地铁深基坑施工中地质风险研究论文
地铁深基坑施工中地质风险研究论文 摘要:结合地铁工程的特点,通过广州地铁五号线建设风险管理的实践,以 基坑开挖为重点,分析了地铁深基坑施工中的地质风险,以提高深基坑开挖的安全 管理水平,减少由地质风险导致的事故。关键词:地铁,深基坑,施工,地质风险 地铁工程具有几大显著特点,即周边环境复杂,各种建构筑物、地下管线多, 且对施工变形控制要求高;工程地质与水文地质复杂,不确定因素多;结构形式较 多,施工方法交叉变换多,施工难度大;施工工期压力较大等,这些特点都集中表现 为工程的高风险性。因此,通过主动的、系统化的风险分解、分类,识别工程的致 险因子、风险事件和后果对地铁及地下工程建设风险源进行辨识是具有重大意义 的。根据地铁土建工程的特点,安全风险的分解按照工程所处的地质条件、周边 环境、工程实施等的各个阶段进行分解。从自然环境、工程条件、技术等方面分 析拟建工程的特点及相应的潜在风险。
本文以广州地铁五号线建设风险管理的实践,并以基坑开挖为重点,分析地 铁基坑开挖地质风险分类。
1)在软土地层、淤泥质土体进行基坑开挖施工引起地面沉陷的风险。
明挖基坑施工沿线存在很大厚度具有低强度和高压缩性的软土、淤泥质土 体时,很难控制好地面沉降及邻近地下管线、构筑物的位移,容易引起一定的地面 沉陷,给地面建筑、构筑物、地下管线带来危害。因此更会导致诸多连环性质的 工程灾害,如:管线爆裂渗水进而导致暗挖段土体力学参数急剧下降,承载能力大 幅下降和变形急剧扩大,如此恶性循环后必将出现灾难性后果。
2)明挖时,容易因失水造成地面塌陷。
一般在基坑开挖时,需要进行坑内降水,这需要防止土体失水引起的地面塌 陷风险。砂土地区应该防止因降水引起水土流失导致的地面塌陷。
如果地层失水严重,上伏软土则会引起大幅沉降,特别是沿线地表均存在相 当厚度的软土或淤泥土,明挖施工时浅层地下水可能透过岩石层的裂隙进行渗漏, 如果渗水过多则会引起地表沉降过大。3)粉细砂层容易发生液化、流砂、涌砂现象,给明挖造成危险。工作面前方 遭遇流砂或发生管涌,这种现象的发生对于基坑施工都是灾难性的后果。
4)花岗岩各风化带遇水软化、崩解,给施工带来很大风险。结构设计过程中, 一般不会将花岗岩各风化带遇水软化、崩解作为荷载验算工况。因此,如果施工 过程中发生岩石崩解,将威胁明挖施工的安全。
5)岩层风化带的岩面起伏问题对车站差异沉降的影响。沿线地质中,花岗岩 各风化带的岩面起伏问题相当严重并且普遍。一般而言,根据现行GB50157-2003 地铁设计规范设计方都会在车站主体结构方向设置1道~3道变形缝,间距约50m。
而岩面的起伏造成车站底板分别坐落于不同地层,甚至造成有的底板坐落于砂层、 软土层,有的底板坐落于岩层。这种巨大的差异会造成:同一埋深范围内土体强度 和刚度不一,使得主体结构纵向沉降差异显著增大,当变形缝两侧主体结构的差异 沉降超过轨道允许的最大沉降差时,会严重影响地铁车辆的运行。
6)地下结构在岩面起伏的地质中地震响应的风险。
上软下硬、岩面起伏的地质使得盾构隧道的地震响应比较复杂,尤其是盾 构属于地下超长结构,其地震响应更加复杂,不仅受到纵向地震波的影响,还受到 折射波的影响,并且随地震波的入射角度不同而存在不同的地震响应给工程带来 较大设计和运营风险。
7)断层破碎带中进行地下工程施工的风险。
