科学降水在地铁金峰站花岗岩残积土中的应用分析

科学降水在地铁金峰站花岗岩残积土中的应用分析

陈礼强

陈礼强

广州地铁集团有限公司

摘要:现在广州市正进行新一轮轨道交通线网建设，正在建设的的有广佛线、十一号线、十四号线、二十一号线、十三号线二期等。其中在2017年底完工的六号线二期穿过花岗岩残积土分布区域，沿线地下水丰富，对线路的走向、敷设方式和施工工法的选择都带来了极大困难，给设计、施工的难度也增加，在之前的三号线的施工过程中花岗岩残积土层仍对周边建筑物造成了较大影响，采用哪种基坑降水方式，才能够确保基坑的施工安全。

关键词：轨道交通建设；花岗岩残积土；基坑降水

引言

广州市正处于轨道交通建设的高峰期，如何处理好在花岗岩残积土施工地铁车站成为影响基坑设计和施工的关键要素的问题，在花岗岩残积土地层施工越来越受各方的重视。因此，我们认为非常有必要针对在花岗岩残积土层明挖基坑施工技术进行专题研究，以解决广州市轨道交通在花岗岩残积土的建设遇到的问题，也为以后各城市在轨道交通建设提供解决问题的方法和方向。在具体实施工程中，以广州地铁金峰站的施工情况为例，进行正对性的研究。

1工程概况

1.1设计概况

广州市轨道交通六号线二期金峰站位于广州市香山路与开创大道的交叉路口，站位呈东西走向，主体结构基坑长204.8m，车站标准段基坑宽18.8m，深16.14m，端头盾构井段基坑宽度为24.1m，深约17.245m。主体结构为单柱两层两跨局部双柱三跨现浇钢筋混凝土矩形框架结构。车站设四个出入口，两组风亭。车站主体结构和附属结构均采用明挖法施工。车站主体围护结构采用800mm厚的地下连续墙+竖向3道内支撑，标准段第一道为混凝土支撑，第二道为混凝土支撑与钢支撑，第三道为钢支撑,端头井设三道混凝土支撑。金峰站开挖范围的土层主要为人工填土层、冲～洪积砂层、河湖相淤泥质土及残积土层，基坑底板主要位于残积土层<5H>中，少部分地段底板位于全风化岩层中，基坑开挖范围内可能有中风化或微风化球状风化体孤石，连续墙嵌固深度为基坑底部以下8m。

本车站采用在基坑内搭设深井降水，在基坑内分两排纵向间距12.5m，横向间距9m梅花形布置33口管径800mm的降水管井。基坑开挖前将基坑内的水位降低到基底以下1米。

1.2工程地质

金峰站地貌属丘前冲积平原区，呈西北高东南低态势，车站主体场地较平坦。

车站施工范围各地基土层自上而下的分布情况摘要如下：

<1>人工填土层、<4-2A>淤泥层、<3-2>冲～洪积中粗砂层、<4N-2>冲～洪积可塑状粉质粘土层、<4N-3>冲～洪积硬塑状粉质粘土层、<5H-2>花岗岩残积土层、<6H>花岗岩全风化带。

1.3水文地质

六号线二期工程金峰站地貌上属于丘前冲积平原。揭露第四系地层为人工填土层、冲～洪积沉积层、河湖相沉积层及残积层，基岩为燕山期侵入花岗岩。地下水位的变化受地形地貌和地下水补给来源等因素控制。勘察资料揭露本站区地下水稳定水位埋深为2.0～6.70m，平均埋深为4.70m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切。地下水为松散土层孔隙水，松散土层孔隙水主要赋存于冲～洪积砂层<3-2>中。砂层主要被淤泥及粉质粘土层覆盖，地下水具微承压性。<3-2>砂层主要在车站中部以东分布，分布基本连续，但普遍含有粉粘粒，富水性弱～中等，透水性弱～中等。

2花岗岩崩解原理

据崩解机理分析，土体的崩解性主要取决于其成分和结构。

2.1土的粒度成分

土的粒度成分对土的崩解性的影响尤为显著，它决定着土的空隙性和透水性，因而对崩解性定量评价因子（如完全崩解时间、崩解特征以及崩解平均速率）起着重要作用。含粘粒较少的土，透水性较大，扩散层达到最大厚度的时间很短，粒间连结力很快消失，所以常常一浸水即崩解。而粘粒含量高的土，透水性差，浸水时，水化膜增厚过程的持续时间较长，粒间连结力较大，因而崩解之前经历膨胀的过程，崩解速度较慢。

查阅文献可得，随着土颗粒的粘粒组含量增减小，土的崩解速度增大，即土的崩解性增强。且将粘粒含量与崩解速度的大致关系进行归纳，如表1所示。

2.2土粒的矿物成分

不同的矿物成分，颗粒表面带电数量、热力学电位、同晶替代程度、永久负电荷数量等都不一样，决定了扩散层的厚度不同。蒙脱石粘土往往崩解成细小粒子，在水中似云雾散开使水混浊而高岭石往往崩解成小块下落，水不变浑浊。花岗岩残积土的矿物成分以石英、长石为主，次生矿物主要为高岭石和伊利石，浸水时易崩解。

