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轨道交通环卫地质缺陷分析

2012/09/15 阅读:

0引言

工程场地环境地质问题分析是由工程建设过程中及建成后引发或工程建设本身可能遭受的环境地质问题的分析,它包括饱和砂土液化、基坑涌水、软土震陷、岩体崩塌、开裂、滑坡、塌陷、边坡失稳和地面变形等。事实表明,具有不良地质条件的工程场地常诱发产生各种地质环境问题。为此,笔者根据5建筑抗震设计规范6(GB50011-2001)[1]等有关规定,结合福州市轨道交通1号线工程场地的地质、地形、地貌和工程地质水文地质勘探、测试资料,以及地震危险性分析、计算结果等,对场地的主要地质灾害,如饱和砂土的液化等环境地质问题进行了分析和评价。

1拟建工程概况

福州轨道交通1号线起于福州市中心城区北部的新店象峰,终于东部新城,途经晋安、鼓楼、台江和仓山4个区,全线线路长约29.26km,共设24座车站,平均站间距为1.24km,见图1。为了城市景观与环境相协调,并充分吸取福州市规划等相关部门的建议,轨道交通1号线全线暂考虑全部采用地下线。工程可行性阶段将根据相关部门意见,就象峰站至罗汉山段(长约2.6km,包括敞开段约0.2km)、南二环站至福州南站段(长约5.8km,包括敞开段约0.5km)的线路采用高架敷设方式进行进一步深入比选[2]。

研究区评估范围内地层出露简单,主要为侏罗系上统南园组(J3n)和第四系(Q)上更新统龙海组、全新统东山组、长乐组堆积层;侵入岩主要是燕山晚期(C5)花岗岩,分布在主城区第四系地层下部[3],部分地区呈孤岛状出露(见表1)。

2环境地质问题分析

2.1工程建设中及建成后可能引发或加剧的环境地质问题

通过对拟建轻轨交通1号线的所处地质环境的实地调查,并结合铁路工程技术标准、施工方式及工程结构要求,选取水文工程地质条件、构造条件、地形地貌条件、气候条件、施工条件等为主要评价要素,预测分析和评价拟建工程项目建设中及建成后可能引发或加剧的各种环境地质问题如下:

2.1.1隧道涌水、涌砂和基坑突水

拟建轨道1号线隧道工程穿越闽江高漫滩、河谷底部和古河道区,根据水力学、水文地质学原理可知地下水位是从高水位向低水位流动且有其特定的流线,由于水位埋深仅1~2m,隧道底界深度在12~30m之间,开挖涉及到强降水,会形成临空面低水位区,改变了原有的水力学性质和地下水径流路线,使周围地下水向隧道内汇集和积聚。闽江高漫滩区中砂层厚度一般在25~35m之间,单井涌水量达1000t/d;闽江谷底、古河床区含中粗砂厚达37~50m,单井涌水量可大于1500t/d;晋安河道两侧含水层为淤泥、粉砂夹粉土,厚15~20m,单井涌水量为500t/d~1000t/d。可见闽江高漫滩、古河床区、晋安河两侧砂层厚度大、导水性能强;另外轻轨隧道开挖断面大、渗流量也大,产生突水的可能性大,给衬砌和注浆带来施工困难,尤其衬砌底部渗漏施工难度更大,当隧道穿越闽江高漫滩、河谷底部巨厚砂层时,易引发涌水、涌砂灾害,部分卵石层也可能产生崩落现象,长时间作用还会使地下土层被掏空,产生地面塌陷,危及上部建筑物的安全。因此预测在隧道穿过闽江高漫滩、河谷底部段,会出现隧道涌水、涌砂和基坑突水等灾害,其危害性大,其他地段危害性中等,由此可见地下水对工程施工构成了威胁。

