昆明市地铁深基坑岩土工程层组划分研究

杨文辉, 吴国斌, 潘建华, 刘伟, 李冬冬, 蒋良文, 张礼

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,云南 昆明 650200; 2.华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

在岩土工程勘察中,建立岩土分层系统进行研究,国内学者对此做了较多工作。隋耀华、张华[1]研究了浅基岩区地层沉积特点、地层基本特性及工程应用特点,以福州轨道交通2号线为例总结了浅基岩地区工程地质分层的“九分法”。苟富刚等[2]考虑沉积时代、沉积环境、土体结构特征和物理力学参数,建立了长江三角洲北岸基本地层结构层序和编码,将土体划分为7个工程地质层组和21个工程地质层,找出了2个软弱敏感层和4个优势持力层。王建伟等[3]按时代-成因-岩性对50 m深度范围的岩土体进行层组划分,为牡丹江市工程地质勘察工作提供了统一的分层参照准则,对市区进行了工程地质分区。

对于概化分层,学者研究极少。李晓昭等[4]认为工程地质岩组的划分是地质模型概化的基础,以南京地铁南北线为例,探讨了土体工程地质岩组的划分。韩昌瑞等[5]把地表附近强度低的土概化为“软土层”,把强—微风化岩概化为“岩层”,把“软土层”和“岩层”间的残积土和全风化岩概化为“硬土层”,建立了概化地质模型,结合人工神经网络反演得到“硬土层”、“岩层”的参数。

综上,建立岩土分层系统进行岩土工程勘察评价具有理论和实践意义。但过去的岩土层组划分研究,与勘察设计规范中岩土的分类和鉴定具体要求结合不紧密,系统性不强;而且针对具体设计问题进行概化分层的研究很少。昆明市地铁4号线火车北站地基,第四系地层厚度大于100 m,主体工程基坑深达37.1 m,为昆明最深建筑基坑。笔者对地基进行详细分层,主层按时代成因、亚层按土的名称、次亚层按土的状态划分,地层划分完全对应勘察设计规范[6-8]中对时代成因、土层名称、土层状态划分的要求;概化分层考虑地层的强度、透水性来研究勘察深度范围内含水层分布及特点。详细分层与概化分层研究可揭示基坑围护设计关注的岩土工程条件及问题。研究结果将对复杂地质条件下的大型工程、长距离线状工程、深基坑岩土工程勘察以及统一地区性岩土工程层组划分具有理论、实践借鉴与指导价值。

1 地基岩土详细分层

根据现行勘察设计规范要求,结合勘察揭示的地质情况[9],提出详细分层依据、原则和编码方法。

1.1 详细分层依据

①地层时代:反映沉积历史长短和沉积顺序。②地层成因:反映沉积环境及其演变,影响岩土的类别及主要土性特征。③土的类别及土的名称:反映土的结构、颗粒组成及特殊组分等。④土的状态:与土的物理力学性质相关,反映土的软硬和密实程度。

1.2 详细分层原则

1.3 详细分层编码方法

地基土详细分层编码解析如图1所示。图中:土层时代+成因编码,由新至老、由浅至深,用数字由小到大进行编码,构成时代+成因主层层号,北站地基分为5个主层;土层名称编码,同主层按层序由上到下用数字由小到大编码,具体到规范中“土的名称”,与时代+成因编码组合,构成土层亚层层号;土层状态编码,黏性土(碎石土、砂土)用0、1、2、3、4代表规范中“土的状态(密实度)”,分别为流塑(松散)、软塑(稍密)、可塑(中密)、硬塑(密实)、坚硬(很密);粉土用1、2、3代表规范中“土的密实度”,分别为稍密、中密、密实(3级)。填土按土质参照执行。

图1 详细分层编码解析

1.4 详细分层系统

勘察深度内岩土第1级按时代+成因划分为5个主层,第2级按时代成因+土名划分为30个亚层,第3级按时代成因+土名+状态分为31个次亚层(详细分层),详见表1、图2。

图2 北站深基坑地基工程地质纵剖面图(代表段)(单位:m)