2.3土的化学成分

对土中各种成分作用作如下分析

1、Fe2O3（FeO）作用分析

一般认为，游离氧化铁不仅影响着红土的外观颜色，更重要的是其存在将细小的土颗粒胶结呈粒径相对较大的团聚体，随着其含量的增加，红土结构趋于致密，反映在宏观上，其力学性质越好。

2、MgO、Na2O、CaO、K2O作用分析

MgO、Na2O、和K2O和属于易溶盐，在浸水后岩土中的这两种成分将溶解在水中，导致岩土孔隙增大、胶结程度降低，最后崩解。如果软岩处于被流动水腐蚀的环境中，Na2O和K2O会被流水持续带走，导致软岩迅速崩解。

3、Al2O3、SiO2作用分析

从硅质、铝制胶结作用机理分析可以看出，硅质、铝质胶结都是水稳性矿物，这两类胶结可提高红层软岩的耐崩解性。硅和铝也是组成骨架颗粒的主要成分。

2.4土的结构

土的结构对崩解性起着主要的作用。因为土的透水性与孔隙、裂隙发育的程度有关，孔隙、裂隙不发育的土，一般崩解速率较慢；若土中孔隙、裂隙发育，那么土体浸水后，水首先通过大孔隙或裂隙渗入，使土体内部产生不均匀应力，导致土体沿着孔隙、裂隙方向崩解。

土的结构状态也影响着土的连结强度。因此，花岗岩残积土原状土和扰动土的结构连结强度是不同的，原状土在漫长的地质年代中得到压密，有时加上某些盐分和胶体的胶结作用，使细粒土具有一定的结构连结力，从而相对来说不易发生破坏。但与此同时，原状土在残积过程中，由于各种风化营力的作用，产生了张开的结构面及大量的原生裂隙，为水的侵入（渗入）提供了有利条件，进一步也加剧了土体的崩解。

3降水设计与计算

降水设计的主要目的是把地下水位将至基底以下1m。

根据场地水文地质条件和工期要求，结合现有建筑施工场地条件，决定采用管井降水的方案进行。设计管径为Φ800mm，钢管在地面2米以下部分全部开孔，开孔率为不小于25%，孔为10cm×1.5cm矩形状，20cm×20cm梅花型布置，外包3层60目尼龙布，滤水层厚度0.125m，管底采用6mm厚钢板封底。

3.2井点数量和布置及单井干扰涌水量的确定

井点数量、单井干扰降深、干扰总涌水量及基坑总水量，按稳定流公式，采用试算法进行试算，经计算，选定井数N=33个

单井需要出水量

图4-3土方开挖及降水期间周边房屋沉降监测曲线图

土方开挖及降水施工期间，地面最大沉降9.31mm，周边建构物最大沉降2.21mm，墙顶最大水平位移为1.3mm，墙体变形最大为16.44mm。

从以上数据及图表分析可得：1）基坑降水及土方开挖对周边地面及建构筑物影响较小；2）基坑降水及土方开挖及基坑变形影响较小。

5总结与建议

通过科学降水及结合监测手段，证明了本工程基坑降水是成功的，降水井方案很好地达到了预期处理目标，有效地控制了花岗岩残积土的软化现象，同时确保了地基承载力。且对周边环境影响较小。

在以后的花岗岩残积土基坑开挖过程中有两点建议：

1）施工方面：迅速见底，立即覆盖，减少基底暴露时间

基底土方开挖过程中不具备条件见底的先留有一定厚度的覆盖土层，对具备条件见底的采用边开挖、边放线、边休整、边覆盖（铺设碎石疏水层及浇筑素混凝土垫层）的施工方法，避免因下雨等其他情况造成残积土软化崩解。

2）设计方案方面：增设碎石垫层，通过碎石的孔隙消除土体膨胀带来的副作用

针对花岗岩残积土具有遇水膨胀的特性，为了避免土体膨胀导致基底垫层隆起开裂，在基底素混凝土垫层下增设一层孔隙率较大、孔隙率较高的碎石层，有利于消除土体膨胀给垫层带来的作用力，可以有效防止垫层隆起开裂。

参考文献:

【1】陈乔松，孔少波，王文锋，朱六兵复杂地质条件下城市轨道交通土建工程新技术集成应用，2016,3（5）78-81

【2】吴能森。花岗岩残积土的崩解性及软化损伤参数研究.河北建筑科技学院学报，2006,23（3）：58-62

【3】吴能森，赵尘，候伟生.花岗岩残积土的成因、分布及工程特性研究。平顶山工学院学报，2004,13（4）：1-4

【4】戴继，高广运，王铁宏.花岗岩残积土的地区差异及对其工程特性的研究.港工技术，2009,46（1）56-59

【5】张抒.广州地区花岗岩残积土崩解特性研究.中国地质大学硕士论文，2009