哈市地铁穿越段堤防塌陷处理方案的比选与确定

2021-02-26史晓东

东北水利水电 2021年2期

史晓东

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 塌陷原因分析

塌陷段堤防为松花江南岸道里堤防人民广场段，顶高程为120.0 m，堤顶库宽120.0 m。始建于1958年，1998年洪水过后，重新进行了修缮。现堤岸高7.7 m，岸顶高出现有江面约4.7 m，堤防坡面现为浆砌块石。并于2003年在前堤肩新建装配式活动钢闸板防洪墙基础，其结构基本形式是以灌注桩、梁为基础，梁顶与堤顶路面齐平，梁上浇筑防洪墙。加固工程已实施完毕。

1.1 抗滑稳定分析

根据2011年8月由黑龙江省水利水电勘测设计研究院和哈尔滨市水利规划设计研究院共同出版《黑龙江省哈尔滨市城市近期堤防工程可行性研究报告》中关于该段堤防抗滑稳定论述“由于松花江洪水位涨落较慢，不存在骤降问题，上游坡不分析稳定……”

根据《防洪影响评价》报告中得知，哈尔滨市轨道交通2号线一期工程穿越松花江段，100年一遇设计洪水时，穿越前后右岸道里堤防背水面抗滑稳定安全系数均为5.08，大于允许安全系数1.30；100年一遇设计洪水骤降时，穿越前后堤防迎水面抗滑稳定安全系数均为1.88，大于允许安全系数1.30，堤防抗滑稳定满足要求。

该段堤防工程1998年洪水过后，重新进行了修缮，安全运行至今。未发现堤防堤身及深层堤基出现不稳定情况，故此次堤防塌陷应与堤防自身稳定无关。

1.2 渗流稳定分析

堤身表层0.3～0.6 m 为混凝土砖石、块石浇筑，下部为粉质黏土夹少量砂类土、碎石压实。由于筑堤时多为人工填筑，其结构较松散，局部孔隙较大，土质不均。堤身外有较宽河漫滩，堤身防渗指标满足规范要求。

从渗透性上分析，根据地质报告可知，堤身粉质黏土层渗透系数一般为1.0×10-5～1.0×10-7cm/s，属于微透水性，满足规范要求，因而堤身填筑土满足堤坝的防渗要求，且根据2014年3月，由哈尔滨市水利规划设计研究院有限公司设计的《哈尔滨市主城区道里、道外段江堤维修工程技施设计图集》中，可知该段堤防岸坡采用干砌石砌块石（350 mm厚）防护，下部铺设碎石垫层200 mm 厚，砂垫层200 mm 厚及有400 g/m2无纺布反滤层，稳定性好，基本不存在渗透稳定问题。

根据《防洪影响评价》报告，哈尔滨市轨道交通2号线一期工程穿越松花江段，100年一遇堤防设计洪水时，穿越右岸道里堤后堤防背水面渗流出口比降0.027，稍大于穿越前0.025，但均小于允许比降0.080，堤防渗透稳定满足要求；2号线一期工程与堤防结合部位最大渗流比降0.021，小于允许比降0.120，2号线一期工程与堤防结合部位渗透稳定满足要求。

故地铁穿越段堤防不存在渗透问题，故此次堤防塌陷应与堤防自身渗透无明显关联，且道里堤防2003年经过修复后，安全运行多年，未出现抗滑及渗漏破坏险情发生。实践证明，堤防自身的安全稳定是能够得到保证。

1.3 深层地基液化分析

根据地质勘察成果，塌陷处上部地层为2-2粉砂层，松散，饱和，标贯试验击数N63.5 为5～10击，平均8 击，承载力低，水下休止角24°～26°，具III 级冻胀性。其中场地内ZK03 和ZK04 孔2-2 松散饱和粉砂层局部液化，ZK01 孔2-3-1 层松散饱和细砂层液化。根据GB50011-2010《建筑抗震设计规范》判定地基液化等级，ZK01 孔液化指数IlE=7.99，ZK03 孔液化指数IlE=2.83，ZK04 孔液化指数IlE=6.28，综合判定液化等级中等。地震液化判定结果为局部液化土，该层自稳性差，易产生滑移。液化判定详见表1。

