花岗岩风化土中地铁基坑施工风险和对策

2010-05-17高建国

铁道勘察 2010年3期

高建国

(广州市地下铁道总公司，广东广州 510380)

广州地区花岗岩风化土工程性质复杂,一直是困扰广州地铁土建工程施工的主要难题之一,广州地铁二～六号线部分区间隧道都要穿越该地层,在二号线越秀公园站、纪越区间、三号线天河客运站、天华区间施工中都遇到了很大的困难。目前,参建各方对花岗岩残积土的岩土工程特性已逐步认识,但如何科学、合理、有效处理该不良地层问题仍处于摸索阶段。本文主要分析了广州地区花岗岩风化土层成因和工程特性,通过实例总结出该不良地层中地铁基坑施工风险及成因,提出风险应对思路、处理方案及适用条件。

1 花岗岩风化层成因及地质特征

1.1 花岗岩风化土层

(1)花岗岩残积土成因及分类

花岗岩残积土主要为石英、长石组成的花岗岩(侵入岩)和混合花岗岩(变质岩)，经物理风化和化学风化后残留在原地的碎屑物。花岗岩化学风化主要是其中占约三分之二的长石，在水、空气中的氧与二氧化碳等作用下，发生水解和碳酸化形成高岭石,进而风化成土状,花岗岩残积土主要是粉黏粒、砂粒和砾砂形成的混合体[1]。花岗岩残积土属于第四系风化土(Qel),主要分布于广州市北部及东南部,涵盖轨道交通二、三、四、五及六号地铁线路的部分区段。从花岗岩形成期次来看,主要为中生代燕山期花岗岩。据广州地区勘察资料显示,区内花岗岩残积土按母岩类型划分为花岗岩残积土(5H)和混合花岗岩残积土(5Z)两大类,每大类按照土的可塑性状态分为可塑性和硬塑性残积土,即5H(Z)-1和5H(Z)-2,按照土粒度成分及塑性指数划分，主要包含三类土,即砂土、黏性土和黏土。

(2)花岗岩残积土工程特性

级配不均匀：残积土粒度具有“两头大、中间小”的分布特征,即颗粒成分中,粗颗粒(>0.5 mm)的组分及颗粒小的组分(<0.005 mm)的含量较多,而介于其中的颗粒成分则较少,粗粒组中的中、细砂及粉砂的含量较少。这种独特的组分特征,使其既具有砂土的特征,亦具黏性土特征,物质组成的不均匀性和结构的不连续性显著,导致工程性质复杂，差异性大。

遇水软化、崩解特性：残积土中粉粒、黏粒含量高(10%～20%),天然状态下具有较好的力学性质,遇水后“土变泥、泥变浆”,迅速软化、泥化、崩解,土体强度等力学性质急剧变差,甚至丧失承载力[2]。组分中长石含量高,风化后所形成的黏土矿物越多,软化泥化性能越明显。

局部区域花岗岩球状风化体较发育：燕山晚期第一、二阶段花岗岩残积土层中,常夹有中、微风化球状孤石,影响土的均匀性,对于盾构掘进和基坑围护桩基施工不利,且球状风化体发育没有明显规律。

出露地表花岗岩残积土具有上硬下软特征：花岗岩分布区出露地表或地下水位以上接近地表的残积土，因受水的淋滤作用,氧化铁富集,并稍具胶结状态,形成网纹结构,土质坚硬,而其下强度低于上部土段,再下由于风化程度减弱,强度逐渐增加。

残积土中次生矿物主要为高岭石和伊利石,未见亲水性特别强的蒙脱石,自由膨胀率较低,不属于膨胀土。

残积土以中等压缩性为主,次为高压缩性土。其中砂土以中等压缩性为主,黏性土具高压缩性。土的类型由粗至细,其压缩模量具有由大到小的特点。

残积土均为弱微透水性土,渗透系数多为i×10-4～i×10-6cm/s,但同一类土的透水性差异较大,大值为小值的数倍至数十倍。其中砂土的透水性变化比黏性土的透水性变化更大。另外土的透水性大小与土的类型有关,如由中砂土、粉砂土、粉质黏土至黏土,渗透系数具有由大到小的特点。

(3)花岗岩全风化层

原岩组织结构已基本风化破坏,但尚可辨认,岩芯呈坚硬土柱状,遇水易软化崩解,局部夹强风化花岗岩碎块(如表1所示)。

表1 典型的〈5H-1〉层物理力学汇总[3]

