巖土工程在城市發(fā)展中的新趨勢(shì)

吳勝全 張占元

（成都水文隊(duì)，四川 成都 610000）

前言：

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國城市化水平也正在快速提高。由于城市地下巖土工程復(fù)雜多變的自然條件，給施工帶來了技術(shù)難題，如果要要解決施工中一系列技術(shù)上的問題,就會(huì)涉及到多門學(xué)科,因而城市地下巖土工程是保證工程質(zhì)量、提高工程經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的關(guān)鍵步驟。

1.城市地下巖土工程是新世紀(jì)城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國城市化水平正在快速提高,從1990年的18.96%提高到1997年末的28.9%。城市化水平的提高標(biāo)志著城市工程建設(shè)的飛速發(fā)展。但是,我國城市建設(shè)基本上沿用“攤大餅”的粗放發(fā)展模式,給國民經(jīng)濟(jì)帶來不應(yīng)有的損失。主要是:

(1)城市范圍無限制地外延擴(kuò)展,耕地?fù)p失嚴(yán)重。據(jù)衛(wèi)星遙感資料判斷和測(cè)算,1986～1996年間,全國31個(gè)特大城市城區(qū)實(shí)際占地規(guī)模擴(kuò)大50.2%,有的城市占地成倍增長(zhǎng)。另據(jù)預(yù)測(cè),至2010年,我國城市總數(shù)將從1996年的640座增加到1000座,其結(jié)果是占用了大量耕地。到下世紀(jì)中葉,我國城市化水平將提高到65%左右,這意味著城市人口將比1990年增加7億多人,按每個(gè)城市人口用地100m2計(jì),將占用耕地1億多畝。土地問題是我國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,城市人口急劇增長(zhǎng)與地域規(guī)模的限制已成為城市發(fā)展的突出矛盾,城市發(fā)展非走節(jié)約土地的集約化發(fā)展模式不可。

(2)城市人口密度大,形成了所謂的“城市綜合癥”。首先表現(xiàn)在城市交通阻塞,行車速度緩慢。其次是,由于城市基礎(chǔ)設(shè)施落后于城市面積的擴(kuò)展和城市人口的增長(zhǎng),造成城市環(huán)境的惡化。當(dāng)前我國城市環(huán)境形勢(shì)日趨嚴(yán)重,大氣污染日趨加劇,全國500多座城市大氣質(zhì)量達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的不到1%,酸雨面積超過國土面積的40%。

(3)城市總體抗災(zāi)抗毀能力偏低。在城市總體規(guī)劃中,除防洪、防空外,目前尚缺少綜合防災(zāi)的內(nèi)容,城市基礎(chǔ)設(shè)施的防災(zāi)措施處于空白。為了克服這方面的弊端,解決城市人口、環(huán)境、資源三大危機(jī),醫(yī)治“城市綜合癥”,實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展,世界發(fā)達(dá)國家都在把地下空間作為新的國土資源,開發(fā)利用城市地下空間,成為越來越受到重視的城市建設(shè)指導(dǎo)方針和發(fā)展方向。

城市功能空間能轉(zhuǎn)入和宜轉(zhuǎn)入地下的領(lǐng)域是很廣闊的,包括商業(yè)、交通、部分市政設(shè)施、文化娛樂休閑、部分工業(yè)生產(chǎn)、倉儲(chǔ)、防災(zāi)(避難)和救災(zāi)空間等。充分利用地下空間是城市立體化開發(fā)的最重要組成部分。它可以達(dá)到擴(kuò)大空間容量、提高開發(fā)集約度、消除步車混雜、交通順暢、商業(yè)更加繁榮,地面綠地增加,環(huán)境優(yōu)美開敞,購物與休閑,娛樂相互交融的多功能效果,與向城市上空發(fā)展的模式相比,是一種更為合理的發(fā)展模式。向地下要土地、要空間已成為城市建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì),顯示了無比的優(yōu)越性。我國及國外大城市的地下商業(yè)城(街)、地下車庫、地下影劇院、地下鐵道、地下人防系統(tǒng),是眾所周知的城市地下工程。有的國家已開始實(shí)施和計(jì)劃采用地下污水收集和處理設(shè)施、地下垃圾處理廠、地下超導(dǎo)磁直接儲(chǔ)存電能、地下供熱供冷系統(tǒng)、地下多功能公用隧道 (共同溝)以及具有抗災(zāi)功能的地下空間系統(tǒng)。它們是未來城市建設(shè)的發(fā)展方向。

