地铁建设中典型工程地质问题浅析

2022-09-21 16:46:34 来源:写作指导

[摘要]通过对长春地区开展的大规模地铁建设中工程地质条件分析,对建设中存在的季节性冻土影响,白垩系泥岩的膨胀及崩解,基岩的风化程度划分,断裂带穿越,地下工程抗浮及基岩设计参数取值等主要的工程地质问题进行详细分析,并提出相应的勘察技术措施,为地铁建设工程地质问题分析及设计提供工程地质依据。

[关键词]季节性冻土;膨胀崩解;风化程度;断裂带;勘察技术措施

0引言

长春市城市快速轨道交通线网正如火如荼地进行,规划线网总长度179km,预计到2050年建成。区内第四系覆盖层分布较为稳定,岩土类型在平面上变化不大,在立面上变化较大,第四系覆盖层在市区中心至周边最厚可达30m,一般在9~15m,分布特征受地貌及岩性影响,构成基底的地层为白垩系泥岩和泥质粉砂岩,在区内广泛分布,除局部有零星出露外,大部分被第四系覆盖。鉴于地区特殊的地质条件,需对可能遇到的复杂地质问题进入深入分析,并提出相应的勘察技术措施,以降低工程风险。

1季节性冻土

11对工程的影响

长春地区标准冻结深度为17m,冻结深度内的土层为粉质黏土层,按规范判别冻胀类别为弱~强冻胀土。冻土的冻融及循环变化,导致土的土工试验指标如含水率、密度、孔隙比、比重、无侧限抗压强度、压缩模量及抗剪强度指标有所变化,土体膨胀和融化致土体下沉对地基基础产生不利影响,对基坑工程的影响较为突出。

12冻土的试验及测试

常规土试验按照国标《土工试验方法标准》进行,冻土试验按MT/T5934—1996《人工冻土物理力学性质试验》进行。1)压缩模量试验未冻土、一次冻融融土及二次冻融融土的压缩模量试验成果如表1所示。从表1可知,冻融后的土样压缩模量比未冻土的压缩模量随着土样干密度的增大而降低,二次冻融融土与一次冻融融土的压缩模量数值比较接近。2)无侧限抗压强度试验未冻土、一次冻融融土及二次冻融融土的无侧限抗压强度试验成果如表2所示。从表2可知,冻融后的土样无侧限抗压强度数值小于未冻土的无侧限抗压强度值侧限抗压强度值小于一次冻融融土的无侧限抗压强度值。3)抗剪强度指标未冻土、一次冻融融土及二次冻融融土的直接剪切试验成果如表3所示。从上表可知,同一深度冻融后的土样抗剪强度指标数值小于未冻土的抗剪强度值,二次冻融融土的抗剪强度值比一次冻融融土的抗剪强度数值小。4)冻胀力与冻胀率未冻土、一次冻融融土及二次冻融融土的冻胀力与冻胀率试验成果如表4所示。从试验结果来看,地面下3~4m的黏性土样冻胀力与冻胀率数值很小,冻胀性不明显,而粉质黏土层冻胀性较明显。冻胀力与冻胀率均随着含水量与超塑含水量的增大而增大,随着干密度的增大而减小,且经过一次冻融循环,冻胀力和冻胀率都略有增加。5)融沉率试验一次冻结冻土及二次冻结冻土的融沉率试验成果如表5所示。试验结果表明冻土的一次融沉率在045%~759%,二次融沉率在187%~828%。融沉率基本随着含水量增大而增大,随着干密度增大而减小。

2白垩系泥岩

21泥岩的膨胀崩解问题

地铁工程结构埋深一般在15~30m,基本埋置于全风化和强风化泥岩层中,由于泥岩具有吸水软化和失水崩解等工程特性,因此查明白垩系泥岩地层崩解性和膨胀性是勘察技术难点之一。

22勘察技术措施

为判定风化岩的崩解性,对钻孔内的15组试样进行了二次循环崩解试验,试验结果表明第一循环耐崩解指数为0~4990%,平均耐崩解指数为967%。第二循环耐崩解指数为0~1878%,平均耐崩解指数为166%。按照相关规范岩石耐久性划分综合判定长春全风化泥岩及强风化泥岩属于极低耐久性岩石。为判定风化岩的膨胀性,在钻孔内采取了32组土样进行了膨胀性试验,风化泥岩土工试验所得蒙脱石含量为2378%~3511%,自由膨胀率δef平均值小于40%。全风化泥岩膨胀力为112~278kPa,平均值为1715kPa,强风化泥岩膨胀力为986~1572kPa,平均值为1244kPa。全风化泥岩阳离子交换量CEC为1508~3015mmol/kg,平均值为2186mmol/kg。强风化泥岩阳离子交换量CEC为1458~3066mmol/kg,平均值为2307mmol/kg。依据《膨胀土地区建筑技术规范》相关规定综合判定长春风化泥岩属弱膨胀潜势岩。

