行业要闻

 

【摘　要】武汉市正在兴建地铁二号线一期工程,地下水对地铁建设存在诸多不利影响,制约着工程建设活动。依据二号线沿线水文地质概况对地铁工程建设中可能发生的不利影响进行了初步分析,认为应向上海、北京等城市学习,在具体施工过程中应采用地下水节约与环保型施工技术,对降水井抽取的地下水实施规范处理,并做到资源综合利用等,将地铁建设对环境的影响降到最小。

【关键词】地下水;地铁工程;武汉市

 

1、武汉市地铁二号线一期工程概况

      武汉市地铁二号线主线北起汉口常青花园马池路,南至武昌关山五路,全长32·4 km;另设有庙山支线长9·35 km,合计线路总长41·75 km。二号线工程将分三个阶段实施,一期工程马池站—光谷广场站,计划2010年建成通车;二期工程鲁巷—关山,计划2020年前建成;支线鲁巷—庙山,规划在远景年建成。

      二号线一期工程穿越了武汉市东西湖区、江汉区、江岸区、武昌区、洪山区和东湖高新区,其线路走向见图1,主要区间和站点及其推荐施工方法见表1。

2、地铁沿线水文地质概况

2·1　地铁沿线地貌单元划分与地层分布情况

      武汉市区总的地势是东高西低,南高北低,以丘陵与平原相间的波状起伏地形为主,长江两岸第四系地层较厚,南至武昌小龟山则基岩出露,总体属于丘陵—平原地貌类型。

      武汉市地铁二号线一期工程沿线通过地段可划分为五个地貌单元区(见图2):Ⅰ长江河床河道区、Ⅱ长江一级阶地区、Ⅲ长江二级阶地区、Ⅳ长江三级阶地区、Ⅴ剥蚀丘陵地貌。

2·2　不同地貌单元的地层分布特点

      (1)长江河床河道区　长江河道及江北岸500~1 000 m范围内,区域南北直线范围约2 500m,长江正常水深15·0~20·0 m,河床底标高为0~-2·0 m,水下由新近沉积的松散粉细砂、中粗砂组成,厚度20~25 m,浅部松散粉细砂具有震动可液化性;其下为志留系泥质砂岩、泥岩、砾岩互层。

      (2)长江一级阶地区　在该地铁线路上分布较长,为汉口区金色雅园站—江汉路站、武昌区积玉桥站及上下区间范围。呈现典型的二元结构,上部由填土层及第四系全新统冲洪积成因的粘性土组成;中部为稍密—中密的粉细砂、中密—密实的中粗砂夹砾石,粉细砂层中分布粘性土透镜体;下部基岩为白垩系—下第三系砾岩、砂岩及志留系粉砂岩、泥岩组成。

      (3)长江二级阶地区　分布于该地铁线路的北端金银潭站—金色雅园站及常青花园车辆段的范围。上部为薄层填土和厚度变化较大的全新统冲积成因的软塑—可塑状态的一般粘性土;中部为第四系上更新统硬塑状老粘性土及密实状粘质砂土及含砾细砂;下部为白垩系—下第三系东湖群的砂岩和砾岩。

      (4)长江三级阶地区　分布于螃蟹甲站—小龟山站及中南路站一带。上部为人工填土,其下为第四系冲、洪积成因的上更新统老粘性土层及粘性土混碎石层;下部基岩主要为志留系坟头组砂岩、泥岩。在小龟山站和中南路站一带偶见三叠系大冶组灰岩及泥盆系五通组石英砂岩。

      (5)剥蚀丘陵地貌　主要分布于小龟山、洪山基岩出露地段,石牌岭站—光谷广场站一带。场地表层为人工填土,其下为志留系坟头组砂岩、泥岩;在杨家湾站附近,三叠系灰岩较厚,岩溶比较发育。

2·3　沿线地下水分布特点

      武汉市地铁二号线经过不同的地貌单元,地下水的特点也有明显的不同,沿线场地地下水按赋存条件,分为上层滞水、潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。