表1 北站深基坑地基详细分层系统说明表

2 昆明第四纪沉积环境演化与地层

4号线昆明火车北站主体基坑地基覆盖层厚度大,若按照上述分层依据与原则研究地基的详细分层系统,有必要搞清楚昆明第四纪沉积环境演化与地层[9-10]。在新构造运动前期的渐新世E3晚期至中新世N1,昆明盆地处于一个相当长的地壳宁静、外力夷平环境,昆明地区地形达到了准平原的标准。在上新世N2初,地壳不均匀上升,原来准平原面抬升并遭到一定的破坏。西山断裂和黑龙潭—官渡断裂之间相对下降,形成断陷盆地。

早更新世Q1,早期地壳又发生抬升,其特点为继承南北向基底断裂而又有不均一性,使前期地形高差加大。滇池盆地继续下陷,滇池范围逐渐扩大,与北部龙头街凹陷连成一片,并向东部发展。白邑地区沿断裂下陷成谷盆,新街盆地亦具雏形。中后期地壳又变为较稳定。滇池及新街等较大盆地为湖泊环境,滇池范围逐渐扩大,沉积环境模式为河流相-滨湖相,沉积滇池组(Q1d)地层,北站基坑勘察深度未揭示该层。

3 地基土概化分层

3.1 概化分层因素与方法

对复杂地基进行概化分层研究,有利于揭示基坑围护方案研究、围护结构设计、地下水控制及施工关注的地基工程与水文地质结构特点及其规律性[11]。土的强度对连续墙槽壁稳定、基坑壁稳定、基坑整体稳定、坑底隆起及土压力大小均有重要影响;地基土的含水、透水性控制基坑围护结构选型及地下水控制方案。把土的强度及土的含水透水性作为地基概化分层的主要因素。地基内的素填土微透水,黏土不透水,粉质黏土弱—微透水,均概化为隔水层;淤泥质土、泥炭质土,具软土的物理力学特性,对连续墙槽壁、基坑璧、基坑整体稳定及周边建构筑物地基变形有控制性影响,均概化为隔水软弱层;杂填土透水,圆砾、砾砂、中砂、细砂、粉砂强—中透水,粉土弱透水,均概化为透水层。

3.2 概化分层揭示的水文地质结构及含水层特征

3.2.1 浅部孔隙潜水含水层

层顶深4.0～8.6 m,层底深31.2～42.3 m,厚25.0～38.3 m。以<2-11-2>含水层为主,夹<2-5-1>、<2-7-0>、<2-8-1>、<2-10-1>、<3-7-2>含水透镜体,局部夹<2-1-2>、<2-2-2>隔水薄透镜体。潜水水位变幅1～3 m,埋深1.8～5.6 m,连通性好、水量丰富,渗透系数3.2～11.9 m/d,属中—强透水。

3.2.2 中部孔隙承压水含水层

层顶深32.5～42.3 m,层底深52～57 m,厚12.90～20.68 m。由<3-5-2>、<3-7-2>、<3-8-2>、<3-10-2>、<3-11-2>含水层构成。K9+967—K10+132含水层呈较大凸透镜状产出于<3-1-3>、<3-2-3>隔水层下,其中K10+28.3—K10+68.3含水层厚5.4～9.4 m,含水层与隔水层厚度比为0.51～1.12;K10+132—K10+171含水层尖灭,隔水层厚18.4～20.5 m;K10+171—K10+331含水层呈一个薄透镜和一个较大的凸透镜状产出于<3-1-3>、<3-2-3>隔水层中或其下部,薄透镜状含水层厚度0.0～1.8 m,凸透镜状含水层在K10+222—K10+273厚3～6 m,含水层产出于隔水层中,连通性差。整个含水层连通性一般,部分连通性差或不连通,水量较丰富,承压水位埋深10.6 m,渗透系数6.4～7.9 m/d,属中透水。

