天津地铁某控制中心工程岩土工程勘察和评价

杨孟清

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300142)

1 工程概况

天津地铁某控制中心为地下3层、地上38层建筑,地上建筑物高度为158 m。本工程为框架核心筒结构,塔楼和裙楼地下、地上连为一体。基坑最大开挖宽度约100 m,开挖深度约19 m,局部21.5 m。基坑下设桩基。

2 综合勘察方法和原则

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 勘探点布置原则

勘探点的布置结合拟建物的位置,间距20～35 m,最大孔深100 m。勘探孔分为一般性勘探孔和控制性勘探孔,一般性勘探孔深度取基坑开挖深度的2～2.5倍与桩底5 m的高值,控制性勘探孔取基坑开挖深度的3倍与桩底10 m的高值。

2.3 水土试验

(1)岩土室内试验

在黏性土、砂土中采用取土(砂)器采取原状土(砂)样,并对所取样品进行物理性质试验(包括含水量、重力密度、颗粒分析、渗透试验等)、力学性质试验(包括不同压力下固结回弹试验、直接剪切试验、三轴试验、无侧限抗压强度试验、静止侧压力系数试验和基床系数试验等),综合分析确定土的物理力学指标。

(2)水文地质试验

测定各含水层的初见和稳定水位、渗透系数等水文地质参数,分层取样进行腐蚀性评价,分析各含水层的水力联系,为降水设计施工提供依据。除利用3个勘探孔进行了抽水试验以外,还进行了大口径群井抽水试验工作。

3 场地工程地质条件

3.1 地形地貌

滨海平原,地形平坦,地面高程2.96～3.971 m。工程区多为道路及房屋建筑,地下管网复杂。

3.2 地层岩性

场区除表层为人工填土层,其下为海陆交互相沉积层,局部填土下部分布有新近沉积层。

3.3 各土层主要物理力学参数

通过对室内土工试验、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,提出各土层设计所需主要物理力学参数(见表1)。

表1 各土层基坑结构设计主要物理力学参数

3.4 地震及场地类别

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)本场地地震动峰值加速度为0.15g。

依据物探剪切波速测试成果,等效剪切波速为155～165 m/s,判定本场地场地土类型为软弱—中硬场地土；场地类别为Ⅲ类。

3.5 围岩分级、土石可挖性分级及承载力基本值

根据场地地层类型和特征,围岩分级为Ⅵ级,土石可挖性分级为Ⅰ～Ⅱ级,承载力基本值f0=55～300 kPa。

4 水文地质特征

4.1 地下水类型

根据水文试验成果,本场地地下水类型可分为潜水、浅层承压水和深层承压水。

(1)潜水

主要赋存于第Ⅰ陆相层和第Ⅰ海相层的粉土、黏性土与粉土互层的地层中。勘测期间地下水位埋深0.8～3.5 m,渗透系数K=0.5 m/d,影响半径R=25 m。

(2)承压水

承压水以第Ⅱ陆相层的沼泽相沉积⑤1、河床—河漫滩相沉积⑥1层粉质黏土(埋深14.0～21.4 m)为相对隔水顶板。含水层主要为⑤1至11之间的粉土，粉、细砂层中的地下水为浅层承压水。依据水文地质试验成果,其稳定水位埋深4.2～6.7 m。

分布深度在70 m以下,粉土、粉砂、细砂和中砂层中的地下水为深层承压水。

4.2 各含水层之间的水力联系

上部潜水、浅层承压含水层之间具有一定的水力联系,深层承压含水层与上部各含水层水力联系微弱。各含水层之间的水力联系强弱与隔水层的渗透性、厚度、连续性有直接关系。

4.3 地下水腐蚀性评价

经分层取水试验分析,综合评价如下。

潜水：对混凝土结构不具腐蚀性,对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替的环境中具弱腐蚀,在长期浸水的环境中不具腐蚀；对钢结构具中等腐蚀。

微承压水：对混凝土结构具硫酸盐弱腐蚀,对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替的环境中具中等腐蚀,在长期浸水的环境中不具腐蚀,对钢结构具中等腐蚀。