      (1)上层滞水　主要赋存于人工填土和第四系全新统粘性土层中,水位埋深为1·0~3·5 m,但水位不连续,没有统一的水面标高。主要接受地表水、管道渗漏水和大气降水的补给。

      (2)潜水　主要分布于临江、临湖一带浅部粉土、粉细砂地层中,水位埋深为2·0~3·0 m,具有局部连续性和统一的地下水面。主要接受地表水和大气降水的补给。

      (3)全新统孔隙承压水　主要分布在长江两岸一级阶地,与长江、汉江的水力联系密切,季节性变化规律比较明显,具有互补关系。赋水地层为粉土、粉细砂、中粗砂和圆砾、卵石地层,隔水顶板一般为粉质粘土、粘土,底板为基岩。含水层厚度一般为15~45 m，承压水头高度15~20 m。

      (4)上更新统孔隙承压水　主要分布在长江二级阶地区,赋水地层为粉细砂、中粗砂和杂色的圆砾、卵石地层,隔水顶板为老粘性土,底板为基岩,含水层厚度一般为17~30 m,承压水层底面埋深45 m左右。

      (5)基岩裂隙水　分为岩溶裂隙水及碎屑岩裂隙水,岩溶裂隙水主要分布在石牌岭—光谷广场一带的石炭系高丽组、黄龙组灰岩和二叠系栖霞组灰岩及三叠系大冶组灰岩层中,碎屑岩裂隙水分布在裂隙比较发育的泥盆系、志留系砂岩、泥岩、砾岩等基岩中。基岩裂隙水主要通过两侧裸露基岩接受大气降水入渗补给,水位埋深6·0~20·0 m。

      地铁区间隧道和车站基底埋深一般为16~23 m,该深度在一级、二级阶地和过江段多为粉土、粉细砂,赋存丰富的孔隙承压水,对地铁深基坑施工影响最大,施工时应防止流砂和突然涌水等问题。

3、地下水的不良作用和防治措施

      地下水的不良作用主要有潜蚀、流砂和管涌三类^[3]。

3·1　潜蚀

      渗透水流在一定的水力梯度下产生较大的动水压力冲刷、挟走细小颗粒或溶蚀岩土体,使岩土体中的孔隙逐渐增大,甚至形成洞穴,导致岩土体结构松动或破坏,以致产生地表开裂缝、塌陷等,影响工程基础的稳定。

      其防治措施,原则上可分为两大类:

      (1)改变渗透水流的动力条件,使水流梯度小于临界水力梯度,可用堵截地表水流入岩土层;阻止地下水在岩土层中流动;设反滤层;减小地下水流速等。

      (2)改善岩、土的性质,增强其抗渗能力。如爆炸、压密、打桩、化学加固处理等,可以增加岩土的密实度,降低岩土层的渗透性能。

3·2　流砂

      流砂是指松散细颗粒土被地下水饱和后,在动水压力即水头差的作用下,产生的悬浮流动现象。流砂多发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂等砂性土中,有时在粉土中亦会发生。其表现形式是所有颗粒同时从一近似管状通道被渗透水流冲走。流砂发展结果是使工程基础发生滑移或不均匀下沉,基坑坍塌,基础悬浮等。流砂通常是由于工程活动而引起的。流砂的破坏一般是突然发生的,对岩土工程危害很大。

      为此应尽量避免水下大开挖施工。若必须时,可以利用下列方法防治流砂:

      (1)人工降低地下水位　将地下水降至可能产生流砂的地层以下,然后再开挖。

      (2)打板桩　其目的一方面是加固坑壁,另一方面是改善地下水的迳流条件,即增长渗流途径,减小地下水力梯度和流速。

      (3)水下开挖　在基坑开挖期间,使基坑中始终保持足够的水头(可加水),尽量避免产生流砂的水头差,增加坑侧壁土体的稳定性。

      (4)其它方法　如冻结法、化学回固法、加重法、爆炸法。

3.3　管涌

      地基土在具有某种渗透速度(或梯度)的渗透水流作用下,其细小颗粒被冲走,岩土的孔隙度逐渐增大,慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通路,从而掏空地基或坝体,使地基或斜坡变形、失稳,此现象称为管涌。管涌多数是由于工程活动而引起的。

