沪通铁路项目地质灾害危险性多因素风险评估

2018-12-04 09:11:24戚惠民
上海国土资源 2018年4期
关键词:浅层危险性基坑

戚惠民

(上海市地矿工程勘察院,上海 200072)

我国是地质灾害最严重的国家之一,类型多,范围广[1]。在工程建设中,通过对拟建设项目用地地质环境和现有地质灾害分析,进行建设用地地质灾害危险性评估,可以减少、避免本建设项目和地质环境之间的相互影响,保护人民生命和财产安全,保护生态地质环境,并为地质灾害防治提供相关依据[2]。国内外学者在建设项目用地风险评估领域作了大量研究[3-5]。Westen等提出滑坡风险评估技术框架,对Fell 的理论框架的技术细节方面做了更加详细的补充,形成了比较完整的滑坡风险评估层次及技术流程[6];孟庆华等在综合分析承灾体易损性评价及风险容许标准注定方法的基础上,以陕西省凤县为例利用ArcGIS软件和经验方法进行风险评估和管理,针对区域提出了相应的风险减缓措施[7]。本文综合考虑建筑工程中地质环境条件和施工控制的影响,提出一种适合工程用地的地质灾害多因素风险评估方法,并以沪通铁路项目为例,验证其合理性,为地质灾害风险的评估方法探索新思路。

1 多因素风险评估方法

设评估空间为 ,每一个评估对象xi包含j个评估因素 ,每一个评估因素有p个评估等级 。为方便起见,每一个因素水平只考虑四个等级:C1=高风险、C2=中等风险、C3=低风险、C4=基本上没有风险,故评估指标空间 。设 为因素 的单指标测度函数,即 ,则 满足如下的三个关系式:

本文考虑两个综合评估系统:现状评估系统和预测评估系统,每个评估系统可由一个单指标测度矩阵来表征,分别可表示为:

采用线性类型的单指标测度函数,其在区间 上的函数表达式为:

每一个因素的权重函数由熵值法来确定:

根据建立的权重函数,由下式可以确定评估对象的多指标综合测度:

由于仅考虑四个评价指标,本文的多指标综合测度向量为:

待测对象的评估等级使用置信度准则判定。设 为置信度,本文取0.6,当 ,有:

当km满足时认为xm对象属于第km级别。

2 工程概况

沪通铁路项目线路规划:北起宁启铁路的南通站,途经江苏省南通市及其所辖的通州市、海门市,苏州市所辖的常熟、太仓、昆山三市,上海市嘉定区和宝山区,引入既有京沪线安亭站和既有北杨支线杨行站;线路经过杨行站后,跨越黄浦江,途经上海市浦东新区和奉贤区,接轨于浦东铁路I期工程四团站。线路全长约228km(含联络线工程3km),其中江苏省境内约103km,上海市境内约125km。

本工程建设及运营将对其附近区域的地质环境造成不同程度的改变和影响,从而可能引发和遭受地质灾害的影响,同时评估区已有的地质灾害(如地面沉降)将作用于工程建设本身,并可能对本工程建设造成不良影响。因此,在地质灾害灾种确定时,既要考虑本区已经存在的地质灾害,还需要根据拟建工程的特点和拟建场地及其周围的地质环境条件,对工程建设可能引发或遭受的地质灾害进行分析[8]。根据评估区所处的地质环境条件、地质灾害的发育现状及发展趋势,依照上海市工程建设规范《建设项目地质灾害危险性评估技术规程》(DGJ 08-2007-2006),结合拟建工程性质及类似工程经验,确定本次评估的地质灾害灾种主要有:边坡失稳、地基变形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、浅层天然气害、地震。据此对工程做现状评估和预测评估。

3 现状评估

对于现状评估系统,从自然地理特征、基础地质概况(见图1)、水文地质条件和工程地质条件四个方面综合分析[9],考虑边坡失稳、地基变形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、浅层天然气害,地震烈度等七个因素做现状评估。根据前文的四个评价指标,本节的风险评估空间为四个:C1=高风险、C2=中等风险、C3=低风险、C4=基本上没有风险。

