武汉四新地区大面积软土沉降对市政工程的影响及处理措施

张利华，熊三平，傅 林

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉430023；2.武汉光谷建设投资有限公司，湖北 武汉430223；3.武汉新区建设开发投资有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

武汉市汉阳四新地区位于龙阳大道以东、墨水湖南路以南、长江以西、三环线西环段（汪家嘴立交-白沙洲大桥）以北的包围区域，总面积约20 km2，为原汉阳区四新农场范围，现正在大面积开发建设。原始地貌大部分属于湖泊堆积区（地貌形态编号III2），其次为河流堆积平原区（地貌形态编号III1）以及局部地势较高处的剥蚀堆积岗状平原（地貌形态编号II1）。湖泊堆积区面积约占总面积的一半，广泛分布湖泊相厚层淤泥及淤泥质黏土软土，平均厚度为8～15 m，最深达到20 m，具典型的孔隙比大、天然含水量高、压缩性高、承载力低（30～70 kPa）特征。地势低洼区原始地面高程普遍为17 m左右，现行规划的城区干道路面标高为20.5～23.0 m，整个低洼区域通过吹填长江河道沉积物填高3～5 m。大面积填砂场平、路基填土相当于在软土上堆载，势必加速软土沉降并对市政道路修建及运行造成很大影响。本文在软土工程性质分析、软土沉降估算基础上，评价对市政工程影响，进一步提出相应处理措施建议。

1 四新地区软土工程特性

1.1 四新地区软土分布

统计前期新建道路的勘察资料反映的软土分布情况见表1所列。从表1可看出，平面分布上软土所占比例多达50%，最大深度大多在15 m以上。

表1 四新地区软土分布情况一览表

四新地区软土总厚度空间分布图见图1所示。从图1可以看出，软土厚度大于10 m区域面积占总面积的18%，软土厚度大于6 m区域面积占总面积的41%，2 m以上软土分布区占总面积的67%，软土分布范围广。

图1 武汉市汉阳四新地区软土总厚度图

四新地区软土多有两层，包括表层淤泥、淤泥质土及下部淤泥、淤泥质土，中间一般有厚度2～3 m硬壳层（局部缺失）。

原始地形地貌情况下典型地质剖面如图2所示，图中未绘出表层厚度3～5 m的冲填砂及路基填土。

图2 汉阳四新地区软土剖面示意图

1.2 四新地区软土工程性质

收集该地区勘察资料，上层淤泥及下层淤泥质黏土的性质列于表2。从表2中可以看出，四新地区软土具有典型内陆湖泊堆积特点。与汉口软土相比，含水率、孔隙比更大，工程性质更差。

2 四新地区软土沉降估算

四新地区规划场平均标高22 m左右，软土分布区标高17.1～17.4 m，地势较低区域将整体堆填5 m左右，路基荷载约100 kPa（填土的重度γ取20 kN/m3）。大面积的填土堆载将引起软土压缩、孔隙比减小、含水量降低，以致产生大面积的地基沉降。

金宗川等在上海大面积堆载场地进行历时3年的现场监测，分层沉降、超孔压和地基土侧向位移的观测结果显示，在大面积堆载作用下最大影响深度达40～45 m，表明大面积堆载作用下地基变形的影响深度超出常规荷载。

而武汉四新地区的软土最大厚度为20 m左右，其表层淤泥及下部淤泥质软土均在压缩影响范围内。该地区地基沉降应主要包括松散填土沉降和软土地基沉降两部分（由于相较软土沉降过小，忽略道路行车荷载、建筑物附加荷载和中间硬壳层的沉降）。估算软土地基沉降：

式中：S∞为最终沉降量，mm；E 为压缩模量，MPa，淤泥取2.0 MPa，淤泥质土取3.0 MPa；⊿p为附加应力，kPa，5 m厚冲填土荷载取100 kPa；H为计算土层厚度，m。

图2中淤泥平均厚度取3 m、淤泥质土厚度取15 m。估算出该地区的软土地基最大沉降约0.65 m。表层冲填土自重压实沉降约50～100 mm，故总沉降约700～800 mm左右。估算值偏大，原因为上下隔水层阻隔了软土中孔隙水的排出，导致下部淤泥质土固结无法全部顺利完成，下部淤泥质土沉降应该远小于估算值。因此，在有黏性土硬壳层情况下，软土沉降主要集中在表层淤泥，该淤泥层沉降估算约150 mm，包括填土沉降在内的地基总沉降约 200～300 mm。

故软土沉降与表层淤泥软土厚度密切相关，表层淤泥厚度越大、沉降越大，对工程影响大。

3 大面积沉降对市政工程的影响

3.1 一般道路路基沉降

软土引起的大面积沉降直接导致路基整体下沉，见图3所示，沉降后路面标高显著低于规划设计路面标高。

表2 四新地区软土主要物理、力学指标一览表

图3 软土地基道路沉降及桥头跳车示意图

在原始地形地貌起伏变化过渡段及软土厚度变化段，差异沉降往往与道路整体沉降伴随，表观现象就是路面高低起伏，以及路面开裂（见图4、图5），差异沉降影响更大。

图4 软土地基路面凹凸不平之实景

图5 桥台与引道错位之实景

3.2 隧道路基沉降

四新地区隧道包括城市道路下穿隧道及地铁隧道。

城市道路下穿隧道多由U形槽、闭合框架组成，路面最大埋深在10 m左右，隧道两端路基有冲填土及表层淤泥，隧道中部穿过硬壳层进入到下部淤泥质土。在行车荷载作用下的软土沉降对道路产生不利影响，同样造成道路整体沉降、路面高低起伏不平，以及路面开裂等。

