车站花岗岩风化层特性分析与地基处理
2012-08-16 22:22
车站花岗岩风化层特性分析与地基处理
摘 要： 随着广州地铁建设工程不断发展，出现了大量的深基坑工程，结合南方医院站的工程地质、水文地质条件对其稳定性做出了评价，分析研究花岗岩风化层特性以及原设计方案的不足造成基坑出现问题，制定了合理的降水、注浆等技术处理措施，有效控制基坑涌水、失稳、上拱开裂等工程问题[1]。防止基底及坑外土体移动，给出了多层车站基坑开挖、涌水处理及基底加固措施有益建议。
关键词： 地铁车站；花岗岩风化层；涌水事故；地基处理
1 工程概况
南方医院站为广州市轨道交通三号线北延段工程地下车站,位于广州大道北与京溪路交叉路口北侧广州大道地下,南连梅花园站,北接同和站，工程为地下双层岛式站台车站，总长为 152.9m，标准段宽 19.5m，扩大头宽 24.3m。有效站台中心里程处基坑深度为18.41m，基坑最深处为 19.6m；西南端突出部分宽度为 27.1m，基坑深度约为16m。基坑开挖深度为 16m～19m，基坑支护等级为一级。
基坑边坡土主要由<1>填土、<4-1>粘性土、<5H-2>残积土组成，局部夹<4-2>淤泥质土和<3>砂层。
基坑底部左线范围基本上都坐落在<5H-2>硬塑花岗岩残积土层，南端局部为<6H>花岗岩全风化岩层；右线范围则是<5H-2>硬塑花岗岩残积土层与<6H>花岗岩强风化岩层各半，局部为<7H>花岗岩强风化岩层。地下连续墙嵌入到全、强风化岩中。各岩层岩石单轴抗压指标是：强风化岩 3.9～13MPa，中风化岩 29.4MPa，微风化岩55.3～97.2MPa。
主体结构呈“L”字形布置（见图 1），主体围护结构采用地下连续墙+内支撑的支护形式。地下连续墙厚 800mm，最大嵌固深度5.5m，即进入基坑底面花岗岩残积土不小于 5.5m、强风化层不小于3.5m、中风化层不小于 2.5m、微风化层不小于 1.5m。主体围护结构采用三道内支撑。第一道支撑为钢筋混凝土支撑，截面为 800mm×900mm，第二道、第三道支撑为Ф600 钢管支撑，壁厚 14mm。
2 工程地质及水文地质条件
2.1 地形地貌特征 本车站沿广州大道呈东北-西南向布置，车站周围房屋密集。站区范围内地形平坦，地势由西南向东北略有倾斜，地面高程为 32.6～34.5m。地貌形态属剥蚀残丘和山间冲洪积洼地。
2.2 岩土分层及特征 岩土分层有：〈1〉人工填土层、〈3-1〉冲～洪积粉细砂层、〈3-2〉冲～洪积中粗砂层、〈4-1〉冲～洪积土层、〈4-2〉河湖相淤泥质土层、〈5-1〉花岗岩残积土层（可塑状）、〈5-2〉花岗岩残积土层（硬塑或密实状）、〈6H〉花岗岩全风化层、〈7H〉花岗岩强风化层、〈8H〉花岗岩中风化层、〈9H〉花岗岩微风化层[2]。由上而下，各层分述如下：
〈5H-1〉可塑状花岗岩残积土层：土性为砂质粘性土，呈褐黄、褐红、棕黄色，可塑状，粘性差，含石英砂粒，具遇水软化、崩解特点。顶面标高 22.35～27.89m，顶面埋深 5.50～11.20m，层厚 1.10～10.80m，平均层厚 4.17m。为 II 类围岩，可挖性等级为 II 级。
〈5H-2〉硬塑状花岗岩残积土层：土性为砂质粘性土，呈褐黄、灰黄、灰白色等，硬塑状，粘性差，含少量砂质，具遇水软化、崩解特点。顶面标高 12.99～27.44m，顶面埋深 6.00～19.40m，层厚12.00 ～19.40m， 平 均 层 厚7.64m。为II类围岩，可挖性等级为II级。
〈6H〉花岗岩全风化层：呈灰黄、黄褐、麻灰色等，岩石风化剧烈，原岩组织结构已基本破坏，但结构尚可辨，岩芯呈坚硬土柱状，以砂质粘性土特性为主，遇水易软化、崩解。顶面标高 3.68～24.94m，顶面埋深 8.50 ～29.00m，层厚 1.20 ～20.50m，平均层厚7.63m。为 II 类围岩，可挖性等级为 III 级。
〈7H〉花岗岩强风化层：呈灰褐、黄褐、麻灰色等，风化强烈，原岩组织结构大部分风化破坏，但原岩结构清晰可辨，岩石风化裂隙十分发育，风化不均，岩芯呈半岩半土状，岩质极软，岩块用手易折断，具遇水易软化、崩解特点。为III类围岩，可挖性等级为IV级。
