蔡偉忠

(浙江省工程勘察院,浙江寧波 315012)

1 工程概況

寧波市軌道交通1號線一期西門口站工程位于中山西路與望京路交叉路口東側,西靠望京河,北為公園和新興大酒店,南側為住宅小區(qū)。西門口站為單柱雙跨框架結構的地下二層島式車站,主體結構頂板埋深約3.0 m,基坑深度17.2～17.8 m。車站里程樁號為K9+589.00～K9+777.00,車站長度約為188 m,車站標準寬度18.7 m,有效站臺長118 m,中樁里程樁號為K9+705,有4個出入口和2個風亭。地下一層為站廳層,地下二層為站臺層,結構形式為二層框架結構,縱向柱距為8.65 m。車站兩端設盾構始發(fā)(吊出)井，地下車站采用明挖順作法施工。

擬建工程意義和社會影響重大,工程重要性等級為一級工程,安全等級為一級，場地為中等復雜類型。擬建場地巖土種類多,均一性較差,性質變化較大,且廣泛分布有軟弱的淤泥質土和淤泥。按《巖土工程勘察規(guī)范》判斷,地基等級屬中等復雜地基,勘察等級屬甲級。

2 勘察方案

2.1 勘察方法

在場地詳細地質調查測繪及綜合分析區(qū)域和初勘地質資料基礎上,采用鉆探取樣、標準貫入試驗、靜力觸探試驗、扁鏟側脹試驗、剪切波速測試及抽提水試驗等綜合勘察方法,對采集到的地質信息進行綜合分析與評價。

2.2 勘探孔平面布置

勘探孔沿著車站結構輪廓線外側1～5 m的位置,勘探孔間距25～30 m,每個出入口及風亭均布1～2個勘探孔。對在場地條件限制不能原位施工的勘探孔可適當調整,孔位移動一般不宜大于5 m。施工條件非常困難、移動距離較大時須報現(xiàn)場監(jiān)理,由項目負責和現(xiàn)場監(jiān)理工程師現(xiàn)場確定。本站布水文地質試驗孔2個。為滿足地下車站深基坑開挖設計需要,本站共布波速試驗孔3個,扁鏟側脹試驗孔3個,十字板現(xiàn)場剪切試驗孔3個,土壤電阻率測試孔2個。

2.3 勘探孔深度確定

控制性鉆孔深度一般宜為地面以下2～3倍開挖深度,并滿足結構底板下不少于20 m(換乘站尚應考慮換乘節(jié)點埋深),且孔深應滿足抗拔和中柱樁要求,以“進入⑧層砂土不小于5 m”為原則,孔深60.0 m左右；車站出入口勘探孔深度按“開挖深度2～3倍”原則,孔深為50 m。十字板試驗孔打穿軟土層,預計孔深20～25 m,扁鏟側脹試驗孔孔深25～30 m,波速試驗孔孔深為45.0 m。水文地質試驗孔孔深根據(jù)含水層具體位置確定,孔深為20～25 m。

3 工程地質及水文地質

3.1 水文地質條件

根據(jù)地下水含水層介質、水動力特征及其賦存條件,場地范圍內與工程有關的地下水可分為松散巖類孔隙潛水和孔隙承壓水兩類。

松散巖類孔隙潛水主要賦存于場區(qū)表部填土和黏土、淤泥質土層中。表部填土富水性和透水性均較好,水量較大；淺層黏土和淤泥質土富水性、透水性均差,滲透系數(shù)為2.0×10-6～2.07×10-7cm/s之間,水量貧乏,單井出水量小于5 m3/d。場地內孔隙潛水主要接受大氣降水豎向入滲補給和地表水的側向入滲補給,多以蒸發(fā)方式排泄。水位受季節(jié)及氣候條件等影響,但動態(tài)變化不大,潛水位變幅一般在0.5～1.0 m之間。勘察期間測得潛水位埋深一般為1.4～2.6 m,高程1.09～2.78 m,平均高程為1.7 m。潛水最低水位按本次勘察實測水位向下1.0 m。

根據(jù)本區(qū)鉆探及附近水文地質孔資料,擬建場地埋藏分布有三層孔隙承壓含水層,主要為淺部③層微承壓水,深部承壓含水層可劃分為第Ⅰ含水層組(Q3)和第Ⅱ含水層組(Q2)。

