常州軌道交通一號線地質(zhì)特征及人工凍結(jié)法試驗取樣分析

徐敏　羅元喜

【摘 要】地鐵建設(shè)中的上、下行隧道的聯(lián)絡(luò)通道，在一些地下水較為豐富的地區(qū)在其施工過程中存在著較大的風(fēng)險。人工凍結(jié)法以結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強、無環(huán)境污染、隔水性好等優(yōu)點在聯(lián)絡(luò)通道施工中常被采用。而之前未有常州地區(qū)凍土物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)試驗研究資料，本文以常州地鐵I-01標(biāo)段新龍車輛段出入場線及4個盾構(gòu)區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道場地典型土層為研究對象，分析了常州軌道交通一號線地質(zhì)特征及凍土試驗取樣特點，可為常州區(qū)域軌道交通工程建設(shè)提供參考。

【關(guān)鍵詞】聯(lián)絡(luò)通道；凍結(jié)法；取樣；軌道交通建設(shè)

隨著常州經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化水平不斷提高，城市交通壓力持續(xù)增大，中心城區(qū)道路交通容量已基本飽和。為有效解決常州長遠(yuǎn)交通問題，建立以軌道交通為骨干、以公共交通為主體的現(xiàn)代化、多層次的綜合交通體系，是必經(jīng)之路。軌道交通建設(shè)不僅促進實現(xiàn)區(qū)域交通一體化、還能帶動長三角區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，軌道交通建成后，常州市將更好融入長三角1小時、2小時經(jīng)濟圈中。

在多數(shù)地鐵隧道建設(shè)中，為保證隧道的防災(zāi)抗災(zāi)安全，一般會在兩條平行隧道之間設(shè)置橫向聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道的施工，不僅要考慮自身結(jié)構(gòu)和地面建筑物的安全，更要確保主隧道的穩(wěn)定，但其安全防護系統(tǒng)遠(yuǎn)不如主隧道完備[1]。尤其在孔隙比大、含水豐富、高壓縮性的敏感性地層中，開挖后土體難以自穩(wěn)的情況下，必須選擇合適的施工方法，才能保證施工安全及減小對周圍環(huán)境的影響。因不同地質(zhì)條件及施工要求，聯(lián)絡(luò)通道施工有多種方法。在諸多方法中，人工凍結(jié)法[2-4]以其封水性好、強度高、適應(yīng)性強、無污染以及超強的可控性和實用性被沿海城市廣泛的應(yīng)用，例如上海、廣州、天津等。人工凍結(jié)法是特殊環(huán)境和工程地質(zhì)條件下一種重要的地下工程施工方法，人工凍結(jié)法能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，如軟土、含水不穩(wěn)定層、流砂、高水壓及高地壓地層。該項技術(shù)在德國、法國、美國、加拿大的地鐵、隧道、基坑等地下工程及環(huán)境保護中廣泛應(yīng)用[5]。本文主要針對常州軌道交通一號線地質(zhì)特征及人工凍結(jié)法試驗取樣展開分析。

1 常州市軌道交通全線概況

常州市軌道交通1號線一期工程由武進區(qū)南夏墅至新北區(qū)新龍，起點站為南夏墅站，終點站為北海路站，線路全長約34.237km；起點南夏墅站至陽湖路站采用高架敷設(shè)方式，陽湖路站后設(shè)置高架至地下過渡段，至終點采用地下敷設(shè)方式，其中高架線長2.189km，地下線長31.635km，敞開段長0.413km；共設(shè)29座車站，其中地下車站27座，高架車站2座，平均站間距1207m。設(shè)一段一場，在鳳棲路西側(cè)、鏡湖路南側(cè)設(shè)城南停車場，在長江路東側(cè)、創(chuàng)業(yè)路南側(cè)設(shè)新龍車輛段。

在茶山站附近旁設(shè)控制中心，1號線一期工程共有7座車站與5條軌道交通線換乘（龍躍路站與規(guī)劃3號線換乘、武進區(qū)站與規(guī)劃6號線換乘、茶山站與規(guī)劃4號線換乘、文化宮站與規(guī)劃2號線換乘、翠竹站與規(guī)劃5號線換乘、漢江路站與規(guī)劃6號線換乘、常州北站站與規(guī)劃3號線換乘）。在大學(xué)城北站、同濟橋站、龍虎塘站附近共設(shè)置3座主變電所。在文化宮站西北象限設(shè)1、2號線間聯(lián)絡(luò)線。

2 場地工程地質(zhì)條件分析

2.1 場地地形地貌

常州市地處長江下游三角洲蘇南平原，區(qū)域內(nèi)平原可進一步劃分為長江漫灘平原區(qū)、沖湖積高亢平原區(qū)、滆湖平坦水網(wǎng)化平原區(qū)、太湖平坦水網(wǎng)化平原區(qū)、湖沼平坦水網(wǎng)化平原區(qū)等五個地貌單元。

Ⅰ-KC-01標(biāo)段沿線除常州北站附近外多為農(nóng)田、村莊和工廠，長江北路沿線有水管、電力、通信管線分布，鄉(xiāng)村道路附近有部分農(nóng)村用的水管、電力、通信線路。

Ⅰ-KC-02標(biāo)段從市民廣場站起，至常州北站止，從市民廣場站～黃河路站，擬建線路在新北區(qū)中心城區(qū)穿行，沿線均為城市主干道和重要商業(yè)街區(qū)，兩側(cè)高樓林立，道路交通繁忙，地下管線遍布密集，周圍環(huán)境復(fù)雜；從黃河路站～常州北站，擬建線路位于郊區(qū)，需依次下穿滬寧高速公路、滬寧高速鐵路等重要交通線，除龍虎塘站～華山路站在穿越藻江河后需近距離穿越現(xiàn)有住宅小區(qū)外，其余大部分區(qū)域，擬建線路主要位于郊區(qū)待開發(fā)空地內(nèi)，周圍環(huán)境一般。

