填海區人工填土層及地下水對基坑施工導致的不利影響及存在問題

邵恩慶，盧笑，劉世安，張志芹，顧朝杰

青島地礦巖土工程有限公司，山東 青島 266000

0 引言

隨著社會經濟發展，地鐵建設數量越來越多，地鐵沿線地區地表環境以及穿越地質條件也是復雜多樣。為了增加土地資源儲備、開擴城市的發展空間，中國許多沿海發達城市都進行了規模宏大的填海造陸工程[1]，因此這使得填海區成為地鐵沿線穿越的眾多復雜地質環境中的一種。填海區為人工改造形成，主要有以下特點：①一般填土年限較短，填土成分復雜，填土中塊石粒徑大小不一；②填土層一般是拋石擠淤，也含有淤泥、淤泥質土等成分；③地下水水量豐富，填土層透水性強[1]。因此，在填海區修建地鐵車站時，會涉及到基坑工程建設，而復雜的填土成分必然給基坑施工造成一定難度。同時填海區在明挖基坑設計及施工過程中，地下水對基坑工程的不利影響不容忽視，大多數基坑工程破壞事故都與地下水有關[2-4]。因此，在填海地區進行基坑支護工程施工時，除了考慮地下水流量、環境類型變化外，也應考慮填土成分在內的地質因素的影響。筆者依托青島地鐵安子東站，從填土成分、地下水水量和地下水環境類型變化等方面對填海區地鐵車站基坑施工主要影響因素進行分析研究。

1 工程概況

青島市地鐵1號線為一條南北走向線路，線路南起黃島，跨海向北進入青島4大主城區(市南區、市北區、李滄區和城陽區)，形成了貫通青島市南北的快速軌道交通走廊[5-6]。線路全長約60 km，共設車站39座，均為地下站，其中換乘車站12座，最大站間距8 298 m，為瓦屋莊站—貴州路站區間；最小站間距700 m，為貴州路站—西鎮站區間，平均站間距1 564 m，包含車輛段2座，停車場1座?？刂浦行奈挥邳S島，與M1、M6、R3共享。

本文依托青島市地鐵1號線安子東站，安子東站位于黃島開發區珠江路與新港山路路口東側新港山路下方(圖1中標粉紅位置)，主體呈北西—南東向，沿新港山路順向展開，車站南側為大片居住小區，北側為大片廠房，距離北側海邊約200 m。新港山路為黃島區交通主干道，道路紅線寬50 m，現狀道路寬40 m，為雙向6車道，交通流量較大。

圖1 擬建場地交通位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of traffic location of proposed site

車站起點里程為YSK18+932.55，終點里程為YSK19+184.40，中心里程為YSK19+022.00。車站全長251.85 m，標準段寬度約20.0 m。本站為地下兩層島式車站，站臺寬度11 m，有效站臺長度為118 m，車站地板標高為-14.4 m，埋深約為19 m。車站所在位置地面較為平坦，采用明挖順做法施工。具體位置見圖1。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

擬建場地地形較為開闊，地勢大多平坦，車站主體南側分布有一工地廢棄水塘，地勢相對較低，地面高程0.51～5.07 m，主要位于新港山路下方，地面車輛較多、兩側管線縱橫交錯。歷史地形地貌資料顯示，本場地2000年前后為濱海沼澤，后經人工填海改造而成，填海先是采用塊石拋石擠淤，塊石塊徑一般50 cm±，最大可超過1 m，后用風化砂和黏性土回填夯實，填土年限<20年。

2.2 地層巖性

鉆探結果顯示，安子東站區域及鄰區地層主要由第四系、中生代地層和侵入巖組成。區域上第四系的厚度為15.2～19.2 m，分為3個詳細層位，分別為第四系全新統人工填土層、全新統海相沉積層(淤泥質)粉質黏土及中-粗砂層、上更新統沖洪積粉質黏土層和含黏性土礫砂層。區域上的中生代地層和侵入巖為工程基巖，中生代地層主要為白堊系萊陽群林寺山組、白堊系青山群八畝地組和白堊系青山群石前莊組等，侵入巖主要為燕山晚期石英二長巖和花崗斑巖。同時由于薛家島斷裂及其分支斷層的發育，安子東站及其鄰區存在構造破碎帶，內部發育節理、裂隙不均勻分布的斷裂構造巖(碎裂狀)。節理裂隙受區域性斷裂構造控制，通過鉆孔巖芯揭示，節理結構面一般較平直，緊閉-閉合，少量微張并有充填物，多為高角度節理，傾角一般為60°～85°。詳細地質情況見車站地質縱斷面圖(圖2)。

其中第四系全新統人工填土層對本站點施工影響最大。主要由于該層人工填土成分復雜，力學性質差異較大，穩定性差(如降水較多、污水管線滲漏等情況容易發生)，易形成空洞，同時對基坑開挖及支護影響較大。該人工填土層主要由塊石(圖3)、碎石(圖4)和夾強風化巖等組成，回填年限最高為20年。該層在車站范圍內連續分布，大部分鉆孔均有揭露，揭露厚度2.20～12.00 m，平均厚度8.80 m，層底標高-7.69～2.63 m。根據挖探及向施工單位收集到的資料，塊石塊徑約20～40 cm(圖3)，部分塊石塊徑>50 cm。