(1)孔隙微承壓水

淺層微承壓水主要賦存于③層含黏性土粉砂、粉土層或粉質黏土夾粉土層中,含水層厚一般為2～4 m,局部夾較多黏性土薄層,透水性一般,水量相對較小,單井出水量在5～10 m3/d,砂質較純、厚度較大的地段出水量相對較大,水位埋深在1.75～2.0 m左右,滲透系數(shù)在4.2×10-6～3.2×10-5cm/s,水溫為19 ℃左右,水質為微咸水,地下水基本不流動。

(2)Ⅰ層孔隙承壓水

第Ⅰ層孔隙承壓水賦存于⑦1T和⑧層粉砂、細砂、礫砂和圓礫層,透水性好,平均滲透系數(shù)約30.5 m/d,水量豐富,單井開采量500 m3/d,含水層頂板埋深一般為52.0～57.3 m,含水層厚度8～10 m,層位穩(wěn)定,水位埋深4.5～5.5 m,動態(tài)變化不明顯。透水性較好,水溫為19.5～20.0 ℃,水質為微咸水,水化學類型以Cl·SO4—Na·Ca型為主。

(3)Ⅱ層孔隙承壓水

第Ⅱ層孔隙承壓水賦存于⑨3、⑩2層圓礫、卵石和中粗砂層中,透水性較好,水量較大,單井開采量一般為1 000～1 500 m3/d,是市區(qū)主要淡水開采層之一,水溫為20.5～21.0 ℃,原始水位略高于第Ⅰ含水層,水位埋深3.5～5.0 m。

3.2 工程地質劃分

根據(jù)土層的沉積年代、沉積環(huán)境、巖性特征及物理力學性質,同時結合野外鉆探,將勘探深度范圍內的地基土劃分為9個工程地質層,并細分為27個工程地質亞層。

(1)巖土工程設計參數(shù)

通過室內土工試驗、各種原位測試成果及類似地質條件和工程經驗的綜合分析研究,提出工程涉及的主要地層的主要物理力學參數(shù)(如表1)。

(2)扁鏟側脹試驗

本次試驗均在黏性土層中進行,利用每孔試驗前后取得的修正值,分別計算出各試驗點的接觸壓力(P0)、膜片膨脹至1.10 mm時的壓力(P1)和膜片回到0.05 mm時的終止壓力(P2)值,然后根據(jù)P0、P1和P2值計算側脹膜量(ED)、側脹水平壓力指數(shù)(KD)、側脹土性指數(shù)(ID),根據(jù)扁鏟側脹試驗指標確定靜止側壓力系數(shù)(K0)和水平基床系數(shù)(Kh),并繪制P0、P1、P2和KD、ID與深度的關系曲線圖表。對各孔試驗所得參數(shù)進行分層統(tǒng)計,分別提供各指標的最大值、最小值、算術平均值和統(tǒng)計個數(shù)。各土層的扁鏟側脹試驗成果見表2。

表1 巖土工程設計參數(shù)

表2 扁鏟側脹試驗成果

(3)熱物理參數(shù)

為獲得盾構施工范圍內的各地層熱物理參數(shù),根據(jù)CK1-Z74、CK1-Z94、XS-Z10、DX-Z07、HD-Z07、WH-Z11和SF-Z25號等7孔取樣進行室內熱物理參數(shù)測試,試驗成果詳見表3。

表3 地基土熱物理指標成果

(4)電阻率

為提供地鐵車站接地設備和雜散電流腐蝕防護設計所需的土壤電阻率,在本車站布置了3個電測井孔,經分層統(tǒng)計,淺部地層電阻率測試結果詳見表4。

表4 各地層電阻率測試成果

上述統(tǒng)計成果表明,各土層物理力學性質指標的變異系數(shù),普遍小于20%,屬低變異性參數(shù),力學性質指標除個別變異性較高外,絕大部分變異系數(shù)低于30%,表明本次土質單元體劃分基本合理,用數(shù)理統(tǒng)計方法求取的指標是準確、可靠的。

扁鏟側脹(DMT)試驗尚處于經驗積累階段,其估算結果與其他測試手段所得參數(shù)可能存在差異,在工程設計時,應根據(jù)加荷速率和應變大小等進行修正后方可使用。

