巖土工程在城市發展中的新趨勢

吳勝全 張占元

（成都水文隊，四川 成都 610000）

前言：

隨著國民經濟的高速發展,我國城市化水平也正在快速提高。由于城市地下巖土工程復雜多變的自然條件，給施工帶來了技術難題，如果要要解決施工中一系列技術上的問題,就會涉及到多門學科,因而城市地下巖土工程是保證工程質量、提高工程經濟效益和社會效益的關鍵步驟。

1.城市地下巖土工程是新世紀城市建設的重要環節

隨著國民經濟的高速發展,我國城市化水平正在快速提高,從1990年的18.96%提高到1997年末的28.9%。城市化水平的提高標志著城市工程建設的飛速發展。但是,我國城市建設基本上沿用“攤大餅”的粗放發展模式,給國民經濟帶來不應有的損失。主要是:

(1)城市范圍無限制地外延擴展,耕地損失嚴重。據衛星遙感資料判斷和測算,1986～1996年間,全國31個特大城市城區實際占地規模擴大50.2%,有的城市占地成倍增長。另據預測,至2010年,我國城市總數將從1996年的640座增加到1000座,其結果是占用了大量耕地。到下世紀中葉,我國城市化水平將提高到65%左右,這意味著城市人口將比1990年增加7億多人,按每個城市人口用地100m2計,將占用耕地1億多畝。土地問題是我國可持續發展的關鍵,城市人口急劇增長與地域規模的限制已成為城市發展的突出矛盾,城市發展非走節約土地的集約化發展模式不可。

(2)城市人口密度大,形成了所謂的“城市綜合癥”。首先表現在城市交通阻塞,行車速度緩慢。其次是,由于城市基礎設施落后于城市面積的擴展和城市人口的增長,造成城市環境的惡化。當前我國城市環境形勢日趨嚴重,大氣污染日趨加劇,全國500多座城市大氣質量達到一級標準的不到1%,酸雨面積超過國土面積的40%。

(3)城市總體抗災抗毀能力偏低。在城市總體規劃中,除防洪、防空外,目前尚缺少綜合防災的內容,城市基礎設施的防災措施處于空白。為了克服這方面的弊端,解決城市人口、環境、資源三大危機,醫治“城市綜合癥”,實施城市可持續發展,世界發達國家都在把地下空間作為新的國土資源,開發利用城市地下空間,成為越來越受到重視的城市建設指導方針和發展方向。

城市功能空間能轉入和宜轉入地下的領域是很廣闊的,包括商業、交通、部分市政設施、文化娛樂休閑、部分工業生產、倉儲、防災(避難)和救災空間等。充分利用地下空間是城市立體化開發的最重要組成部分。它可以達到擴大空間容量、提高開發集約度、消除步車混雜、交通順暢、商業更加繁榮,地面綠地增加,環境優美開敞,購物與休閑,娛樂相互交融的多功能效果,與向城市上空發展的模式相比,是一種更為合理的發展模式。向地下要土地、要空間已成為城市建設發展的必然趨勢,顯示了無比的優越性。我國及國外大城市的地下商業城(街)、地下車庫、地下影劇院、地下鐵道、地下人防系統,是眾所周知的城市地下工程。有的國家已開始實施和計劃采用地下污水收集和處理設施、地下垃圾處理廠、地下超導磁直接儲存電能、地下供熱供冷系統、地下多功能公用隧道 (共同溝)以及具有抗災功能的地下空間系統。它們是未來城市建設的發展方向。

2.城市地下巖土工程的特點及難點

眾所周知,地下巖土工程是一個具有悠久歷史的領域。可以說自有人類以來就有巖土工程,特別是進入工業社會以后巖土工程處處存在,但是城市巖土工程,除了傳統的地面房層工程外,地下巖土工程卻是隨著現代城市的興起而發展的。經過最近幾十年的實踐,無論從設計、施工、設備和工藝,還是理論、技術和經驗,都已達到相當高的水平,特別是深埋地下巖石工程,更是達到了較成熟的程度。

但是,城市地下巖土工程卻具有與一般巖土工程不同的特點,主要是:多數埋深較淺。地面建筑、交通設施密集,地下管線多,開挖造成的影響大,地質條件復雜,多以土體為主,常有膨脹土、沙層、地下水,尤其是沿海沿江城市,淤土、軟土的開挖難度更大。因此,城市地下巖土工程存在許多需要解決的特殊問題。主要是:

