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0引言

工程場地環(huán)境地質(zhì)問題分析是由工程建設過程中及建成后引發(fā)或工程建設本身可能遭受的環(huán)境地質(zhì)問題的分析,它包括飽和砂土液化、基坑涌水、軟土震陷、巖體崩塌、開裂、滑坡、塌陷、邊坡失穩(wěn)和地面變形等。事實表明,具有不良地質(zhì)條件的工程場地常誘發(fā)產(chǎn)生各種地質(zhì)環(huán)境問題。為此,筆者根據(jù)5建筑抗震設計規(guī)范6(GB50011-2001)[1]等有關規(guī)定,結合福州市軌道交通1號線工程場地的地質(zhì)、地形、地貌和工程地質(zhì)水文地質(zhì)勘探、測試資料,以及地震危險性分析、計算結果等,對場地的主要地質(zhì)災害,如飽和砂土的液化等環(huán)境地質(zhì)問題進行了分析和評價。

1擬建工程概況

福州軌道交通1號線起于福州市中心城區(qū)北部的新店象峰,終于東部新城,途經(jīng)晉安、鼓樓、臺江和倉山4個區(qū),全線線路長約29.26km,共設24座車站,平均站間距為1.24km,見圖1。為了城市景觀與環(huán)境相協(xié)調(diào),并充分吸取福州市規(guī)劃等相關部門的建議,軌道交通1號線全線暫考慮全部采用地下線。工程可行性階段將根據(jù)相關部門意見,就象峰站至羅漢山段(長約2.6km,包括敞開段約0.2km)、南二環(huán)站至福州南站段(長約5.8km,包括敞開段約0.5km)的線路采用高架敷設方式進行進一步深入比選[2]。

研究區(qū)評估范圍內(nèi)地層出露簡單,主要為侏羅系上統(tǒng)南園組(J3n)和第四系(Q)上更新統(tǒng)龍海組、全新統(tǒng)東山組、長樂組堆積層;侵入巖主要是燕山晚期(C5)花崗巖,分布在主城區(qū)第四系地層下部[3],部分地區(qū)呈孤島狀出露(見表1)。

2環(huán)境地質(zhì)問題分析

2.1工程建設中及建成后可能引發(fā)或加劇的環(huán)境地質(zhì)問題

通過對擬建輕軌交通1號線的所處地質(zhì)環(huán)境的實地調(diào)查,并結合鐵路工程技術標準、施工方式及工程結構要求,選取水文工程地質(zhì)條件、構造條件、地形地貌條件、氣候條件、施工條件等為主要評價要素,預測分析和評價擬建工程項目建設中及建成后可能引發(fā)或加劇的各種環(huán)境地質(zhì)問題如下:

2.1.1隧道涌水、涌砂和基坑突水

擬建軌道1號線隧道工程穿越閩江高漫灘、河谷底部和古河道區(qū),根據(jù)水力學、水文地質(zhì)學原理可知地下水位是從高水位向低水位流動且有其特定的流線,由于水位埋深僅1~2m,隧道底界深度在12~30m之間,開挖涉及到強降水,會形成臨空面低水位區(qū),改變了原有的水力學性質(zhì)和地下水徑流路線,使周圍地下水向隧道內(nèi)匯集和積聚。閩江高漫灘區(qū)中砂層厚度一般在25~35m之間,單井涌水量達1000t/d;閩江谷底、古河床區(qū)含中粗砂厚達37~50m,單井涌水量可大于1500t/d;晉安河道兩側含水層為淤泥、粉砂夾粉土,厚15~20m,單井涌水量為500t/d~1000t/d。可見閩江高漫灘、古河床區(qū)、晉安河兩側砂層厚度大、導水性能強;另外輕軌隧道開挖斷面大、滲流量也大,產(chǎn)生突水的可能性大,給襯砌和注漿帶來施工困難,尤其襯砌底部滲漏施工難度更大,當隧道穿越閩江高漫灘、河谷底部巨厚砂層時,易引發(fā)涌水、涌砂災害,部分卵石層也可能產(chǎn)生崩落現(xiàn)象,長時間作用還會使地下土層被掏空,產(chǎn)生地面塌陷,危及上部建筑物的安全。因此預測在隧道穿過閩江高漫灘、河谷底部段,會出現(xiàn)隧道涌水、涌砂和基坑突水等災害,其危害性大,其他地段危害性中等,由此可見地下水對工程施工構成了威脅。