图1 评估区及邻近区域基岩地质Fig.1 Bedrock geology of the assessment area and its neighboring areas

3.1 边坡失稳危险性现状评估

据现场实地调查,工程沿线分布有长江、黄浦江、练祁河、潘泾、杨盛河等较多河流,其中评估区附近的长江大堤按200年一遇的标准设计,堤顶标高约8.5m,高于长兴潮位站最高潮位(5.88m,1997年),现处于稳定状态;黄浦江采用桩+挡墙的防汛墙护岸,高出水面高度在1.5~2.5m之间;练祁河、潘泾、杨盛河等河岸大部分为人工砌石岸坡,皆处于自然稳定或人工稳定状态,评估区内未发现河岸边坡失稳的现象。确定风险等级为C4。

3.2 地基变形危险性现状评估

据现场踏勘、调查,拟建工程沿线分布的住宅、工厂企业用房、道路、桥梁、河道护岸结构等基础一般采用天然地基或桩基,大多处于正常使用状态,部分地段存在道路路面损坏现象,未发现其它因地基变形而导致建筑物不能正常使用的情况。

另外,本次踏勘时察看了评估区内位于宝山区宝钢支线铁路及位于芦潮港地区的浦东铁路,上述铁路均为地面段铁路。均采用天然路基,由于在施工时采取了有效的地基处理或加固措施,现轨面基本平整,未有因地基变形而导致铁路不能正常运行的情况发生。确定地面沉降风险等级为C3。

3.3 砂土液化危险性现状评估

由于评估区抗震设防烈度为7度,必须进行液化判别,区内20m以浅分布有饱和砂质粉土。根据本次收集资料初步判别该两层均为可液化土层,初步判别拟建场地为轻微液化场地。由于上海地区已有地震烈度均未超过6度,尚未有震动液化的情况发生。

另外经调查,评估区已有基坑工程在开挖施工时,均采取了相应的防护或基坑降、排水措施,未出现砂土渗流液化现象。确定风险等级为C4。

3.4 水土突涌危险性现状评估

经野外踏勘,评估区现在无深基坑开挖等工程活动;据调查工程沿线建(构)筑物在基坑开挖施工建设时亦无产生水土突涌危害的现象和记录。确定水土突涌的风险等级为C4。

3.5 地面沉降危险性现状评估

上海自上世纪20年代初发现地面有下沉迹象,至今已有近百年历史。据1921~2000年水准测量结果,中心城区平均累计地面沉降量约1.9m,即市区高程平均损失1.9m左右,最大损失可达3.0m左右。与之相伴,迫使市区防汛墙历经五次加固加高,城区积水危害逐年明显加重,内河航运更为不畅,市政基础设施损坏频繁以致不断更新调整[10],既造成了严重的经济损失,又制约了城市的可持续发展。经初步评估,1950~2000年期间,造成经济损失达数千亿元。

上海地面沉降速率和引发机制存在三个转折点,从上世纪二十年代初期起上海市区地面沉降加速率发展(尤其是1951~1966年间),1966年起由于全面陆续实施压缩开采、调整开采层次和人工回灌等三项控沉措施,地面转向回弹至微沉,沉降控制效果十分显著,城区地面进入沉降基本控制时期。此前超量集中开采地下水是引发地面下沉的主导因素;但自上世纪八十年代后期开始,因大规模的城市改造与开发建设、产业结构调整、农村饮用水改造及周边江浙地区经济发展对地下水资源利用程度提高等综合作用,地面沉降有加剧趋势,年均沉降量在10~15mm左右;自2000年至今,受上海市区压缩地下水开采,并进行地下水的回灌(主要集中在宝山区),地面沉降加速的趋势已得到遏制。确定地面沉降的风险等级为C3。