      地铁施工中对管涌的防止措施:在可能发生管涌的地层修筑挡水坝、挡土墙工程及基坑排水工程等,设计时必须控制地下水出逸点处的水力梯度,使其小于容许的水力梯度。防止管涌发生最常用的方法与防止流砂的方法相同,主要是控制渗流,降低水力梯度,设置保护层,打板桩等。

4、地铁二号线一期工程建设可能面临的地下水灾害风险分析

4·1　江水倒灌,引发隧道(隧洞)坍塌

      该现象易发区间为:汉口江汉路—武昌积玉桥站的长江江滩,主要在饱和的粉细砂、中粗砂层中采用盾构法穿越长江时,该区地表为长江江水,砂层中赋存潜水,与长江水有直接水力联系,砂层虽有一定承载力,但属极易坍塌变形围岩,自稳能力差,盾构机施工时易产生变形而造成开挖面失稳。巷道如支护不及时、防水和止水措施不严密时,就可能发生渗透、突然涌水、江水倒灌等现象。

4·2　基坑侧壁管涌、基底突然涌水,引发基坑变形,支护失效

      该现象易发站点主要为:金色雅园站、汉口火车站站、范湖站,青年路站、航空路站、中山公园站、循礼门站、江汉路站;车站主要采用明挖法施工。基坑开挖的土层主要为填土、淤泥及淤泥质软土、一般性粘土、粉细砂、粉土或粉土与粉砂、一般性粘土互层;地层总体透水性较好,尤其以粉土、粉砂层多为饱和的承压含水层。当基坑壁、基坑底由粉土、粉砂或淤泥、淤泥质软土构成时,极易发生流砂、渗透、管涌和突然涌水等现象,稍一不慎即可酿成灾难性事故。

4·3　饱和砂层地段盾构巷道(隧道)工作面坍塌、巷道内渗水、透水

      该现象易发区间主要集中在汉口金色雅园—武昌积玉桥长江一级阶地和长江漫滩地段,主要采用盾构法穿越饱和的粉细砂、粉土、淤泥质软土层和粉土夹粉砂层。地层总体透水性较好,当自身水力条件发生改变时,极易发生流变、触变、突变现象,围岩易坍塌变形,难以形成工作面;巷道成形后,如不能及时衬砌支护或者节点防渗处理不慎,又易引起渗透、流砂乃至引发管涌、巷道内突然涌水的发生,严重影响施工安全和进度。

4·4　碳酸盐岩区巷道透水、岩溶地面塌陷

      武昌体育馆路—中南一路、卓刀泉路—光谷广场广泛分布二叠系、三叠系灰岩,岩溶较发育。隧道施工时,无论采用盾构法、矿山法施工均不可避免受岩溶水干扰,处理不当,即会发生巷道透水事故,或因降水引起的岩溶地面塌陷,造成人民生命、财产严重损失。

4·5　老粘性土胀缩变形

      老粘性土主要分布在武昌东南一带,沿线的洪山广场—光谷广场均有分布。该层具压缩性低、承载力高、超固结土,多裂隙,且有遇水软化,失水干裂性,有“天旱一把刀、下雨一团糟”的俗称,局部地段分布不稳定,厚薄不等,顶板坡度大,可构成不均地基。局部地段还存在一定的膨胀性。基坑和巷道施工时应注意做好止水、排水措施,防止因过量变形引起的支护失效。

4·6　集中降、排水引起的地面沉降变形

      主要发生在软土分布的地区,如汉口城区和武昌内、外沙湖西北角。该范围内施工时,可能因基坑降水处理不当,大幅度地降低地下水位,形成大范围的降落漏斗,致使浮托力减少、软土层中有效应力增加、土层固结,最终导致局部地段的地面沉降变形。