3.2.3 下部孔隙承压水含水层

层顶深52～57 m,层底深74.5～79.5 m,厚19.2～26.0 m。由<6-5-2>、<6-7-2>及局部<6-8-2>、<6-10-2>含水层构成,呈层或透镜状分布于<3-1-3>及<3-2-3>隔水层之下,夹于<6-1-3>、<6-2-3>和<6-4-2>隔水层之间或为互层。2个较大的层状含水层厚19.2～26.0 m,与隔水层为互层状,除了2个较大的层状含水层,剖面内还显示有1、2个不规律分布、厚6～8 m的透镜状含水层夹在隔水层之中,层状含水层连通性好,透镜状连通性差或不连通。整个含水层连通性一般或差,承压水位埋深8.3 m,水量较丰富,渗透系数11.0～12.1 m/d,属强透水。

3.2.4 深部孔隙承压水含水层

层顶深74.5～99.5 m,厚0.5～4.2 m。由<8-5-2>、<8-7-2>、<8-10-2>含水层构成,呈条带状或透镜状,连通性一般,渗透系数0.5～10 m/d,属弱—中透水。

4 层组工程地质分析

4.1 土的物理力学性质指标

采用如下方法获得地基土的分层及物理力学性质指标:

1)研究区域及场地周边既有工程的勘察资料。

2)布置勘探及测试:①钻探取芯,鉴别分层,进行地质描述。②原位测试:标贯、动探、静力触探及十字板剪切试验。③物探:剪切波速、地温及电阻率测试。④抽水试验:测定含水地层的渗透性、富水性。⑤取样试验:实测土的物理力学性质指标。

3)按照前述详细分层的依据、原则和分层编码方法进行分层、作图、统计计算,推荐地基各土层的物理力学性质及建议设计指标[9],结果见表2。

表2 详细分层主要物理力学性质及建议设计指标

4.2 基坑深度范围地层性质及主要岩土工程问题

基坑深度范围地层性质见表3。基坑深度范围内含水层厚度占65%,其中圆砾层厚度占79%,隔水层透镜状分布于含水层中,开挖深度系以圆砾为主的潜水含水层,中—强透水,含水层与地表水有水力联系,水量丰富,水位浅,基坑易发生较大渗水、涌水,坑壁及坑底易产生潜蚀、流砂、管涌,不利抗浮及抗隆起。地下水控制不当会引起周边建构筑物过大沉降。

表3 基坑深度范围地层分析结果

4.3 基坑底地层性质及主要岩土工程问题

基坑底地层性质分析结果见表4。左剖面18个钻孔,若忽略xz-11孔及xz-14孔的<2-1-2>隔水层,则11孔基坑底面为含水层,厚0.90～5.96 m,7孔基坑底面为隔水层。即坑底面处有0.00～5.96 m厚的含水层,其下为第一个稳定隔水层,厚4.5～20.5 m。预计地连墙穿过坑底下厚4.5～20.5 m的稳定隔水层,形成落底式截水帷幕,有利于基坑地下水控制。但潜水位埋深浅(地面下1.8～5.6 m),坑底含水层易产生潜蚀、流砂、管涌。

表4 基坑底地层性质分析

4.4 连续墙嵌固段地层性质及主要岩土工程问题

按主体基坑左右剖面34个钻孔统计,预计地下连续墙嵌固段隔水层平均厚度为21.9 m,嵌入段隔水层厚与嵌固深度之比为0.67。嵌固段系隔水层为主,对地下水控制较为有利。连续墙穿过浅部孔隙潜水,嵌入中、深部孔隙承压水含水层(水头埋深10.6、8.3 m),在潜水水压及承压水头差作用下,连续墙槽壁或帷幕桩桩壁易产生潜蚀、流砂、管涌[12];嵌固段2个承压含水层对基坑抗浮及坑底抗隆起均有影响。

4.5 软黏性土、软土性质及主要岩土工程问题

地基内的<2-1-2>、<2-2-2>为可塑状软黏性土;<2-3-2>、<3-4-2>、<6-4-2>及<8-4-2>为软土,可塑—软塑状。软黏性土和软土(其分布与性质见表1、表2)对基坑壁、基坑整体及连续墙槽壁等的稳定不利[13],地下水控制不当易引起超预期沉降,影响周边建(构)筑物的正常使用。