3.6 浅层天然气害危险性现状评估

浅层气是地下空间开发可能遇到的地质灾害之一。上海地区广泛发育有浅层天然气,其分布与地层结构及其成因有着密切的联系,一般浅层天然气发育的地区也正是海相层发育的地区。浅层天然气主要有三个储气层系:第一储气层系(浅部滨海相储气层系)埋深相对较浅,分布也最广,是工程建设遇到的最多的层系,对工程安全影响最大;第二储气层系(中部陆相储气层系)一般埋藏深度为30m以下,储气层主要为砂层或砂与黏土互层类型,一般呈透镜体出现,危害次之;而第三储气层系(下部滨海—河口相储气层系)埋深一般在60m以下,对工程建设一般不会有影响。

根据本次收集钻孔资料,各勘探孔孔口均未发现有明显的浅层气溢出现象,但沿线局部地层具备一定的浅层气赋存条件,存在浅层气分布的可能性,有待下一阶段进一步查明。

此外,根据收集资料,在上海市长江水域曾发生过因浅层天然气害导致隧道无法继续施工的事故。确定浅层天然气害的风险等级为C3。

3.7 地震危险性现状评估

上海地区地震记载始于明成化十一年(公元1476年),至解放时的470多年间平均每3年有一次有感地震。但从历史地震或近期地震的资料来看,在上海市地域范围内,500多年来,震级最大的为明天启四年(1624年)震中为原南市区的43/4级地震,给上海造成一定影响的主要都是邻近地域地震的波及,其中以南黄海至长江口一带的地震为最甚,其次是江苏溧阳和苏州地区的太仓-吴江一带的地震。无论是上海本地的地震,还是邻近地域地震的波及,对上海造成地震烈度影响均小于6度。根据地震烈度,地震破坏性可以分为四个等级:0~6度为无感至有感的地震;6~9度为破坏型地震;9~11度为会引起地表环境的破坏,11度以上为毁灭性地震。按国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)(2016年版)及上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》(DGJ 08-9-2013)的有关条文判别:场地的抗震设防烈度为7度。

本文只考虑四个评估等级,根据线性单指标测度函数的定义,边坡失稳、地基变形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、浅层天然气害的单指标测度函数可由图2表示;地震烈度的单指标测度函数可由图3表示。

图2 边坡失稳、地基变形、砂土液化、水土突涌、地面沉降和浅层天然气害的单指标测度函数Fig.2 Single index measure function of slope instability, ground deformation, sand liquefaction, soil and water inrush,ground settlement and shallow gas hazards

图3 地震因素的单指标测度函数Fig.3 Single index measure function of earthquake factor

由七个因素的单指标测度函数,可以建立现状评估系统的单指标测度矩阵为:

4 预测评估

对于预测评估,考虑人为因素和施工控制的影响,将工程建设引发或加剧边坡失稳、地基变形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、岸带冲淤、浅层气害等七个指标作为预测评估系统的评价因素。

4.1 工程建设引发或加剧边坡失稳危险性评估

根据本工程性质、工程沿线的工程地质、环境地质条件,工程建设引发的边坡失稳有河岸边坡失稳、基坑边坡失稳两个方面。通过对多个施工现场实例进行分析,本基坑工程施工建设过程中有引发或加剧基坑边坡失稳的可能,在基坑设计、施工时给予足够的重视[11],并采取相应的有效处理措施,以减小或消除基坑边坡失稳发生的可能。另外,根据工程经验,对于本工程沿线穿越的河道,其河岸大部分采用人工砌石岸坡,且高度较小,周边环境简单,一般无重要的建构筑,预制桩沉入的挤土效应对其影响有限;对于穿越的长江、黄浦江,其岸堤边坡均筑有防汛大堤(墙),虽然隧道施工时顶部均留有了一定的安全距离,但盾构施工时亦应加强变形监测,并注意盾构推进速度,控制变形量,避免或减轻盾构施工对长江、黄浦江河岸边坡造成的影响。岸边坡失稳将会造成其后侧地基土变形、建(构)筑物倾斜、坍塌等工程事故,且当主要河流发生边坡失稳时,将会影响河道排水功能、码头运营及通航功能。

