沈阳站改扩建工程岩土条件分析

刘晓东

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)

1 概述

沈阳站改扩建工程高架候车室、地下联系通道东与既有东站房相连,西与新建子站房相连。高架站房建筑面积21390 m2,全长222 m,宽103 m,总高 48 m,为三层框架结构,平行于铁轨方向最大柱间跨度为20 m,垂直于铁轨方向最大柱间跨度为31 m。地下联系通道建筑面积13340 m2,长度为208 m,宽度为55 m。

2 场地工程地质、水文地质条件

2.1 场地工程地质条件

沈阳地区地貌属于浑河冲洪积扇,地势平坦,市内最高处是东部的大东区,海拔65 m,最低处是西部的铁西区,海拔36 m,平均海拔约50 m,地势由东向西缓慢倾斜。

本工程位于既有沈阳站后南货场院内,沈阳地铁从其下穿过。站内地下管线复杂,电气化区段上部有高压接触网,车流、人流密集。建筑场地地形较平坦,地面高程介于43.62～45.86 m之间,地表相对高差2.24 m。

2.2 地层岩性及物理力学特征

沈阳市第四系地层相对较厚,其下基岩为前震旦系花岗片麻岩及第三系始新统泥质砾岩、泥质砂岩。第四系地层分布规律、岩性特点及时代成因从老到新分述如下。

(1)下更新统

上部为坡、洪积砂砾石层,下部为冰水沉积,冰水沉积层的下部为棕红色黏土,并含有20%左右分选和磨圆度较差的砾石,底部为灰白色黏土,含有30%左右分选和磨圆度差的砾石。

(2)中更新统

为冲洪积相沉积,上部为棕红色砂砾石,砾石含量多,但分选不好,磨圆度中等,偶夹有较薄的棕红色黏土层,下部为棕黄色黏土。

(3)上更新统

上部为冲洪积形成的棕黄色、黄褐色粉质黏土,塑性指数较高,具柱状节理;下部为冲洪积形成的砂砾石层,底部的圆砾层混黏性土较多,砾石分选程度和磨圆度不好。

(4)全新统

第四系全新统地层在区内广泛分布,由粉质黏土、砂砾石层组成,构成浑河新扇或浑河高低漫滩相沉积。全新统冲积相地层上部为粉质黏土,中、粗砂,下部为砾砂、圆砾层,局部为卵石层。

2.3 场地地基土的构成

根据钻探揭露,本场地地基土主要由杂填土、黏性土、砂类土、碎石类土和基岩组成。地基土除③层中砂、④粗砂、⑤层砾砂、⑧层粗砂以外,其余各层均以薄层、透镜体出现。各地层情况详见表1。

各地基土层的物理力学性质详见表2、表3。

表1 场地地基土一览

表2 场地地基土重型动力触探统计

2.4 场地的地质构造

在区域地质构造上,沈阳市区位于华北地块,根据地质构造活动的特点,沈阳市位于沈北凹陷地块,大地构造上处于辽东块隆与下辽河-辽东湾块陷相交接的部位。在区域新构造运动上,位于千山-龙岗上升区,第四纪时期主要表现为掀拈式上升。

表3 地基土物理力学性质统计

2.5 水文地质条件

(1)地下水赋存条件及含水层性质

地下水赋存于第四系的中、粗、砾砂及圆砾层中,属孔隙潜水,地下水位埋深一般为地面下7.00～9.00 m,高程为36.00～38.00 m。受地铁施工降水影响,勘探期间静水头埋深一般为13.50～20.10 m,静水位高程为24.09～31.56 m。

(2)地下水补给、排泄、径流条件

该场地地下水的补给主要是大气降水、地表人工河渠垂向渗透补给及浑河侧向渗透补给,地下水水位季节性变幅在0.5～2.0 m,地下水的排泄主要为地下水向下游径流排泄和人工开采。在枯水期地下水向浑河等地表水系排泄,同时有少量的地面蒸发。场地地下水径流条件良好,流向由东向西,由于市内有较多的人为开采,使得局部地下水流向有所变化。

