宁波轨道交通西门口站工程岩土工程勘察和评价

蔡伟忠

(浙江省工程勘察院,浙江宁波 315012)

1 工程概况

宁波市轨道交通1号线一期西门口站工程位于中山西路与望京路交叉路口东侧,西靠望京河,北为公园和新兴大酒店,南侧为住宅小区。西门口站为单柱双跨框架结构的地下二层岛式车站,主体结构顶板埋深约3.0 m,基坑深度17.2～17.8 m。车站里程桩号为K9+589.00～K9+777.00,车站长度约为188 m,车站标准宽度18.7 m,有效站台长118 m,中桩里程桩号为K9+705,有4个出入口和2个风亭。地下一层为站厅层,地下二层为站台层,结构形式为二层框架结构,纵向柱距为8.65 m。车站两端设盾构始发(吊出)井，地下车站采用明挖顺作法施工。

拟建工程意义和社会影响重大,工程重要性等级为一级工程,安全等级为一级，场地为中等复杂类型。拟建场地岩土种类多,均一性较差,性质变化较大,且广泛分布有软弱的淤泥质土和淤泥。按《岩土工程勘察规范》判断,地基等级属中等复杂地基,勘察等级属甲级。

2 勘察方案

2.1 勘察方法

在场地详细地质调查测绘及综合分析区域和初勘地质资料基础上,采用钻探取样、标准贯入试验、静力触探试验、扁铲侧胀试验、剪切波速测试及抽提水试验等综合勘察方法,对采集到的地质信息进行综合分析与评价。

2.2 勘探孔平面布置

勘探孔沿着车站结构轮廓线外侧1～5 m的位置,勘探孔间距25～30 m,每个出入口及风亭均布1～2个勘探孔。对在场地条件限制不能原位施工的勘探孔可适当调整,孔位移动一般不宜大于5 m。施工条件非常困难、移动距离较大时须报现场监理,由项目负责和现场监理工程师现场确定。本站布水文地质试验孔2个。为满足地下车站深基坑开挖设计需要,本站共布波速试验孔3个,扁铲侧胀试验孔3个,十字板现场剪切试验孔3个,土壤电阻率测试孔2个。

2.3 勘探孔深度确定

控制性钻孔深度一般宜为地面以下2～3倍开挖深度,并满足结构底板下不少于20 m(换乘站尚应考虑换乘节点埋深),且孔深应满足抗拔和中柱桩要求,以“进入⑧层砂土不小于5 m”为原则,孔深60.0 m左右；车站出入口勘探孔深度按“开挖深度2～3倍”原则,孔深为50 m。十字板试验孔打穿软土层,预计孔深20～25 m,扁铲侧胀试验孔孔深25～30 m,波速试验孔孔深为45.0 m。水文地质试验孔孔深根据含水层具体位置确定,孔深为20～25 m。

3 工程地质及水文地质

3.1 水文地质条件

根据地下水含水层介质、水动力特征及其赋存条件,场地范围内与工程有关的地下水可分为松散岩类孔隙潜水和孔隙承压水两类。

松散岩类孔隙潜水主要赋存于场区表部填土和黏土、淤泥质土层中。表部填土富水性和透水性均较好,水量较大；浅层黏土和淤泥质土富水性、透水性均差,渗透系数为2.0×10-6～2.07×10-7cm/s之间,水量贫乏,单井出水量小于5 m3/d。场地内孔隙潜水主要接受大气降水竖向入渗补给和地表水的侧向入渗补给,多以蒸发方式排泄。水位受季节及气候条件等影响,但动态变化不大,潜水位变幅一般在0.5～1.0 m之间。勘察期间测得潜水位埋深一般为1.4～2.6 m,高程1.09～2.78 m,平均高程为1.7 m。潜水最低水位按本次勘察实测水位向下1.0 m。

根据本区钻探及附近水文地质孔资料,拟建场地埋藏分布有三层孔隙承压含水层,主要为浅部③层微承压水,深部承压含水层可划分为第Ⅰ含水层组(Q3)和第Ⅱ含水层组(Q2)。