另外,在巨厚砂层区施工地下车站(群众路站、达道路站),需在支护条件下降水大开挖,开挖断面大,断面高一般8m、宽在40~50m、长度百余米至几百米不等,且降水极易引发周边地面变形和沉降,由于车站设置在繁华和人流量大的路口,引发涌水、涌砂灾害的可能性及危害性会更甚,若工程建设中不采取严密止水防范措施,将会危及上部及周边的居民安全。

2.1.2基坑边坡失稳

拟建轨道沿线车站基坑较多,在基坑开挖施工过程中,必然涉及基坑边坡的稳定性问题。基坑开挖深度范围内一般为软土、残积土等,少数挖到基岩,开挖深度一般大于10m,因此有必要对土的允许自立高度进行验算。根据黏性土侧壁公式[4],进行验算的公式为z0估=2cCtan45b+<2式中:z0估为允许自立高度(m);c为侧壁土体内聚力(kPa);C为侧壁土体天然重度(kN/m3);<为侧壁土体内摩擦角(b)。计算时各土层侧壁黏性土内聚力c、内摩擦角<、土体的天然重度C的取值可参见5岩土工程勘察报告6。计算结果显示z0估约在2~3m之间,因此基坑开挖时应根据岩土分层及地下构筑物情况进行专门的基坑支护设计,并经专家评审。具体基坑支护可采用连续墙(排桩)内支撑或锚杆,在土体侧壁自立高度允许范围内分级开挖,故其失稳的可能性小;但由于开挖基坑较深,且其失稳后造成的后果严重,综合评估其危害性为中等。

2.1.3压覆温泉

福州乃是我国的三大温泉都市之一,福州温泉位于闹市区,埋藏浅、温度高、矿化度低,是都市生活不可多得的自然资源,在此基础上形成了别具特色的洗浴文化。而轨道交通1号线途经温泉埋藏区,因此应根据温泉的分布范围、埋藏条件以及水温、水量特征,并结合轨道交通1号线的工程设计,初步评价该工程建设对福州温泉的影响大小。

2.1.3.1温泉分布特征

福州地热矿分布范围北起思儿亭,南至象园,西至五一路西,东到六一路东,南北长约5km,东西宽近2km[5],以孔深500m、温度大于40e范围计算,面积为9km2。福州地热矿受北北西向树兜)王庄张扭断裂控制,热储层为燕山晚期花岗岩类岩石,由于其上部由残坡积层过渡到第四系的砂砾卵石含水层,因此福州地热田可划分为两种不同的储热层。其一为基岩构造脉状裂隙热水,水温70e以上,单孔水量100~1000m3/d;其二为第四系孔隙层状热水,水温30~40e,地下埋深约18~25m,单孔水量约100~400m3/d。轻轨交通1号线晋安北路站到省政府站途径该区域,据钻孔揭露该区段岩土体由粉质黏土、砂层、卵石层向花岗岩过渡。

2.1.3.2轨道交通压覆温泉评价

轻轨交通1号线压覆温泉段隧道、地下车站基坑开挖及埋深一般15~20m,与第四系孔隙层状热水地下埋深存在交集区间,建议在进行此路段工程设计时适当抬升隧道、地下车站开挖作业面,尽可能减少对该层储热层的影响;而基岩构造脉状裂隙热水埋藏深度已远大于这一深度,故本工程对该层位的热水影响小。部分路段若在隧道、地下车站埋藏深度为花岗岩层等不透水层时,在途径温泉路段应尽量避免作为工程构建物的持力层,以免破坏地下热水的流场条件。