另外,在巨厚砂層區(qū)施工地下車站(群眾路站、達道路站),需在支護條件下降水大開挖,開挖斷面大,斷面高一般8m、寬在40~50m、長度百余米至幾百米不等,且降水極易引發(fā)周邊地面變形和沉降,由于車站設置在繁華和人流量大的路口,引發(fā)涌水、涌砂災害的可能性及危害性會更甚,若工程建設中不采取嚴密止水防范措施,將會危及上部及周邊的居民安全。

2.1.2基坑邊坡失穩(wěn)

擬建軌道沿線車站基坑較多,在基坑開挖施工過程中,必然涉及基坑邊坡的穩(wěn)定性問題。基坑開挖深度范圍內(nèi)一般為軟土、殘積土等,少數(shù)挖到基巖,開挖深度一般大于10m,因此有必要對土的允許自立高度進行驗算。根據(jù)黏性土側壁公式[4],進行驗算的公式為z0估=2cCtan45b+<2式中:z0估為允許自立高度(m);c為側壁土體內(nèi)聚力(kPa);C為側壁土體天然重度(kN/m3);<為側壁土體內(nèi)摩擦角(b)。計算時各土層側壁黏性土內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角<、土體的天然重度C的取值可參見5巖土工程勘察報告6。計算結果顯示z0估約在2~3m之間,因此基坑開挖時應根據(jù)巖土分層及地下構筑物情況進行專門的基坑支護設計,并經(jīng)專家評審。具體基坑支護可采用連續(xù)墻(排樁)內(nèi)支撐或錨桿,在土體側壁自立高度允許范圍內(nèi)分級開挖,故其失穩(wěn)的可能性小;但由于開挖基坑較深,且其失穩(wěn)后造成的后果嚴重,綜合評估其危害性為中等。

2.1.3壓覆溫泉

福州乃是我國的三大溫泉都市之一,福州溫泉位于鬧市區(qū),埋藏淺、溫度高、礦化度低,是都市生活不可多得的自然資源,在此基礎上形成了別具特色的洗浴文化。而軌道交通1號線途經(jīng)溫泉埋藏區(qū),因此應根據(jù)溫泉的分布范圍、埋藏條件以及水溫、水量特征,并結合軌道交通1號線的工程設計,初步評價該工程建設對福州溫泉的影響大小。

2.1.3.1溫泉分布特征

福州地熱礦分布范圍北起思兒亭,南至象園,西至五一路西,東到六一路東,南北長約5km,東西寬近2km[5],以孔深500m、溫度大于40e范圍計算,面積為9km2。福州地熱礦受北北西向樹兜)王莊張扭斷裂控制,熱儲層為燕山晚期花崗巖類巖石,由于其上部由殘坡積層過渡到第四系的砂礫卵石含水層,因此福州地熱田可劃分為兩種不同的儲熱層。其一為基巖構造脈狀裂隙熱水,水溫70e以上,單孔水量100~1000m3/d;其二為第四系孔隙層狀熱水,水溫30~40e,地下埋深約18~25m,單孔水量約100~400m3/d。輕軌交通1號線晉安北路站到省政府站途徑該區(qū)域,據(jù)鉆孔揭露該區(qū)段巖土體由粉質(zhì)黏土、砂層、卵石層向花崗巖過渡。

2.1.3.2軌道交通壓覆溫泉評價

輕軌交通1號線壓覆溫泉段隧道、地下車站基坑開挖及埋深一般15~20m,與第四系孔隙層狀熱水地下埋深存在交集區(qū)間,建議在進行此路段工程設計時適當抬升隧道、地下車站開挖作業(yè)面,盡可能減少對該層儲熱層的影響;而基巖構造脈狀裂隙熱水埋藏深度已遠大于這一深度,故本工程對該層位的熱水影響小。部分路段若在隧道、地下車站埋藏深度為花崗巖層等不透水層時,在途徑溫泉路段應盡量避免作為工程構建物的持力層,以免破壞地下熱水的流場條件。

2.1.4隧道圍巖失穩(wěn)

