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地质环境

20个车站地质条件各有不同

“兰州地铁一号线从陈官营到东岗镇,全长约26千米,共设置20个车站,平均站间距1356m,最大站间距2320m,最小站间距822m。”朱彦鹏对这几组数字几乎能倒背如流。

兰州地铁从开建的第一天起,他就作为施工风险论证专家参与其中,20个地铁车站的基坑围护、解决基坑降水、基坑红砂岩地质稳定性差的破解,都是由他和他的科研团队历经无数个日日夜夜,进行多次实验、论证完成,这些科研成果填补了多项国内相关领域的技术空白。近日,兰州晨报/掌上兰州记者专访兰州理工大学土木工程学院教授朱彦鹏,为大家揭开地铁修建过程中那些不为人知的故事。

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20个车站地质条件各有不同,揭秘兰州地铁……

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20个车站地质条件各有不同 破解基坑围护加固难题

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兰州地铁1号线共有20个车站,车站施工采用明挖法或铺盖法,车站基坑开挖深度在15—24m之间不等,是目前兰州地区开挖深度最深的基坑。地铁站基坑大多在城市建成区中进行开挖,市区建筑密度大,场地狭小,邻近又有建筑物和地下市政管线,基坑工程的主要技术难点在于对基坑周围原状土体的保护,防止地表沉降,减少对既有建筑物的影响。而且地铁车站在不同地质分区,工程地质及水文地质情况差异较大,这就给地铁站开挖深基坑时应选择何种围护类型及地下水的处理措施选择带来了很大困难。朱彦鹏所带领的科研团队接手关于地铁修建的第一个重任就是要解决这20个车站深基坑围护的类型以及如何处理地下水。

地铁工程深基坑围护结构设计的合理与否,不仅对工程的质量和安全至关重要,而且对工程的实施难度、施工期间的城市居民生活及周围环境等都会产生直接影响。同时,兰州又处于特殊的黄土地区,基坑壁岩土体既具有湿陷性的黄土层,水位线附近还常分布有软塑-流塑地层,部分地段基坑侧壁及基坑底还存在厚度较大的砂层,这与国内外已开挖的地铁建设城市的地质条件差异较大。兰州是首次进行地铁建设,可借鉴的经验几乎没有,所以这给朱彦鹏的科研团队带来了极大的挑战。

科研人员首先根据20个车站所在的地面交通状况、岩层以及地下水赋存条件、车站建筑布置等因素,将各个车站归类考虑。比如:陈官营站,地表为人工填土,土质疏松,其下为黄土状土,分布稳定,工程性质较好,但含水量丰富, 工程多位于水位以下,施工降水过程中卵石土中细颗粒的流失易引起坍塌及涌砂涌水现象,围岩稳定性较差;下部泥岩具弱膨胀性,易崩解,脱落。地下水埋深4-6m,对混凝土结构具中等腐蚀性。

西关站至五里铺站,属于科研团队划分的东市区盆地内的一级阶地。地层主要为人工填土、全新世卵石和第三系古-始新世砂岩组成。坑壁和基底的土层多位于水位以下,易产生坑壁坍塌、涌砂涌水现象,稳定性差。

根据这些车站所处位置的不同地质结构,朱彦鹏采用了深层搅拌水泥土围护墙、土钉支护、钢筋混凝土地下连续墙、钢筋混凝土排桩加内支撑结构等不同的围护结构方案。

朱彦鹏在解决地铁车站基坑围护选型的难题过程中得出兰州地区不同工程地质及水文地质条件下合理基坑支护型式(如围护类型、嵌固深度、桩间距、连续墙厚度、支撑间距等等)的经验数据,为兰州后续地铁工程的设计与施工提供了宝贵的科学依据。

20个车站地质条件各有不同,揭秘兰州地铁……

马滩地铁站基坑支护。

揭示红砂岩透水特性 打通施工卡点

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2016年东方红广场地铁站在修建过程中, 遇到一个难以破解的问题,一度阻碍了施工的正常进行。东方红广场地铁站长度600米,主体结构投资6亿多,号称国内第三大地铁站,它承载着1、2、3号线的换乘任务。这么重要的一个站,工程进度突然卡住了,施工方非常着急。