〈8H〉花岗岩中风化层：呈灰白、浅黄、灰等色，中粗粒结构，块状构造，组织结构部分破坏，裂隙较发育，岩石硬，较破碎，裂面伴有铁染，岩芯多呈碎块状、少量短柱状，风化不均匀。为 V 类围岩，可挖性等级为V级。
〈9H〉花岗岩微风化层：呈灰白、灰黑、肉红色，中粗粒结构，块状构造，裂隙不发育～稍发育，岩石坚硬，较完整，岩芯多呈短柱状、长柱状，少量块状，锤击声脆。为 V 类围岩，可挖性等级为 V 级。
2.3 水文地质条件 ①松散岩类孔隙水：本段松散岩类孔隙水主要赋存在冲积-洪积砂层中，地下水较丰富；基岩裂隙水主要赋存在花岗岩强风化层和中风化层中，地下水贫乏，但于裂隙发育处，较丰富。基岩裂隙水具承压水特征，据抽水试验成果承压水头可达18~23m。②经过勘察了解的地下水水位埋藏较浅，地下水稳定水位埋深为 1.40～5.80m，地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切。车站主要的岩土参数见表 1。
2.4 工程地质评价 主要工程地质问题：①本车站第四系地层工程特性较差，分布有淤泥质土层和砂层，砂层具有轻微液化。②花岗岩残积土层及其全风化层和强风化层，具遇水易软化、崩解特点，对明挖基坑有很不利影响。③由于承压水头较大的影响，基坑开挖到坑底时，会造成地基土泥化、流泥以及对砼底板的顶托。
3 原设计残积土处理方案
根据南方医院站基坑支护形式，结合花岗岩残积土的特性，对车站主体结构基底花岗岩残积土采用以下的措施进行加固及处理：
3.1 车站主体结构（见图 2）基坑范围内的深层承压水采取降水处理。①南方医院站基坑开挖前需在基坑范围内施作深层降水井，降水井需针对强风化层<7H>进行深层降水。②降水井的间距按30m进行布置，再根据实际抽水量及水位变化进行调整。③基坑开挖过程中，地下水水位离基坑开挖面应大于 0.5～1m。
3.2车站主体结构基坑基底部分花岗岩残积土采取旋喷桩预处理。①南方医院站基坑需对基坑底进行地基加固处理，加固采用直径800三管旋喷桩处理。②旋喷桩施工参数如下：钻孔平面位置偏差应≤50mm、钻孔偏斜度应≤1.5％、钻孔深度偏差应≤150mm。③旋喷桩提升速度约为60mm/min～100mm/min。
3.3 车站主体结构基坑开挖时需对基底进行保护。实施效果：深层承压水没有降下去；高喷桩没有达到设计要求的效果。总的来看，本场地的地基处理措施，没有达到原设计的预期效果。
4 基坑事故、原因分析及处理措施
4.1 施工中发现的问题 ①残积土崩解、流土，导致施工困难。主体结构土方开挖正值广州地区雨季，且当年降雨比较连续，时间较长。土方开挖从开始到第一块挖至基坑底，用了两个多月的时间，其间多次出现了边坡上的土体液化崩解，随水回流的现象，形成的自然坡角度小于15°（约相当于 1：4 的斜坡），回流的土体完全丧失承载力，导致施工极为困难。②承压水直接涌入基坑，造成垫层隆起、开裂，导致后续施工无法进行。③残积土土体崩解、流土，导致地连墙的实际嵌入基岩深度减小，导致连续墙出现不同程度踢脚。④坑内降水造成坑外地下水位下降及土体应力场变化，导致周边建筑物及地面沉降。⑤在土体运输过程中，车辆的颠簸导致土体振动液化，运至排土场时已完全软化成泥，运输车辆频繁陷入，无法通行。
4.2 坑底涌水事故 2008 年 3 月 31 日夜晚，南方医院站南端风亭开挖到基底后，随即进行第一段垫层浇筑。4 月 1 日早上 7 点，发现砼垫层上拱开裂。到施工现场分析上拱原因。认为是连续墙踢脚造成基底土体上拱，立即对连续墙进行测斜监测，经过一天的观察，连续墙并未发生较大位移，周边房屋沉降也无异常。与此同时，垫层继续上拱，最高至20 厘米基本稳定，地下水从垫层开裂处缓慢渗出，而从部分开挖到基底但未浇筑垫层的地段，可见地下水从基底加固的旋喷桩边缘流出，4 月 1 日晚，经分析认为地下水上涌及基坑内表面水流到垫层以下，对垫层造成压力所致。4 月 3 日，采用用模板、排水沟及集水井的方式，把已浇垫层段分隔开来，阻止地下水渗流到垫层底。4 月 4 日晚，施工方把已上拱的垫层破掉，尝试再浇筑垫层，次日出现同样的上拱情况。这说明是承压水顶托造成的上拱。