輕軌交通1號線全長29.26km,工程可行性階段除其中的8.4km考慮采用隧道和高架橋方案比選外,其余路段均采用地下隧道。隧道所經(jīng)地段為福州盆地沖積平原,第四系厚度一般在30m以上,僅局部路段(K13+850~K15+300、K19+794~K23+270、K23+887~K27+090以及福州南站到停車場支線段)經(jīng)過巖層,其圍巖巖性主要為強)中風化花崗巖、凝灰熔巖,巖石大部分呈散體狀或碎裂狀,屬于軟)極軟巖,巖石完整性差,隧道施工過程中可能引發(fā)洞身圍巖頂板塌落、掉塊及隧道進出口開挖邊坡失穩(wěn)。另外,工程區(qū)內(nèi)有北西西斷裂通過,與1號線走向近乎并行,其經(jīng)過地段巖層破碎,圍巖失穩(wěn)危險性較大。由于隧道洞口頂板標高為-6.28~-15.6m,閩江水系水面標高一般略高于大地水準面,根據(jù)野外調(diào)查與鉆探資料,洞口段圍巖風化節(jié)理裂隙較發(fā)育,且延續(xù)性較好,車站、豎井在開挖施工過程中,易沿裂面產(chǎn)生應力集中(尤其是產(chǎn)狀較平緩的裂隙),導致頂板坍塌、掉塊,故成洞條件較差,可能破壞洞型或使襯砌產(chǎn)生大的塑形變形,影響施工質(zhì)量,危害施工人員的安全,應采取有效的工程防護措施加以控制。

2.1.5疏干排水引發(fā)地面沉陷

輕軌交通1號線新店車輛綜合基地)南平東路等段隧道頂板無明顯隔水層,大范圍、長時間坑道疏干排水可能引起區(qū)內(nèi)地下水滲流場及徑流場的改變,可能導致基坑周邊地下水位下降等工程地質(zhì)問題。地下水水位以基坑為中心呈漏斗狀向四周擴散,地下水位降低后,地基因承載力不足而產(chǎn)生不均勻沉降,當基坑開挖支護不當時易引起流泥、流砂,如措施不當或不及時可引發(fā)地面塌陷和區(qū)域地面不均勻沉降。由于評估線路橫穿福州市市區(qū),沿線建筑物密集,若災害發(fā)生會造成極大的危害;但評估區(qū)(江北平原和南臺島平原)建筑多采用樁基礎,區(qū)域地下水水位降低的危害性較小,但需在施工的過程中采取相應的工程措施以防止地下水漏斗區(qū)的擴散。

2.1.6化學灌漿的影響

在隧道工程施工中一般采用化學灌漿來實施加速護壁措施或堵漏處理。化學漿材料多數(shù)具有不同程度的毒性,特別是有機高分子化合物(環(huán)氧樹脂、乙二胺、苯酚)毒性復雜,不論在制備、配制還是在施工灌漿中,作業(yè)人員都要接觸這些有毒物可能會受到中毒危害;此外,漿液注入構筑物裂縫與地層空隙后,通過溶濾、離子交換、復分解沉淀、聚合等反應,會不同程度污染地下水,造成公害。

2.2工程建設可能遭受的環(huán)境地質(zhì)問題

輕軌交通1號線工程建設可能遭受的各種人為或自然因素引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題主要如下:

2.2.1斷裂活動的影響

對評估區(qū)有影響的斷裂有連江園)李厝斷裂、大腹山)白水塘斷裂、上寶福斷裂、寶福斷裂、洪山橋)西湖斷裂、東大路斷裂,其中寶福斷裂、東大路斷裂對線路影響較大。活動斷裂對線路的破壞主要表現(xiàn)在震源集中,地震頻繁;斷裂兩盤位移活動頻繁,造成差異沉降、錯動;斷裂帶附近巖性復雜,軟硬夾層發(fā)育。活動斷裂帶附近或其交匯處是地震震中的主要部位,地震頻繁,但震級小,歷史上未曾發(fā)生過大的破壞性地震,但地處地震活動較為頻繁的東南沿海地震帶的北端,在發(fā)生1604年泉州海外7.5級地震、1574年連江5.75級地震和1825年永泰5.0級地震等中強地震時曾遭受破壞,影響烈度為Ö~×度。經(jīng)分析,福州市產(chǎn)生更大地震的概率很小,因此斷裂活動將對擬建線路造成的影響較小。

2.2.2淺層氣包裹體的危害

本工程建設存在隧道推進過程中;破壞淺層氣體的賦存結構,致使氣體釋放,而使隧道產(chǎn)生下沉的可能性;也存在隧道推進中,由于淺層氣的噴發(fā),使隧道下部砂層受到擾動而被掏空,致使隧道迅速下沉并發(fā)生斷裂,導致最終報廢的可能性。由此可見,淺層氣對地下建筑存在危害性。本次可行性階段的勘察研究在各勘探孔施工過程中均未發(fā)現(xiàn)有淺層氣溢出的現(xiàn)象,但在建筑廢料、生活垃圾堆填區(qū)存在淺層沼氣體,影響了施工進度和工程質(zhì)量,故在施工的過程中需探明淺層氣的分布情況和埋藏條件,并采取相應措施防范。

2.2.3橋梁地基的失穩(wěn)