在各断裂的断层破碎带之中,基坑开挖施工容易受到地质断裂带中沿岩石 裂隙面滑动的滑动力不利影响,这种滑动也会带来很大的风险。明挖基坑在计算 基坑侧壁滑裂面时,应考虑本断裂面的不利工况。施工过程中对围岩的破坏程度、 工序衔接的快慢、施工技术措施是否得当等,均有很大的关系。
8)断层活动的风险(包括抗震和地震响应等方面)。
断层活动对广州地区第四系覆盖区的全新统可液化砂层和可能发生震陷 的淤泥层有着重要影响,因而也往往容易沿这些断层造成地基失效。因此,在工程 建设中应注意抗震问题。
广州地区断层的活动性较弱,现代跨断层的形变观测表明其活动速率较小, 不可能孕发强震,对地面建筑破坏较轻,但不排除在局部地段或地区,尤其是砂层或淤泥层较厚的珠江沿岸及其西部一带,发生砂土液化和淤泥震陷等震害的可能 性。
9)地下水腐蚀地下结构的风险。
沿线地下水对混凝土结构工程无腐蚀性,但对结构中的钢筋具有弱腐蚀性。
此种腐蚀性会随着时间的增长,加速结构的老化过程。特别是地铁结构一般均处 于高应力状态,钢筋受到腐蚀会影响结构的安全性。
10)隐伏溶沟、溶槽、地质漏斗、风化深槽等的风险。
在断裂发生地带多隐伏溶沟、溶槽、漏斗等,这种地质“空洞”,改变了地质 应力分布状态,使得土体经开挖后处于松散状态而发生坍塌。
11)爆破震动引起砂层和淤泥质土层震陷的风险。
由于各站站址均下卧岩石层,施工时使用微型爆破或钻孔设备时,施工机具 的频繁振动或爆破震动传至砂层或上层淤泥质土层时,易产生液化、涌砂现象。
12)缺乏地质超前预报带来的风险。
广州地质条件相对复杂,突发性地质事件很多,缺乏地质超前预报易带来很 多风险。岩溶、断裂、隐伏风化深槽等地质勘探、预报局限性也会带来风险。
广州地区存在岩溶、断裂、隐伏风化深槽等大量的不良地质,这些均需要 做大量的地质勘探工作。根据五号线的勘探实践经验,岩溶地质勘探很难反映溶 洞的分布,这给施工带来很大的困难和风险。
13)明挖基坑穿越上软下硬复合地层(土、石交界面)的风险。
明挖基坑大多穿越上软下硬复合地层(土、石交界面),因而此类问题具有很 大的普遍性。此时,软土地层应力逐渐增大,而硬岩、风化岩地层则突然减小。此 类基坑的支撑设计阶段也应考虑到这种变化。
14)流砂的风险。
广州部分地区砂层较厚,基坑遭遇流砂危害的可能性也较大。虽然围护结 构都设置了桩间止水措施,但难免存在空隙渗漏流砂。15)硬岩层内成桩困难的风险。
广州地铁五号线沿线都存在很厚的硬岩层,因而成桩困难。值得一提的是 以上所述工程中的各项风险因素往往相互作用,比如地面塌陷引起地下管线爆裂、 地下基础的严重倾斜;地下管线爆裂、地下基础的严重倾斜更加剧了地面塌陷,如 此往复应该注意避免此类风险的相互作用现象,并从源头上控制风险。综上所述, 作为建设单位、监理单位、施工单位应对地铁深基坑工程中地质风险加以了解, 对照审核施工方案、施工组织及安全措施;分析和评估各车站、区间施工中可能 发生的安全风险;确定现场监测的对象、项目内容、范围以及监测频率,并实施监 测;审查施工降水、地层注浆、临时工程设计和重要管线及建筑物的保护方案;参 与施工中关键技术措施可行性和有效性的审定,并对相应的安全风险作出评价;综 合分析监测数据和地质状况,对施工影响区内的环境安全状态作出及时、可靠的 评估,及时进行预警和报警,从而提高深基坑开挖的安全管理水平,减少由地质风 险导致的事故。