(1)孔隙微承压水

浅层微承压水主要赋存于③层含黏性土粉砂、粉土层或粉质黏土夹粉土层中,含水层厚一般为2～4 m,局部夹较多黏性土薄层,透水性一般,水量相对较小,单井出水量在5～10 m3/d,砂质较纯、厚度较大的地段出水量相对较大,水位埋深在1.75～2.0 m左右,渗透系数在4.2×10-6～3.2×10-5cm/s,水温为19 ℃左右,水质为微咸水,地下水基本不流动。

(2)Ⅰ层孔隙承压水

第Ⅰ层孔隙承压水赋存于⑦1T和⑧层粉砂、细砂、砾砂和圆砾层,透水性好,平均渗透系数约30.5 m/d,水量丰富,单井开采量500 m3/d,含水层顶板埋深一般为52.0～57.3 m,含水层厚度8～10 m,层位稳定,水位埋深4.5～5.5 m,动态变化不明显。透水性较好,水温为19.5～20.0 ℃,水质为微咸水,水化学类型以Cl·SO4—Na·Ca型为主。

(3)Ⅱ层孔隙承压水

第Ⅱ层孔隙承压水赋存于⑨3、⑩2层圆砾、卵石和中粗砂层中,透水性较好,水量较大,单井开采量一般为1 000～1 500 m3/d,是市区主要淡水开采层之一,水温为20.5～21.0 ℃,原始水位略高于第Ⅰ含水层,水位埋深3.5～5.0 m。

3.2 工程地质划分

根据土层的沉积年代、沉积环境、岩性特征及物理力学性质,同时结合野外钻探,将勘探深度范围内的地基土划分为9个工程地质层,并细分为27个工程地质亚层。

(1)岩土工程设计参数

通过室内土工试验、各种原位测试成果及类似地质条件和工程经验的综合分析研究,提出工程涉及的主要地层的主要物理力学参数(如表1)。

(2)扁铲侧胀试验

本次试验均在黏性土层中进行,利用每孔试验前后取得的修正值,分别计算出各试验点的接触压力(P0)、膜片膨胀至1.10 mm时的压力(P1)和膜片回到0.05 mm时的终止压力(P2)值,然后根据P0、P1和P2值计算侧胀膜量(ED)、侧胀水平压力指数(KD)、侧胀土性指数(ID),根据扁铲侧胀试验指标确定静止侧压力系数(K0)和水平基床系数(Kh),并绘制P0、P1、P2和KD、ID与深度的关系曲线图表。对各孔试验所得参数进行分层统计,分别提供各指标的最大值、最小值、算术平均值和统计个数。各土层的扁铲侧胀试验成果见表2。

表1 岩土工程设计参数

表2 扁铲侧胀试验成果

(3)热物理参数

为获得盾构施工范围内的各地层热物理参数,根据CK1-Z74、CK1-Z94、XS-Z10、DX-Z07、HD-Z07、WH-Z11和SF-Z25号等7孔取样进行室内热物理参数测试,试验成果详见表3。

表3 地基土热物理指标成果

(4)电阻率

为提供地铁车站接地设备和杂散电流腐蚀防护设计所需的土壤电阻率,在本车站布置了3个电测井孔,经分层统计,浅部地层电阻率测试结果详见表4。

表4 各地层电阻率测试成果

上述统计成果表明,各土层物理力学性质指标的变异系数,普遍小于20%,属低变异性参数,力学性质指标除个别变异性较高外,绝大部分变异系数低于30%,表明本次土质单元体划分基本合理,用数理统计方法求取的指标是准确、可靠的。

