吳勝全 張占元

（成都水文隊(duì)，四川 成都 610000）

前言：

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國城市化水平也正在快速提高。由于城市地下巖土工程復(fù)雜多變的自然條件，給施工帶來了技術(shù)難題，如果要要解決施工中一系列技術(shù)上的問題,就會涉及到多門學(xué)科,因而城市地下巖土工程是保證工程質(zhì)量、提高工程經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的關(guān)鍵步驟。

1.城市地下巖土工程是新世紀(jì)城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國城市化水平正在快速提高,從1990年的18.96%提高到1997年末的28.9%。城市化水平的提高標(biāo)志著城市工程建設(shè)的飛速發(fā)展。但是,我國城市建設(shè)基本上沿用“攤大餅”的粗放發(fā)展模式,給國民經(jīng)濟(jì)帶來不應(yīng)有的損失。主要是:

(1)城市范圍無限制地外延擴(kuò)展,耕地?fù)p失嚴(yán)重。據(jù)衛(wèi)星遙感資料判斷和測算,1986～1996年間,全國31個特大城市城區(qū)實(shí)際占地規(guī)模擴(kuò)大50.2%,有的城市占地成倍增長。另據(jù)預(yù)測,至2010年,我國城市總數(shù)將從1996年的640座增加到1000座,其結(jié)果是占用了大量耕地。到下世紀(jì)中葉,我國城市化水平將提高到65%左右,這意味著城市人口將比1990年增加7億多人,按每個城市人口用地100m2計(jì),將占用耕地1億多畝。土地問題是我國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,城市人口急劇增長與地域規(guī)模的限制已成為城市發(fā)展的突出矛盾,城市發(fā)展非走節(jié)約土地的集約化發(fā)展模式不可。

(2)城市人口密度大,形成了所謂的“城市綜合癥”。首先表現(xiàn)在城市交通阻塞,行車速度緩慢。其次是,由于城市基礎(chǔ)設(shè)施落后于城市面積的擴(kuò)展和城市人口的增長,造成城市環(huán)境的惡化。當(dāng)前我國城市環(huán)境形勢日趨嚴(yán)重,大氣污染日趨加劇,全國500多座城市大氣質(zhì)量達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)的不到1%,酸雨面積超過國土面積的40%。

(3)城市總體抗災(zāi)抗毀能力偏低。在城市總體規(guī)劃中,除防洪、防空外,目前尚缺少綜合防災(zāi)的內(nèi)容,城市基礎(chǔ)設(shè)施的防災(zāi)措施處于空白。為了克服這方面的弊端,解決城市人口、環(huán)境、資源三大危機(jī),醫(yī)治“城市綜合癥”,實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展,世界發(fā)達(dá)國家都在把地下空間作為新的國土資源,開發(fā)利用城市地下空間,成為越來越受到重視的城市建設(shè)指導(dǎo)方針和發(fā)展方向。

城市功能空間能轉(zhuǎn)入和宜轉(zhuǎn)入地下的領(lǐng)域是很廣闊的,包括商業(yè)、交通、部分市政設(shè)施、文化娛樂休閑、部分工業(yè)生產(chǎn)、倉儲、防災(zāi)(避難)和救災(zāi)空間等。充分利用地下空間是城市立體化開發(fā)的最重要組成部分。它可以達(dá)到擴(kuò)大空間容量、提高開發(fā)集約度、消除步車混雜、交通順暢、商業(yè)更加繁榮,地面綠地增加,環(huán)境優(yōu)美開敞,購物與休閑,娛樂相互交融的多功能效果,與向城市上空發(fā)展的模式相比,是一種更為合理的發(fā)展模式。向地下要土地、要空間已成為城市建設(shè)發(fā)展的必然趨勢,顯示了無比的優(yōu)越性。我國及國外大城市的地下商業(yè)城(街)、地下車庫、地下影劇院、地下鐵道、地下人防系統(tǒng),是眾所周知的城市地下工程。有的國家已開始實(shí)施和計(jì)劃采用地下污水收集和處理設(shè)施、地下垃圾處理廠、地下超導(dǎo)磁直接儲存電能、地下供熱供冷系統(tǒng)、地下多功能公用隧道 (共同溝)以及具有抗災(zāi)功能的地下空間系統(tǒng)。它們是未來城市建設(shè)的發(fā)展方向。

