湿陷性黄土区

1.   地基设计及处理依据：

《陕西省城镇综合管廊设计标准》（以下简称《陕管标》）在第7章第7节“特殊地质条件下结构设计”中特别指出：（ 第7.7.1.1条）当综合管廊置于湿陷性黄土地层时，应评价黄土场地湿陷类型并判定湿陷性黄土地基湿陷等级，黄土湿陷性评价应符合国家现行标准《黄土规范》的有关规定；（第7.7.1.4条）湿陷性黄土地区的综合管廊设计应根据场地湿陷类型、地基湿陷等级和地基处理情况，结合工程经验和施工条件等采取必要的结构措施和防水措施。《陕管标》的要求是应该依据《黄土规范》。根据《城市综合管廊工程设计规范》对管廊的定义是构筑物，依据《黄土规范》中3.0.1条建筑物分类，管廊不属于“高度为30~50m的构筑物”，最多只能按照丙类建筑进行地基设计及处理。

2.   工程建设中存在的问题：

《黄土规范》第6.1.1-2条（强条）规定：乙、丙类建筑应消除地基的部分湿陷量。第6.1.5条中对丙类建筑消除地基部分湿陷量的最小处理厚度，应符合下列要求：

湿陷等级		处理方式
Ⅰ级		单层建筑	不处理
		多层建筑	处理厚度≥1m,psh≥100kPa
Ⅱ级	非自重湿陷性场地	单层建筑	处理厚度≥1m,psh≥80kPa
		多层建筑	处理厚度≥2m,psh≥100kPa
	自重湿陷性场地	处理厚度≥2.5m,未处理的剩余湿陷量≤200mm
Ⅲ级		处理厚度≥3m	多层建筑整片处理，且未处理的剩余 湿陷量≤200mm
Ⅳ级		处理厚度≥4m

管廊如果按照丙类建筑进行地基处理，厚度大、施工周期长，受城市空间、周边建筑、管线、城市交通等因素影响大，难于实现。笔者认为按照丙类建筑处理的厚度太大，且无必要。

3.   地基设计及处理分析：

管廊是构筑物，不同于建筑物，主要表现在以下几方面：

（1）浸水的可能性：湿陷性黄土地区建筑物的分类按浸水的可能性大小划分。建筑物内一般都有水、暖管道，甚至有直接用水房间如浴室等，浸水的可能性较大。管廊本身完全封闭，内部的水、暖管道不直接与舱外的土体接触，设有自动监控系统并定期巡查，综合管廊浸水可能性小于建筑物。

（2）受湿陷变形影响程度：高层建筑物一般都有现浇混凝土地下室，整体刚度较大，具有较好的抵抗不均匀沉降的能力，但对倾斜度控制要求高。多层建筑虽对倾斜度要求不如高层，但整体刚度较差，抵抗不均匀沉降的能力也较差。因此，《黄土规范》对建筑分类较为严格、明确。管廊整体刚度很大，类似于箱型基础，抵抗不均匀沉降的能力也较强，对倾斜度要求也远低于建筑物。

（3）管廊一般位于路面或绿化带覆土下3.5米左右，地基处于卸荷状态，《黄土规范》条文解释第3.0.1条“埋地设置的室外水池，地基处于卸荷状态，本规范对水池类构筑物不按建筑物对待，未作分类”。

综上所述，管廊不应按湿陷性黄土地区建筑物进行分类。

4.   管廊在湿陷性黄土场地地基标准的确定：

《黄土规范》第5.5.11条：在湿陷性黄土场地，对地下管道及其附属构筑物，如检漏井、阀门井、检查井、管沟等的地基设计，应符合下列规定：应设150~300mm厚的土垫层；对埋地的重要管道或大型压力管道及其附属构筑物，尚应在土垫层上设300mm厚的灰土垫层。

管廊主体使用年限为100年，属于城市命脉性的重要设施，其重要性远高于一般管沟。

5.   管廊地基湿陷性处理原则及措施：

依据《黄土规范》防止或减小建筑物地基浸水湿陷设计措施，可分为以下三种：

（1）地基处理：

①消除地基全部或部分湿陷量。管廊属于构筑物，不同于常规建筑物，按湿陷性黄土场地上的建筑物进行分类不合理，且重要性高于一般管沟，所以参照《黄土规范》第5.5.11条对地基处理进行调整：

②对于自重湿陷为Ⅱ级的场地，管廊地基处理采用底部400mm厚素土垫层，上部600mm厚3:7灰土垫层，地基处理至基坑底边处，且不小于1000mm。

③对于自重湿陷为Ⅲ、Ⅳ级的场地,管廊地基处理厚度应增加，取底部900mm厚素土垫层，上部600mm厚3:7灰土垫层，地基处理至基坑底边处，且不小于1500mm。必要时进行专家论证。