表1 液化判定表

根据GB50011-2010《建筑抗震设计规范》及国家标准GB18306-2015《中国地震动参数区划图》，该工程堤防段所在区域，地震动峰值加速度为0.10g（对应于抗震设防烈度Ⅶ度），反应谱特征周期Tg为0.35 s，地震动峰值加速度反应谱

1.4 主要原因分析结论

根据以上各原因并考虑到塌陷产生时间及塌陷坑反映特性等因素分析，得出堤防塌陷结论为：堤防塌陷部位夏季受江水浸泡。此外堤防每年都会受春暖冻融侵袭，也会对堤防产生一定影响。加之太阳岛站至人民广场区间，盾构机从松花江底掘进至江堤，正处在隧道覆土变截面（江底覆土约16 m、江堤覆土约为22 m），盾构总推力增加，动荷载增大等综合因素，堤基下部2-2 粉砂层为局部液化土，该层自稳性差，易产生滑移，在盾构施工震动影响下，2-2 粉砂层产生滑移，引起堤防边坡产生塌陷。

2 塌陷原因分析

根据上述分析的塌陷原因选择专项方案，以保证堤防修复后挡水运行安全、可靠；选择的设计方案应避免对地铁施工造成影响，且不应对地铁工程自身结构造成破坏；选择的设计方案应施工方便、快捷、安全、经济，满足该段堤防渡春汛的时间要求等原则初拟3 种设计方案：方案一，振冲碎石桩法；方案二，强夯法；方案三，高喷灌浆围封法。

2.1 方案比较

设计分别从造价、处理效果、施工难度、对地铁工程的影响等方面对选择的3个方案进行综合比较，最终确定此次修复方案。

2.1.1 造价比较

从造价方面分析，3 种方案造价由高到低分别为方案三、方案一、方案二，因此方案二较优。

2.1.2 处理效果比较

从处理效果方面分析，对国内外多数工程的工程经验进行梳理和总结，得出以下结论：方案二的有效处理深度为10～20 m，适用区间较宽，处理可靠性较高。方案一振冲深度可达达30 m，处理效果不仅能够增加土体密实性，同时碎石桩可以起到置换一部分土体的作用，原地基土行成复合地基，综合处理效果最优。方案三有效治理深度可达到近20 m 左右，通过将可液化土体分隔成独立的封闭块，大大提高被处理土体的抗滑移稳定性，限制并消除地层振动液化扩散与流动滑移，但该方案对围封区内土体的局部变形作用有限。该工程存在滑移性的2-2 砂层埋深最高达到10 m 左右，故三种处理方案处理效果由均能满足此次设计目的及需要，故3个方案均可行。

2.1.3 施工难度及对周边建筑物影响比较

强夯法对场地地下水条件要求较高，施工时需要进行排水措施，该工程区地下水位较高，对强夯法的施工产生不利影响；振冲法生产工艺相对复杂，对其填料量、加密段长度、加密电流、留振时间等参数选取受地质情况、土（砂）层性状等条件影响，选择较困难；因该工程位于道里中心区，施工区距离市区较近，周边建筑及人口均较多，强夯及振冲法会产生的强大冲击波，对周边市政建筑物及市民生活造成严重影响，同时也会对已施工完成的地铁工程隧洞产生较大影响。

