天津地鐵某控制中心工程巖土工程勘察和評價

楊孟清

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300142)

1 工程概況

天津地鐵某控制中心為地下3層、地上38層建筑,地上建筑物高度為158 m。本工程為框架核心筒結構,塔樓和裙樓地下、地上連為一體。基坑最大開挖寬度約100 m,開挖深度約19 m,局部21.5 m。基坑下設樁基。

2 綜合勘察方法和原則

2.1 勘察方法

在場地詳細地質調查測繪及綜合分析區域和初勘地質資料基礎上,采用鉆探取樣、標準貫入試驗、靜力觸探試驗、扁鏟側脹試驗、剪切波速測試及抽提水試驗等綜合勘察方法,對采集到的地質信息進行綜合分析與評價。

2.2 勘探點布置原則

勘探點的布置結合擬建物的位置,間距20～35 m,最大孔深100 m。勘探孔分為一般性勘探孔和控制性勘探孔,一般性勘探孔深度取基坑開挖深度的2～2.5倍與樁底5 m的高值,控制性勘探孔取基坑開挖深度的3倍與樁底10 m的高值。

2.3 水土試驗

(1)巖土室內試驗

在黏性土、砂土中采用取土(砂)器采取原狀土(砂)樣,并對所取樣品進行物理性質試驗(包括含水量、重力密度、顆粒分析、滲透試驗等)、力學性質試驗(包括不同壓力下固結回彈試驗、直接剪切試驗、三軸試驗、無側限抗壓強度試驗、靜止側壓力系數試驗和基床系數試驗等),綜合分析確定土的物理力學指標。

(2)水文地質試驗

測定各含水層的初見和穩定水位、滲透系數等水文地質參數,分層取樣進行腐蝕性評價,分析各含水層的水力聯系,為降水設計施工提供依據。除利用3個勘探孔進行了抽水試驗以外,還進行了大口徑群井抽水試驗工作。

3 場地工程地質條件

3.1 地形地貌

濱海平原,地形平坦,地面高程2.96～3.971 m。工程區多為道路及房屋建筑,地下管網復雜。

3.2 地層巖性

場區除表層為人工填土層,其下為海陸交互相沉積層,局部填土下部分布有新近沉積層。

3.3 各土層主要物理力學參數

通過對室內土工試驗、各種原位測試成果及類似地質條件和工程經驗的綜合分析研究,提出各土層設計所需主要物理力學參數(見表1)。

表1 各土層基坑結構設計主要物理力學參數

3.4 地震及場地類別

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)本場地地震動峰值加速度為0.15g。

依據物探剪切波速測試成果,等效剪切波速為155～165 m/s,判定本場地場地土類型為軟弱—中硬場地土；場地類別為Ⅲ類。

3.5 圍巖分級、土石可挖性分級及承載力基本值

根據場地地層類型和特征,圍巖分級為Ⅵ級,土石可挖性分級為Ⅰ～Ⅱ級,承載力基本值f0=55～300 kPa。

4 水文地質特征

4.1 地下水類型

根據水文試驗成果,本場地地下水類型可分為潛水、淺層承壓水和深層承壓水。

(1)潛水

主要賦存于第Ⅰ陸相層和第Ⅰ海相層的粉土、黏性土與粉土互層的地層中。勘測期間地下水位埋深0.8～3.5 m,滲透系數K=0.5 m/d,影響半徑R=25 m。

(2)承壓水

承壓水以第Ⅱ陸相層的沼澤相沉積⑤1、河床—河漫灘相沉積⑥1層粉質黏土(埋深14.0～21.4 m)為相對隔水頂板。含水層主要為⑤1至11之間的粉土，粉、細砂層中的地下水為淺層承壓水。依據水文地質試驗成果,其穩定水位埋深4.2～6.7 m。

分布深度在70 m以下,粉土、粉砂、細砂和中砂層中的地下水為深層承壓水。

4.2 各含水層之間的水力聯系

上部潛水、淺層承壓含水層之間具有一定的水力聯系,深層承壓含水層與上部各含水層水力聯系微弱。各含水層之間的水力聯系強弱與隔水層的滲透性、厚度、連續性有直接關系。

4.3 地下水腐蝕性評價

經分層取水試驗分析,綜合評價如下。

潛水：對混凝土結構不具腐蝕性,對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在干濕交替的環境中具弱腐蝕,在長期浸水的環境中不具腐蝕；對鋼結構具中等腐蝕。

