填海区人工填土层及地下水对基坑施工导致的不利影响及存在问题

2022-05-27邵恩庆卢笑刘世安张志芹顾朝杰

世界地质 2022年2期

邵恩庆，卢笑，刘世安，张志芹，顾朝杰

青岛地矿岩土工程有限公司，山东青岛 266000

0 引言

随着社会经济发展，地铁建设数量越来越多，地铁沿线地区地表环境以及穿越地质条件也是复杂多样。为了增加土地资源储备、开扩城市的发展空间，中国许多沿海发达城市都进行了规模宏大的填海造陆工程[1]，因此这使得填海区成为地铁沿线穿越的众多复杂地质环境中的一种。填海区为人工改造形成，主要有以下特点：①一般填土年限较短，填土成分复杂，填土中块石粒径大小不一；②填土层一般是抛石挤淤，也含有淤泥、淤泥质土等成分；③地下水水量丰富，填土层透水性强[1]。因此，在填海区修建地铁车站时，会涉及到基坑工程建设，而复杂的填土成分必然给基坑施工造成一定难度。同时填海区在明挖基坑设计及施工过程中，地下水对基坑工程的不利影响不容忽视，大多数基坑工程破坏事故都与地下水有关[2-4]。因此，在填海地区进行基坑支护工程施工时，除了考虑地下水流量、环境类型变化外，也应考虑填土成分在内的地质因素的影响。笔者依托青岛地铁安子东站，从填土成分、地下水水量和地下水环境类型变化等方面对填海区地铁车站基坑施工主要影响因素进行分析研究。

1 工程概况

青岛市地铁1号线为一条南北走向线路，线路南起黄岛，跨海向北进入青岛4大主城区(市南区、市北区、李沧区和城阳区)，形成了贯通青岛市南北的快速轨道交通走廊[5-6]。线路全长约60 km，共设车站39座，均为地下站，其中换乘车站12座，最大站间距8 298 m，为瓦屋庄站—贵州路站区间；最小站间距700 m，为贵州路站—西镇站区间，平均站间距1 564 m，包含车辆段2座，停车场1座。控制中心位于黄岛，与M1、M6、R3共享。

本文依托青岛市地铁1号线安子东站，安子东站位于黄岛开发区珠江路与新港山路路口东侧新港山路下方(图1中标粉红位置)，主体呈北西—南东向，沿新港山路顺向展开，车站南侧为大片居住小区，北侧为大片厂房，距离北侧海边约200 m。新港山路为黄岛区交通主干道，道路红线宽50 m，现状道路宽40 m，为双向6车道，交通流量较大。

图1 拟建场地交通位置示意图Fig.1 Schematic diagram of traffic location of proposed site

车站起点里程为YSK18+932.55，终点里程为YSK19+184.40，中心里程为YSK19+022.00。车站全长251.85 m，标准段宽度约20.0 m。本站为地下两层岛式车站，站台宽度11 m，有效站台长度为118 m，车站地板标高为-14.4 m，埋深约为19 m。车站所在位置地面较为平坦，采用明挖顺做法施工。具体位置见图1。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

拟建场地地形较为开阔，地势大多平坦，车站主体南侧分布有一工地废弃水塘，地势相对较低，地面高程0.51～5.07 m，主要位于新港山路下方，地面车辆较多、两侧管线纵横交错。历史地形地貌资料显示，本场地2000年前后为滨海沼泽，后经人工填海改造而成，填海先是采用块石抛石挤淤，块石块径一般50 cm±，最大可超过1 m，后用风化砂和黏性土回填夯实，填土年限<20年。

2.2 地层岩性

钻探结果显示，安子东站区域及邻区地层主要由第四系、中生代地层和侵入岩组成。区域上第四系的厚度为15.2～19.2 m，分为3个详细层位，分别为第四系全新统人工填土层、全新统海相沉积层(淤泥质)粉质黏土及中-粗砂层、上更新统冲洪积粉质黏土层和含黏性土砾砂层。区域上的中生代地层和侵入岩为工程基岩，中生代地层主要为白垩系莱阳群林寺山组、白垩系青山群八亩地组和白垩系青山群石前庄组等，侵入岩主要为燕山晚期石英二长岩和花岗斑岩。同时由于薛家岛断裂及其分支断层的发育，安子东站及其邻区存在构造破碎带，内部发育节理、裂隙不均匀分布的断裂构造岩(碎裂状)。节理裂隙受区域性断裂构造控制，通过钻孔岩芯揭示，节理结构面一般较平直，紧闭-闭合，少量微张并有充填物，多为高角度节理，倾角一般为60°～85°。详细地质情况见车站地质纵断面图(图2)。

