地面沉降地区下穿河流隧道工程地质灾害危险性探讨
2017-01-20黄龙安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院蚌埠233000
黄龙(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，蚌埠 233000)
地面沉降地区下穿河流隧道工程地质灾害危险性探讨
黄龙
(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，蚌埠 233000)
随着城市不断发展，城区的土地资源越发紧张，因此开发地下空间逐渐显现出必要性，由于历史原因很多城市沿江、河布局，因此下穿江、河隧道工程越来越成为重要的交通建设。皖西北地区由于长期堆积侵蚀，形成较厚的粉土、砂砾层，同时该区域长期的地下水超采，地面沉降地质灾害逐渐显现，因此做好穿河隧道地质灾害危险性评估工作，为工程建设地质灾害的防治提供科学依据，具有重要价值。本文以亳州市建安隧道建设工程地质灾害危险性评估为探讨实例。
皖西北地区；地面沉降；下穿河流隧道；地质灾害
1 工程概况
建安隧道建设工程位于亳州市谯城区中部建安路与涡河交汇处，京九铁路西侧，北起北二环路，南至规划南扩四路，隧道下穿涡河，工程总长1 280 m。建设标准按照双向四车道外加两侧非机动车道和人行检修道，其中隧道段长1 233 m，暗埋段长710 m，敞口段长523 m。建安隧道推荐建设方案为围堰明挖隧道，箱型结构，主体结构采用C35防水钢筋混凝土，垫层采用C20素混凝土。基坑开挖深度1.8～17.6 m，宽度约25.7～27.0 m。在河北和河南各设一对进出匝道，工程按照施工方法包括地面段、敞口段、明挖暗埋段。
2 地质环境条件
2.1 水文
评估区内主要地表水体为涡河，拟建工程下穿涡河，工程建设段涡河河道宽约200 m，通航常水位为35.2 m(黄海高程)，最低水位29.34 m(85国家高程)，航道设计水深为3.2 m，河底最低点现状标高28.2 m，规划最低标高为26.14 m，最高通航水位36.95 m，20 a一遇洪水位37.66 m，50 a一遇洪水位38.2 m，百年一遇洪水位38.71 m。根据正在编制的《安徽省干线航道发展规划》将涡河(戴桥～怀远河口)226.4 km规划为Ⅳ级航道。两岸堤坝高程在39.0～40.3 m，河堤防洪标准为20 a一遇。
2.2 地形地貌
评估区位于亳州市境内，属淮北平原，海拔标高在35.7～40.3 m(其中涡河两岸建有人工填筑的堤坝，坝高2.5～3.0 m)，平坦开阔，沿线整体地势西北高、东南低，并以l/8 000～l/9 000(计算时不考虑堤坝的高程)地面自然坡降向东南微倾。
评估区地貌类型为泛滥微高地，其地面标高35.7～40.2 m左右(涡河两岸有人工填土筑成的堤坝，坝高2.5～3.0 m，呈梯形截面)，属现代河流冲积堆积成因类型，地表岩性为全新统蚌埠组粉质粘土、粉砂和粉土。
2.3 地层岩性与工程地质
评估区第四纪地层主要为冲积地层(评估区地层见表1)，区内65 m以浅的土体分为7个工程地质层，其主要特征分述如下：
①填筑土：灰褐色、灰黄色，松散-稍密，以粘性土为主，含少量砖块、碎石，局部夹粉土薄层。钻孔揭露该层，层厚约4.70 m。
②粉土(Q4b)：褐黄色，可塑-坚硬，含少量钙质结核，层厚2.00 m，承载力特征值180 kPa。
②-1淤泥质粉质粘土(Q4b)：该层为软土，灰褐色，软塑，包含腐殖质，埋深3.8 m左右，平均层厚5.40 m，主要分布在北岸。
③中砂(Q4b)：灰黄色，可塑-坚硬，含少量钙质结核，干强度中等，韧性中等。平均层厚15.45 m，层底高程12.50～12.63 m，承载力特征值350 kPa。