综上,根据本工程建设引发或加剧基坑边坡失稳、河岸边坡失稳的可能性及其引发或加剧边坡失稳对邻近环境的危害程度综合分析,综合确定工程建设引发的边坡失稳危险性级别为C2。

4.2 工程建设引发或加剧地基变形危险性评估

本工程建设引发或加剧的地基变形主要为路基、黄浦江水底隧道等建设引起或加剧的地基变形。

本工程拟建路基基床厚度为2.5m,在路基荷载作用下,工程建设有引发一定程度地基变形的可能性;此外,虽然本工程本身采取的地基处理措施可预先消除或减少地基变形,但地基处理过程中亦会产生地基变形,并可能会对周围环境有较大影响。

黄浦江水底隧道工程采用盾构、明挖等施工方法。盾构施工引起周围一定范围内的地表变形,盾构穿越的建筑物及地下管线有一定的影响,特别是对长江、黄浦江防汛墙、A30(A20)高架道路及长江沿岸码头等构筑物等稳定影响较大,设计、施工时,应采取有效的控制措施,减少盾构施工引起地基变形对周围环境的影响,根据盾构施工建设引起地基变形的可能性、地基变形的危害程度及对周围环境的影响程度确定盾构施工建设引发地基变形的危险性级别为中等。

本工程隧道敞开段、暗埋段及工作井附近分布有宝山港务公司厂房及办公用房、宝钢研究所、宝钢支线、道路及地下管线等建(构)筑物,基坑开挖可能会对周围环境造成一定的不良影响。而基坑施工引发的地基变形量、影响范围在基坑开挖深度一定的条件下与基坑围护结构的厚度、插入深度、邻近地段是否进行地基加固、工程降水等密切相关,在设计时要采取相应的基坑安全验算并采取相应的技术措施,将工程建设引发邻近环境地基变形量控制在容许范围内。

综上,根据本工程建设引发或加剧地基变形的可能性及其引发或加剧地基变形对工程建设本身和邻近环境的危害程度综合分析,综合确定工程建设引发的地基变形危险性级别为中等,危险性级别为C2。

4.3 工程建设引发或加剧砂土液化危险性评估

本工程基坑施工时有引发渗流液化的可能性,从而对邻近环境(包括本项目已建工程)造成危害,因而本工程设计、施工时应结合上海地区工程经验,根据实际工程情况采取适当的工程措施,以避免砂土渗流液化的发生。

根据本工程建设引发砂土液化的可能性及危害程度,并结合工程经验综合确定工程建设引发砂土液化的危险性级别为中等,危险性级别为C2。

4.4 工程建设引发水土突涌的危险性预测评估

基坑开挖、隧道掘进过程中下伏承压(微承压)含水层,因开挖卸荷,并承受承压(微承压)含水层较高的水压影响,致使基坑、隧道的底部或周边土层失去应力平衡,而引发的含水层向基坑或隧道内涌水、涌砂。水土突涌一旦发生,大量的涌水、涌砂,掏空周围土体并引起一定范围内土体移动,不但对工程本身造成危害,还给周围环境造成破坏,造成极大的经济损失和社会影响,根据本工程建设引发水土突涌的可能性及危害程度,并结合工程经验,综合确定本工程建设引发水土突涌的危险性级别为中等,危险等级为C2。

4.5 工程建设引发或加剧地面沉降危险性评估

评估区产生地面沉降的原因主要是因为大量开采地下水而引起的。本工程路基及桥梁建设一般不会涉及地下水。

本工程吴淞口隧道工程涉及到基坑降水,有引发或加剧地面沉降的可能[12]。该隧道工程采用盾构法及明挖法施工,明挖段中开挖深度2.7~11m的基坑围护结构采用水泥搅拌桩或采用SMW工法;基坑开挖深度在11m以上,一般采用地下墙+内支撑进行围护;工作井围护结构亦采用地下连续墙,采用明挖施工,开挖深度最大约39.3m。