4·7　地下管线变形、渗漏引发涌水、地面塌陷

      武汉市20世纪80年代以前修建了很多星罗棋布的地下管线,受当时施工技术所限,其接头的抗变形能力差,例如采用顶进法施工的大直径污水管,基本上不允许变形。而修建地铁隧道又不可避免地破坏了地层原有的平衡状态,引起附近的地下管线再随着地层变形而变形,如变形量超过允许范围,则管线断裂,产生漏水,导致地面塌陷。

      据统计,在地铁施工中造成的地下管线断裂、地面变形及塌陷事故,大部分都发生在地下管线有渗漏并采用矿山法施工时。

4·8　地下水对钢筋、混凝土结构的腐蚀

      据区域水文地质资料,武汉市地下水对混凝土不具有腐蚀性,对钢结构为弱腐蚀性。

      但近年来因人工生产、生活和工程建设活动的日益增加,工业废水的频繁排放,武汉市地下水化学成分也在发生改变,水质正逐渐恶化,局部地段可能对钢结构和混凝土具较强的腐蚀性,危及到建(构)筑物的安全。

5、地铁工程建设活动中应注意的事项

      地铁工程建设是武汉市自建市以来,规模最大、工期最长、投资最多、社会效益最受关注的一项基础设施建设。地铁在改善城市交通状况,加快城市建设,促进经济发展等方面都将发挥巨大作用。地铁建设不可避免地受到地下水干扰,其他城市已发生过多起因地下水而产生的灾难事故。如广州地铁1号线在中山四路段采用盾构法施工,由于铸铁供水管漏水,硬路面下的土体部分流失,形成空洞,盾构通过时,小的地层变形造成供水管断裂,大量水土流失,导致路面变形塌陷^[4]。

      武汉地铁工程多数在饱和含水的地层中进行,如不能很好地解决地下水问题,施工中便会发生流沙、流泥,地下水突然涌入基坑或隧道,造成塌方,严重时就可能危及地面。

      要切实的评价地下水对地铁工程建设的影响就必须进行线路专项水文地质勘查与研究工作、进行地下水灾害防治设计与地下水资源和环境保护。

      为此建议如下:

      (1)重视沿线的水文地质专项勘查工作,加强对地铁工程站点和区间线路的水文地质勘察设计,在基础水文地质资料的基础上加以详查,以避免由于水文地质方面的原因对工程施工带来不利影响;并对水文地质条件复杂站点和重要区间,如汉江江堤段、长江江底穿越段进行专题研究。

      (2)由专业水文地质勘测单位承担武汉市地铁工程线路沿线水文地质、工程地质、环境地质详细勘探,查清可能诱发的地下水灾害,并提出科学、合理的防治方案,组织专业施工队伍进行减灾防治。

该项工作在北京、沈阳等城市地铁施工中已有成功运用先例,专业水工环工程师全过程跟踪建设工程活动,能及时、果断和合理地处理施工过程中遇到的地下水不良影响,最大限度地降低地下水灾害,避免由此产生的经济损失。

      (3)建议向上海、北京等城市学习,在具体施工过程中,还应采用地下水节约与环保型施工技术,对降水井抽取的地下水实施规范处理并做到资源综合利用;在施工影响波及的区域和工区井点降水建立地下水与工程及地面变形的动态监控体系和相应的管理模型。

同时还要用科学的观点和方法,将地铁建设对环境的影响降到最小,做到科学设计、严格管理,加强施工和运营期间的监控,力求实现信息化施工,保证安全施工,减小施工对地面及建筑物和地下管线的影响,做到防患于未然,尽可能减小地铁建设对城市生态环境的影响和破坏。

 

[1]　铁道部第四勘测设计研究院.武汉市轨道交通二号线一期工程初步设计图报告·线路篇[R].武汉:铁道部第四勘测设计研究院, 2006.

[2]　彭友君.武汉地铁二号线一期工程岩土工程勘察特点分析[J].岩土工程技术, 2006(6): 34-38.

[3]　工程地质手册编写委员会.工程地质手册[M].第三版.北京:中国建筑工业出版社, 1992.

[4]　田华军,宋艺宏,王泽武.地铁盾构施工安全及事故分析[J].现代城市轨道交通, 2009(5): 53-55.