④中砂(Q3b)：灰黄色、灰褐色，中密-密实，饱和，主要矿物成分为石英、长石，含少量云母，平均层厚2.20 m，层底高程10.30 m，承载力特征值为350 kPa。
⑤粉土(Q3b)：灰褐色-黄褐色，密实，湿，含少量铁锰质、钙质结核及高岭土，局部夹粉砂薄层，平均层厚10.80 m，层底高程1.83 m，承载力特征值240 kPa。
⑥粘土(Q3m)：黄褐色，硬塑-坚硬，含少量铁锰质、钙质结核及高岭土，局部与粉质粘土互成，该层局部揭穿，最大揭穿厚度25.10 m，承载力特征值为300 kPa。
⑦中砂(Q3m)：黄褐色，饱和，密实，含少量石英、长石，见云母碎片，该层未揭穿，最大揭露深度65.00 m，承载力特征值为350 kPa。
表1 评价区地层简表
2.4 水文地质条件
根据地下水赋存条件，评估区浅层地下水类型为松散岩类孔隙水类型。
松散岩类孔隙水：含水层组由第四系全新统、上更新统及部分中更新统的松散层组成，该含水层组底板埋深一般在40～60 m左右，具潜水-半承压性质，岩性主要为粉质粘土、粘土、粉土、粉砂、粉细砂和细砂。粘性土和砂性土分别构成了弱透水层和含水层；粘性土垂直裂隙较发育，弱透水层入渗性能较好；主要含水层组一般以粉、细砂为主，呈条带状展布，顶板埋深分别为4～12 m和20～30 m，总厚度一般10～15 m，局部厚度可达20～30 m；单井涌水量小于500 m3/d。地下水具无压-半承压性质，天然状态下水位埋深1.5～3.5 m，年内变化幅度1.5左右；水化学类型为HCO3—Ca·Mg型，pH值7.46～7.83，溶解性总固体一般小于1.0 g/l。场地的地下水和土对混凝土结构有微腐蚀性，对混凝土中的钢筋有弱腐蚀性，对钢结构有中等腐蚀性。
评价区内自20世纪70年代以来的城镇供水，均以开采深层地下水为主。随着工农业生产发展和城市居民生活的需求，亳州市谯城区，已产生地下水超采问题，形成了以谯城区-古井镇为中心的1个较大的降落漏斗，并造成区域地下水位的持续下降。谯城区中心地带深层地下水位埋深已达50 m左右。
3 地质灾害危险性现状评估
评估区地处亳州城区，由于长期以来城镇、企业大量开采中、深层地下水，形成降落漏斗。据安徽省环境监测总站提供的长观孔观测资料表明，已形成以亳州城区为中心的降水漏斗，截止至2015年，漏斗中心水位埋深已达到50 m。
通过研究阜阳地区以及评估区附近的水文地质钻孔资料发现，阜阳市地区的地层与亳州市谯城区的地层基本相似，均有较厚的第四系和新近系松散层，具粘性土和砂性土相间分布的多层结构，所以当中深层地下水水位的下降时，所引起的地面沉降情况也基本相似。由于阜阳地区在中深层地下水埋深达20 m左右时，即会产生地面沉降，目前，亳州市尚无系统的地面沉降水准监测资料，但是，亳州热电厂8号供水井井房地面出现了以井管为中心的放射状裂痕，推断为地面沉降引起的破坏。调查发现评估区内未见地面沉降地质灾害迹象，据此评估区内地面沉降地质灾害不发育。
综上所述，现状评估区内地质灾害不发育。
4 地质灾害危险性预测评估
预测评估根据评估项目类型、特点及其与地质环境的关系，工程建设过程中和建成后，地质环境会相应发生改变，这些改变将会改变或者引发地质灾害。本工程地质灾害危险性预测采用地质条件分析法和工程类比法，预测评估从工程建设可能遭受的地质灾害和工程建设可能引发的地质灾害两方面进行。
4.1 工程建设可能遭受的地质灾害
4.1.1 建设工程可能遭受地面沉降地质灾害危险性的预测
拟建工程区域松散层厚度约700～800 m，具粘性土和砂性土相间分布的多层结构，随着亳州市地下水的大量开采，使得中深地下水水位下降，形成地下水漏斗，引起地面沉降地质灾害，预测拟建工程可能会遭受地面沉降地质灾害。
(1) 地面沉降产生机理