4 月 6 日，经研究分析。认为地下裂隙水上涌是造成垫层上拱开裂的主要原因，必须抽排地下水才能保证主体结构施工顺利。提出设计变更，在垫层以下增设碎石疏水层，排水沟及集水井，及时排除基底上涌的地下水，减少对垫层的压力。同时在排水沟预埋注浆管，在完成主体工程后采用注浆填充碎石疏水层。按此设计方案实施施工，顺利完成主体结构施工任务。
4.3 原因分析 经研究总结出以下原因：
4.3.1 最根本的原因是地连墙底没有进入不透水的岩层内。
从原设计图中基坑从地面向下开挖的深度约 18～21m。现以围护结构设计 1-1 剖面（见图 2），进行基坑渗流稳定核算。计算采用数据如下[3]：Hp=21.373m，Hd=5.5m，地下水位为-3.0m，流透系数 K:5H-2 为 0.15，7H、8H 为1.0，9H 为 0.10m/d。计算水头 H=21.373+5.5-3.0=23.873m。
根据荷载平衡条件，计算得到：Fs=0.49<1.10
即浮力约为饱和比重的2 倍，不安全。求得渗透坡降i=4.3，也不安全。
对于〈5H-2〉这样砂质粘性土来说，［i］=0.5～0.6。从垫层拱起20cm来看，承压水在垫层面上的剩余水头仍有40-50cm。从上面核算结果，可认为基坑渗流不稳定。
如果把墙底加深到微风化层〈9H〉内，则可避免上述问题。当然把地连墙加深会很困难，但在墙底进行帷幕灌浆的话，可以很容易做到。
4.3.2 对具承压水情况下，对土层的破坏认识不足；对岩层的透水性认识不足。①由于原设计未考虑足承压水的影响，地连墙做短了，导致基坑开挖到坑底时，承压水从墙外通过基底上涌，造成残积土管涌并严重泥化流失。②使用高压旋喷桩加固地基效果不佳，开挖到坑底时，好多地段找不到旋喷桩的痕迹。即使高喷桩减少了一部份基坑涌水量，但是承压水仍从桩间空隙突涌上来，造成渗透破坏-残积土的崩解和泥化。③由于墙底以下的风化层透水性较大，就像中细砂一样；所以在坑内降水时，会严重影响坑外的周边环境安全。
4.4基底处理措施①在基坑底设置了30cm厚的碎石垫层，并在碎石层底设置了间距6m×6m深50cm的排水盲沟（见图1），在每个施工块设置至少一个降水井，保证所有渗流过来的地下水能够及时排走，同时为控制工后沉降，预埋了注浆管，待结构抗浮措施施工完成后，进行注浆处理。②加快施工进度，确保能够及时见底，及时封底；否则，至少要保留 1m 的土层，具备条件再开挖，减小外界作用对基底土体的影响。③建立“连续施工、连续降水”的概念，减少施工块作业的间隔时间。④对于周边建筑物沉降问题，主要采取浅层注浆及回灌的措施进行处理。⑤加强对围护结构的变形情况、地下水位变化情况、周边建筑物及地面沉降情况监测，确保能够实时掌握围护结构工作状态及周边环境状况。⑥运输过程中的崩解、软化问题，目前尚不能有效控制，运输时要采用专用的散体物料运输车，并在弃土场准备砖渣、碎石等铺路材料，随时填路，确保土方挖运能够正常进行[4]。
5 结论与建议
①围护结构设计时，首先应重点研究该类土层的渗透性，专门进行基坑渗流分析和计算。必须重点研究基坑底部承压水的突涌和出逸坡降的影响；还要研究坑内降水而带来的周边建筑物及地面沉降问题；以及是否采用基坑防渗帷幕，隔断外部地下水的问题；以确保围护结构的抗渗流稳定。②地下连续墙的嵌固深度计算不能按原有的界面条件计算，计算时应考虑在施工期间可能被泥化的部分。③在花岗岩全强风化层内用大口井降水，是无法达到降水效果的。④鉴于该类土体在承压水与外界扰动作用下极易崩解泥化，因此垫层不能直接铺设于土体上，应在土体与垫层之间设置一层疏水层，将渗流出来的地下水及时导走，并要考虑工后沉降的控制问题。⑤基底排水沟体系仍会造成局部泥化现象。⑥本工程单采用降水和加固的方案是不能满足基坑顺利和安全施工的要求，建议对于这种花岗岩残积土及风化层构成的多层地基和承压水条件下的深大基坑，采用防渗为主的设计方案。
参考文献：
[1]张雪东,丁海军.甘泉线铁路采空区路基地基处理方案的探讨[J].铁道勘察，2011（5）：65-68.
[2]GB50307－1999.地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范[S].北京：中国计划出版社，2000.
[3]刘泽强.水文地质手册[M].北京：中国地质出版社,2010.
[4]GB50021-2001.岩土工程勘察规范[S].北京：中国计划出版社,2001.