1.2 花岗岩风化岩层

花岗岩强风化带原岩组织结构已大部分风化破坏,矿物成分已显著变化,风化裂隙很发育,岩石极破碎,长石、云母多已风化成高岭土或黏土,岩芯呈半岩半土状,岩芯遇水易软化崩解。

花岗岩中风化带原岩组织结构部分风化破坏,矿物成分基本未变化,风化裂隙较发育,裂隙被铁染,并填充少量风化物,岩石较破碎,呈短柱状、碎块状。

2 工程实例分析

2.1 六号线天河客运站

(1)设计概况

该站为地下四层岛式车站,车站主体结构外包总长83.8 m,标准段跨度19.9 m(见图1),基底埋深32.4 m,围护结构采用1 000 mm厚地下连续墙+五道混凝土支撑+墙幅接头3根φ900旋喷止水桩,基坑内采用孔径800 mm间距15 m重力式降水；连续墙嵌入基底深度为进入中风化层〈8H〉不小于3 m及微风化层〈9H〉不小于2 m。

(2)工程地质水文情况[3]

车站位于广从断裂以东,瘦狗岭断裂以北的构造区,属东西向增城凸起的西部,主体构造呈东西向,车站穿越的地层有第四系和燕山期侵入岩,基底基本处于6H、7H、8H中,地层从上至下依次为：

第四系包括全新统(Q4)和上更新统(Q3),其下缺失中更新统和下更新统,由人工填土(Q4ml)、冲积—洪积砂层(Q3al+pl)、冲积—洪积土层(Q3al+pl)、河湖相沉积土层(Q3al)及花岗岩残积土层(Qel)组成,其中〈5H-1〉和〈5H-2〉平均厚度2.85 m和14.28 m；全风化层厚度平均为3.2 m,下伏基岩为中生代燕山期侵入岩,属燕山晚期第二阶段的元岗岩体,以细、中粒花岗岩为主体岩石结构。

图1 天河客运站总平面

地下水位平均埋深1.44 m,基岩裂隙水较发育。

(3)周边环境

车站东侧和北侧是元岗批发市场,多为浅条形基础地上两层砖混结构,建筑密度较大，年代较久,对地下水水位及土体扰动沉降敏感；车站主体结构东北角附近有已运营的三号线天河客运站Ⅱ风亭(紧急疏散通道)、Ⅰ号通道和车站派出所,其中Ⅱ风亭(紧急疏散通道)为地下一层地面两层结构,距车站主体仅4 m,三、六号线车站主体间平均间距16 m。车站主体施工区域内管线较少。

(4)基坑支护结构设计思路和实施效果

该站为地下四层岛式车站,基底基本处于花岗岩风化岩层上,地基承载力能够满足要求,设计采用适当加深连续墙减弱或切断基坑内外花岗岩强、中风化带间的水力联系,减小基岩裂隙水流失对周边建构筑的影响；采用基坑内降水保证开挖期间工作面不被泡软。通过实施,车站周边房屋沉降值、三号线天河客运站道床不均匀沉降差均控制在设计允许范围内,道床绝对沉降量部分超出设计允许值。

图2 长湴站总平面

(5)施工不足

个别连续墙接缝水下混凝土浇筑不密实,基坑开挖中接缝处出现渗漏；另外,个别连续墙终孔时对花岗岩中风化、微风化岩性判断不够准确,连续墙嵌入微风化岩层深度不够,导致该区域基坑内外岩层裂隙水没有有效阻断,裂隙水失水较多,造成周边房屋和三号线车站出现一定的沉降。

2.2 六号线长湴站(含存车线)

(1)设计概况

该站为地下两层岛式车站(如图2),主体结构外包全长348.9 m,标准段跨度19.7 m,基底埋深约18 m,围护结构采用0.8 m厚地下连续墙+两道混凝土支撑、一道钢支撑+墙外前进式注浆止水,基坑内采用孔径400 mm重力式深井降水,基底局部采用φ500@450 mm梅花形单管旋喷桩加固；连续墙嵌入基底深度为进入残积土层〈5H〉和全风化层〈6H〉不小于7.5 m，强风化层〈7H〉不小于5.5 m，中风化层〈8H〉不小于2.5 m及微风化带〈9H〉不小于1.5 m。