其中第四系全新统人工填土层对本站点施工影响最大。主要由于该层人工填土成分复杂，力学性质差异较大，稳定性差(如降水较多、污水管线渗漏等情况容易发生)，易形成空洞，同时对基坑开挖及支护影响较大。该人工填土层主要由块石(图3)、碎石(图4)和夹强风化岩等组成，回填年限最高为20年。该层在车站范围内连续分布，大部分钻孔均有揭露，揭露厚度2.20～12.00 m，平均厚度8.80 m，层底标高-7.69～2.63 m。根据挖探及向施工单位收集到的资料，块石块径约20～40 cm(图3)，部分块石块径>50 cm。

图3 人工填土层中的大块石Fig.3 Boulder in artificial fill layer

图4 人工填土层中的碎石Fig.4 Crushed stone in artificial fill layer

2.3 地质构造

基于《区域地质调查报告—黄岛幅》等相关资料，黄岛区地质构造以中、新生代脆性断裂构造最为发育，韧性断裂不甚发育。由于受控于华夏构造体系，黄岛地区区域性构造迹线主要表现为NE-NNE向断裂发育[7]。安子东站及邻区主要受NE-NNE向薛家岛断裂及其次生断裂的影响，同时断裂带两侧比较发育节理密集带，使得安子东站及邻区局部地质体节理裂隙发育，岩体破碎，形成相对不均匀的岩石地基和基坑稳定性较差的岩体。

3 水文地质条件

3.1 地下水概况

第四系孔隙潜水的详勘水位埋深3.5～8.6 m，部分地势低洼处的钻孔水位埋深较小，水位标高-4.23～1.16 m。含水层主要为填土、中粗砂及含黏性土砾砂层，中间夹有粉质黏土和粉质黏土层，局部具有微承压性，隔水层不甚连续，潜水与微承压水局部贯通，孔隙潜水主要以侧向径流补给为主，并接受大气降水、上层滞水的垂直渗透补给，而其流失方式以侧向径流为主，人工采集为其次要流失方式。

3.2 地层渗透性

本车站共进行了4个孔的稳定流抽水试验(表1)。

表1 抽水试验统计表

潜水的渗透系数计算依据《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049—2004)中的8.2节公式(8.2.1-3)完整井抽水试验公式[8]，计算模型如下：

(1)

承压水的渗透系数计算依据《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049—2004)中的8.2节公式(8.2.1-1)完整井抽水试验公式[8]，计算模型如下：

(2)

式中：Q为出水量，m3/d；K代表渗透系数，m/d；r为过滤器半径，m；S为水位下降值，m；Ry为影响半径，m；H为自然状况下潜水含水层厚度，m；M为承压水含水层厚度，m；H为潜水含水层在抽水试验时的厚度，m。

各层岩土层渗透系数依据抽水试验结果和钻探揭示情况，结合收集到的水文地质资料和青岛地区经验，并根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB 50307—2012)10.3.5条进行透水性分级。抽水试验结果显示：安子东站第四系孔隙潜水的综合渗透系数介于20.0～387.0 m/d，为强透水层；第四系微承压水的综合渗透系数为12.0 m/d，也为强透水层；而基岩裂隙水的综合渗透系数仅为0.151 m/d，属弱透水层。

3.3 水、土腐蚀性及环境类型作用等级

场地详勘阶段共取4组地下水样及1组地表水样(车站南侧水塘)进行水质分析试验，根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009版)对安子东站的地下水进行腐蚀性判定(表2)。

表2 水的腐蚀性评价表

按照国家标准《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T50467—2008)将混凝土结构所处环境类别分为一般环境、冻融环境、海洋氯化物环境、除冰盐等其他氯化物环境和化学腐蚀环境，依据第3.2.1条、第3.2.2条，根据本次水质分析结果，对不同类别环境的作用等级进行划分。

本工程的一般环境为Ⅰ-B；车站主体结构的冻融环境作用等级建议按Ⅱ-C考虑；局部位于冻融线以上的构件环境条件特征为微冻地区的有盐环境混凝土高度饱水，环境作用等级为Ⅱ-D。本工程主体结构为纯地下，主体结构的除冰盐等其他氯化物环境作用等级为Ⅳ-D；本工程不属于海洋氯化物环境；出入口、风亭等附属结构除冰盐等其他氯化物环境作用等级为Ⅳ-E。根据本段线路水、土腐蚀性分析结果，本工程化学腐蚀环境Ⅴ-C；本工程不属于大气污染环境。

4 地下水影响分析与控制方案

4.1 地下水对基坑设计施工综合影响分析评价

根据安子东站地质勘察结果，本车站结构顶板埋深约3.4 m，上覆为第四系人工填土、粉质黏土、中粗砂、粉质黏土和含黏性土砾砂，厚15.2～19.2 m，下伏燕山晚期侵入岩，主要为石英二长岩、花岗斑岩的全、强、中风化带，局部揭示有微风化带。本车站地下水主要为第四系孔隙水，赋存于第四系人工填土、砂层，富水性、透水性良好，基坑开挖过程中如地下水控制不当可能发生流沙、基坑坍塌等问题，进而对周围管线、道路等造成破坏。