地面沉降地质灾害是由于长期过量开采深层地下水，致使深层地下水水位持续下降，引起土层释水，土层颗粒骨架附加应力增大，孔隙减小，加速固结，产生塑性变形而形成。引起地面沉降地质灾害主要因素为地层结构、中深层地下水开采量和水位埋深。
(2) 地面沉降范围和累计地面沉降量预测评估
目前由于评估区范围内未进行系统的地面沉降监测和研究，对地面沉降的评估主要是利用类比法进行评估。
评估区的地质、水文地质条件与阜阳市相近，并且阜阳市进行了地面沉降的监测和综合研究，故本次评估类比阜阳市地面沉降发育、发展情况对评估区地面沉降地质灾害进行预测。
① 地层结构
根据《安徽省阜阳市水文地质工程地质环境地质综合评价报告》，阜阳市在156 m以浅的土体内砂层和粘性土层相间，主要有6个压缩层、6个含水砂层和1个硬土层，其中A-4、A-5为主要压缩层，其他为次要压缩层，硬土层为半成岩状态，其沉降量较小。
评估区中选取亳州地区的典型地质剖面与阜阳市进行比较(图1)，两地在150～200 m以浅均具有砂层和粘性土层相间的结构，其中亳州市谯城区主要有5个压缩层、5个含水砂层，其中A-4、A-5为主要压缩层，其他为次要压缩层。
图1 阜阳市、亳州市典型地段地层柱状图
② 评估区及阜阳地区地下水基本情况
阜阳市以深层孔隙水为主要供水水源，松散层厚度700～850 m，目前地下水开采井深度一般在350 m左右。据阜阳市地面沉降研究资料，埋藏深度一般在50～150 m的第四系中、下更新统粘性土层是地面沉降的主要压缩层；根据1999年水准测量资料，地面沉降最大沉降范围410 km2，中心最大累计沉降量1 347.42 mm；2004年阜阳市测绘院测量资料，自1998年10月至2004年10月，6 a间地面沉降中心沉降量为210.4～244.3 mm。截止到2008年，中心最大累计沉降量为1 567.2 mm。沉降量与含水层水位埋深量关系见图2。
(根据《安徽省阜阳市水文地质工程地质环境地质综合评价报告》和收集到的1990年后沉降资料编制)图2 地面沉降与水位埋深关系图
自20世纪70年代以来亳州市谯城区的供水主要依靠开采深层地下水，目前亳州市谯城区地下水开采井200多眼，其中深层地下水开采井有130眼左右，开采量约10×104m3/d，已形成地下水漏斗，目前中心地带深层地下水位埋深已达50 m左右，水位埋深20 m范围达131.49 km2。据安徽省亳州市国土资源局、安徽省地质环境监测总站2007年8月完成的《安徽省亳州市地质灾害防治规划(2006—2020年)(1∶250 000)》以及2014年安徽省水情通报中的水位长期观测资料，评估区范围内中深层地下水位在以每年0.6 m的速率持续下降(626C观测孔近5 a资料平均值)，拟建工程安全期以100 a考虑，现状地下水水位在50 m左右，预测至2115年漏斗中心的最大降深将达到110 m左右(图3)，评估区处在漏斗中心，届时中深层地下水水位埋深为110 m左右。但考虑到地面沉降的预测期限不宜超过30 a，照此时间估算届时亳州市中心地下水水位在68 m左右。
参照《安徽省阜阳市水文地质工程地质环境地质综合评价报告》中的地面沉降与水位埋深关系图(图2)，1992年前后阜阳市降水漏斗中心的地下水位埋深约为68 m，地面累计沉降量约为1 030 mm，则当地下水位埋深为68 m时，地面累计沉降量约为1 030 mm；综合考虑未来可能存在的地热资源开发利用，也将会对地面沉降产生叠加影响，因此预测评估区范围内30 a内可能遭受地面沉降地质灾害，累计最大地面沉降量大于1 030 mm，大于1 000 mm，属大型地面沉降。
(3) 地面沉降地质灾害危险性预测评估
地面沉降是区域性的缓变型地质灾害，使得隧道工程整体较均匀缓慢下沉，导致线路工程变形，一旦超过其允许的变形值，可能会引起开裂，影响正常通行。