圖3 人工填土層中的大塊石Fig.3 Boulder in artificial fill layer

圖4 人工填土層中的碎石Fig.4 Crushed stone in artificial fill layer

2.3 地質構造

基于《區域地質調查報告—黃島幅》等相關資料，黃島區地質構造以中、新生代脆性斷裂構造最為發育，韌性斷裂不甚發育。由于受控于華夏構造體系，黃島地區區域性構造跡線主要表現為NE-NNE向斷裂發育[7]。安子東站及鄰區主要受NE-NNE向薛家島斷裂及其次生斷裂的影響，同時斷裂帶兩側比較發育節理密集帶，使得安子東站及鄰區局部地質體節理裂隙發育，巖體破碎，形成相對不均勻的巖石地基和基坑穩定性較差的巖體。

3 水文地質條件

3.1 地下水概況

第四系孔隙潛水的詳勘水位埋深3.5～8.6 m，部分地勢低洼處的鉆孔水位埋深較小，水位標高-4.23～1.16 m。含水層主要為填土、中粗砂及含黏性土礫砂層，中間夾有粉質黏土和粉質黏土層，局部具有微承壓性，隔水層不甚連續，潛水與微承壓水局部貫通，孔隙潛水主要以側向徑流補給為主，并接受大氣降水、上層滯水的垂直滲透補給，而其流失方式以側向徑流為主，人工采集為其次要流失方式。

3.2 地層滲透性

本車站共進行了4個孔的穩定流抽水試驗(表1)。

表1 抽水試驗統計表

潛水的滲透系數計算依據《鐵路工程水文地質勘察規程》(TB10049—2004)中的8.2節公式(8.2.1-3)完整井抽水試驗公式[8]，計算模型如下：

(1)

承壓水的滲透系數計算依據《鐵路工程水文地質勘察規程》(TB10049—2004)中的8.2節公式(8.2.1-1)完整井抽水試驗公式[8]，計算模型如下：

(2)

式中：Q為出水量，m3/d；K代表滲透系數，m/d；r為過濾器半徑，m；S為水位下降值，m；Ry為影響半徑，m；H為自然狀況下潛水含水層厚度，m；M為承壓水含水層厚度，m；H為潛水含水層在抽水試驗時的厚度，m。

各層巖土層滲透系數依據抽水試驗結果和鉆探揭示情況，結合收集到的水文地質資料和青島地區經驗，并根據《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB 50307—2012)10.3.5條進行透水性分級。抽水試驗結果顯示：安子東站第四系孔隙潛水的綜合滲透系數介于20.0～387.0 m/d，為強透水層；第四系微承壓水的綜合滲透系數為12.0 m/d，也為強透水層；而基巖裂隙水的綜合滲透系數僅為0.151 m/d，屬弱透水層。

3.3 水、土腐蝕性及環境類型作用等級

場地詳勘階段共取4組地下水樣及1組地表水樣(車站南側水塘)進行水質分析試驗，根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)(2009版)對安子東站的地下水進行腐蝕性判定(表2)。

表2 水的腐蝕性評價表

按照國家標準《混凝土結構耐久性設計規范》(GB/T50467—2008)將混凝土結構所處環境類別分為一般環境、凍融環境、海洋氯化物環境、除冰鹽等其他氯化物環境和化學腐蝕環境，依據第3.2.1條、第3.2.2條，根據本次水質分析結果，對不同類別環境的作用等級進行劃分。

本工程的一般環境為Ⅰ-B；車站主體結構的凍融環境作用等級建議按Ⅱ-C考慮；局部位于凍融線以上的構件環境條件特征為微凍地區的有鹽環境混凝土高度飽水，環境作用等級為Ⅱ-D。本工程主體結構為純地下，主體結構的除冰鹽等其他氯化物環境作用等級為Ⅳ-D；本工程不屬于海洋氯化物環境；出入口、風亭等附屬結構除冰鹽等其他氯化物環境作用等級為Ⅳ-E。根據本段線路水、土腐蝕性分析結果，本工程化學腐蝕環境Ⅴ-C；本工程不屬于大氣污染環境。

4 地下水影響分析與控制方案

4.1 地下水對基坑設計施工綜合影響分析評價

根據安子東站地質勘察結果，本車站結構頂板埋深約3.4 m，上覆為第四系人工填土、粉質黏土、中粗砂、粉質黏土和含黏性土礫砂，厚15.2～19.2 m，下伏燕山晚期侵入巖，主要為石英二長巖、花崗斑巖的全、強、中風化帶，局部揭示有微風化帶。本車站地下水主要為第四系孔隙水，賦存于第四系人工填土、砂層，富水性、透水性良好，基坑開挖過程中如地下水控制不當可能發生流沙、基坑坍塌等問題，進而對周圍管線、道路等造成破壞。