3.3 場地及地基的地震效應

本場地地震動峰值加速度為0.05g,相當于地震基本烈度Ⅵ度,設計地震分組為第一組。根據(jù)鉆孔波速試驗成果,按《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)中的相關公式進行計算,該場地地表下20 m深度范圍內等效剪切波速值Vse為110～146 m/s,平均為132 m/s,其中DX-B2和初勘孔CK1-Z80等效剪切波速小于140 m/s,XMK-B1、XMK-B2等效剪切波速大于140 m/s。根據(jù)鉆孔揭示資料,并結合區(qū)域地質資料分析,覆蓋層厚度大于80 m,綜合考慮,建議建筑場地類別為Ⅳ類,所屬的設計地震分組為一組,處于抗震不利地段,可不考慮軟土震陷的影響。

4 巖土工程分析與評價

4.1 地基土的分析與評價

本工程場地的地基土是由不同的土體所構成的。土體是自然地質作用的產物,其物理力學性質與沉積年代、沉積環(huán)境有著密切的聯(lián)系。在同一時代和環(huán)境條件下形成的土體,其物理力學性質基本相近,本身固有的各項指標均有內在的聯(lián)系,但對于不同沉積年代和沉積環(huán)境條件下形成的土體,其性質卻有較大的差異。通常情況下,海相環(huán)境形成的土體性質較差,陸相環(huán)境形成的土體性質較好；而對于相同環(huán)境條件下形成的土體,不論是海相層或陸相層,一般時代越老,性質越好,時代越新,性質越差,在豎向上具有明顯的變化規(guī)律。

綜合場區(qū)本次勘察成果,地表下80 m深度范圍內,由淺至深各地基土可歸納為“硬殼→極軟→較硬→較軟→硬→堅硬”的結構特征。

4.2 不良地質作用和特殊性巖土

本工程位于寧波平原中西部,沉降漏斗西側,沉降漏斗的邊緣(0 m線附近)位于徐家漕站,望春站到天一廣場站位于沉降漏斗范圍內,其中沉降量最大的天一廣場站距沉降中心約1 km,累計地面沉降量約200 mm左右,沉降量相對較大,西門口站沉降量120 mm左右。

擬建場地屬典型的軟土地區(qū),廣泛分布厚層狀軟土,其具“天然含水量大于液限,天然孔隙比大于1.0,壓縮性高,強度低,靈敏度高,透水性低”等特點。擬建場地軟土層由①3、②1、②2-1、②2-2、②3、④1-1、④1-2和④2組成。大面積厚層軟土分布對本工程建設會帶來一系列巖土工程問題,主要表現(xiàn)為：

①由于軟土廣泛分布,過量開采地下水引發(fā)的區(qū)域性地面沉降現(xiàn)已成為寧波市的區(qū)域地質災害,將可能導致地鐵結構長期處于沉降狀態(tài),最終可能使管片之間裂隙加大發(fā)生漏水、滲水,甚至造成災害性事故。

②車站基坑開挖時,為保證坑壁穩(wěn)定、周圍建(構)筑物、地下管線安全采取的支護結構費用較大,施工風險也隨之增大。

③軟土所能提供的樁側摩阻力較小,勢必會增加樁數(shù)或加大樁長,從而增大工程造價。

4.3 深基坑分析與評價

(1)基坑工程安全等級

根據(jù)設計方案,西門口站為地下二層車站,基坑擬采用明挖順作法施工,開挖深度17.2～17.8 m,基坑周邊地下管線縱橫交錯,周圍環(huán)境復雜,地下水水位高,對施工影響較大,基坑破壞后果很嚴重。因此,本工程基坑工程安全等級為一級。車站基坑開挖直接涉及到①1-1、①2、①3、②2-1、②2-2、②3、③1、③2和④1及④2。基坑底面主要位于③層灰色黏質粉土或粉質黏土和④層淤泥質粉質黏土層中。表層填土結構松散,富水性和透水性好,若止水不當易產生滲漏和地表河水流入基坑導致基坑失穩(wěn),特別是原河流回填處；①2層灰黃色黏土強度略高,土層滲透性較差；下部的灰色淤泥、淤泥質黏土等含水量大,滲透性弱,抗剪強度很低,土層開挖后穩(wěn)定性差，基坑必須采取支護措施。