在30 a的地面沉降预测期限内，预测届时评估区内累计地面沉降量将大于1 030 mm(表2)，该值大于1 000 mm，故评估区地面沉降地质灾害的危害程度大，危险性大。
表2 预测亳州市区沉降量与时间关系表
4.1.2 建设工程可能遭受软土变形地质灾害危险性的预测
评估区内软土层为②-1层淤泥质粉质粘土(Q4b)(引自《亳州市建安隧道工程工可工程地质勘察说明》，并现场取样经测试)，经钻孔揭露其主要分布于评估区涡河北岸起点桩号为K0+742。
由于软土含水量大、孔隙比大，土体具有流变性、触变性等极易变形的特点，因此软土地基在受荷后会发生剪切变形和缓慢沉降，在持续荷载作用下土体颗粒骨架也随之发生蠕动而引起变形。软土的这些特征，会使得基坑开挖过程中出现土体滑移现象；还可能因为软土变形导致隧道底板产生裂隙；特别是在软土区和非软土区交接处，由于两者沉降量不同，直接使得隧道不均匀沉降，引起变形，甚至开裂，影响工程质量。在基坑开挖施工过程中，还易引发崩滑，影响施工安全。
根据《亳州市建安隧道工程工可工程地质勘察说明》，并现场取样测试表明，评估区范围内，涡河北岸分布有软土，其埋藏深度为3.8 m左右，厚度约5.4 m，取样得出其孔隙比1.2>e>1.0，故拟建工程可能遭受软土变形地质灾害，其危害程度中等，危险性中等。
4.2 工程建设可能引发的地质灾害
4.2.1 工程建设可能引发的地质灾害
隧道施工拟采用围堰明挖法施工，分段围护，采用一箱两孔箱型结构，下设抗拔桩，全包防水处理，线路纵断面整体呈“V”型布置，隧道最大坡度3.95%，隧道最低点设置在涡河河底(K0+636)(图4)。
基坑工程起止里程K0+037.08～K1+270，总长度为1 233 m，其中基坑较浅段 (K0+37.08～K0+150、K0+110～K1+270)开挖深度3.0～7.5 m，较深段(K0+150～K1+110)开挖深度3.0～17.6 m，基坑开挖最深处在桩号K0+500和K0+800处，基坑宽度约25.7～27.0 m。
在涡河南北岸基坑开挖较浅隧道基坑深度H≤4 m段，采用放坡开挖+土钉支护，放坡坡率1∶1，打设3 m长土钉，坡面挂网喷10 cm厚C25混凝土；基坑深度4 m
(根据《安徽省亳州市地质灾害防治规划(2006—2020年)》及环境监测总站提供观测数据推测得出)图3 评估区及其周边预测100 a地下水埋深等值线图
图4 隧道纵断面设计图
图5 基坑横断面示意图
根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)，基坑边坡的崩塌范围可按下式计算：
L=H/tg θ
式中，L为影响距离，即边坡滑动区边缘至坡底边缘的投影距离(m)；H为边坡高度(m)；θ为边坡破裂角(°)，取45°+φ/2，φ为内摩擦角。
边坡基坑崩塌方量，本次采取V=L×H×l/2，l为最大滑动长度(m)。
(1) 参数选择
①H取值为基坑开挖深度。
② 由于开挖深度以内，评估区土体不均一，φ取本次土工试验测得各工程地质层的厚度加权平均值，为1°。
③l取值为6 m(按设计方案分段开挖长度在6 m内)。
在计算崩塌方量时，以接近最大开挖深度时为最大，方量为902 m3(基坑深度以17.6 m计算)，属中型崩塌，在工程施工中可能引起的崩塌规模从小型到中型，接近开挖最大深度段时崩塌方量为最大。
(2) 影响范围与基坑崩塌方量
基坑开挖深度最大段，造成影响范围与基坑崩塌方量见表3。
表3 预测基坑开挖深度最大段时可能引发基坑崩塌影响范围和方量一览表
建(构)筑物名称基坑坑底坡度/°边坡高度H/m影响距离L/m内摩擦角φ/°边坡破裂角θ/°最大长度l/m崩塌方量/m3开挖深度最大段arctan0.039517.617.11°45.5°6902