4.2 地下水在不同地质断面中的主要影响

断面类型一如图2中黑色虚线框(A)部分所示，车站基坑底板位于含黏性土砾砂层上，含黏性土砾砂层为强透水层。车站止水帷幕底部应穿透该层，并进入下部全风化或强风化石英二长岩等弱透水层一定深度。若止水帷幕进入弱透水层深度不足，可能会造成基坑底部砂层突涌。该类工程地质条件在本车站有多处揭露，也是本车站的施工重点难点。

断面类型二如图2中黑色实线框(B)部分所示，车站基坑底板位于全风化、强风化石英二长岩上，车站基坑开挖至基底标高时，应注意及时清理基坑内积水，全风化、强风化石英二长岩长期浸水，岩石易软化，亦可能造成基坑底部涌水。

4.3 地下水控制方案建议

本车站上覆第四系人工填土层、粉质黏土、中粗砂、粉质黏土、粗砂、含黏性土砾砂及全风化石英二长岩，受水浸泡后强度将迅速降低，当遇雨季或坡顶雨、污水管沟渗漏水等特殊情况时，建议对坡顶第四系土钉墙部分做好坡顶截水墙、坡面泄水孔和坡底排水沟等排水措施，在基坑底部做好排水沟、集水坑，对基坑渗水采用集水明排即可，避免造成基坑边坡变形过大甚至垮塌，影响周边道路、地下管线等的正常使用。

4.4 抗浮与防渗方案建议

由于设计车站顶板处于地下水位以下，设计时应考虑水压力及浮力对车站结构的影响，在不满足抗浮验算时应采取相应的抗浮措施，可考虑采用增加结构自重及设置抗浮锚杆或抗浮桩等形式，并应加强底板配筋，以提高底板的抗弯抗剪能力。

根据本车站工程地质、水文地质及周边环境条件，车站地下部分应严格作好防水、防渗处理，基坑回填时应采用优质黏土回填并分层夯实，建议车站采用防渗混凝土，并应连续灌筑，施工缝、沉降缝和伸缩缝应采取可靠的防水措施。

5 地质条件中不利因素最可能导致的施工问题

5.1 基坑桩基设计措施

依据工点设计院图纸，围护桩为桩径1 000 mm的钻孔灌注桩，间距1 300 mm，采用C35混凝土，主筋采用HRB400，箍筋采用HRB400，保护层厚度70 mm。止水措施采用桩径1 000 mm旋喷桩止水，旋喷桩桩中心间距750 mm，旋喷桩需插入全风化层或强风化层≥0.5 m。具体措施见图5。

5.2 施工存在问题

根据本车站勘察的地质结果，在后期施工过程中，主要存在以下两个方面的问题：

根据设计图纸，安子东站基坑开挖施工过程中，先进行围护桩施工，后进行止水帷幕施工。施工场地为填海区，填土层中存在块石，块径大小不一，最大块径超过1 m，易导致灌注桩、地连墙及高压旋喷桩施工时存在一定困难，同时易导致勘察钻孔塌孔，采用普通岩芯钻机无法施工，无法进行超重型动力触探试验。因此在围护桩和旋喷桩施工前，本段填土层需采用无岩芯偏心锤钻探工艺进行引孔。由于块石块径较大，钻孔灌注桩孔深约为22 m，旋喷桩孔深约为18 m，桩的垂直度较难保证，个别旋喷桩的桩间咬合不密实，这将会导致在基坑开挖过程中，存在基坑侧壁渗漏水的情况。必要时可考虑将表层填土挖除换填，确保不影响支护桩及止水帷幕质量。

依据本车站详勘地下水试验结果，判定本工点不属于海洋氯化物环境，地下水氯离子含量最大为1 772.6 mg/L。填海区施工场地距离海岸线近，地下水与海水的水力联系相对较强[12]，然而在大气降水的淡化作用下，施工场地地下水氯离子含量也会逐渐降低[13]。因此，后期施工时，做好止水措施，施工场地周边地下水环境一般不会有较大改变。若止水措施存在问题，基坑存在大量渗漏水或基坑地下水突涌时，本站点北侧的海水必然向施工场地周边大量补给，会导致地下水环境改变，使得地下水氯离子含量大幅增加，甚至可以使基坑内地下水氯离子含量高达15 338.33 mg/L，变为海洋氯化物环境，那么相应的车站施工需采用更高标号混凝土[14]，也将使得施工成本大幅增加。