(1)淺埋、超淺埋暗挖施工技術。城市地下工程的埋深,不僅直接影響工程造價,而且關系到工程使用方便與否,因此,城市地下工程一般埋深較淺。在淺埋、特別是超淺埋的條件下,地下工程需要穿越建筑物和線路、街道,地面保護成為施工技術中的首要問題。(2)復雜、惡劣環境下的開挖技術。諸如流砂層、膨脹土、高壓縮性軟土淤土、風化破碎巖石、高濃度瓦斯地層、大涌水、硫化氫、巖溶、高應力、地下管線、地面大車流量、大型載重車多、建筑物密集等等,都是地下巖土工程施工中的難題。(3)大斷面隧道開挖、支護技術。主要是地鐵車站及商場、倉庫、廳、室,其跨度尺寸達10 m以上。(4)開挖影響控制技術。隨著工程埋深的減小,開挖對地面的影響越來越大,在超淺埋條件下,開挖影響的控制與開挖方式、施工工藝、支護方法等眾多因素有關,是地下工程施工中最為復雜的問題。3少支護后的下沉。壁后充填是減少支護構造與巖土體之間空隙的有效措施,在一次支護和二次支護后采用小導管注漿法進行充填。(5)分步開挖,及時支護。實踐證明,分步開挖、及時支護可以有效地減少圍巖及地面下沉。例如北京長安街過街道,跨度大(開挖跨度1116m)、超淺埋(表土厚度僅016～110 m)、有動載、地下管線多,為了減少地面下沉,采用“中洞法”分步施工,地面下沉減到24 mm,效果良好。(6)降水—回灌技術,是治理地下水和減少地面下沉的有效方法,已在北京地鐵施工中推廣應用。一般是“淺抽深灌”或“前抽后灌”。據北京地鐵“復—八線”實測,采用此法后其兩側高大建筑物下沉未超過215 mm。值得研究的是,近年來我國試驗成功的“高水速凝材料”,具有快速固結含水砂層的性能。如能在地下工程中進行試驗,對于阻隔地下水滲入施工空間,將具有良好的應用前景。

3.城市地下巖土工程中的開挖影響及環境保護

城市地下巖土工程中的開挖影響指的是開挖引起的圍巖移動與地面沉降,不包括其它擾民影響。地下開挖必然會在其周圍巖土體中引起位移與變形。由于開挖深度小,其影響必然要波及到地面上,但由于開挖寬度有限,其影響也是可以控制的。影響的程度與范圍,取決于眾多因素。對于淺理、超淺埋隧道式開挖工程,主要取決于開挖方式、斷面跨度、導坑形式、機具、支護方式與時機、構件剛度、回填、地面載荷(動、靜載)、巖土體性質及地下水抽排等。據實測研究,隧道式開挖引起的地面沉降,其橫剖面一般呈盆狀,大體上用可概率積分曲線來描述。

對于淺埋和超淺埋隧道式開挖引起的地面沉降,其最大下沉值大致由開挖空間支護前的下沉、地下水抽排引起的下沉以及開挖空間支護后的下沉等構成。這些下沉可通過采取一定的減沉措施減少到最小程度。從北京、上海和廣州等城市的地鐵施工實例結果看,北京地鐵“復—八線”兩側高大建筑物累計下沉量最大僅為215 mm,北京地鐵西單車站正上方累計地表最大下沉量也未超過30 mm;廣州地鐵有一段隧道橫穿市區主干道天河路,隧道頂距路面7 m,地層為飽含水細砂層,地下密布有供水管、污水管及電纜線,地面晝夜車流量約12萬輛,還有載重30～60 t大型集裝箱運輸車快速通過。開挖后,據對128個測點觀測,最大下沉為2017 mm,低于國際上地面沉降控制標準。

根據國內外淺埋開挖實踐,地面減沉的措施有:

(1)圍巖預加固。為了加固軟弱和松散巖、土體,一般采取導坑或全斷面預注漿。對于軟弱或破碎巖體,采用單液或雙液壓力預注漿;對于松散土體,采用單液或雙液高壓旋噴預注漿。(2)強力支護。包括預支護、提高支護構件剛度及壁后充填等。預支護有管棚和插板兩種方法。管棚鉆孔深度受導坑尺寸限制,可兼作注漿管,適用條件廣泛。插板需用千斤頂頂進,具有防水效果,但不能用于卵石地層。及時支護可以有效減少支護前的下沉。鎖腳錨管是用于分步支護構件基礎的穩定,為下部開挖與支護安裝創造良好條件,減少上部支護構件的沉降。提高支護構件剛度可以減少支護后的下沉。壁后充填是減少支護構造與巖土體之間空隙的有效措施,在一次支護和二次支護后采用小導管注漿法進行充填。(3)分步開挖,及時支護。實踐證明,分步開挖、及時支護可以有效地減少圍巖及地面下沉。例如北京長安街過街道,跨度大(開挖跨度1116m)、超淺埋(表土厚度僅016～110 m)、有動載、地下管線多,為了減少地面下沉,采用“中洞法”分步施工,地面下沉減到24 mm,效果良好。(4)降水—回灌技術,是治理地下水和減少地面下沉的有效方法,已在北京地鐵施工中推廣應用。一般是“淺抽深灌”或“前抽后灌”。據北京地鐵“復—八線”實測,采用此法后其兩側高大建筑物下沉未超過215 mm。

值得研究的是,近年來我國試驗成功的“高水速凝材料”,具有快速固結含水砂層的性能。如能在地下工程中進行試驗,對于阻隔地下水滲入施工空間,將具有良好的應用前景。

[1]劉天泉.錢七虎城市地下巖土工程技術發展動向.[J].《煤炭科學技術》.1999年01期.