（2） 防水措施：

防水措施主要采取防、堵结合原则进行。管廊自身防水可分为建筑防水、结构自防水以及管廊内水暖管道的防水检漏等，可以做到管廊对外无渗水。管廊外的防水主要是防止地面的水下渗，在设计时根据管廊的埋深、上部的用途（道路、绿化带等）进行防（阻）水设计，做到地面水不下渗或最大限度减小下渗量。地基处理至基坑底边处，与基坑护壁紧密结合，形成完整的隔水层，杜绝水下渗。

（3） 结构措施：

管廊自身刚度很大，可以抵抗一定的不均匀沉降，在加强结构自身刚度的同时，沿结构长度方向合理设置变形缝，以增加结构对不均匀沉降的适应能力，变形缝间距不大于30m。

地下水富含区

由于地下综合管廊施工环境的特殊性,建设过程中不可避免地会遇到各种各样的岩土工程问题,尤以基坑开挖最为重要,而开挖引起的岩土效应主要来自地下水的影响。本文以地下水与基坑开挖之间的关系为研究重点,引入银川地下综合管廊项目为例,研究管廊基坑开挖中受地下水影响引起的岩土工程问题并提出合理的设计方案及预防措施。

1.银川管廊项目沿线工程地质和水文地质条件

1.1 工程地质条件

银川地下综合管廊项目宝湖路管廊工程大致成东西向分布,沿线主要为耕地、民房、植被茂盛。根据现场钻探揭露,管廊建设场地范围内地层结构简单,除上部人工填土外,其下均为第四系黄河冲积和黄河成因土层。开挖时土层主要岩性为粉质黏土、粉土、粉细砂。

1.2 水文地质条件

1.2.1 地表水

与银川地下综合管廊项目拟建管廊相交的地表水系主要为一条南北向灌渠(良田渠)及艾依河。良田渠渠宽10-13m,深约2.4m,间歇性蓄水。艾依河是宁夏回族自治区重点水利工程,其主要水源为农田排水、各级排水沟汇集后补给河道、黄河水补水及雨洪水。资料显示,河道平均来水量5581万m?。水量呈现年周期及季节性变化,丰水期为当年5月至11月下旬,最大河水深度约2m,水面宽约69-102m。

1.2.2地下水

银川地下综合管廊项目场区地下水属孔隙潜水类型,其地下水静水位在自然地表下1.5-7m处,主要受艾依河及沟渠侧向径流补给为主,其余次之,呈季节性变化,变幅在0.5-1.0m左右。

2.地下水对管廊建设施工的影响

城市综合管廊建设中,基坑开挖引起的环境效应主要来自地下水的影响,主要是基坑开挖改变了地下水的渗流途径,破坏了土体的原始平衡状态,产生一系列新的变化。主要表现为:地下水渗透破坏引起的基坑坍塌,基坑突涌导致的流砂管涌,降低地下水位引起的地面沉降。

2.1 基坑坍塌、基坑突涌

城市地下综合管廊涉及地下空间的开发利用,必不可少会出现开挖问题,目前地下管道常用开挖方法有明挖现浇法、明挖预制挖、浅埋暗挖法、盾构法。

明挖现浇法具有施工简单、方便、工程造价低特点、适用于新建城市的管廊建设。银川地下综合管廊项目地处银川平原腹地,场地及其附近未见区域断层及全新活动断裂,场区岩土体较完整,稳定性好。综合考虑在其开挖时面临的岩土工程问题,本项目采用明挖现浇法进行开挖。但是在基坑开挖时,因其管廊主体底板设计标高小于于地下水埋深标高(管廊主体高度见图1),在开挖过程中势必会出现由于地下水下降而引发边坡问题,从而出现砂土液化、边坡坍塌、流沙管涌等现象。根据本工程岩土勘测报告显示及现场施工实测,银川地下综合管廊项目所在场区饱和粉土粘粒含量一般为15.3-20.1%,平均粘粒含量17.3%,为不发生液化场区。如何正确处理边坡坍塌、流沙管涌成为管廊建设施工中施工单位所面临的主要问题。

图1 管廊标准断面图

2.2 地面沉降

银川地下综合管廊项目所在场区地下水埋深浅,为优化施工工序,在开挖过程中采取降低地下水水位的方法来进行开挖,本项目依据施工方案采用轻型井点降水法降低地下水水位。

由于地下水位埋深标高大于管廊底板设计标高,基坑开挖达一定标高时,土的含水层被切断,地下水源源不断渗入基坑内。为保证正常的施工,防止基坑坍塌,采用人工降水降低地下水水位。地下水水位降低后,在抽水影响半径范围内土壤会产生新的固结,从而引起地面沉降。当管廊施工完成,土方回填,地下水位上升,由于地下水的浮力作用,土体的有效重力减小,使土的承载力降低,从而引起浅基础建筑稳定性(示意图见图3)。银川地下综合管廊项目经现场周边建筑物的地面沉降检测数据显示,本项目所在场区内及周边浅基础建筑物并无出现因地下水水位下降或上升导致建筑物承载力明显变化,未对浅基础建筑物的安全造成影响。