2.1.4隧道围岩失稳

轻轨交通1号线全长29.26km,工程可行性阶段除其中的8.4km考虑采用隧道和高架桥方案比选外,其余路段均采用地下隧道。隧道所经地段为福州盆地冲积平原,第四系厚度一般在30m以上,仅局部路段(K13+850~K15+300、K19+794~K23+270、K23+887~K27+090以及福州南站到停车场支线段)经过岩层,其围岩岩性主要为强)中风化花岗岩、凝灰熔岩,岩石大部分呈散体状或碎裂状,属于软)极软岩,岩石完整性差,隧道施工过程中可能引发洞身围岩顶板塌落、掉块及隧道进出口开挖边坡失稳。另外,工程区内有北西西断裂通过,与1号线走向近乎并行,其经过地段岩层破碎,围岩失稳危险性较大。由于隧道洞口顶板标高为-6.28~-15.6m,闽江水系水面标高一般略高于大地水准面,根据野外调查与钻探资料,洞口段围岩风化节理裂隙较发育,且延续性较好,车站、竖井在开挖施工过程中,易沿裂面产生应力集中(尤其是产状较平缓的裂隙),导致顶板坍塌、掉块,故成洞条件较差,可能破坏洞型或使衬砌产生大的塑形变形,影响施工质量,危害施工人员的安全,应采取有效的工程防护措施加以控制。

2.1.5疏干排水引发地面沉陷

轻轨交通1号线新店车辆综合基地)南平东路等段隧道顶板无明显隔水层,大范围、长时间坑道疏干排水可能引起区内地下水渗流场及径流场的改变,可能导致基坑周边地下水位下降等工程地质问题。地下水水位以基坑为中心呈漏斗状向四周扩散,地下水位降低后,地基因承载力不足而产生不均匀沉降,当基坑开挖支护不当时易引起流泥、流砂,如措施不当或不及时可引发地面塌陷和区域地面不均匀沉降。由于评估线路横穿福州市市区,沿线建筑物密集,若灾害发生会造成极大的危害;但评估区(江北平原和南台岛平原)建筑多采用桩基础,区域地下水水位降低的危害性较小,但需在施工的过程中采取相应的工程措施以防止地下水漏斗区的扩散。

2.1.6化学灌浆的影响

在隧道工程施工中一般采用化学灌浆来实施加速护壁措施或堵漏处理。化学浆材料多数具有不同程度的毒性,特别是有机高分子化合物(环氧树脂、乙二胺、苯酚)毒性复杂,不论在制备、配制还是在施工灌浆中,作业人员都要接触这些有毒物可能会受到中毒危害;此外,浆液注入构筑物裂缝与地层空隙后,通过溶滤、离子交换、复分解沉淀、聚合等反应,会不同程度污染地下水,造成公害。

2.2工程建设可能遭受的环境地质问题

轻轨交通1号线工程建设可能遭受的各种人为或自然因素引发的环境地质问题主要如下:

2.2.1断裂活动的影响

对评估区有影响的断裂有连江园)李厝断裂、大腹山)白水塘断裂、上宝福断裂、宝福断裂、洪山桥)西湖断裂、东大路断裂,其中宝福断裂、东大路断裂对线路影响较大。活动断裂对线路的破坏主要表现在震源集中,地震频繁;断裂两盘位移活动频繁,造成差异沉降、错动;断裂带附近岩性复杂,软硬夹层发育。活动断裂带附近或其交汇处是地震震中的主要部位,地震频繁,但震级小,历史上未曾发生过大的破坏性地震,但地处地震活动较为频繁的东南沿海地震带的北端,在发生1604年泉州海外7.5级地震、1574年连江5.75级地震和1825年永泰5.0级地震等中强地震时曾遭受破坏,影响烈度为Ö~×度。经分析,福州市产生更大地震的概率很小,因此断裂活动将对拟建线路造成的影响较小。

2.2.2浅层气包裹体的危害

本工程建设存在隧道推进过程中;破坏浅层气体的赋存结构,致使气体释放,而使隧道产生下沉的可能性;也存在隧道推进中,由于浅层气的喷发,使隧道下部砂层受到扰动而被掏空,致使隧道迅速下沉并发生断裂,导致最终报废的可能性。由此可见,浅层气对地下建筑存在危害性。本次可行性阶段的勘察研究在各勘探孔施工过程中均未发现有浅层气溢出的现象,但在建筑废料、生活垃圾堆填区存在浅层沼气体,影响了施工进度和工程质量,故在施工的过程中需探明浅层气的分布情况和埋藏条件,并采取相应措施防范。