基坑内始终有渗水,起先有人认为是基坑内的红砂岩层裂缝造成的透水,而在施工前期做地质勘察时得出的结论是红砂岩是不透水的。但实际上基坑内一直在渗水,大家都不知是何原因。作为地铁施工建设过程中全程参与风险论证的专家之一,这一问题引起了朱彦鹏的高度重视,他要找出基坑内的水是从哪里来的。

朱彦鹏带着他的团队开始对东方红广场基坑内渗水问题展开深入系统的研究。首先他们通过一系列室内外试验,对兰州地铁深基坑开挖所遇到的红砂岩的物理力学特性和渗透性展开系统研究,全面分析红砂岩的物理力学性质、揭示红砂岩层的透水性与渗透变形机理。朱彦鹏告诉记者,不同地区红砂岩具有明显的差异,但是以往的研究与实践工作未从红砂岩物理力学特性角度考虑红砂岩的渗透性,而是普遍认为红砂岩层为隔水层,就是不具备透水性。如兰州地区经验和地勘报告中就写到兰州地铁开挖遇到的“强风化砂岩成岩作用差,属极软岩,易变形坍塌,地层富水性差,为相对不透水层”。

但经过兰州轨道交通1号线沿线多个车站基坑,特别是经过东方红广场站实践证明,兰州第三系砂岩透水性明显,将其定义为隔水层明显不妥。朱彦鹏的科研团队经过多次实验最终将红砂岩从多方面证明其具有渗透性。

红砂岩既然具有透水性,随后朱彦鹏团队又展开探索与之相应的处置措施,结合对红砂岩渗透系数的试验研究,研究出基坑降水新方案,即采取坑外降水与坑内降水相结合的方法,在深基坑围护桩的基础上,利用坑外及周边降水井,降低坑内外水头差;坑内利用真空泵小厚度降水,采取降一层水,开挖一层的方式;坑内明水直接开挖集水井及时抽排的三位一体降水方法,有效避免了坑外的砂岩流入坑内,造成地面的沉陷,保证了基坑的正常运行。

针对红砂岩透水的特性,采取新型的降水方案,东方红广场站终于恢复了正常施工,并且此方法之后在多个车站得到了应用。该研究成果有效缩短了地铁站的施工期,填补了该地质情况下地铁深基坑施工方面的空白。

20个车站地质条件各有不同,揭秘兰州地铁……

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对红砂岩进行分类而“治” 降低工程造价

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红砂岩的问题并没有就此结束。可以说这是让兰州轨道工程施工人员最头疼的特殊岩土层,在解决了红砂岩是否具有透水性的问题后,它又给施工人员摆出一个新问题。从现场开挖情况发现,不同地区的红砂岩工程性质差异较大。部分地方的红砂岩,暴露在地表极易风化,扰动或遇水时其强度迅速衰减呈散砂状,由此产生了大量工程问题。

尤其是在基坑开挖过程中,位于水位以下的红砂岩极易产生崩解砂化,其强度急剧下降,出现涌水涌砂、浸泡基坑现象,导致挖掘缓慢,严重影响工期,增加施工成本。另外,崩解砂化后的红砂岩随地下水渗流从基坑内用于阻止地下水的咬合桩薄弱处渗出,坑外砂土流失,给基坑周边地表带来较大沉降,对车站及周边道路、管线以及建筑物的安全造成很大隐患。

经过兰州地铁1号线多个车站基坑开挖后发现,不同地区红砂岩性质不一致,尤其崩解性和渗透性差异较为明显。鉴于这种情况,朱彦鹏所带的科研团队2018年又开始着手进行关于兰州地区红砂岩崩解性的细致研究,以及与之相应的地下水处治措施。

朱彦鹏说,分析出兰州市内各地铁站红砂岩的不同分类,就了解了它的崩解速度不同,在施工时就可以采取不同的方法,仅此科研项目就为地铁施工节省上亿资金。

从2012年到现在,朱彦鹏和他的团队一直在围绕着兰州地铁建设中出现的工程问题进行“把脉诊治”。如今地铁正式通车了,朱彦鹏也拿到了一张乘车卡,他说高兴的同时,仍然有任务要做,那就是要做一系列保护规程, 因为之后地铁隧道周边肯定还会进行基础建设,那么如何才能不对地铁隧道造成影响,这就是他接下来要做的工作。