综上所述,在银川地下综合管廊项目施工过程中,受地下水影响的主要岩土问题为基坑明挖过程中可能出现的边坡坍塌、流沙管涌问题。

3.基坑开挖引起的环境岩土工程问题的处理对策

3.1工程地质和水文地质条件分析

根据勘察报告显示,对所属项目工程地质条件以及水文地质条件进行分析研究。了解基坑工程范围内及其影响基坑开挖的范围内土层性质、地表水、地下水情况以及不良地质现象,对基坑开挖可能产生的岩土工程问题进行分析研究,提出确保施工环境安全和合理支护结构的设计方案、预防措施。

3.2合理的施工方案

3.2.1 合理的基坑支护开挖

为避免基坑开挖过程中边坡塌陷,常用的支护方式有:①当开挖深度较浅,土质较好,周边有足的放坡空间时,可采用放坡开挖;②土质较差,挖深较深时,可采用钢板桩+钢支撑;③挖深较浅,对变形要求不严格时,可采用重力式挡墙支护; 挖深很深,土质较差,可采用灌注桩+钢支撑。

银川地下综合管廊项目根据当地类似地层基坑工程设计施工经验及岩土工程勘察报告,采用分段支护方式进行支护。

靠近路面段:该段基坑开挖深度约为9.7~14.4m,采用放坡的开挖方式已无法保障通达南街的交通通行,因此,该段综合管廊基坑开挖采用钢筋砼灌注桩+预应力锚索的支护型式。

横穿艾依河桥段:该段综合管廊为横穿艾依河段,基坑开挖深度介于8.7~ 9.7m 之间,采用土钉墙支护。坡率统一采用1:0.75,按水平间距1.0m,竖向间距1.5m设置5道土钉,坡面采用铺设A3@50×50mm 规格成品钢板网、喷射100mm厚C20素混凝土的方法进行防护(注意坡顶反包1.5m宽),坡脚设集水盲沟,深0.5m、宽0.4m。

标准段:该段综合管廊基坑开挖深度介于8.0~11.4m之间,采用放坡开挖。放坡坡率参考本工程岩土工程勘查报告,中间不设平台。坡面采用铺设A3@50×50mm规格成品钢板网、喷射100mm厚C20 素混凝土的方法进行防护(注意坡顶反包1.5m宽),钢板网采用1.5m长C14“U”型钉固定,坡面“U”型钉按1.5 m×1.5m梅花型布设;坡脚设集水盲沟,深0.5m、宽0.4m。

3.2.2 合理的降水措施

一般而言,在进行地下水抽水的过程中,其地下水流流动方向都呈现漏斗状。如何正确计算出地下水涌水量成为保证合理降水措施及保证工程施工的重中之重。根据达西定律v=KI(v为渗流速度,k为渗透系数,I为水力坡度),单位时间内的渗流量主要与渗透系数与水力坡度有关。根据勘察报告和现场抽水试验校核,本工程降水设计时,取粉细砂层渗透系数k为5.8m/d。

银川地下综合管廊基坑最大开挖深度为14.4m,根据银川地区基坑降水经验,本项目采用管井降水。沿条形基坑周边距离基坑边坡下缘线 2.0~3.0m 处呈环形布置布设316 口降水井。坑外降水井井间距约20m,井深按16m、20m、23m、25m 考虑,基坑土方开挖过程中,应于基坑坑底四周设置简易排水明沟及集水坑。排水明沟的底面应比挖土面低0.3~0.4m。集水坑底面应比排水明沟底面低0.5m以上,并随基坑的挖深而加深,以保持水流畅通。

在基坑开挖过程中,可能出现地下水从支护桩之间空隙或边坡坡面流出的现象,应视现场渗漏情况,在渗漏处预埋导流水管(泄水孔),将渗漏出来的水疏导出去。如实际施工中出现上述综合降水方法仍满足不了要求,根据现场情况采取于坑壁设置多层斜向简易轻型井点(入射角30°~45°)的降水措施,挖至坑底后再设置多组竖向简易轻型井点进行疏干降水。

3.3 信息化管理

水,流动者也,不同时期地下水对基坑的影响也不尽相同。在当今科技信息日益变化的今天,施工现场地下水水位变化的监测数据资料是确保基坑安全开挖的前提,是信息化施工的重要环节,也是动态控制基坑施工安全的重要方法。银川地下综合管廊项目在施工过程中主要采取以下几点来预测和监控地下水位,确保施工中各受力部位的稳定与安全。

①在降水区周边布置专门的地下水位观测孔,采用测绳测量井深及水位标高。

②将每次观测的水位值和流量记录在“地下水位长期观测记录表”中,并及时进行整理,分析水位下降的趋势与流量变化。预测地下水水位下降到设计深度的时间和确定抽水井数与时间。如水位、水量发生突然变化,应立即查明原因,及时进行处理。

③在整个降水期间,必须保正降水井点和抽水设备的完好,对抽水设备进行定期检查和维修,发现问题及时处理,确保建筑施工安全进行。

建立预警系统,设立预警值。若在检测过程中发现问题及时处理,确保建筑施工安全进行。

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知识点：“湿陷性黄土”和“富含地下水”区域的综合管廊地基处理