浅谈地铁深基坑施工中的地质风险以及应对策略

浅谈地铁深基坑施工中的地质风险以及应对策略

天津路桥建设工程有限公司孙萱

地铁工程具有几大显著特点,即周边环境复杂,各种建构筑物、地下管线多,且对施工变形控制要求高;工程地质与水文地质复杂,不确定因素多;结构形式较多,施工方法交叉变换多,施工难度大;施工工期压力较大等,这些特点都集中表现为工程的高风险性。同时随着地铁建设的迅猛发展，地铁深基坑工程问题也成为了技术热点和难点。本文主要讲述了地铁深基坑施工中的地质风险以及应对策略。

一、地铁深基坑施工中的地质风险

1.在软土地层、淤泥质土体中进行基坑开挖施工引起地面沉陷的风险。

当明挖基坑施工沿线存在很大厚度具有低强度和高压缩性的软土、淤泥质土体时,很难控制好地面沉降及邻近地下管线、构筑物的位移,容易引起一定的地面沉陷,给地面建筑、构筑物、地下管线带来危害。因此更会导致诸多连环性质的工程灾害,如:管线爆裂渗水进而导致暗挖段土体力学参数急剧下降,承载能力大幅下降和变形急剧扩大,如此恶性循环后必将出现灾难性后果。

2.明挖时,容易因失水造成地面塌陷。

一般在基坑开挖时,需要进行坑内降水,这需要防止土体失水引起的地面塌陷风险。砂土地区应该防止因降水引起水土流失导致的地面塌陷。如果地层失水严重,上伏软土则会引起大幅沉降,特别是沿线地表均存在相当厚度的软土或淤泥土,明挖施工时浅层地下水可能透过岩石层的裂隙进行渗漏,如果渗水过多则会引起地表沉降过大。

3.粉细砂层容易发生液化、流砂、涌砂现象,给明挖造成危险。工作面前方遭遇流砂或发生管涌,这种现象的发生对于基坑施工都是灾难性的后果。

4.花岗岩各风化带遇水软化、崩解,给施工带来很大风险。结构设计过程中,一般不会将花岗岩各风化带遇水软化、崩解作为荷载验算工况。因此,如果施工过程中发生岩石崩解,将威胁明挖施工的安全。

5.岩层风化带的岩面起伏问题对车站差异沉降的影响。沿线地质中,花岗岩各风化带的岩面起伏问题相当严重并且普遍。一般而言,根据现行GB50157-2003地铁设计规范设计方都会在车站主体结构方向设置1道~3道变形缝,间距约50 m。而岩面的起伏造成车站底板分别坐落于不同地层,甚至造成有的底板坐落于砂层、软土层,有的底板坐落于岩层。这种巨大的差异会造成:同一埋深范围内土体强度和刚度不一,使得主体结构纵向沉降差异显著增大,当变形缝两侧主体结构的差异沉降超过轨道允许的最大沉降差时,会严重影响地铁车辆的运行。

6.地下结构在岩面起伏的地质中地震响应的风险。

上软下硬、岩面起伏的地质使得盾构隧道的地震响应比较复杂,尤其是盾构属于地下超长结构,其地震响应更加复杂,不仅受到纵向地震波的影响,还受到折射波的影响,并且随地震波的入射角度不同而存在不同的地震响应给工程带来较大设计和运营风险。

7.断层破碎带中进行地下工程施工的风险。

在各断裂的断层破碎带之中,基坑开挖施工容易受到地质断裂带中沿岩石裂隙面滑动的滑动力不利影响,这种滑动也会带来很大的风险。明挖基坑在计算基坑侧壁滑裂面时,应考虑本断裂面的不利工况。施工过程中对围岩的破坏程度、工序衔接的快慢、施工技术措施是否得当等,均有很大的关系。