3基岩风化程度

31不同风化程度基岩问题

长春地区第四系覆盖层下构成基底的地层为白垩系泥岩和泥质粉砂岩,地层存在较大差异,盾构施工及确定桩基础的桩端持力层需对下伏泥岩的风化程度进行划分。

32勘察技术措施

勘察过程中依据国家标准和地方标准的相关规定,通过现场岩芯钻探及岩芯描述结果、泥岩的野外特征的判别、泥岩的单轴抗压强度及风化系数计算、泥岩中进行标准贯入试验、以及剪切波速的测定等手段综合判别泥岩的不同风化程度。1)国家标准中岩石风化程度划分方法岩土规范依据岩石的野外特征以及岩石风化程度参考指标,长春白垩系泥岩属极软岩,具有浸水软化崩解特点,难以测得饱和抗压强度。对于中等风化及其以上泥岩,常以天然状态代替饱和状态进行单轴抗压试验。此外,国家规范提出泥岩常常不存在完全的风化带,但长春泥岩具有一定的风化规律,其风化程度划分对工程建设具有较大意义。2)地方标准风化程度划分方法吉林省地方以标准贯入试验的锤击数判定泥岩的风化程度。在泥岩中进行标贯试验,影响因素多,标贯试验无法区分中等风化至未风化泥岩的风化状态。3)采用波速对泥岩风化程度划分方法根据不同波速界限内泥岩野外特征与岩土规范及地方标准有关泥岩不同风化程度划分标准,可据此确定剪切波速划分泥岩风化程度。根据主要物理力学指标参数的数理统计结果,剪切波速与泥岩的主要物理力学性质存在一定的相关关系,如表6所示。

4断裂带

41断裂带问题

根据地质钻探结果揭示,在永顺路可能存在破碎带。需要通过钻探、物探等综合勘探手段查明永顺路覆盖层厚度及是否存在隐伏断层、破碎带。

42勘察技术措施

利用高密度电阻率法,在永顺路南侧绿化带,沿6号线线路里程布置两条高密度测线,测线反演后的视电阻率剖面可知,完整基岩埋深18~20m。在破碎带附近通过加密勘探钻孔,揭示岩芯破碎,破碎带两侧地层颜色、岩性差异较大,通过破碎带及周围地层波速测试成果对比分析,破碎带岩层波速值较周边岩层较低,与高密度电法物探探测结果较相符。

5地下水控制

51抗浮问题地铁车站结构埋深一般在15~30m,一般采用明挖法施工,上部第四系覆盖层土层中存在孔隙潜水,构成基底的地层为白垩系泥岩和泥质粉砂岩层赋存承压水,且水位较高,抗浮水位的确定直接关系到结构防水、防渗设计、外墙及底板结构设计、抗浮稳定性验算等。

52勘察技术措施

根据抽水试验测定的水文地质参数进行地下水控制方案设计,承压水含水层风化泥岩(部分为泥岩和泥质砂岩互层)抽水试验测定的泥岩渗透系数范围值为0079~3380m/d,影响半径范围值为37~200m;砾岩抽水试验测定的砾岩渗透系数范围值为015~029m/d,影响半径范围值为14~78m。砂岩抽水试验测定的砂岩渗透系数范围值为12~133m/d,影响半径范围值为98~130m。根据地下水压力渗流分析理论,地下水压力分布规律的研究成果,在综合考虑区域气象条件、降水资料、地下水开采量的变化,以及水库放水造成的河水渗漏等各种自然和人为因素影响的不利情况下,结合拟建场区的设计条件、工程地质与水文地质条件以及地下水的动态变化特征等因素,进行水压力模拟计算和预测,可定量提供抗浮设防水位。

6工程设计参数

61参数取值问题

由于现场钻探难以取样,砂砾岩和泥岩的承载力值、抗剪强度参数指标以及基床系数等参数多以经验数据评估方法为主,在合理准确确定相关参数的问题上存在较大分歧。

62勘察技术措施

通过现场载荷试验和现场原位剪切试验,强风化砂砾岩承载力特征值可以取最小值1234kPa,变形模量范围值为451~1191MPa,平均值为872MPa,基准基床系数范围值为190775~503684kN/m3,可以190MPa/m作为参考值使用。天然状态下全风化泥岩承载力特征值为347kPa,变形模量为102MPa,浸水状态下全风化泥岩承载力特征值为247kPa,变形模量为91MPa,基准基床系数范围值为46261~51769kN/m3,全风化泥岩基准基床系数可以45~52MPa/m作为参考值使用。一组现场直剪试验表明长春地区强风化砾岩岩体抗剪强度指标值C=428kPa,ϕ=284°;全风化泥岩岩体抗剪强度指标C=627kPa,ϕ=106作为参考值,其值与室内剪切指标差别不大。

7结语

通过对长春地区季节性冻土的相关物理力学性质,白垩系泥岩的风化程度,断裂带穿越,地下工程抗浮及基岩设计参数取值等主要的工程地质问题进行详细分析,针对各类可能出现的工程地质问题采取了相应的勘察技术措施,为地铁建设工程地质问题分析及设计施工提供参考依据。

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[4]李学颖,孙光,高涛长春白垩纪泥岩风化程度的划分方法[J]岩土工程技术,2015,29(6):320⁃323

作者:郭红梅 单位:北京城建勘测设计研究院有限责任公司 城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室