综上所述，在此次工程建设的过程中基坑深度大于3 m段(K0+150～K1+110)可能引发基坑崩塌地质灾害，其危害程度中等，危险性中等。
4.2.2 工程建设可能引发滑坡地质灾害
评估区内涡河北岸分布有软土层，埋深3.8 m左右，厚度约5.4 m，在基坑开挖至软土层时，由于软土的工程性质差，可能会引起滑坡地质灾害的发生，但施工至软土层时，将会清除软土，并作土质改良，因此工程建设可能引发滑坡地质灾害，其危险性小，危害程度小。
5 地质灾害危险性综合评估
评估区分为4个地质灾害分区：(1)地面沉降、软土变形地质灾害危险性大区(Ⅰ)，处于隧道(K1+110～K0+280)段，隧道敞口和接线公路段，可能会遭受地面沉降地质灾害，其危害程度大，危险性大、可能受到软土变形的地质灾害，其危险程度中等，危害性中等。(2)地面沉降、基坑崩塌、滑坡、软土变形地质灾害危险性大区(Ⅱ)，处于隧道(K0+742～ K1+110)段，主要工程为隧道工程。隧道工程基坑开挖大于3 m段，可能会遭受地面沉降地质灾害，其危害程度大，危险性大、可能遭受软土变形的地质灾害，其危险程度中等，危害性中等、可能引发基坑崩塌地质灾害，其危害程度中等，危险性中等、可能引发滑坡地质灾害，其危害程度小，危险性小。(3)地面沉降、基坑崩塌地质灾害危险性大区(Ⅲ)，处于隧道(K0+150～ K0+742)段，主要工程为隧道工程，可能会遭受地面沉降地质灾害，其危害程度大，危险性大、可能引发基坑崩塌地质灾害，其危害程度中等，危险性中等。(4)地面沉降地质灾害危险性大区(Ⅳ)，处于隧道(K0+0～K0+150)段，为隧道敞口和接线公路段，可能会遭受地面沉降地质灾害，其危害程度大，危险性大。4个区的建设场地适宜性评价均为适宜性差。
6 防治措施与建议
6.1 防治措施
6.1.1 地面沉降地质灾害防治措施
(1) 首先解决分段连接防水、工程高程损失。
(2) 倡导控制当地大型工厂对地下水的无节制开采。
(3) 对于道路以及隧道工程，加强其变形监测，发现变形时应立即进行处理。
6.1.2 基坑崩塌地质灾害防治措施
(1) 基坑开挖较深且面积较大，施工时请做好基坑支护工作，基坑开挖应尽量放缓边坡，并应及时浇筑垫层。
(2) 施工过程中不宜使基坑长期暴晒或泡水，雨季施工应采取防水措施。
(3) 建议沿基坑底部设置明沟和集水井，及时排出基坑底积水，基坑外围四周地面做好向外排水的散水坡，防止地表水流入基坑。
(4) 基坑开挖应采用信息化施工和动态控制方法，应根据基坑支护体系和周边环境的监测数据适时调整基坑开挖的施工顺序和施工方法。
(5) 施工过程中，如发现地质条件、工程条件、场地条件与勘察、设计不符，周边环境出现异常等情况应立即停止施工，并及时通知建设方及其他相关单位；出现危险征兆，应立即启动应急预案。
6.1.3 滑坡地质灾害防治措施
(1) 基坑开挖至软土层时支护措施要相应调整，保证基坑稳定性。
(2) 软土工程性质差，施工中软土层需要清除，并作土质改良，防止次生地质灾害发生。
6.1.4 软土变形地质灾害防治措施
(1) 对于分布于隧道底板以下的软土，应进行土质改良。
(2) 在基坑开挖过程中加强边坡支护，防治软土层滑移引发滑坡地质灾害。
(3) 在软土层区域进行施工时，支护措施要有针对性，切实保证安全。
6.2 建议
(1) 基坑开挖前，应根据工程结构形式、基坑深度、地质条件、气候条件、周围环境、施工方法、施工工期和地面超载等有关资料，确定基坑开挖施工方案，并按相关规定组织专家论证。
(2) 评估区基坑开挖的废土应及时运离施工现场，避免因就近堆放废土等原因造成边坡堆载过大引起边坡失稳形成崩塌。
(3) 隧道在建设过程中对基坑周边地下管线进行沉降和变形监测，并应在结构、荷载大处宜增设观测点。