本工程部分路段若采用高架敷設方案,擬采用樁基,由于該評估范圍內(nèi)巖土體為不同風化程度的花崗巖、凝灰熔巖,因此影響橋梁地基失穩(wěn)的因素可能包括:¹填土產(chǎn)生的側壓力。橋臺軟土層較厚,軟土對結束端(樁墩)可產(chǎn)生一定的側壓力,使樁墩產(chǎn)生偏移。由于樁端承臺至地面軟土層厚5~28m,一般以中風化巖作為樁基礎持力層,因此對樁基或橋墩危害性較小。º軟土產(chǎn)生的負摩擦力。高架橋比選段第四系沉積厚度較大,軟土及含水砂層發(fā)育,軟土淤泥的流動性(易觸變、蠕動)有可能造成灌注樁的斷樁,由于本工程軟土層分布較廣,其產(chǎn)生的負摩擦力作用會加速樁基下沉,影響工程質(zhì)量,但其危害性較小。

2.2.4地下熱水超采的危害

根據(jù)福州地熱資源分布和軌道1號線走向看,晉安北路站到省政府站橫穿福州第四系孔隙層狀承壓熱水區(qū),水溫低、水量小,工程在基坑開挖過程中,局部地段受地下水的頂托作用比正常路段大,會影響施工進度和工程質(zhì)量,其危險性、危害性小;但一旦城區(qū)地下熱水出現(xiàn)超采現(xiàn)象,極易加劇地面沉降,會對工程產(chǎn)生結構性破壞,其危害性大,必須采取控制地下熱水開采量等措施加以防范。

2.2.5震后砂土的液化

工程線路所經(jīng)地區(qū)地震基本烈度為×度[6],按5地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范6(GB50307-1999)[7]、5建筑抗震設計規(guī)范6(GB50011-2001)[1]規(guī)定,評估區(qū)應對20m以內(nèi)的砂土層進行可液化判別。可液化判別過程如下:

(1)首先進行初判,對黏粒粒徑小于0.005mm、含量大于10%的砂土層進行排除,初判屬可液化砂土的層位,并進行標準貫入試驗。在地面以下15m深度范圍內(nèi),液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計算:Ncr=N0[0.9+0.1(ds-dw)]#3/Qc(dw[15m)在地面以下15~20m范圍內(nèi),液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計算:Ncr=N0(2.4-0.1dw)#3/Qc(15m[dw[20m)式中:Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值;N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值;ds為飽和土標準貫入點深度(m);dw為地下水位埋深(m);Qc為黏粒含量百分率,當小于3或為砂土時,采用3。

(2)對存在液化土層的地基,采用下式計算液化指數(shù)ILE,即ILE=Eni=1(1-NiNcri)diwi式中:ILE為液化指數(shù);n為在判別深度范圍內(nèi)每一個鉆孔標準貫入試驗點的總數(shù);Ni、Ncri分別為i點標準貫入錘擊數(shù)的實測值和臨界值;di為i點所代表的土層厚度(m);Wi為i土層單位土層厚度的層位影響權函數(shù)值(1/m)。(3)液化等級劃分為:ILE[5時為輕微液化;5<ILE[15時為中等液化;ILE>15時為嚴重液化。經(jīng)對評估區(qū)砂土層進行可液化判別,其工程線路多數(shù)砂土不存在液化問題,部分呈松散狀的粉細

砂存在液化問題,液化等級為輕微)嚴重,如群眾路站、達道路站、南二環(huán)路站、蓋山路站和東部新城站5處場地中等液化,其余線段無液化點或輕微液化。

2.2.6不良地質(zhì)結構的影響

本工程線路部分地段上部土層為粉質(zhì)黏土,下部土層為風化巖,土層性質(zhì)差異較大,所受到的上下阻力不均勻,易引起盾構在線路方向上的偏離,因此設計施工應合理控制盾構的參數(shù)。此外,盾構推進過程中,沿線存在若干內(nèi)河,內(nèi)河兩岸的駁岸及拋石、條石對盾構施工也存在影響,應予以重視。

3結語

根據(jù)福州地區(qū)巖土體特征、水文工程地質(zhì)條件、構造條件、地形地貌條件、氣候條件及人類工程活動等評價要素對擬建輕軌交通1號線路段進行了環(huán)境地質(zhì)影響評價,其評價結果表明:危害性大的為基坑突水、隧道涌水、涌砂以及地下熱水超采;危害性中等的為隧道圍巖失穩(wěn)、壓覆溫泉、基坑邊坡失穩(wěn)及砂土液化;疏干排水引發(fā)的地面沉陷、斷裂活動、淺層氣包裹體的危害等環(huán)境地質(zhì)問題對于本工程的影響較小。