(2)基坑開挖對周邊環(huán)境影響分析

坑底土體隆起：按照擬建基坑開挖深度,基底土主要由含水量高、強度低、彈性模量小、壓縮性高的②、③、④層軟弱土組成,基坑開挖后土體回彈量相對較大,因土體卸荷會造成坑底土的回彈；坑內的卸載,使圍護結構在多種原因共同作用下,產生向內的位移,在坑底范圍內,向基坑方向擠壓土體,造成坑底隆起。除適當加快基礎結構施工時間,施加坑底土上部荷載外,可考慮對坑底進行加固處理,如采用水泥攪拌樁、旋噴樁等,以增加坑底一定深度范圍內的土體抗剪強度。

地下連續(xù)墻位移：地下連續(xù)墻墻體變形改變基坑外圍土體的水平向原始應力狀態(tài)而引起地層移動。在基坑開始開挖后,地下連續(xù)墻開始受力變形,在基坑內側卸去原有的土壓力時,在墻外側則受到主動土壓力,而在坑底的地下連續(xù)墻內側則受到全部或部分的被動土壓力。由于總是開挖在前,支撐在后,所以地下連續(xù)墻在開挖過程中,安裝支撐前總是已發(fā)生一定的先期變形。

因此,基坑開挖時要求做到充分考慮并利用軟土基坑時空效應理論,采用“化整為零”施工技術,沿縱向逐段開挖,做到“隨挖隨撐、減少坑底土暴露時間”,且基坑開過程中注意開挖坡度,防止坑內滑坡的發(fā)生；基坑開挖前進行必要的基坑土體加固,如：①在地下連續(xù)墻底下因清孔不好或土體很軟時,可進行地下連續(xù)墻墻底注漿加固,以防止開挖時引起地下連續(xù)墻沉降和墻外側土體松動沉降；②車站端頭井內土體加固以保開挖土體的穩(wěn)定；③在基坑底面以下地下連續(xù)墻被動土壓力區(qū)以注漿法或其他方法加固固土體。

(3)基坑抗浮設計措施

本工程為地下工程,建筑物荷載較小,基坑開挖深度大,場地地下水位埋深淺,孔隙潛水一般在地面下1.4～2.6 m,高程1.09～2.78 m,平均高程為1.7 m,③層微承壓水水位較高,埋深1.75～2.0 m左右。由于地下工程埋深大,地下水位高,浮力較大,應考慮設抗浮樁。場地地形平坦,孔隙潛水與地表水水力聯(lián)系密切,雨水排放受西塘河水位制約,綜合考慮,建議地下車站抗浮設計水位可取后塘河50年一遇的防洪設計水位2.80 m。

地鐵使用期限為100年,從技術可行的角度,降水抗浮不能滿足使用期限的要求,鋼渣混凝土不能滿足地鐵車站雜散電流的要求,技術可靠性較差,不能滿足技術要求,而摩擦樁能滿足地鐵抗浮的需求。建議西門口站抗浮采用抗浮樁,樁型宜采用鉆孔灌注樁,并可采用擴底樁,以增加抗浮效率。

4.4 地鐵建設與周邊環(huán)境的相互影響

地鐵建設涉及的環(huán)境巖土工程問題主要為盾構施工環(huán)境問題、車站深基坑開挖及降水所帶來的環(huán)境問題。

與地下水相關的環(huán)境巖土工程問題主要有兩個,一是地鐵建設中的施工降水引起土層壓密和損失,導致地面及其周邊建筑物的沉降和變形,地下管線的沉降和移位；二是由于地鐵施工對地下水環(huán)境的影響,改變地下水的滲流路徑,改變地下水的分布狀態(tài)。

①施工降水引起動水位以上地層的固結沉降,土層壓密,地表下沉。

②在施工過程中,由于地下水滲透作用引起基底隆起,流砂等現(xiàn)象,降水過程中,水流帶走大量的砂土,引起土層損失,造成土體坍塌、地面沉陷；由于動水壓力的作用,造成連續(xù)墻接縫處砂土流失,加大圍護結構外側土層的變形。

③地鐵施工降水范圍廣、降水量大、歷時長,將在一個較長時間內形成施工降落漏斗,使地下水的動力場和化學場發(fā)生變化,引起地下水中某些物理化學組分。

[1]GB50307—1999 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范[S]

[2]GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[3]DB33/1001—2003 建筑地基基礎設計規(guī)范[S]

[4]DG33/T1008—2008 基坑工程設計規(guī)程[S]

[5]DBJ10—5—98 巖土工程勘察文件編制標準[S]