(3)地下水水文地质参数

为了评价场地地下水水文地质参数,结合地铁抽水试验资料(见表4)以及室内试验,给出土的渗透性指标经验值,主要土层的渗透系数建议值见表5。

根据地铁抽水试验结果,结合沈阳当地经验,建议潜水含水层渗透系数取85 m/d。

表4 地铁抽水试验结果

表5 地层渗透系数(k)建议值

(4)地下水腐蚀性评价

(5)环境土的腐蚀性评价

3 场地地震效应

3.1 建筑场地类别

对场地进行波速测试及计算,场地地基土等效剪切波速度Vse=266 m/s,建筑场地类别为Ⅱ类。

3.2 抗震设防有关参数

场地地震动峰值加速度值为0.10g(对应于抗震设防烈度7度),设计地震分组为第一组,场地特征周期为0.35 s。

3.3 场地卓越周期

根据各层土的剪切波速度,利用《工程地质手册》(第四版)的经验公式计算场地卓越周期。取地面以下30 m左右的完整地层为计算厚度,卓越周期计算值为0.337 s。

3.4 场地土的类型

依据 《铁路工程抗震设计规范》(GBJ50111—2006)和《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001),分别对场地土类型和场地类别进行划分。

根据 《铁路工程抗震设计规范》(GBJ50111—2006)的规定,其平均剪切波速计算深度应为25 m,并不得小于基础底面以下10 m;依据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)规定,等效剪切波速计算深度取覆盖层厚度和20 m二者较小值,本场地取20 m。场地类别的划分是区域性评价的概念,由于本场区地表杂填土的剪切波速值较低,对等效剪切波速指标影响较大,测定本场地等效剪切波速为266 m/s,结合地区经验综合判定,场地类别为Ⅱ类。

3.5 地基液化与震陷可能

按《铁路工程抗震设计规范》(GBJ50111—2006)附录二及《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)第4.3.4条规定,抗震设防烈度7度区只对地下水位以下,20.0 m以上的砂土和粉土进行判别,本场地不存在粉、细砂地层,场地的中、粗砂、砾砂呈中密-密实状态,判定该场地土层不液化,为非液化场地。

在地震活动带划分上,沈阳市区位于华北地震区,郯庐断裂带北段,自1493年至1991年共发生4级以上地震19次。沈阳市处于郯庐断裂带北段的营口-沈阳亚段与沈阳-开原亚段的相交部位,营口-沈阳段差异运动不明显,地震活动水平低,沈阳-开原段有软弱的差异升降运动,现今微震活动频繁。

根据《岩土工程勘察规范》5.7.11的条文解释可知:强烈地震时软土易发生震陷,而本场区抗震设防烈度为7度区,当地基承载力特征值或等效剪切波速值分别大于80 kPa或90 m/s时,可不考虑软土的震陷影响。

4 岩土工程分析评价

4.1 不良地质作用评价

本场地地层主要为强透水层(渗透系数40～100 m/d),地下水十分丰富。受沈阳地铁降水的影响,水位埋深差异较大,场区静止水位埋深13.30～19.60 m,高程24.71～30.76 m,设计基础底板埋深15.3 m,高程在30.7 m左右,局部埋深在17.80 m,高程为28.2 m,基坑底板处于现有水位以上2.00～3.00 m左右。大部分基础底板坐在⑤层中密的砾砂上,个别部位有可能坐在密实状态的粗砂⑥或中密状态的⑥1圆砾上,为强透水层。如地铁停止降水,根据以前的勘察资料可知,本区地下水位埋深在7.00～9.00 m,由于地下水的存在,施工降水可能产生流土、管涌和接触冲刷以及降水引起的地面沉降,将会对基坑稳定和周围建筑物的稳定产生影响。

4.2 特殊性岩土评价

杂填土为本区的特殊性岩土,主要由建筑垃圾、碎石、粉质黏土、炉渣等组成,稍湿,松散—稍密状态。该层上部多为沥青路面及水泥地面,另沈阳站东货场地下管线埋深变化较大,且局部为原有建筑基础,回填土的性质差异较大,对将来基坑开挖及支护产生一定的影响。

4.3 地基土的压缩性和砂土的密实度

根据土工实验结果表明:本场地粉质黏土均为中等压缩性,中砂③、粗砂④、砾砂⑤、圆砾⑥1、砾砂⑦、圆砾⑧、砾砂⑧1均为中密状态,其他各土层均为密实状态。

4.4 地基土的均匀性

场地各土层层厚较均匀,物理力学差异性不大,地基土均匀性较好。

4.5 地基土承载力

根据室内土工试验和野外原位测试结果,结合地区建筑经验,场地地基土承载力特征值及主要变形参数见表6。

4.6 桩侧阻力和端阻力特征值

根据拟建工程概况,本场地建议采用桩筏基础,桩型建议采用钻孔灌注桩或压灌桩,桩长应为10.0～15.0 m,持力层选择圆砾⑧层。对于地下部分,由于其埋深-15.3～-17.8 m,在设计时,应考虑抗浮,各岩土层参数见表7。