(2)工程地质水文情况[4]

车站位于广从断裂以东、瘦狗岭断裂以北的构造区,属东西向增城凸起的西部,主体构造呈东西向,车站穿越的地层有第四系和燕山期侵入岩,基底基本处于〈5H〉-2、〈6H〉中,地层从上至下依次为：

第四系包括全新统(Q4)和上更新统(Q3),其下缺失中更新统和下更新统,由人工填土(Q4ml)、冲积—洪积砂层(Q3al+pl)、冲积—洪积土层(Q3al+pl)、河湖相沉积土层(Q3al)及花岗岩残积土层(Qel)组成,其中〈5H-1〉和〈5H-2〉平均厚度5.3 m和10 m,厚度较大；全风化层平均厚度为3.48 m,下伏基岩为中生代燕山期侵入岩,属燕山晚期第二阶段的元岗岩体,以中粒花岗岩为主体岩石结构。

地下水位平均埋深3.03 m,基岩风化裂隙水较发育。

(3)周边环境

车站位于广汕公路上,交通繁忙,车站东侧主要是1～5层建筑物,距车站主体约15～20 m,建筑物密度较大、年代较久和破旧,基础多为浅基础和摩擦桩基,个别建筑物基础资料不详；有一处加油站地下油库距离车站约20 m；车站周边管线密集。

(4)花岗岩地层处理方案设计思路

该车站花岗岩地层处理招标设计方案为对基坑内基底进行袖阀管注浆,后经多方充分论证,在借鉴三号线北延线燕塘站成功经验基础上,考虑到车站周边房屋保护要求高等因素,将方案调整为连续墙外前进式注浆+基坑内400 mm孔径重力式降水+基底局部φ500@450 mm梅花形单管旋喷桩加固方案,将围护结构阻水、主动式注浆止水、基坑内降水以及基底局部加固四项措施综合应用。

(5)施工效果及不足

基坑开挖完成后,连续墙基本无渗漏,旋喷桩成桩质量基本达到设计要求,基底承载力满足设计要求,各项质控指标较好。

基坑内花岗岩残积土层中重力式降水效果较差,原因一是在残积土层区域重力式降水速度慢、工效低；二是降水井设计孔径偏小,降水半径不够,降水井易堵塞且开挖中多次被破坏,造成土层含水量仍较大,开挖后孔隙水沿开挖面渗出。通过采用补做降水井，增加集水坑以及加强基坑内抽排水,有效减小了不利影响。

基底个别部位出现少量冒水现象,初步分析是该部位基坑内外花岗岩强、中风化带间的水力联系没有有效切断,裂隙水向上渗流并击穿风化土层。通过采用增设排水盲沟，加强抽排水，局部换填处理以及分块快速封底等措施,保证了基底承载力等各项要求,但基坑周边有两处浅基础房屋出现不同程度的沉降和开裂。

3 花岗岩风化土层中明挖基坑工程风险评估及对策

3.1 工程风险

花岗岩残积土不良地层遇水迅速软化、泥化、崩解特性引起地铁明挖基坑工程风险主要有：

大型挖土设备土方开挖将非常困难,开挖工效严重降低,甚至机械无法开挖,开挖面极易坍塌；并且随着开挖暴露时间的延长,影响范围将进一步扩大。

土体强度等力学性质急剧变差,地基承载力降低甚至丧失,导致基坑内被动土压力降低,支撑轴力增大,围护结构变形加大,甚至造成围护结构失稳、坍塌以及周边建筑物沉降变形等风险。

3.2 根本原因

解决花岗岩残积土不良地层工程风险关键是处理好“水”,因为该土层天然状态下具有较好的力学性质,“水”是风化土层软化、泥化的诱因。而“水”的来源及影响主要有以下两类。

(1)地下水的影响

地下水按赋存方式主要分为第四系松散土层孔隙水和块状基岩裂隙水。

基坑开挖过程中,若无基坑内降水或降、排水效果不好,第四系松散土层孔隙水汇集到残积土层开挖面,造成土层软化、泥化；特别是上覆的冲—洪积砂层主要潜水含水层,富水性和透水性强,要做好降、排水措施。