2.2.3桥梁地基的失稳

本工程部分路段若采用高架敷设方案,拟采用桩基,由于该评估范围内岩土体为不同风化程度的花岗岩、凝灰熔岩,因此影响桥梁地基失稳的因素可能包括:¹填土产生的侧压力。桥台软土层较厚,软土对结束端(桩墩)可产生一定的侧压力,使桩墩产生偏移。由于桩端承台至地面软土层厚5~28m,一般以中风化岩作为桩基础持力层,因此对桩基或桥墩危害性较小。º软土产生的负摩擦力。高架桥比选段第四系沉积厚度较大,软土及含水砂层发育,软土淤泥的流动性(易触变、蠕动)有可能造成灌注桩的断桩,由于本工程软土层分布较广,其产生的负摩擦力作用会加速桩基下沉,影响工程质量,但其危害性较小。

2.2.4地下热水超采的危害

根据福州地热资源分布和轨道1号线走向看,晋安北路站到省政府站横穿福州第四系孔隙层状承压热水区,水温低、水量小,工程在基坑开挖过程中,局部地段受地下水的顶托作用比正常路段大,会影响施工进度和工程质量,其危险性、危害性小;但一旦城区地下热水出现超采现象,极易加剧地面沉降,会对工程产生结构性破坏,其危害性大,必须采取控制地下热水开采量等措施加以防范。

2.2.5震后砂土的液化

工程线路所经地区地震基本烈度为×度[6],按5地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范6(GB50307-1999)[7]、5建筑抗震设计规范6(GB50011-2001)[1]规定,评估区应对20m以内的砂土层进行可液化判别。可液化判别过程如下:

(1)首先进行初判,对黏粒粒径小于0.005mm、含量大于10%的砂土层进行排除,初判属可液化砂土的层位,并进行标准贯入试验。在地面以下15m深度范围内,液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算:Ncr=N0[0.9+0.1(ds-dw)]#3/Qc(dw[15m)在地面以下15~20m范围内,液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算:Ncr=N0(2.4-0.1dw)#3/Qc(15m[dw[20m)式中:Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值;N0为液化判别标准贯入锤击数基准值;ds为饱和土标准贯入点深度(m);dw为地下水位埋深(m);Qc为黏粒含量百分率,当小于3或为砂土时,采用3。

(2)对存在液化土层的地基,采用下式计算液化指数ILE,即ILE=Eni=1(1-NiNcri)diwi式中:ILE为液化指数;n为在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数;Ni、Ncri分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值;di为i点所代表的土层厚度(m);Wi为i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(1/m)。(3)液化等级划分为:ILE[5时为轻微液化;5<ILE[15时为中等液化;ILE>15时为严重液化。经对评估区砂土层进行可液化判别,其工程线路多数砂土不存在液化问题,部分呈松散状的粉细

砂存在液化问题,液化等级为轻微)严重,如群众路站、达道路站、南二环路站、盖山路站和东部新城站5处场地中等液化,其余线段无液化点或轻微液化。

2.2.6不良地质结构的影响

本工程线路部分地段上部土层为粉质黏土,下部土层为风化岩,土层性质差异较大,所受到的上下阻力不均匀,易引起盾构在线路方向上的偏离,因此设计施工应合理控制盾构的参数。此外,盾构推进过程中,沿线存在若干内河,内河两岸的驳岸及抛石、条石对盾构施工也存在影响,应予以重视。

3结语

根据福州地区岩土体特征、水文工程地质条件、构造条件、地形地貌条件、气候条件及人类工程活动等评价要素对拟建轻轨交通1号线路段进行了环境地质影响评价,其评价结果表明:危害性大的为基坑突水、隧道涌水、涌砂以及地下热水超采;危害性中等的为隧道围岩失稳、压覆温泉、基坑边坡失稳及砂土液化;疏干排水引发的地面沉陷、断裂活动、浅层气包裹体的危害等环境地质问题对于本工程的影响较小。

轨道交通环卫地质缺陷分析

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