表6 地基土承载力、变形参数统计

表7 桩基设计参数建议值

4.7 单桩竖向承载力估算

拟建工程基底埋深为-15.3 m,拟建场地的 ±0.00为45.98 m,根据现有场地的地面高程,基底的持力层为粗砂⑥层。假定桩径1 000 mm,桩长为15.0 m,桩端持力层为圆砾⑧层。根据上表提供的qsa值和qpa值,按照《建筑地基基础技术规范》(DB21/907—2005)(辽宁地方标准)提供的公式,估算单桩竖向承载力特征值如表8所示。

表8 单桩竖向承载力估算

4.8 洪水的影响及地下室抗浮设计水位

一般状况下,该地下水的补给主要是大气降水、地表人工河渠垂向渗透补给及浑河侧向渗透补给,如突遇洪水,本区地层均为强透水层,上部弱透水层粉质黏土较薄,且分布不连续,水位涨幅迅速。根据勘探资料表明,本区地下水十分丰富。受沈阳站地铁施工降水的影响,水位埋深差异较大,场区未降水前静止水位埋深为7.00～9.00 m,高程为36.00～38.00 m,如地铁停止降水,静水位将迅速回升,水位高程有可能升回到40.00 m,本工程设计基础底板埋深15.30 m,高程在30.7 m左右,局部底板埋深17.80 m,高程为28.20 m,基坑底板处于正常水位以下7.00～9.80 m之间。由于沈阳市近年来城市供水大部分来源于大伙房水库,同时限制地下水的开采,使沈阳市地下水位有上升的趋势,目前的水位为多年观测的最高水位。另外根据多年观测资料,沈阳市地下水位年变幅为0.5～2.0 m。因此进行抗浮验算时,建议在目前水位的基础上,综合考虑沈阳市整体地下水位上升的趋势、年季节性变化以及地下管道漏水等因素来确定抗浮设计水位。

5 基坑开挖与支护的方案建议

根据场地土层结构、工程地质特征、结构底板埋深情况,充分考虑周围环境地质条件,基坑开挖时须进行支护,基坑支护可采用地下连续墙加内支撑或密排桩加内支撑的支护形式,支护结构支护桩采用钻孔压灌桩,锚索采用自成孔锚索,放坡坡面采用挂钢筋网喷射混凝土施工工艺,护坡桩采用旋挖钻孔泵压混凝土灌注桩,钻孔灌注桩桩径 φ800 mm,桩芯混凝土 C25,桩间距1.2 m。也可选用“密排桩(CFG桩)加锚杆锚拉”的支护结构施工方法。

由于沈阳地铁正在施工降水,因此本场地目前水位较低,现在施工可不考虑工程降水。如需要降水,可采用管井降水的方式,基坑采用坑外降水,降水井成井采用冲击工艺,过滤器采用钢筋骨架包竹批子外缠丝结构,排水采用集水管收集,经过沉砂池沉淀后排入市政管网。

6 结论

(1)场地范围内地下水丰富,地层渗透系数大,透水性强,地下水对工程的设计和施工将产生不利影响。地层主要由杂填土、黏性土、砂类土和碎石类土组成,层位较稳定,无其他不良地质现象,场地稳定,适宜工程建设。

(2)杂填土结构松散,埋藏深浅不一,土质不均,不宜作天然地基持力层,其余各层均是良好的天然地基与桩基础持力层。

(3)场地标准冻结深度为1.20 m。

(4)场地地震设防烈度为7度区,地震动峰值加速度0.10g,特征周期0.35 s。

(5)场地地下水位以下,20 m深度范围内无粉、细砂和粉土,中粗砂、砾砂为中密—密实状态,在抗震设防烈度为7度时,无液化土层。该场地地形平坦,大部分为密实的中硬土,为对抗震有利地段。

(6)场地地下水和环境土对混凝土结构无腐蚀性,对钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性,对钢结构具弱腐蚀性。

[1]中道第一勘察设计院集团有限公司.沈阳站新建西站房及高架候车室岩土工程勘察报告[R].西安:中铁第一勘察设计集团有限公司,2009

[2]辽宁有色勘察研究院.沈阳地铁一号线岩土工程勘察报告[R].沈阳:辽宁有色勘察研究院,2003

[3]GB50021—2001 岩土工程勘察规范[S]

[4]DB21/907—2005 建筑地基基础技术规范[S]

[5]GB50011—2001 建筑抗震设计规范[S]

[6]GBJ50111—2006 铁路工程抗震设计规范[S]

[7]张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社,1993