武漢四新地區大面積軟土沉降對市政工程的影響及處理措施

張利華，熊三平，傅 林

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢430023；2.武漢光谷建設投資有限公司，湖北 武漢430223；3.武漢新區建設開發投資有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

武漢市漢陽四新地區位于龍陽大道以東、墨水湖南路以南、長江以西、三環線西環段（汪家嘴立交-白沙洲大橋）以北的包圍區域，總面積約20 km2，為原漢陽區四新農場范圍，現正在大面積開發建設。原始地貌大部分屬于湖泊堆積區（地貌形態編號III2），其次為河流堆積平原區（地貌形態編號III1）以及局部地勢較高處的剝蝕堆積崗狀平原（地貌形態編號II1）。湖泊堆積區面積約占總面積的一半，廣泛分布湖泊相厚層淤泥及淤泥質黏土軟土，平均厚度為8～15 m，最深達到20 m，具典型的孔隙比大、天然含水量高、壓縮性高、承載力低（30～70 kPa）特征。地勢低洼區原始地面高程普遍為17 m左右，現行規劃的城區干道路面標高為20.5～23.0 m，整個低洼區域通過吹填長江河道沉積物填高3～5 m。大面積填砂場平、路基填土相當于在軟土上堆載，勢必加速軟土沉降并對市政道路修建及運行造成很大影響。本文在軟土工程性質分析、軟土沉降估算基礎上，評價對市政工程影響，進一步提出相應處理措施建議。

1 四新地區軟土工程特性

1.1 四新地區軟土分布

統計前期新建道路的勘察資料反映的軟土分布情況見表1所列。從表1可看出，平面分布上軟土所占比例多達50%，最大深度大多在15 m以上。

表1 四新地區軟土分布情況一覽表

四新地區軟土總厚度空間分布圖見圖1所示。從圖1可以看出，軟土厚度大于10 m區域面積占總面積的18%，軟土厚度大于6 m區域面積占總面積的41%，2 m以上軟土分布區占總面積的67%，軟土分布范圍廣。

圖1 武漢市漢陽四新地區軟土總厚度圖

四新地區軟土多有兩層，包括表層淤泥、淤泥質土及下部淤泥、淤泥質土，中間一般有厚度2～3 m硬殼層（局部缺失）。

原始地形地貌情況下典型地質剖面如圖2所示，圖中未繪出表層厚度3～5 m的沖填砂及路基填土。

圖2 漢陽四新地區軟土剖面示意圖

1.2 四新地區軟土工程性質

收集該地區勘察資料，上層淤泥及下層淤泥質黏土的性質列于表2。從表2中可以看出，四新地區軟土具有典型內陸湖泊堆積特點。與漢口軟土相比，含水率、孔隙比更大，工程性質更差。

2 四新地區軟土沉降估算

四新地區規劃場平均標高22 m左右，軟土分布區標高17.1～17.4 m，地勢較低區域將整體堆填5 m左右，路基荷載約100 kPa（填土的重度γ取20 kN/m3）。大面積的填土堆載將引起軟土壓縮、孔隙比減小、含水量降低，以致產生大面積的地基沉降。

金宗川等在上海大面積堆載場地進行歷時3年的現場監測，分層沉降、超孔壓和地基土側向位移的觀測結果顯示，在大面積堆載作用下最大影響深度達40～45 m，表明大面積堆載作用下地基變形的影響深度超出常規荷載。

而武漢四新地區的軟土最大厚度為20 m左右，其表層淤泥及下部淤泥質軟土均在壓縮影響范圍內。該地區地基沉降應主要包括松散填土沉降和軟土地基沉降兩部分（由于相較軟土沉降過小，忽略道路行車荷載、建筑物附加荷載和中間硬殼層的沉降）。估算軟土地基沉降：

式中：S∞為最終沉降量，mm；E 為壓縮模量，MPa，淤泥取2.0 MPa，淤泥質土取3.0 MPa；⊿p為附加應力，kPa，5 m厚沖填土荷載取100 kPa；H為計算土層厚度，m。

圖2中淤泥平均厚度取3 m、淤泥質土厚度取15 m。估算出該地區的軟土地基最大沉降約0.65 m。表層沖填土自重壓實沉降約50～100 mm，故總沉降約700～800 mm左右。估算值偏大，原因為上下隔水層阻隔了軟土中孔隙水的排出，導致下部淤泥質土固結無法全部順利完成，下部淤泥質土沉降應該遠小于估算值。因此，在有黏性土硬殼層情況下，軟土沉降主要集中在表層淤泥，該淤泥層沉降估算約150 mm，包括填土沉降在內的地基總沉降約 200～300 mm。

故軟土沉降與表層淤泥軟土厚度密切相關，表層淤泥厚度越大、沉降越大，對工程影響大。

3 大面積沉降對市政工程的影響

3.1 一般道路路基沉降

軟土引起的大面積沉降直接導致路基整體下沉，見圖3所示，沉降后路面標高顯著低于規劃設計路面標高。

表2 四新地區軟土主要物理、力學指標一覽表

圖3 軟土地基道路沉降及橋頭跳車示意圖

在原始地形地貌起伏變化過渡段及軟土厚度變化段，差異沉降往往與道路整體沉降伴隨，表觀現象就是路面高低起伏，以及路面開裂（見圖4、圖5），差異沉降影響更大。

圖4 軟土地基路面凹凸不平之實景

圖5 橋臺與引道錯位之實景

3.2 隧道路基沉降

四新地區隧道包括城市道路下穿隧道及地鐵隧道。

城市道路下穿隧道多由U形槽、閉合框架組成，路面最大埋深在10 m左右，隧道兩端路基有沖填土及表層淤泥，隧道中部穿過硬殼層進入到下部淤泥質土。在行車荷載作用下的軟土沉降對道路產生不利影響，同樣造成道路整體沉降、路面高低起伏不平，以及路面開裂等。