5 岩土层组划分合理性

5.1 工程地质剖面沉积层组分析

分析工程地质剖面知,由深至浅土层的颗粒粒径变化总趋势是相对由细变粗,这与区域早更新世Q1早期地壳发生抬升、中更新世Q2地壳上升数千米、晚更新世Q3地壳为小幅度的震荡升降、全新世Q4地壳又抬升加剧的沉积环境演化模式相统一;在总趋势内,勘察深度内土层颗粒存在多次由粗至细的正旋回,与第四纪以来滇池水位经历了三起三落,其间存在小幅震荡的沉积环境演化相关[10,14];各钻孔相同的主层、亚层土质土性相近,详细分层层组土质及物理力学性质较一致,层间分层明显,土质以渐变为主,但分层对比清楚,与沉积环境演化、层组划分的详细程度具有好的相关性。

5.2 土层主要物理力学指标离散性分析

层组划分按照现场钻探岩芯鉴别描述并结合原位测试和土工试验进行,理想状态是层组的物理力学性质变化不大。Ingles和Harr教授曾给出国外土工指标的变异系数值[15];国内采用岩土指标变异系数的大小评价岩土层的变异性[6]。勘察规范[6]将土的状态(密实度)分为流塑(松散)、软塑(稍密)、可塑(中密)、硬塑(密实)、坚硬(很密)5级;粉土分为稍密、中密、密实3级。国标地基基础设计、建筑桩基和基坑规范也有按土的状态(密实度)推荐采用土的相关计算参数的情况。根据规范[6-8]要求,详细分层应按土的状态(密实度)划分到次亚层即详细分层。北站深基坑详细分层物理指标变异性为很低—中等,力学指标变异性为中等—高,分层详细程度和主要指标变异系数的大小协调(见表5)。

表5 北站深基坑地基详细分层主要指标变异系数(δ)

5.3 施工监测结果及运营分析

依据规范[8],结合基坑支护设计布置施工变形监测(图3),中铁西南科学研究院有限公司于2018年7月26日至2019年10月30日完成了14期施工监测月报。经过施工阶段逐月统计分析,墙顶水平位移、建筑物沉降、土体水平位移3种监测的测点数分别为34、134、5个,其监测值最大累计、最大变形速率均未超限。监测到的超限测点均为局部点、单点,无系统性、连锁性、累进性及破坏性的超限情况(表6)。施工阶段没有发生影响施工及基坑自身稳定的事故,施工、运营期间(已近3年)无影响车站及周围建(构)筑物正常使用的情况。

图3 北站深基坑支挡结构设计及变形监测布置图(单位:m)

表6 监测超限统计(2018.07.26～2019.10.30共14期)

6 结论

1)提出了岩土工程详细分层依据:地层时代、成因、土名、状态;详细分层原则:按时代+成因类型划分主层,按土层名称划分亚层,按土层状态(密实度)划分次亚层;详细分层编码方法。

2)按分层依据、原则及编码方法,详细研究了昆明第四纪沉积环境演化与沉积地层,建立了地基详细分层系统,北站深基坑地基分5个主层、30个亚层、31个详细分层,详细分层完全符合现行勘察设计规范要求,分层层号工程意义直观。

3)针对关注的地基工程与水文地质结构特点及规律性,提出了地层强度和透水性为概化分层要素,将地基土概化为隔水层、隔水软弱层、透水层。概化模型清晰地反映出勘察深度范围内地基存在的4个含水层的分布及其主要工程水文地质特点。

4)基坑深度范围内含水层是以圆砾为主的潜水含水层,底面60%为砂类土含水层,基底下存在2个砂类土承压水含水层。在水头压差作用下,基坑易发生较大渗水、涌水,基底及预计连续墙槽壁易产生潜蚀、流砂、管涌,对基坑抗浮及坑底抗隆起有影响;预计地连墙形成落底式截水帷幕,对地下水控制相对有利,但地基内软黏性土及软土对坑壁、基坑整体及连续墙槽壁等的稳定不利;地下水控制不当易引起超预期沉降。

5)通过工程地质剖面沉积层组分析、土层主要物理力学指标离散性分析以及施工监测结果和运营分析,均证明详细分层物理力学性质及建议设计指标可靠,本文给出的岩土工程层组划分是合理的。