地铁隧道埋深一般20 m左右，大部分地段超过软土分布范围，但在局部原始地形低洼区基底下尚可能有淤泥质土分布，见图6所示。隧道建设形成新的排水廊道，在运行阶段行车动荷载加速软土固结并导致盾构管片与轨道变形。该区域已有地铁6号线建成，正在准备新建地铁10号线、12号线，业主及设计人员应充分考虑软土的沉降对隧道长期正常运营的不利影响。

3.3 桥梁桩基础负摩阻力

图6 隧道埋置淤泥质土分布图

四新地区的桥梁桩基础，其桩端一般进入埋深40 m左右的基岩，施工中桩底沉渣清底较干净，桩端及桩身位移很小。上部软土相对桩身向下位移，因而产生负摩阻力，且因为软土较厚、表层堆载较大，所以计算负摩阻力很大，从而显著降低单桩承载力。

3.4 管涵沉降

管涵多布置在路幅范围内，随着软土地基沉降而伴随下沉，从而影响水的正常收集及输送。另外，差异沉降易导致管道错位、开裂，使管道中水渗漏并进一步加剧管涵周边土体松软、流失，严重时发生地面塌陷，见图7所示。

图7 管道渗漏引起地面塌陷之实景

3.5 公交场站和城市广场

公交场站和城市广场荷载均不大，大面积的软土固结沉降影响同样包括路面整体下沉、凹凸不平及开裂等。

4 大面积软土沉降处理措施

4.1 预留沉降

地基处理费用高昂，非工期紧迫时，可不对软土地基进行预先处理。根据计算预留沉降，建议道路先形成过渡柔性路面，待地基沉降基本稳定后，再形成刚性路面结构。但软土次固结时间很长，软土厚度较大时可延续10～20 a，道路使用期间需多次维修加高。

管涵施工时，可预留沉降差，为防止影响输送能力，或可采用柔性接头。

4.2 软土地基处理措施

4.2.1 道路路基处理

表层冲填砂可夯（压）实处理。软土地基处理方法，包括：真空（堆载）预压、水泥土搅拌桩（包括钉型桩）、CFG桩、管桩等均在四新地区使用过，本文不再赘述。在此仅说明几点：

（1）地基处理可以消除大部分软土沉降，但不能够完全消除软土沉降。软土次固结是个长期过程，最长达20 a以上。

（2）真空（堆载）预压从原理上说是排水固结，减小孔隙水压力、促使软土压密固结，可有效地消除软土地基沉降。工期容许时，可优先考虑真空（堆载）预压方法应用于深厚软土地基处理。

（3）硬壳层利于减少沉降，但回弹模量往往不满足规范要求。有些道路设计，因为路面高程限制而把硬壳层挖除换填，实际上是得不偿失。设计人员可做深入研究，充分利用硬壳层，适当抬高路基高程。

（4）解决桥头跳车问题，可采用过渡段设计，优先考虑减少路堤高度、使用轻质混凝土路堤，其次考虑地基处理等方式。

4.2.2 管涵地基处理

考虑管涵埋深及地质条件，建议结合路基一并处理。

4.2.3 桥梁桩基础消减负摩阻力设计

可设置隔离材料以避免软土与桩身直接接触来消除软土下沉对桩基础的下拉荷载（负摩阻力）；或对软土预处理，减少、消除软土沉降。该法施工较繁琐，工程实践中未见使用报道。在设计中，大多采用加大桩长来消减负摩阻力影响。

4.2.4 隧道深度调整设计

城市道路隧道需考虑冲填土压实沉降、大面积软土沉降、差异沉降，以及软土回弹等影响。设计时，可对路基下进行地基处理或采用桩基础。

地铁隧道大多采用盾构法施工。由于软土渗透系数小，依靠施工过程中注浆来消除软土沉降，其效果差，包含武汉市在内的国内多条从软土中穿过的地铁明显沉降均证明这一点，其后期处理困难。四新地区软土层底深度一般不超过20 m，因此建议下调隧道埋深，将隧道底板落在下部一般黏性土、老黏性土、碎石土或基岩上，可有效地解决后期沉降的不利影响。

5 结语

（1）四新地区大部分地段为深厚软土分布区，因新近堆填荷载导致该地区大面积软土沉降，估算沉降值约200～300 mm。

（2）软土沉降对市政工程影响较大，易导致路面下沉、凹凸不平、开裂、桥头跳车严重，以及管涵沉降、错缝、地面塌陷等；负摩阻力降低桩基础承载力；软土中地铁隧道下沉影响列车正常运行等。建设人员应充分考虑该区域大面积软土沉降影响的危害性、长期性。

（3）根据不同工程建设情况结合地质条件，综合考虑过渡设计（过渡柔性路面、桥梁引道过渡段等）、地基处理、加大构筑物埋置深度使建筑物基底置于硬土层等方法，以减少或消除沉降影响。

（4）鉴于类似地区已发生大面积地面沉降，造成较大的社会影响，建议建设主管部门重视地质条件同样很差的四新地区的软土沉降问题，尽早开展该区域沉降监测工作，为今后该地区及其它类似地区的建设管理提供依据。