4.2 地下水在不同地質斷面中的主要影響

斷面類型一如圖2中黑色虛線框(A)部分所示，車站基坑底板位于含黏性土礫砂層上，含黏性土礫砂層為強透水層。車站止水帷幕底部應穿透該層，并進入下部全風化或強風化石英二長巖等弱透水層一定深度。若止水帷幕進入弱透水層深度不足，可能會造成基坑底部砂層突涌。該類工程地質條件在本車站有多處揭露，也是本車站的施工重點難點。

斷面類型二如圖2中黑色實線框(B)部分所示，車站基坑底板位于全風化、強風化石英二長巖上，車站基坑開挖至基底標高時，應注意及時清理基坑內積水，全風化、強風化石英二長巖長期浸水，巖石易軟化，亦可能造成基坑底部涌水。

4.3 地下水控制方案建議

本車站上覆第四系人工填土層、粉質黏土、中粗砂、粉質黏土、粗砂、含黏性土礫砂及全風化石英二長巖，受水浸泡后強度將迅速降低，當遇雨季或坡頂雨、污水管溝滲漏水等特殊情況時，建議對坡頂第四系土釘墻部分做好坡頂截水墻、坡面泄水孔和坡底排水溝等排水措施，在基坑底部做好排水溝、集水坑，對基坑滲水采用集水明排即可，避免造成基坑邊坡變形過大甚至垮塌，影響周邊道路、地下管線等的正常使用。

4.4 抗浮與防滲方案建議

由于設計車站頂板處于地下水位以下，設計時應考慮水壓力及浮力對車站結構的影響，在不滿足抗浮驗算時應采取相應的抗浮措施，可考慮采用增加結構自重及設置抗浮錨桿或抗浮樁等形式，并應加強底板配筋，以提高底板的抗彎抗剪能力。

根據本車站工程地質、水文地質及周邊環境條件，車站地下部分應嚴格作好防水、防滲處理，基坑回填時應采用優質黏土回填并分層夯實，建議車站采用防滲混凝土，并應連續灌筑，施工縫、沉降縫和伸縮縫應采取可靠的防水措施。

5 地質條件中不利因素最可能導致的施工問題

5.1 基坑樁基設計措施

依據工點設計院圖紙，圍護樁為樁徑1 000 mm的鉆孔灌注樁，間距1 300 mm，采用C35混凝土，主筋采用HRB400，箍筋采用HRB400，保護層厚度70 mm。止水措施采用樁徑1 000 mm旋噴樁止水，旋噴樁樁中心間距750 mm，旋噴樁需插入全風化層或強風化層≥0.5 m。具體措施見圖5。

5.2 施工存在問題

根據本車站勘察的地質結果，在后期施工過程中，主要存在以下兩個方面的問題：

根據設計圖紙，安子東站基坑開挖施工過程中，先進行圍護樁施工，后進行止水帷幕施工。施工場地為填海區，填土層中存在塊石，塊徑大小不一，最大塊徑超過1 m，易導致灌注樁、地連墻及高壓旋噴樁施工時存在一定困難，同時易導致勘察鉆孔塌孔，采用普通巖芯鉆機無法施工，無法進行超重型動力觸探試驗。因此在圍護樁和旋噴樁施工前，本段填土層需采用無巖芯偏心錘鉆探工藝進行引孔。由于塊石塊徑較大，鉆孔灌注樁孔深約為22 m，旋噴樁孔深約為18 m，樁的垂直度較難保證，個別旋噴樁的樁間咬合不密實，這將會導致在基坑開挖過程中，存在基坑側壁滲漏水的情況。必要時可考慮將表層填土挖除換填，確保不影響支護樁及止水帷幕質量。

依據本車站詳勘地下水試驗結果，判定本工點不屬于海洋氯化物環境，地下水氯離子含量最大為1 772.6 mg/L。填海區施工場地距離海岸線近，地下水與海水的水力聯系相對較強[12]，然而在大氣降水的淡化作用下，施工場地地下水氯離子含量也會逐漸降低[13]。因此，后期施工時，做好止水措施，施工場地周邊地下水環境一般不會有較大改變。若止水措施存在問題，基坑存在大量滲漏水或基坑地下水突涌時，本站點北側的海水必然向施工場地周邊大量補給，會導致地下水環境改變，使得地下水氯離子含量大幅增加，甚至可以使基坑內地下水氯離子含量高達15 338.33 mg/L，變為海洋氯化物環境，那么相應的車站施工需采用更高標號混凝土[14]，也將使得施工成本大幅增加。

①人工填土；⑥淤泥質粉質黏土；○○○16強風化石英二長巖。場平標高單位：m.圖5 車站圍護措施及止水措施Fig.5 Station enclosure measures and water stop measures

6 結論

(1)本工點位于填海區，地下水水量豐富，地下水控制是施工的重點難點?；娱_挖前應加強止水措施，并保證施工質量，才能有效避免基坑涌水、漏水風險。

(2)填海區填土成分較復雜，對基坑施工的圍護措施和止水措施的選擇和施工都存在較大影響，勘察時應重點查明填土層厚度以及填土層成分。

(3)填海區基坑施工過程中，止水措施不當會引起地下水的氯離子含量變化，變為海洋氯化物環境，施工需采用更高標號混凝土，增加施工成本。