地鐵隧道埋深一般20 m左右，大部分地段超過軟土分布范圍，但在局部原始地形低洼區基底下尚可能有淤泥質土分布，見圖6所示。隧道建設形成新的排水廊道，在運行階段行車動荷載加速軟土固結并導致盾構管片與軌道變形。該區域已有地鐵6號線建成，正在準備新建地鐵10號線、12號線，業主及設計人員應充分考慮軟土的沉降對隧道長期正常運營的不利影響。

3.3 橋梁樁基礎負摩阻力

圖6 隧道埋置淤泥質土分布圖

四新地區的橋梁樁基礎，其樁端一般進入埋深40 m左右的基巖，施工中樁底沉渣清底較干凈，樁端及樁身位移很小。上部軟土相對樁身向下位移，因而產生負摩阻力，且因為軟土較厚、表層堆載較大，所以計算負摩阻力很大，從而顯著降低單樁承載力。

3.4 管涵沉降

管涵多布置在路幅范圍內，隨著軟土地基沉降而伴隨下沉，從而影響水的正常收集及輸送。另外，差異沉降易導致管道錯位、開裂，使管道中水滲漏并進一步加劇管涵周邊土體松軟、流失，嚴重時發生地面塌陷，見圖7所示。

圖7 管道滲漏引起地面塌陷之實景

3.5 公交場站和城市廣場

公交場站和城市廣場荷載均不大，大面積的軟土固結沉降影響同樣包括路面整體下沉、凹凸不平及開裂等。

4 大面積軟土沉降處理措施

4.1 預留沉降

地基處理費用高昂，非工期緊迫時，可不對軟土地基進行預先處理。根據計算預留沉降，建議道路先形成過渡柔性路面，待地基沉降基本穩定后，再形成剛性路面結構。但軟土次固結時間很長，軟土厚度較大時可延續10～20 a，道路使用期間需多次維修加高。

管涵施工時，可預留沉降差，為防止影響輸送能力，或可采用柔性接頭。

4.2 軟土地基處理措施

4.2.1 道路路基處理

表層沖填砂可夯（壓）實處理。軟土地基處理方法，包括：真空（堆載）預壓、水泥土攪拌樁（包括釘型樁）、CFG樁、管樁等均在四新地區使用過，本文不再贅述。在此僅說明幾點：

（1）地基處理可以消除大部分軟土沉降，但不能夠完全消除軟土沉降。軟土次固結是個長期過程，最長達20 a以上。

（2）真空（堆載）預壓從原理上說是排水固結，減小孔隙水壓力、促使軟土壓密固結，可有效地消除軟土地基沉降。工期容許時，可優先考慮真空（堆載）預壓方法應用于深厚軟土地基處理。

（3）硬殼層利于減少沉降，但回彈模量往往不滿足規范要求。有些道路設計，因為路面高程限制而把硬殼層挖除換填，實際上是得不償失。設計人員可做深入研究，充分利用硬殼層，適當抬高路基高程。

（4）解決橋頭跳車問題，可采用過渡段設計，優先考慮減少路堤高度、使用輕質混凝土路堤，其次考慮地基處理等方式。

4.2.2 管涵地基處理

考慮管涵埋深及地質條件，建議結合路基一并處理。

4.2.3 橋梁樁基礎消減負摩阻力設計

可設置隔離材料以避免軟土與樁身直接接觸來消除軟土下沉對樁基礎的下拉荷載（負摩阻力）；或對軟土預處理，減少、消除軟土沉降。該法施工較繁瑣，工程實踐中未見使用報道。在設計中，大多采用加大樁長來消減負摩阻力影響。

4.2.4 隧道深度調整設計

城市道路隧道需考慮沖填土壓實沉降、大面積軟土沉降、差異沉降，以及軟土回彈等影響。設計時，可對路基下進行地基處理或采用樁基礎。

地鐵隧道大多采用盾構法施工。由于軟土滲透系數小，依靠施工過程中注漿來消除軟土沉降，其效果差，包含武漢市在內的國內多條從軟土中穿過的地鐵明顯沉降均證明這一點，其后期處理困難。四新地區軟土層底深度一般不超過20 m，因此建議下調隧道埋深，將隧道底板落在下部一般黏性土、老黏性土、碎石土或基巖上，可有效地解決后期沉降的不利影響。

5 結語

（1）四新地區大部分地段為深厚軟土分布區，因新近堆填荷載導致該地區大面積軟土沉降，估算沉降值約200～300 mm。

（2）軟土沉降對市政工程影響較大，易導致路面下沉、凹凸不平、開裂、橋頭跳車嚴重，以及管涵沉降、錯縫、地面塌陷等；負摩阻力降低樁基礎承載力；軟土中地鐵隧道下沉影響列車正常運行等。建設人員應充分考慮該區域大面積軟土沉降影響的危害性、長期性。

（3）根據不同工程建設情況結合地質條件，綜合考慮過渡設計（過渡柔性路面、橋梁引道過渡段等）、地基處理、加大構筑物埋置深度使建筑物基底置于硬土層等方法，以減少或消除沉降影響。

（4）鑒于類似地區已發生大面積地面沉降，造成較大的社會影響，建議建設主管部門重視地質條件同樣很差的四新地區的軟土沉降問題，盡早開展該區域沉降監測工作，為今后該地區及其它類似地區的建設管理提供依據。