微承壓水：對混凝土結構具硫酸鹽弱腐蝕,對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在干濕交替的環境中具中等腐蝕,在長期浸水的環境中不具腐蝕,對鋼結構具中等腐蝕。

5 巖土工程分析評價

5.1 場地穩定性和適宜性評價

場地地層從上到下按成因類型分為如下11個結構層(①為地層編號),其巖性和工程特性等評價如下。

(1)第四系全新統人工填土層(人工堆積Qml)①：雜填土和素填土,分布深度為0.8～5.1 m,組成成分復雜,土質松散,密實程度差,底部多夾有淤泥質土,工程性質差。

(2)新近沉積層(第四系全新統坑底淤積Q43Nsi)②：巖性為淤泥質土,分布深度為1.2～5.4 m,流塑、含腐殖質,工程性質差。

(3)第Ⅰ陸相層(第四系全新統上組河床—河漫灘相沉積Q43al)③：黏土、粉質黏土、粉土、淤泥質土和淤泥,分布深度為1.4～8.5 m,工程性質較差。

(4)第Ⅰ海相層(第四系全新統中組淺海相沉積Q42m)④：粉質黏土、粉土和淤泥質土,分布深度為5.1～16.2 m,10 m深基坑基底位于該層④2層粉土中,工程性質差,應加強支護。

(5)第Ⅱ陸相層(第四系全新統下組沼澤相沉積層Q41h和河床—河漫灘相沉積Q41al)⑤和⑥：粉質黏土、粉土、粉砂和淤泥質土,分布深度為14.0～22.2 m,上部為沼澤相沉積層分布厚度較小,工程性質較差；下部為河床—河漫灘相沉積層土質較密實,為良好的持力層。基坑基底位于該層。

(6)第Ⅲ陸相層(第四系上更新統五組河床—河漫灘相沉積Q3eal)⑦：黏土、粉質黏土、粉土、粉砂和細砂,分布深度為19.1～29.4 m,工程性質較好。

(7)第Ⅱ海相層(第四系上更新統四組濱海—潮汐帶相沉積Q3dmc)⑧：黏土、粉質黏土、粉土和粉砂,分布深度為26.1～34.9 m,工程性質較好。

(8)第Ⅳ陸相層(第四系上更新統三組河床—河漫灘相沉積Q3cal)⑨：黏土、粉質黏土、粉土和粉砂,分布深度為33.5～49.1 m,地連墻底位于該層的⑨1層粉質黏土中,工程性質較好。

(9)第Ⅲ海相層(第四系上更新統二組淺海—濱海相沉積Q3bm)⑩：黏土、粉質黏土、粉土和粉砂,分布深度為46.4～58.4 m,工程性質較好。

(10)第Ⅴ陸相層(第四系上更新統一組河床—河漫灘相沉積Q3aal)：黏土、粉質黏土、粉土、粉砂和細砂,分布深度為55.4～83.6 m,該層層位穩定,是良好的樁尖持力層。

(11)第Ⅳ海相層(第四系中更新統上組濱海三角洲相沉積Q23mc)：黏土、粉質黏土、粉砂和細砂,分布深度為80 m以下。該層層位穩定,工程性質較好,可作為良好的樁尖持力層。

場地屬穩定場地,適宜本工程建設。但場地內存在軟弱地層和承壓水,工程地質條件復雜,應針對具體工程要求采取適宜的處理措施。

5.2 基坑巖土工程問題分析與評價

(1)基坑圍護結構

基坑開挖范圍內主要為填土、淤泥質土、黏性土、粉土、粉砂和細砂,土質松軟,直立性差,地下水位較高,周圍建筑物多,不具備放坡開挖的地質和環境條件。

主體圍護結構宜采用地下連續墻或鉆孔灌注樁加樁間止水帷幕、多排內支撐支護方案,出入口宜采用SMW工法。圍護結構宜穿透承壓水含水層置于下部⑧、⑨相對隔水的黏性土層中。經計算，天然狀態下直立基坑是不穩定的。

圍護結構宜采用地下連續墻,多排內支撐支護方案。圍護結構宜穿透微承壓水含水層置于具體應根據不同方案經計算確定。

(2)基坑坑底隆起

由于基坑開挖卸荷及基坑內、外水土壓力差作用,可能造成坑底土體向上隆起,危及基坑及附近建筑物的安全。為防止基坑坑底隆起,需加強坑底土體強度和控制基坑內外的水位差。經初步計算：最深處基坑抗隆起穩定性系數K=2.43。