2.城市地下巖土工程的特點(diǎn)及難點(diǎn)

眾所周知,地下巖土工程是一個(gè)具有悠久歷史的領(lǐng)域?？梢哉f自有人類以來就有巖土工程,特別是進(jìn)入工業(yè)社會(huì)以后巖土工程處處存在,但是城市巖土工程,除了傳統(tǒng)的地面房層工程外,地下巖土工程卻是隨著現(xiàn)代城市的興起而發(fā)展的。經(jīng)過最近幾十年的實(shí)踐,無論從設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備和工藝,還是理論、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),都已達(dá)到相當(dāng)高的水平,特別是深埋地下巖石工程,更是達(dá)到了較成熟的程度。

但是,城市地下巖土工程卻具有與一般巖土工程不同的特點(diǎn),主要是:多數(shù)埋深較淺。地面建筑、交通設(shè)施密集,地下管線多,開挖造成的影響大,地質(zhì)條件復(fù)雜,多以土體為主,常有膨脹土、沙層、地下水,尤其是沿海沿江城市,淤土、軟土的開挖難度更大。因此,城市地下巖土工程存在許多需要解決的特殊問題。主要是:

(1)淺埋、超淺埋暗挖施工技術(shù)。城市地下工程的埋深,不僅直接影響工程造價(jià),而且關(guān)系到工程使用方便與否,因此,城市地下工程一般埋深較淺。在淺埋、特別是超淺埋的條件下,地下工程需要穿越建筑物和線路、街道,地面保護(hù)成為施工技術(shù)中的首要問題。(2)復(fù)雜、惡劣環(huán)境下的開挖技術(shù)。諸如流砂層、膨脹土、高壓縮性軟土淤土、風(fēng)化破碎巖石、高濃度瓦斯地層、大涌水、硫化氫、巖溶、高應(yīng)力、地下管線、地面大車流量、大型載重車多、建筑物密集等等,都是地下巖土工程施工中的難題。(3)大斷面隧道開挖、支護(hù)技術(shù)。主要是地鐵車站及商場(chǎng)、倉庫、廳、室,其跨度尺寸達(dá)10 m以上。(4)開挖影響控制技術(shù)。隨著工程埋深的減小,開挖對(duì)地面的影響越來越大,在超淺埋條件下,開挖影響的控制與開挖方式、施工工藝、支護(hù)方法等眾多因素有關(guān),是地下工程施工中最為復(fù)雜的問題。3少支護(hù)后的下沉。壁后充填是減少支護(hù)構(gòu)造與巖土體之間空隙的有效措施,在一次支護(hù)和二次支護(hù)后采用小導(dǎo)管注漿法進(jìn)行充填。(5)分步開挖,及時(shí)支護(hù)。實(shí)踐證明,分步開挖、及時(shí)支護(hù)可以有效地減少圍巖及地面下沉。例如北京長(zhǎng)安街過街道,跨度大(開挖跨度1116m)、超淺埋(表土厚度僅016～110 m)、有動(dòng)載、地下管線多,為了減少地面下沉,采用“中洞法”分步施工,地面下沉減到24 mm,效果良好。(6)降水—回灌技術(shù),是治理地下水和減少地面下沉的有效方法,已在北京地鐵施工中推廣應(yīng)用。一般是“淺抽深灌”或“前抽后灌”。據(jù)北京地鐵“復(fù)—八線”實(shí)測(cè),采用此法后其兩側(cè)高大建筑物下沉未超過215 mm。值得研究的是,近年來我國試驗(yàn)成功的“高水速凝材料”,具有快速固結(jié)含水砂層的性能。如能在地下工程中進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)于阻隔地下水滲入施工空間,將具有良好的應(yīng)用前景。

3.城市地下巖土工程中的開挖影響及環(huán)境保護(hù)