5 岩土工程分析评价

5.1 场地稳定性和适宜性评价

场地地层从上到下按成因类型分为如下11个结构层(①为地层编号),其岩性和工程特性等评价如下。

(1)第四系全新统人工填土层(人工堆积Qml)①：杂填土和素填土,分布深度为0.8～5.1 m,组成成分复杂,土质松散,密实程度差,底部多夹有淤泥质土,工程性质差。

(2)新近沉积层(第四系全新统坑底淤积Q43Nsi)②：岩性为淤泥质土,分布深度为1.2～5.4 m,流塑、含腐殖质,工程性质差。

(3)第Ⅰ陆相层(第四系全新统上组河床—河漫滩相沉积Q43al)③：黏土、粉质黏土、粉土、淤泥质土和淤泥,分布深度为1.4～8.5 m,工程性质较差。

(4)第Ⅰ海相层(第四系全新统中组浅海相沉积Q42m)④：粉质黏土、粉土和淤泥质土,分布深度为5.1～16.2 m,10 m深基坑基底位于该层④2层粉土中,工程性质差,应加强支护。

(5)第Ⅱ陆相层(第四系全新统下组沼泽相沉积层Q41h和河床—河漫滩相沉积Q41al)⑤和⑥：粉质黏土、粉土、粉砂和淤泥质土,分布深度为14.0～22.2 m,上部为沼泽相沉积层分布厚度较小,工程性质较差；下部为河床—河漫滩相沉积层土质较密实,为良好的持力层。基坑基底位于该层。

(6)第Ⅲ陆相层(第四系上更新统五组河床—河漫滩相沉积Q3eal)⑦：黏土、粉质黏土、粉土、粉砂和细砂,分布深度为19.1～29.4 m,工程性质较好。

(7)第Ⅱ海相层(第四系上更新统四组滨海—潮汐带相沉积Q3dmc)⑧：黏土、粉质黏土、粉土和粉砂,分布深度为26.1～34.9 m,工程性质较好。

(8)第Ⅳ陆相层(第四系上更新统三组河床—河漫滩相沉积Q3cal)⑨：黏土、粉质黏土、粉土和粉砂,分布深度为33.5～49.1 m,地连墙底位于该层的⑨1层粉质黏土中,工程性质较好。

(9)第Ⅲ海相层(第四系上更新统二组浅海—滨海相沉积Q3bm)⑩：黏土、粉质黏土、粉土和粉砂,分布深度为46.4～58.4 m,工程性质较好。

(10)第Ⅴ陆相层(第四系上更新统一组河床—河漫滩相沉积Q3aal)：黏土、粉质黏土、粉土、粉砂和细砂,分布深度为55.4～83.6 m,该层层位稳定,是良好的桩尖持力层。

(11)第Ⅳ海相层(第四系中更新统上组滨海三角洲相沉积Q23mc)：黏土、粉质黏土、粉砂和细砂,分布深度为80 m以下。该层层位稳定,工程性质较好,可作为良好的桩尖持力层。

场地属稳定场地,适宜本工程建设。但场地内存在软弱地层和承压水,工程地质条件复杂,应针对具体工程要求采取适宜的处理措施。

5.2 基坑岩土工程问题分析与评价

(1)基坑围护结构

基坑开挖范围内主要为填土、淤泥质土、黏性土、粉土、粉砂和细砂,土质松软,直立性差,地下水位较高,周围建筑物多,不具备放坡开挖的地质和环境条件。

主体围护结构宜采用地下连续墙或钻孔灌注桩加桩间止水帷幕、多排内支撑支护方案,出入口宜采用SMW工法。围护结构宜穿透承压水含水层置于下部⑧、⑨相对隔水的黏性土层中。经计算，天然状态下直立基坑是不稳定的。

围护结构宜采用地下连续墙,多排内支撑支护方案。围护结构宜穿透微承压水含水层置于具体应根据不同方案经计算确定。

(2)基坑坑底隆起

由于基坑开挖卸荷及基坑内、外水土压力差作用,可能造成坑底土体向上隆起,危及基坑及附近建筑物的安全。为防止基坑坑底隆起,需加强坑底土体强度和控制基坑内外的水位差。经初步计算：最深处基坑抗隆起稳定性系数K=2.43。