基岩裂隙水主要赋存于花岗岩强风化带和中风化带的节理与裂隙发育地段,富水性和透水性好；花岗岩的节理、裂隙一是在其冷却过程中产生,成层状、网格状展布；二是在后期的断裂构造中发展,具有较强的方向性与较好的连通性；裂隙水水力特点为承压水,水压大小与其埋深及补给来源相关。基坑开挖使强、中风化花岗岩上覆风化土层压力减少,具有承压性的基岩裂隙水通过上覆风化土中原生节理、孔隙通道向上渗流,渗流过程中不断将软化后的黏土矿物带出,逐渐形成更多、更大的导水通道；若基岩上覆风化土层压力难以承受裂隙水压力,土层甚至可能被承压水击穿,造成上覆风化土层遇水软化、泥化。

(2)大气降水影响

广州地区降雨充沛,每年5～10月为雨季,雨季进行花岗岩风化土层开挖,若基坑内排水措施不到位,土层软化、泥化问题将不可避免。

3.3 对策

针对花岗岩残积土层特性以及工程风险原因分析,处理该不良地层的思路和方案主要有以下几个方面。

(1)基坑围护结构加深

围护结构嵌入花岗岩中风化、微风化带一定深度,减弱或切断基坑内外地层间的水力联系；该方案适用于车站埋深较大或花岗岩岩面较浅地段,否则工程投资增加过大；在满足围护结构受力和稳定的前提下,设计单位应结合水文地质特征、地层抽水试验及渗透试验结果进行抗渗流验算，确定围护结构加深深度。围护结构加深部分可采用素混凝土形式以降低工程造价。

(2)基坑内基底加固

基坑开挖前对基坑内基底以下一定范围内花岗岩风化土层(包括残积土、全风化土层)进行旋喷桩预加固形成复合地基,复合地基受水的影响相对较小,加固桩体成桩质量能够保证,复合地基承载力一般都能达到设计要求；该方案采用较保守、被动的思路去应对风化土遇水软化承载力不够问题。通过实践发现,该方案工程投资较大,仍存在基岩裂隙水通过加固体间土层向上渗流现象,加固体间风化土软化后需做换填处理,基岩裂隙水发育地段上述问题更为严重,甚至无法满足地基验收条件,裂隙水渗流失水过多,易导致基坑周边地表、建筑物沉降。

(3)基坑内注浆止水

基坑开挖前对基坑内基底以下一定范围内花岗岩风化土层采用梅花形布置袖阀管低压注浆,目的是填充土层内原生节理、孔隙,阻断基岩裂隙水向上渗流的通道,注浆填充、挤密也对风化土有了一定程度的改良。该方案以主动处理的思路来治水,理论上可行,但工程投资亦较大,从地表长距离在天然状态花岗岩风化土中进行低压注浆的质量有待进一步论证和实践。

(4)基坑外注浆止水

基坑开挖前，在基坑围护结构外围采用前进式注浆工艺，对连续墙墙底以上2 m向下至进入微风化带1.5 m范围内的风化土层和岩层进行注浆止水,目的是在围护结构外侧形成一道防渗帷幕,减弱或切断基坑内外花岗岩强、中风化带间的水力联系；该方案亦以主动处理的思路来治水,适用于花岗岩岩面较浅的工程,否则注浆范围大导致工程投资较大；通过在三号线燕塘站、六号线长湴站实施,该工艺采用自上而下分段循环灌浆,可灌性好,基本达到预期效果。

(5)基坑内系统降水

基坑开挖前、开挖中至结构施工期间采用集水井(重力式)或井点(强制式)方式进行基坑内降水,目的是通过降水始终保持基坑内开挖面或基底面不泡水。井点降水常见有井点、管井等降水形式。该方案亦以主动处理的思路来治水,理论上可行,工艺很成熟,工程投资小,但花岗岩风化土层为弱微透水性土,该段地层采用重力式降水速度慢、工效低,采用井点式降水效果较好,但井点式降水工艺相对复杂,对基坑开工进度有一定的影响。另外,设计单位选择降水方案前应充分论证降水施工对基坑周边建构筑物的影响程度,因为广州地区地下水位浅,地下水丰富,水力联系复杂,降水不当就会对基坑周边浅基础、摩擦桩基类型的建筑物或周边地下管线造成影响。因此,设计单位应详细调查工程周边环境、水文情况,通过科学、合理的验算和必要的试验来制定和完善降水方案。