2.城市地下巖土工程的特點(diǎn)及難點(diǎn)

眾所周知,地下巖土工程是一個具有悠久歷史的領(lǐng)域?？梢哉f自有人類以來就有巖土工程,特別是進(jìn)入工業(yè)社會以后巖土工程處處存在,但是城市巖土工程,除了傳統(tǒng)的地面房層工程外,地下巖土工程卻是隨著現(xiàn)代城市的興起而發(fā)展的。經(jīng)過最近幾十年的實(shí)踐,無論從設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備和工藝,還是理論、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),都已達(dá)到相當(dāng)高的水平,特別是深埋地下巖石工程,更是達(dá)到了較成熟的程度。

但是,城市地下巖土工程卻具有與一般巖土工程不同的特點(diǎn),主要是:多數(shù)埋深較淺。地面建筑、交通設(shè)施密集,地下管線多,開挖造成的影響大,地質(zhì)條件復(fù)雜,多以土體為主,常有膨脹土、沙層、地下水,尤其是沿海沿江城市,淤土、軟土的開挖難度更大。因此,城市地下巖土工程存在許多需要解決的特殊問題。主要是:

(1)淺埋、超淺埋暗挖施工技術(shù)。城市地下工程的埋深,不僅直接影響工程造價(jià),而且關(guān)系到工程使用方便與否,因此,城市地下工程一般埋深較淺。在淺埋、特別是超淺埋的條件下,地下工程需要穿越建筑物和線路、街道,地面保護(hù)成為施工技術(shù)中的首要問題。(2)復(fù)雜、惡劣環(huán)境下的開挖技術(shù)。諸如流砂層、膨脹土、高壓縮性軟土淤土、風(fēng)化破碎巖石、高濃度瓦斯地層、大涌水、硫化氫、巖溶、高應(yīng)力、地下管線、地面大車流量、大型載重車多、建筑物密集等等,都是地下巖土工程施工中的難題。(3)大斷面隧道開挖、支護(hù)技術(shù)。主要是地鐵車站及商場、倉庫、廳、室,其跨度尺寸達(dá)10 m以上。(4)開挖影響控制技術(shù)。隨著工程埋深的減小,開挖對地面的影響越來越大,在超淺埋條件下,開挖影響的控制與開挖方式、施工工藝、支護(hù)方法等眾多因素有關(guān),是地下工程施工中最為復(fù)雜的問題。3少支護(hù)后的下沉。壁后充填是減少支護(hù)構(gòu)造與巖土體之間空隙的有效措施,在一次支護(hù)和二次支護(hù)后采用小導(dǎo)管注漿法進(jìn)行充填。(5)分步開挖,及時(shí)支護(hù)。實(shí)踐證明,分步開挖、及時(shí)支護(hù)可以有效地減少圍巖及地面下沉。例如北京長安街過街道,跨度大(開挖跨度1116m)、超淺埋(表土厚度僅016～110 m)、有動載、地下管線多,為了減少地面下沉,采用“中洞法”分步施工,地面下沉減到24 mm,效果良好。(6)降水—回灌技術(shù),是治理地下水和減少地面下沉的有效方法,已在北京地鐵施工中推廣應(yīng)用。一般是“淺抽深灌”或“前抽后灌”。據(jù)北京地鐵“復(fù)—八線”實(shí)測,采用此法后其兩側(cè)高大建筑物下沉未超過215 mm。值得研究的是,近年來我國試驗(yàn)成功的“高水速凝材料”,具有快速固結(jié)含水砂層的性能。如能在地下工程中進(jìn)行試驗(yàn),對于阻隔地下水滲入施工空間,將具有良好的應(yīng)用前景。

3.城市地下巖土工程中的開挖影響及環(huán)境保護(hù)