(3)基坑坑底管涌及涌水

基坑开挖范围内分布有多层粉土、粉砂层,基坑开挖时,易造成涌水、涌砂现象。因此，在基坑开挖前应采取合理的降水等措施,止水帷幕宜插入黏性土层中,达到降堵承压水的目的。

(4)结构抗浮

本工程地下结构作为一种特殊的地下构筑物,将长期处于地下水位以下,使其整体受到地下水的“浮托力”作用,影响其使用及安全。进行抗浮检算时宜按最不利组合考虑,在不能满足抗浮要求时应采取必要的抗浮措施。计算时主要考虑在工程施工阶段的抗浮。

(5)地表变形

由于基坑周边及底部以软弱黏性土为主,局部具有较明显触变及流变特性,在动力作用下土体强度极易降低。在开挖过程中应尽量减少土体扰动,加强基坑支护。施工降水过程中，由于土体失水产生固结,产生地面沉降,影响附近地下管线及地面建筑物使用及安全,应控制降水规模及范围。

(6)降水控制

基坑开挖深度范围内黏性土夹粉土及淤泥质土,土层渗透系数小于0.5 m/d,粉、细砂渗透系数一般为3～5 m/d,坑内可以采用管井等降水方案,水位降深应达到基坑开挖面以下0.5～1.0 m,坑外应布置适当的回灌井和观测井。为避免降水引起周围地面沉降和地下管线、既有建筑物的损坏,要合理控制降水强度,严格执行“分层降水,按需降水,过程控制”的原则,并建立坑内坑外的降水监测体系。

5.3 桩基岩土工程问题分析与评价

(1)宜采用钻孔灌注桩,根据上部结构荷载情况,通过计算采用适宜桩型、桩径和桩长。

(2)桩端持力层的选择可结合桩的受力情况和地层特性通过计算确定。

(3)由于桩入土深,下部地层多为硬塑状黏性土或密实的粉土、粉细砂,黏性土中局部富含姜石,成桩困难,应选用大功率成孔机械,加强施工控制,保证桩的垂直度和混凝土灌注质量,加强成桩质量检测。

(4)由于灌注桩长度长,接触的地层复杂,大面积开工前应先进行静载试验、抗压抗拔试验,以修正设计参数。

(5)由于结构上浮力大,抗拔桩设置较密集,设计计算时应考虑群桩效应。

(6)本工程塔楼为地上38层,裙楼为地上6层,局部为纯地下3层地下室,塔楼和裙楼地下、地上连为一体。平面上各部位上部荷载差异极大,应根据不同部位的受力情况采取不同的基础设计,避免产生差异沉降。

6 结论

天津地铁某东南角控制中心工程建筑规模和开挖深度大,工程结构、地质条件和环境条件复杂,勘察中采用地质钻探和多种原位测试相结合的综合勘察方法,并做了大量的室内外试验,查明了场地的工程地质和水文地质条件,提出了合理的水土参数,满足了设计和施工需要。

根据工程特点和地质条件,对场地的稳定性和适宜性、基坑围护结构形式、基坑坑底隆起和管涌、结构抗浮、降水控制及桩基设计等岩土工程问题进行了分析与评价,并进行了初步检算,提出了具体的工程措施意见。

[1]铁道第三勘察设计院集团有限公司.天津地铁某控制中心工程详细勘察岩土工程勘察报告[R].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司,2007

[2]JGJ72—2004 高层建筑岩土工程勘察规程[S]

[3]DB29—20—2000 岩土工程技术规范[S]

[4]GB50021—2001 岩土工程勘察规范[S]

[5]GB50307—1999 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范[S]

[6]GB/T50123—1999 土工试验方法标准[S]

[7]GB50011—2001 建筑抗震设计规范[S]

[8]GB50007—2002 建筑地基基础设计规范[S]

[9]JGJ94—94 建筑桩基技术规范[S]

[10]JGJ120—99 建筑基坑支护技术规程[S]

[11]GB18306—2001 中国地震动参数区划图[S]