(3)基坑坑底管涌及涌水

基坑開挖范圍內分布有多層粉土、粉砂層,基坑開挖時,易造成涌水、涌砂現象。因此，在基坑開挖前應采取合理的降水等措施,止水帷幕宜插入黏性土層中,達到降堵承壓水的目的。

(4)結構抗浮

本工程地下結構作為一種特殊的地下構筑物,將長期處于地下水位以下,使其整體受到地下水的“浮托力”作用,影響其使用及安全。進行抗浮檢算時宜按最不利組合考慮,在不能滿足抗浮要求時應采取必要的抗浮措施。計算時主要考慮在工程施工階段的抗浮。

(5)地表變形

由于基坑周邊及底部以軟弱黏性土為主,局部具有較明顯觸變及流變特性,在動力作用下土體強度極易降低。在開挖過程中應盡量減少土體擾動,加強基坑支護。施工降水過程中，由于土體失水產生固結,產生地面沉降,影響附近地下管線及地面建筑物使用及安全,應控制降水規模及范圍。

(6)降水控制

基坑開挖深度范圍內黏性土夾粉土及淤泥質土,土層滲透系數小于0.5 m/d,粉、細砂滲透系數一般為3～5 m/d,坑內可以采用管井等降水方案,水位降深應達到基坑開挖面以下0.5～1.0 m,坑外應布置適當的回灌井和觀測井。為避免降水引起周圍地面沉降和地下管線、既有建筑物的損壞,要合理控制降水強度,嚴格執行“分層降水,按需降水,過程控制”的原則,并建立坑內坑外的降水監測體系。

5.3 樁基巖土工程問題分析與評價

(1)宜采用鉆孔灌注樁,根據上部結構荷載情況,通過計算采用適宜樁型、樁徑和樁長。

(2)樁端持力層的選擇可結合樁的受力情況和地層特性通過計算確定。

(3)由于樁入土深,下部地層多為硬塑狀黏性土或密實的粉土、粉細砂,黏性土中局部富含姜石,成樁困難,應選用大功率成孔機械,加強施工控制,保證樁的垂直度和混凝土灌注質量,加強成樁質量檢測。

(4)由于灌注樁長度長,接觸的地層復雜,大面積開工前應先進行靜載試驗、抗壓抗拔試驗,以修正設計參數。

(5)由于結構上浮力大,抗拔樁設置較密集,設計計算時應考慮群樁效應。

(6)本工程塔樓為地上38層,裙樓為地上6層,局部為純地下3層地下室,塔樓和裙樓地下、地上連為一體。平面上各部位上部荷載差異極大,應根據不同部位的受力情況采取不同的基礎設計,避免產生差異沉降。

6 結論

天津地鐵某東南角控制中心工程建筑規模和開挖深度大,工程結構、地質條件和環境條件復雜,勘察中采用地質鉆探和多種原位測試相結合的綜合勘察方法,并做了大量的室內外試驗,查明了場地的工程地質和水文地質條件,提出了合理的水土參數,滿足了設計和施工需要。

根據工程特點和地質條件,對場地的穩定性和適宜性、基坑圍護結構形式、基坑坑底隆起和管涌、結構抗浮、降水控制及樁基設計等巖土工程問題進行了分析與評價,并進行了初步檢算,提出了具體的工程措施意見。

[1]鐵道第三勘察設計院集團有限公司.天津地鐵某控制中心工程詳細勘察巖土工程勘察報告[R].天津：鐵道第三勘察設計院集團有限公司,2007

[2]JGJ72—2004 高層建筑巖土工程勘察規程[S]

[3]DB29—20—2000 巖土工程技術規范[S]

[4]GB50021—2001 巖土工程勘察規范[S]

[5]GB50307—1999 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范[S]

[6]GB/T50123—1999 土工試驗方法標準[S]

[7]GB50011—2001 建筑抗震設計規范[S]

[8]GB50007—2002 建筑地基基礎設計規范[S]

[9]JGJ94—94 建筑樁基技術規范[S]

[10]JGJ120—99 建筑基坑支護技術規程[S]

[11]GB18306—2001 中國地震動參數區劃圖[S]