的抗变形能力是比较强的。表4是砂卵石层的实测变形模量和通过计算获得的压缩模量。不难看出,砂卵石层的压缩模量,即抵抗压缩变形的能力是较高的。成都火车南站以北,15层以上的高层建筑已经有数10座,这些高层建筑的基坑开挖深度一般都在6～12m,最大疏干深度已经接近20m,部分建筑物的疏干排水已经达到基岩顶板。尽管这些深基坑排水大多都是在建筑密集区进行的,但是,到目前为止,还没有因为基坑排水显著影响既有建筑物安全的报道。顺城地下商业街(图1)全长1300m,采用明挖法施工,施工期间所进行的疏干排水类似于未来地铁工程区间隧道的排水。工程开挖前15d进行了大面积井点降水,图5给出了部分抽水井所揭露的地层结构、初始水位及疏干水位。图5表明,顺城街土层结构与地铁沿线基本一致;地下水埋藏情况和地铁沿线略有差别,地下水埋深较浅,砂卵石层全部被饱和,并显示出一定的承压性。地下水的疏干深度均在6m以上,最大降深达到14m。该深度已经超过成都地铁的最大疏干深度。顺城街施工时,临近地区已经分布有人民商场、西南影都及银河王朝大酒店等重要建筑,但施工排水并未对这些建筑产生明显影响。地面变形监测结果表明,大面积井点降水引起的地面沉降仅5mm左右,基本可以忽略不计。此外,工程竣工至今已有近7a的时间,顺城街沿线的地面建筑,特别是高层建筑,没有出现任何因地面沉降引起的变形与破坏。顺城街地下工程的排水实践表明,抽取第四系砂卵石层中地下水引起土层压密固结与地面沉降的可能性是较小的。综合地面沉降条件分析和工程实录,地铁工程疏干排水诱发显著地面沉降并危及既有建筑物安全的可能性是较小的。3.2渗流场及地面条件按设计,车站及人行通道为一级防水,结构不允许渗水,表面无湿渍;区间、辅助线隧道为二级防水,结构不允许漏水,表面可有少量偶见的湿渍。由于地铁隧道建在含有丰富地下水的Q3+Q4砂卵石层中,当工程建成时,14座车站及区间隧道实际上形成了一道长约15km的地下阻水建(构)筑物。这一个构筑物对地下水的阻碍是否会导致壅水并造成严重的环境地质问题,是人们普遍关注的问题之一。据统计,红花堰站、府河-骡马市及小天竺-南三环等与地下水流向正交或大角度相交的路段长度已超过总里程的1/2(图6)。14座地下车站长3133.8m,在修建前的天然状态下,地下水过水断面总计达43274m2,建成后则减小至20548m2,减小幅度平均为53%。13段区间隧道长约11841m,修建前的过水断面积总计约180123m2,建成后减小至111643m2,减小幅度平均为38%。因此,发生壅水的可能性是存在的。以车站顶部标高作为壅水最大高程时的壅水估算结果见表5。从表中可以看出,除个别点因近期降水可达6.97～8.70m外,壅水高度一般都在5m以下。表5的估算结果是偏于保守的。第一,过水断面减小后,渗流场自身能通过增大残留过水断面上的水力梯度,而消化一部分水量(假设多余水量全部通过残留过水断面排泄,水力梯度也不超过10‰,大部分介于3‰～8‰之间);第二,由于区间隧道顶部标高低于车站,如果径流受阻,地下水定会通过处于低位的区间隧道顶部的残余断面渗流,从而遏制地下水位的上升;第三,府河、府南、沙河及它们的支流本身就是区内地下水的排泄场所,因此,也能够在一定程度上抑制地下水位的抬升。对于地铁沿线基础埋置于Q4上段的浅基础建筑物而言,粘性土地基承载力可能会因壅水而下降,从而对其安全性产生一定影响,但壅水不会影响深基础高层建筑的正常使用。为控制壅水高度,建议采用明挖法修建车站和区间隧道时,在其顶部回填(经分选的)卵石土,以尽量多保留一些过水断面。3.3有必要探索运用盾构法隧道建筑限界内的主体地层是Q3+Q4砂卵砾石层,直径大于5cm的砾石含量一般都在50%以上,而且具有较高的变形模量,在这样的地层中采用盾构法开挖数km的隧道,是否有厂商能够为此制造专用设备,是需要近一步研究的重点,也是基础性的问题。此外,Q3+Q4中还存在随机分布的少量直径大于20cm的砾石,甚至胶结砾石层,盾构是否会因此而无法掘进,是工法选择中需要注意的另一重要问题(由于围岩饱水,一旦盾构掘进受阻力,借助NATM为盾构扫除障碍可能都是困难的)。如果厂方提供的盾构既能在砂卵砾石层中掘进,又能克服少量大粒径砾石和胶结砾石层问题,而且采用盾构和明挖的造价相差不大,建议全线均采用盾构法,以降低工程对地质环境及地面交通的扰动。由于隧道建成后,隧道结构的主体都是“泡”在饱水砂卵石层中的,因此,结构防水的任务是艰巨的。尽管如此,只要采取适当措施,实现不渗不漏还是可能的。地铁沿线含水层最大厚度不超过30m,地铁建成后,作用于衬砌外壁上的水头压力最大不超过0.15MPa。衬砌主体渗水的可能性很小,可能成为地下水渗入隧道的唯一通道是衬砌的各类接缝。由于水头压力不高,但水量大且补给充足,结构防水应以“堵”为主。对于采用盾构施工的区段,管片式衬砌可以采用四边形管片,并适当减少每环的块数,以降低接缝总面积,同时应采用性能优良的防水材料进行接缝止水。明挖基坑支护可以采用“锚喷支护”,疏干深度比较大的车站及区间隧道还可以考虑采用注浆锚杆,施作“锚-注-喷”一体化支护系统,同时,衬砌浇注以前,应在底部铺设防水层(并碾压)。这样,回填以后,在衬砌的外围就可以形成一个近乎隔水的屏障。如果基坑支护系统的隔水能力较差或无隔水能力,仅靠止水材料来“堵”缝,有可能发生渗水,这时可以选择一些低渗透性材料,如基坑开挖时浅部挖出的粘土,回填,从而减轻衬砌的防水压力。4明挖法开挖车站及区间隧道成都地铁围岩主体为Q4+Q3砂卵砾石层,其承载力、强度及变形指标均较高,此外,其中还存在直径大于20