本工程基坑开挖影响深度范围内的地下水主要是潜水和微承压含水层,基坑施工时由于围护结构的隔水作用,只要保证围护结构的防渗效果,工程施工对潜水造成影响较小。

根据周围环境条件、降水对周围环境影响程度以及工程建设施工工艺,综合确定工程建设引发或加剧地面沉降的危险性级别为小,危险等级为C4。

4.6 工程建设引发或加剧岸带冲淤危险性评估

本工程自长江口南港南岸侧码头前沿及黄浦江吴淞口穿过,工程建设本身不会改变其岸带冲淤的格局。因此,工程建设引发岸带冲淤的危险性级别为小,危险等级为C4。

4.7 工程建设引发浅层气害的危险性预测评估

浅层天然气是地下空间开发所可能遇到的地质灾害之一,在含浅层天然气土层中进行地下空间施工作业,由于浅层天然气释放,可能使隧道产生位移、断裂,或使基坑失稳,造成无可挽回的重大经济损失。

现状评估结果表明,工程沿线局部地层具备一定浅层天然气赋存的可能性,在本工程地下隧道施工、工作井基坑开挖时有引发浅层气危害的可能性。本工程工作井、盾构施工前应根据物探资料、勘探资料等,对浅层气富集地段采取打排气孔超前释放岩土体中的天然气防护措施,以减少或避免浅层天然气害对工程建设的危害。

根据本工程施工建设引发浅层天然气害的可能性及其危害程度,并结合工程经验确定本工程建设引发浅层天然气害的危险性级别为小,确定危险等级为C4。

工程建设引发或加剧边坡失稳、地基变形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、岸带冲淤、浅层气害等七个指标的单指标测度函数可由图4表示。

图4 预测评估系统的单指标测度函数Fig.4 Single index measure function of predictive assessment system

由4个因素的单指标测度函数,可以建立预测评估系统的单指标测度矩阵为:

5 综合评估

地质灾害危险性综合评估是根据现状评估系统和预测评估系统的评估结果综合得出的。

由前述的理论方法,对于现状评估系统和预测评估系统的权重函数矢量可分别计算为:

故现状评估系统和预测评估系统的多指标综合测度向量可计算为:

在本文中,置信度取0.6,现状评估系统和预测评估系统的风险等级可计算为:

通过前述对工程沿线地质灾害危险性现状评估、预测评估,根据工程建设引发或加剧及工程建设本身遭受地基变形、地面沉降、边坡失稳、砂土液化等地质灾害可能性大小及危害程度,确定评估区地质灾害危险性等级,结果现状评估和预测评估,综合评估结果为风险等级小,其评估结果也被现场结果所证实。

6 结论

本文基于多因素风险评估方法,对沪通铁路项目工程进行了地质灾害危险性现状评估、预测评估和综合评估,其评估结果和现场进行了对比,可得出如下结论:

(1)结合工程沿线工程地质条件及本工程建设性质,确定本次评估的地质灾害灾种主要有地基变形、地面沉降、边坡失稳和砂土液化等。

(2)现状评估从自然地理特征、基础地质概况、水文地质条件和工程地质条件四个方面综合分析,考虑边坡失稳、地基变形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、浅层天然气害,地震烈度等七个因素,得出现状评估的风险等级为C4,即基本上没有风险。

(3)预测评估考虑人为因素和施工控制的影响,工程建设引发或加剧边坡失稳、工程建设引发或加剧地基变形、工程建设引发或加剧砂土液化、工程建设引发水土突涌、工程建设引发或加剧地面沉降、工程建设引发或加剧岸带冲淤和工程建设引发浅层气害等四个指标作为预测评估系统的评价因素;得出现状评估的风险等级为C3,评估结果为低风险。

(4)通过前述对工程沿线地质灾害危险性现状评估、预测评估,根据工程建设引发或加剧及工程建设本身遭受遭受地基变形、地面沉降、边坡失稳、砂土液化等地质灾害可能性大小及危害程度,确定评估区地质灾害危险性等级,综合评估结果为风险等级小,其评估结果被沪通铁路项目进行验证所证实。

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