城市地下巖土工程中的開挖影響指的是開挖引起的圍巖移動(dòng)與地面沉降,不包括其它擾民影響。地下開挖必然會(huì)在其周圍巖土體中引起位移與變形。由于開挖深度小,其影響必然要波及到地面上,但由于開挖寬度有限,其影響也是可以控制的。影響的程度與范圍,取決于眾多因素。對(duì)于淺理、超淺埋隧道式開挖工程,主要取決于開挖方式、斷面跨度、導(dǎo)坑形式、機(jī)具、支護(hù)方式與時(shí)機(jī)、構(gòu)件剛度、回填、地面載荷(動(dòng)、靜載)、巖土體性質(zhì)及地下水抽排等。據(jù)實(shí)測(cè)研究,隧道式開挖引起的地面沉降,其橫剖面一般呈盆狀,大體上用可概率積分曲線來描述。

對(duì)于淺埋和超淺埋隧道式開挖引起的地面沉降,其最大下沉值大致由開挖空間支護(hù)前的下沉、地下水抽排引起的下沉以及開挖空間支護(hù)后的下沉等構(gòu)成。這些下沉可通過采取一定的減沉措施減少到最小程度。從北京、上海和廣州等城市的地鐵施工實(shí)例結(jié)果看,北京地鐵“復(fù)—八線”兩側(cè)高大建筑物累計(jì)下沉量最大僅為215 mm,北京地鐵西單車站正上方累計(jì)地表最大下沉量也未超過30 mm;廣州地鐵有一段隧道橫穿市區(qū)主干道天河路,隧道頂距路面7 m,地層為飽含水細(xì)砂層,地下密布有供水管、污水管及電纜線,地面晝夜車流量約12萬輛,還有載重30～60 t大型集裝箱運(yùn)輸車快速通過。開挖后,據(jù)對(duì)128個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè),最大下沉為2017 mm,低于國際上地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)國內(nèi)外淺埋開挖實(shí)踐,地面減沉的措施有:

(1)圍巖預(yù)加固。為了加固軟弱和松散巖、土體,一般采取導(dǎo)坑或全斷面預(yù)注漿。對(duì)于軟弱或破碎巖體,采用單液或雙液壓力預(yù)注漿;對(duì)于松散土體,采用單液或雙液高壓旋噴預(yù)注漿。(2)強(qiáng)力支護(hù)。包括預(yù)支護(hù)、提高支護(hù)構(gòu)件剛度及壁后充填等。預(yù)支護(hù)有管棚和插板兩種方法。管棚鉆孔深度受導(dǎo)坑尺寸限制,可兼作注漿管,適用條件廣泛。插板需用千斤頂頂進(jìn),具有防水效果,但不能用于卵石地層。及時(shí)支護(hù)可以有效減少支護(hù)前的下沉。鎖腳錨管是用于分步支護(hù)構(gòu)件基礎(chǔ)的穩(wěn)定,為下部開挖與支護(hù)安裝創(chuàng)造良好條件,減少上部支護(hù)構(gòu)件的沉降。提高支護(hù)構(gòu)件剛度可以減少支護(hù)后的下沉。壁后充填是減少支護(hù)構(gòu)造與巖土體之間空隙的有效措施,在一次支護(hù)和二次支護(hù)后采用小導(dǎo)管注漿法進(jìn)行充填。(3)分步開挖,及時(shí)支護(hù)。實(shí)踐證明,分步開挖、及時(shí)支護(hù)可以有效地減少圍巖及地面下沉。例如北京長(zhǎng)安街過街道,跨度大(開挖跨度1116m)、超淺埋(表土厚度僅016～110 m)、有動(dòng)載、地下管線多,為了減少地面下沉,采用“中洞法”分步施工,地面下沉減到24 mm,效果良好。(4)降水—回灌技術(shù),是治理地下水和減少地面下沉的有效方法,已在北京地鐵施工中推廣應(yīng)用。一般是“淺抽深灌”或“前抽后灌”。據(jù)北京地鐵“復(fù)—八線”實(shí)測(cè),采用此法后其兩側(cè)高大建筑物下沉未超過215 mm。

值得研究的是,近年來我國試驗(yàn)成功的“高水速凝材料”,具有快速固結(jié)含水砂層的性能。如能在地下工程中進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)于阻隔地下水滲入施工空間,將具有良好的應(yīng)用前景。

[1]劉天泉.錢七虎城市地下巖土工程技術(shù)發(fā)展動(dòng)向.[J].《煤炭科學(xué)技術(shù)》.1999年01期.