高喷灌浆围封法技术及施工工艺成熟，桩体强度大，成墙整体性较好，且受到地质情况、土（砂）层性状等条件制约因素小。并且高喷灌浆围封法施工不产生较大震动，对周边建筑及市民生活影响较小，同时对施工完成的地铁隧洞工程不会产生影响。但该方案施工过程中会出现孔口返浆，需要建设截水沟，避免浆液进入河道，污染环境。故3 种方案从施工难度及影响度方面，由小及大分别为方案三、方案一、方案二，故方案三较优。

2.1.4 对地铁工程的影响

根据地质提供成果分析，堤基2-2 粉砂层埋深至高程110.5 m 左右，故无论选择3 种方案的任何一种，其处理深度应不小于堤基2-2 粉砂层埋深高程110.5 m，地铁左、右线穿堤段洞顶高程约为98.00 m，加固处理底高程距洞顶尚有12.5 m 厚土层。

分别对3 种方案的扰动范围加以评价，其中振冲碎石桩法及强夯法原理均通过加载外力，对需处理的土（砂）体进行挤压、夯击，其振冲波及夯击波亦对下部地铁隧道结构产生震动影响，对地铁隧洞工程造成不利影响。高喷灌浆围封法施工不产生教的震动，因此对地铁隧洞工程影响较小。

故从对地铁工程的影响方面，由大到小为方案一、方案二、方案三，故方案三占优。各方案比选成果见表2。

表2 方案比选表

综上所述，此次设计方案选用高喷灌浆围封法。

3 推荐方案

3.1 处理深度确定

根据前章对堤身及堤基评价可知，堤身存在压实度指标低；堤基2-2 砂层自然松散，具有滑移性，2-2 砂层至地铁洞顶位置堤基地层密实度、标贯击数及承载力特征值均基本无变化，故此次设计处理深度应以存在滑移性的2-2 砂层埋深为主要参考指标。

2-2层粉砂灰黄色～黄褐色，松散、饱和，成分以长石、石英为主，含云母，层底深度3.50～9.10 m，平均厚度2.64 m。根据地质剖面图获得2-2 砂层底高程110.10～113.98 m。设计深度应将平面范围内2-2 砂层全部处理，且考虑一定安全储备，高喷灌浆围封墙桩底高程应深入稳定土（砂）层不少于1 m，此次设计高喷桩底高程统一为EL=109.00 m。施工时实际灌浆深度可视现场情况适度调整。

3.2 高喷灌浆围封墙布置

3.2.1 墙排距

此次设计采用高喷灌浆围封法，因在堤顶处有防洪墙桩基础结构，考虑其对防洪安全的重要性，此次设计在堤顶防洪墙侧，采用双排高喷灌浆围封，其余均为单排高喷灌浆围封，即用高压将水泥浆液强制旋喷至深层地基中，形成大深度高强连续墙体。平面布置型式采用“网格围封法”，使得高压旋喷墙体纵横相互交叉，通过围封形成封闭网格柱，平面形成网格封闭块，增强地层抗滑移稳定性，限制并消除地层振动液化扩散与流动滑移。高压旋喷使浆液在地层中产生渗透扩散，同时起到对堤深层固结凝聚，提高承载力。

高喷灌浆墙体顺堤防轴线方向布置平行于堤防轴线（纵排），分别在迎水侧堤坡顶部至堤脚范围内，均布4个纵排，间排距为6.09 m。其中堤顶防洪墙侧纵排为双排高喷灌浆围封墙，双墙间墙距为0.80 m，其他3 纵排均为单排高喷灌浆围封墙。为尽量减少高喷灌浆对地铁隧洞工程的影响，高喷灌浆墙体垂直堤防轴线方向布置应与地铁隧洞轴线平行，并且避免在地铁隧洞结构范围内布设。由此确定垂直于堤防轴线方向（横排）在处理范围内均布6 排，排间距为7.64 m，每个横排均为单排高喷灌浆围封墙。为尽量减小对现有地铁隧道的影响，将横排轴线布置与堤防轴线斜交，交角为81°，横排高喷灌浆墙体均位于地铁隧洞结构范围以外。