(4) 隧道在运行期应长期进行沉降、变形监测，长期记录变形数据，如有异常，需及时采取安全措施。
(5) 隧道建成后隧道顶板的覆土回填要作压实，注意监测隧道顶板回填覆土可能出现的沉陷。
(6) 在整个隧道施工和后期运营过程中需做好防水，预防渗漏灾害的发生。
7 结语
地面沉降地区下穿河流隧道工程，往往工程地质条件差，地质环境条件较复杂，因此施工的难度大，在基坑开挖过程中可能引发基坑崩塌、滑坡地质灾害，而由于地面沉降地质灾害的长期性，将会对隧道施工和运营期的结构稳定性造成影响。因此通过地质灾害危险性评估，并提出相应的地质灾害防治措施与建议，对于建设工程的地质灾害防治，及工程设计、施工有很大实际意义。
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作者简介：黄龙(1989- )，男，汉族，安徽阜阳人，本科双学士，助理工程师，安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，主要从事水文地质、工程地质、环境地质方面的勘察设计与研究工作。Email：787850853@qq.com
THE DISCUSSION ABOUT GEOLOGY DISASTER OF TUNNEL PASS THOUGH RIVER IN LAND SUBSIDENCE AREA
HUANG Long
(No.1 Hydrology & Engineering Geology Prospecting Institute of Anhui Geology and Mineral Resources Ministry，Bengbu 233000，China)
As urban development, urban land resources increasingly tense, so the development of underground space be more necessary，for historical reasons many cities grow along the river, so the project of tunnel pass though river be more and more important . In northwest of anhui province due to long-term accumulation, forming thick silt, sandy gravel layer , moreover the long-term strain of groundwater in the area, the ground subsidence of geological disasters appeared gradually, therefore the discussion of geology disaster, will provide a scientific basis for prevention of geological disaster which is of important value. this paper will taking the discussion about geology disaster of jianan tunnel construction in bozhou city as a example.
northwest of anhui province;land subsidence;tunnel pass though river;geology disaster
1006-4362(2016)04-0044-08
2016-07-19改回日期： 2016-10-20
P642;U45
A