8.断层活动的风险(包括抗震和地震响应等方面)。

断层活动对可液化砂层和可能发生震陷的淤泥层有着重要影响,因而也往往容易沿这些断层造成地基失效。因此,在工程建设中应注意抗震问题。

9.地下水腐蚀地下结构的风险。

沿线地下水对混凝土结构工程无腐蚀性,但对结构中的钢筋具有弱腐蚀性。此种腐蚀性会随着时间的增长,加速结构的老化过程。特别是地铁结构一般均处于高应力状态,钢筋受到腐蚀会影响结构的安全性。

10.爆破震动引起砂层和淤泥质土层震陷的风险。

施工时使用微型爆破或钻孔设备时,施工机具的频繁振动或爆破震动传至砂层或上层淤泥质土层时,易产生液化、涌砂现象。

11.明挖基坑穿越上软下硬复合地层(土、石交界面)的风险。

明挖基坑大多穿越上软下硬复合地层(土、石交界面),因而此类问题具有很大的普遍性。此时,软土地层应力逐渐增大,而硬岩、风化岩地层则突然减小。此类基坑的支撑设计阶段也应考虑到这种变化。

上面所述工程中的各项风险因素往往相互作用,比如地面塌陷引

起地下管线爆裂、地下基础的严重倾斜;地下管线爆裂、地下基础的严重倾斜更加剧了地面塌陷,如此往复应该注意避免此类风险的相互作用,同时采取不同的策略以解决。

二、应对地铁深基坑地质风险可以采取的策略

1.百花齐放的基坑支护结构类型

经过工程实践的筛选，形成了适合于不同地质条件和基坑深度的经济合理的支护结构体系。

水泥土搅拌桩和土钉墙是我国目前的5m以内，后者乃至10m以内首选的支护形式，土层条件好时，15m左右基坑亦经常使用。前者既能挡土又能挡水，后者较多地应用于地下水位较低或者地下水位能够被疏干降低的场区。水泥土搅拌桩有好几种布置型式：实体式、空腹式、格构式、拱型或拱型加钻孔灌注桩，既可以浆喷也可以粉喷。土钉墙可以单独使用，也可以与其它支护型式联合使用。

对于5-10m深软土基坑，常采用钻（冲、挖）孔桩、沉管灌注桩或钢筋砼预制桩等，并可作各种布置，如需防渗止水时，则辅之以水泥土搅拌桩、化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕，有时亦用钢板桩或H型钢桩。

当基坑深度大于10m时，可考虑采用地下连续墙，或SMW工法连续墙，并根据需要设置支撑或锚杆。

遇特殊结构物则采用沉井或沉箱。

2.逆作法施工技术

逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构大面积暴露的时间，改善

支护结构受力性能，使其刚度大为增强，节省支撑或锚杆的费用，使支护结构的变形及对相邻建筑物的影响大为减少，从而使总造价降低，一举多得，是一种先进的施工作业方法。

3.锚杆技术

锚杆技术以其能为基坑开挖提供较广阔的空间优势，在我国从北到南相继获得应用。

4.土体的加固

对软土基坑，特别是深大而周围环境条件严峻的基坑，在基坑内外一定范围进行土体加固，可取得防止隆起、稳定坑壁、减少位移、保护环境的良好效果。

5.对周边环境的监护

调查对象包括基坑周围相当于基坑开挖深度的2～3倍范围内地上的建筑物、高耸塔杆、输电线缆、古建文物、道路桥梁，以及地下管线（应区别其属压力的或非压力的）、人防、隧道、地铁等设施和障碍物。如发现既有建筑物等已有裂损倾斜等情况，同时收集其详细资料，并在必要处做出标记或摄像、绘图等。然后对调查对象承受地基变形的性能做出分析鉴定，确定应加监护方法。

6.对土方开挖施工工艺的组织与管理

精心安排开挖施工分层分区分块的部位和时间要求，以及相应的支撑设置的时间要求，以有效地控制基坑已开挖部分的无支撑暴露时间和减少土体被扰动的时间与范围，将可以利用尚未被挖及的土体尚能在一定程度上控制其自身位移的潜力，而达到使其协力控制挡墙位