扁铲侧胀(DMT)试验尚处于经验积累阶段,其估算结果与其他测试手段所得参数可能存在差异,在工程设计时,应根据加荷速率和应变大小等进行修正后方可使用。

3.3 场地及地基的地震效应

本场地地震动峰值加速度为0.05g,相当于地震基本烈度Ⅵ度,设计地震分组为第一组。根据钻孔波速试验成果,按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)中的相关公式进行计算,该场地地表下20 m深度范围内等效剪切波速值Vse为110～146 m/s,平均为132 m/s,其中DX-B2和初勘孔CK1-Z80等效剪切波速小于140 m/s,XMK-B1、XMK-B2等效剪切波速大于140 m/s。根据钻孔揭示资料,并结合区域地质资料分析,覆盖层厚度大于80 m,综合考虑,建议建筑场地类别为Ⅳ类,所属的设计地震分组为一组,处于抗震不利地段,可不考虑软土震陷的影响。

4 岩土工程分析与评价

4.1 地基土的分析与评价

本工程场地的地基土是由不同的土体所构成的。土体是自然地质作用的产物,其物理力学性质与沉积年代、沉积环境有着密切的联系。在同一时代和环境条件下形成的土体,其物理力学性质基本相近,本身固有的各项指标均有内在的联系,但对于不同沉积年代和沉积环境条件下形成的土体,其性质却有较大的差异。通常情况下,海相环境形成的土体性质较差,陆相环境形成的土体性质较好；而对于相同环境条件下形成的土体,不论是海相层或陆相层,一般时代越老,性质越好,时代越新,性质越差,在竖向上具有明显的变化规律。

综合场区本次勘察成果,地表下80 m深度范围内,由浅至深各地基土可归纳为“硬壳→极软→较硬→较软→硬→坚硬”的结构特征。

4.2 不良地质作用和特殊性岩土

本工程位于宁波平原中西部,沉降漏斗西侧,沉降漏斗的边缘(0 m线附近)位于徐家漕站,望春站到天一广场站位于沉降漏斗范围内,其中沉降量最大的天一广场站距沉降中心约1 km,累计地面沉降量约200 mm左右,沉降量相对较大,西门口站沉降量120 mm左右。

拟建场地属典型的软土地区,广泛分布厚层状软土,其具“天然含水量大于液限,天然孔隙比大于1.0,压缩性高,强度低,灵敏度高,透水性低”等特点。拟建场地软土层由①3、②1、②2-1、②2-2、②3、④1-1、④1-2和④2组成。大面积厚层软土分布对本工程建设会带来一系列岩土工程问题,主要表现为：

①由于软土广泛分布,过量开采地下水引发的区域性地面沉降现已成为宁波市的区域地质灾害,将可能导致地铁结构长期处于沉降状态,最终可能使管片之间裂隙加大发生漏水、渗水,甚至造成灾害性事故。

②车站基坑开挖时,为保证坑壁稳定、周围建(构)筑物、地下管线安全采取的支护结构费用较大,施工风险也随之增大。

③软土所能提供的桩侧摩阻力较小,势必会增加桩数或加大桩长,从而增大工程造价。

4.3 深基坑分析与评价

(1)基坑工程安全等级

根据设计方案,西门口站为地下二层车站,基坑拟采用明挖顺作法施工,开挖深度17.2～17.8 m,基坑周边地下管线纵横交错,周围环境复杂,地下水水位高,对施工影响较大,基坑破坏后果很严重。因此,本工程基坑工程安全等级为一级。车站基坑开挖直接涉及到①1-1、①2、①3、②2-1、②2-2、②3、③1、③2和④1及④2。基坑底面主要位于③层灰色黏质粉土或粉质黏土和④层淤泥质粉质黏土层中。表层填土结构松散,富水性和透水性好,若止水不当易产生渗漏和地表河水流入基坑导致基坑失稳,特别是原河流回填处；①2层灰黄色黏土强度略高,土层渗透性较差；下部的灰色淤泥、淤泥质黏土等含水量大,渗透性弱,抗剪强度很低,土层开挖后稳定性差，基坑必须采取支护措施。