城市地下巖土工程中的開挖影響指的是開挖引起的圍巖移動與地面沉降,不包括其它擾民影響。地下開挖必然會在其周圍巖土體中引起位移與變形。由于開挖深度小,其影響必然要波及到地面上,但由于開挖寬度有限,其影響也是可以控制的。影響的程度與范圍,取決于眾多因素。對于淺理、超淺埋隧道式開挖工程,主要取決于開挖方式、斷面跨度、導(dǎo)坑形式、機(jī)具、支護(hù)方式與時(shí)機(jī)、構(gòu)件剛度、回填、地面載荷(動、靜載)、巖土體性質(zhì)及地下水抽排等。據(jù)實(shí)測研究,隧道式開挖引起的地面沉降,其橫剖面一般呈盆狀,大體上用可概率積分曲線來描述。

對于淺埋和超淺埋隧道式開挖引起的地面沉降,其最大下沉值大致由開挖空間支護(hù)前的下沉、地下水抽排引起的下沉以及開挖空間支護(hù)后的下沉等構(gòu)成。這些下沉可通過采取一定的減沉措施減少到最小程度。從北京、上海和廣州等城市的地鐵施工實(shí)例結(jié)果看,北京地鐵“復(fù)—八線”兩側(cè)高大建筑物累計(jì)下沉量最大僅為215 mm,北京地鐵西單車站正上方累計(jì)地表最大下沉量也未超過30 mm;廣州地鐵有一段隧道橫穿市區(qū)主干道天河路,隧道頂距路面7 m,地層為飽含水細(xì)砂層,地下密布有供水管、污水管及電纜線,地面晝夜車流量約12萬輛,還有載重30～60 t大型集裝箱運(yùn)輸車快速通過。開挖后,據(jù)對128個測點(diǎn)觀測,最大下沉為2017 mm,低于國際上地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)國內(nèi)外淺埋開挖實(shí)踐,地面減沉的措施有:

(1)圍巖預(yù)加固。為了加固軟弱和松散巖、土體,一般采取導(dǎo)坑或全斷面預(yù)注漿。對于軟弱或破碎巖體,采用單液或雙液壓力預(yù)注漿;對于松散土體,采用單液或雙液高壓旋噴預(yù)注漿。(2)強(qiáng)力支護(hù)。包括預(yù)支護(hù)、提高支護(hù)構(gòu)件剛度及壁后充填等。預(yù)支護(hù)有管棚和插板兩種方法。管棚鉆孔深度受導(dǎo)坑尺寸限制,可兼作注漿管,適用條件廣泛。插板需用千斤頂頂進(jìn),具有防水效果,但不能用于卵石地層。及時(shí)支護(hù)可以有效減少支護(hù)前的下沉。鎖腳錨管是用于分步支護(hù)構(gòu)件基礎(chǔ)的穩(wěn)定,為下部開挖與支護(hù)安裝創(chuàng)造良好條件,減少上部支護(hù)構(gòu)件的沉降。提高支護(hù)構(gòu)件剛度可以減少支護(hù)后的下沉。壁后充填是減少支護(hù)構(gòu)造與巖土體之間空隙的有效措施,在一次支護(hù)和二次支護(hù)后采用小導(dǎo)管注漿法進(jìn)行充填。(3)分步開挖,及時(shí)支護(hù)。實(shí)踐證明,分步開挖、及時(shí)支護(hù)可以有效地減少圍巖及地面下沉。例如北京長安街過街道,跨度大(開挖跨度1116m)、超淺埋(表土厚度僅016～110 m)、有動載、地下管線多,為了減少地面下沉,采用“中洞法”分步施工,地面下沉減到24 mm,效果良好。(4)降水—回灌技術(shù),是治理地下水和減少地面下沉的有效方法,已在北京地鐵施工中推廣應(yīng)用。一般是“淺抽深灌”或“前抽后灌”。據(jù)北京地鐵“復(fù)—八線”實(shí)測,采用此法后其兩側(cè)高大建筑物下沉未超過215 mm。

值得研究的是,近年來我國試驗(yàn)成功的“高水速凝材料”,具有快速固結(jié)含水砂層的性能。如能在地下工程中進(jìn)行試驗(yàn),對于阻隔地下水滲入施工空間,將具有良好的應(yīng)用前景。

[1]劉天泉.錢七虎城市地下巖土工程技術(shù)發(fā)展動向.[J].《煤炭科學(xué)技術(shù)》.1999年01期.