(2)基坑开挖对周边环境影响分析

坑底土体隆起：按照拟建基坑开挖深度,基底土主要由含水量高、强度低、弹性模量小、压缩性高的②、③、④层软弱土组成,基坑开挖后土体回弹量相对较大,因土体卸荷会造成坑底土的回弹；坑内的卸载,使围护结构在多种原因共同作用下,产生向内的位移,在坑底范围内,向基坑方向挤压土体,造成坑底隆起。除适当加快基础结构施工时间,施加坑底土上部荷载外,可考虑对坑底进行加固处理,如采用水泥搅拌桩、旋喷桩等,以增加坑底一定深度范围内的土体抗剪强度。

地下连续墙位移：地下连续墙墙体变形改变基坑外围土体的水平向原始应力状态而引起地层移动。在基坑开始开挖后,地下连续墙开始受力变形,在基坑内侧卸去原有的土压力时,在墙外侧则受到主动土压力,而在坑底的地下连续墙内侧则受到全部或部分的被动土压力。由于总是开挖在前,支撑在后,所以地下连续墙在开挖过程中,安装支撑前总是已发生一定的先期变形。

因此,基坑开挖时要求做到充分考虑并利用软土基坑时空效应理论,采用“化整为零”施工技术,沿纵向逐段开挖,做到“随挖随撑、减少坑底土暴露时间”,且基坑开过程中注意开挖坡度,防止坑内滑坡的发生；基坑开挖前进行必要的基坑土体加固,如：①在地下连续墙底下因清孔不好或土体很软时,可进行地下连续墙墙底注浆加固,以防止开挖时引起地下连续墙沉降和墙外侧土体松动沉降；②车站端头井内土体加固以保开挖土体的稳定；③在基坑底面以下地下连续墙被动土压力区以注浆法或其他方法加固固土体。

(3)基坑抗浮设计措施

本工程为地下工程,建筑物荷载较小,基坑开挖深度大,场地地下水位埋深浅,孔隙潜水一般在地面下1.4～2.6 m,高程1.09～2.78 m,平均高程为1.7 m,③层微承压水水位较高,埋深1.75～2.0 m左右。由于地下工程埋深大,地下水位高,浮力较大,应考虑设抗浮桩。场地地形平坦,孔隙潜水与地表水水力联系密切,雨水排放受西塘河水位制约,综合考虑,建议地下车站抗浮设计水位可取后塘河50年一遇的防洪设计水位2.80 m。

地铁使用期限为100年,从技术可行的角度,降水抗浮不能满足使用期限的要求,钢渣混凝土不能满足地铁车站杂散电流的要求,技术可靠性较差,不能满足技术要求,而摩擦桩能满足地铁抗浮的需求。建议西门口站抗浮采用抗浮桩,桩型宜采用钻孔灌注桩,并可采用扩底桩,以增加抗浮效率。

4.4 地铁建设与周边环境的相互影响

地铁建设涉及的环境岩土工程问题主要为盾构施工环境问题、车站深基坑开挖及降水所带来的环境问题。

与地下水相关的环境岩土工程问题主要有两个,一是地铁建设中的施工降水引起土层压密和损失,导致地面及其周边建筑物的沉降和变形,地下管线的沉降和移位；二是由于地铁施工对地下水环境的影响,改变地下水的渗流路径,改变地下水的分布状态。

①施工降水引起动水位以上地层的固结沉降,土层压密,地表下沉。

②在施工过程中,由于地下水渗透作用引起基底隆起,流砂等现象,降水过程中,水流带走大量的砂土,引起土层损失,造成土体坍塌、地面沉陷；由于动水压力的作用,造成连续墙接缝处砂土流失,加大围护结构外侧土层的变形。

③地铁施工降水范围广、降水量大、历时长,将在一个较长时间内形成施工降落漏斗,使地下水的动力场和化学场发生变化,引起地下水中某些物理化学组分。

[1]GB50307—1999 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范[S]

[2]GB50021—2001 岩土工程勘察规范[S]

[3]DB33/1001—2003 建筑地基基础设计规范[S]

[4]DG33/T1008—2008 基坑工程设计规程[S]

[5]DBJ10—5—98 岩土工程勘察文件编制标准[S]