Ⅰ-KC-03標(biāo)段沿線均為城市主干道和重要商業(yè)街區(qū)，沿線兩側(cè)高樓林立，交通繁忙，地下管線遍布密集，錯綜復(fù)雜，沿線的場地環(huán)境條件對軌道交通工程影響較大。

Ⅰ-KC-04標(biāo)段沿武進區(qū)花園街→大學(xué)城→鳳棲路，沿線道路交通繁忙、兩側(cè)建筑物林立、各類地下管線遍布，錯綜復(fù)雜。其中線路下穿中防花園商貿(mào)城（人防綜合）工程、下穿常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖文中心大樓等處建設(shè)環(huán)境復(fù)雜。Ⅰ-KC-04標(biāo)段需穿越的建（構(gòu)）筑物有長虹路高架、常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖文信息大樓、武南河鳳棲橋等，以上建（構(gòu)）筑物下均有樁基礎(chǔ)，地下障礙對軌道交通工程施工影響較大。花園街兩側(cè)地下工程較多，在基坑開挖過程中，一般采用了土釘墻、排樁、錨桿等支護措施，部分土釘、錨桿可能進入軌道交通建設(shè)范圍線以內(nèi)，對后續(xù)軌道交通工程基坑開挖、盾構(gòu)均可能產(chǎn)生影響。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 地表水類型

常州市北臨長江，南瀕太湖，區(qū)內(nèi)地表水系極為發(fā)育，為太湖上游高水網(wǎng)區(qū)。境內(nèi)河流縱橫，湖蕩棋布，連江通海。主要河流有長江、京杭大運河、北塘河、采菱河、夏溪河、新孟河、 武宜運河、武南河等，湖泊主要有太湖、滆湖。長江主要位于擬建場地北面，河床寬4～12km，水深30～40m，主要洪水期在7～9 月。根據(jù)觀測站資料，最大洪峰徑流量約10萬m3/s，最小徑流量約6000m3/s，多年平均徑流量約3萬m3/s，江水平均流速1m/s 左右。

全線聯(lián)絡(luò)通道都位于地下，與上部地表水無直接聯(lián)系。

2.2.2 地下水類型

根據(jù)本次初步勘察結(jié)果，場地地下水主要為孔隙潛水及承壓水。

孔隙潛水主要賦存于①層填土中。①層填土，土質(zhì)較松軟，由軟-可塑狀粉質(zhì)粘土組成，夾碎塊及植物根莖，厚度不均，富水性一般，透水性一般，主要補給源為大氣降水、人工用水、地表逕流，以大氣蒸發(fā)作用排泄。潛水水位埋深約為0.50～2.60m，水位標(biāo)高約為1.83～4.60m，年變化幅度約為0.5m。

承壓水分為第Ⅰ層承壓水和第Ⅱ?qū)映袎核?。第Ⅰ層承壓水主要埋藏于?、⑤2、⑧2層粉土、粉砂中，其中⑤1、⑤2為Ⅰ1承壓含水層，⑧2為Ⅰ2承壓含水層，其主要補給源為滆湖水的側(cè)向補給，排泄途徑亦相同，水量較豐富。第Ⅰ1承壓水埋深為地面下3～10.3m，水位標(biāo)高約為-5.27～2.63m。Ⅰ2層承壓水埋深為地面下6.79～11.2m。第Ⅱ?qū)映袎核饕癫赜冖?、⑩1層砂土中，主要通過側(cè)向徑流補給，曾經(jīng)是常州地區(qū)工業(yè)用水抽汲的地下水，自2004年對第Ⅱ承壓水禁采以后，該承壓水水位逐漸回升，水位年變化幅度很小。

2.3 不良地質(zhì)與特殊性巖土

2.3.1 不良地質(zhì)作用

1）地面沉降和地裂縫

地面沉降是常州市域平原區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型，主要是長期強烈開采地下水所引起的。

地面沉降與地裂縫對軌道交通工程危害較大。由于地層構(gòu)造、抽水量等差異使得城市各地區(qū)的地面沉降量和沉降速率會有所不同，長期積累下去，地面沉降會產(chǎn)生沉降漏斗區(qū)，漏斗區(qū)內(nèi)的地層沉降遠(yuǎn)大于其它地區(qū)的沉降，局部地段甚至可能發(fā)生地裂縫災(zāi)害。當(dāng)隧道穿越沉降漏斗區(qū)時，位于漏斗區(qū)內(nèi)的隧道沉降明顯比漏斗區(qū)外隧道的沉降大，使得相鄰盾構(gòu)隧道管片間有較大的差異變形，這將極大地影響隧道的正常運營。擬建軌道交通的建設(shè)和運營，應(yīng)對地面沉降和地裂縫的危害和危險性予以足夠重視。

2）砂土

全線聯(lián)絡(luò)通道影響范圍內(nèi)的砂性土層主要有⑤1粉砂夾粉土、⑤1-1粉土、⑤1-2粉砂夾粉土、⑤2粉砂、⑤2A粉砂夾粉土、⑤3粉砂夾粉土、⑧2粉土夾粉砂。砂性土對凍結(jié)法的施工的影響主要為砂性土一般存在承壓水層，如果水流過快，會帶走溫度，影響凍結(jié)壁的形成。

2.3.2 特殊性巖土

全線聯(lián)絡(luò)通道影響范圍內(nèi)特殊性巖土主要為軟土，②3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為軟土層，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高等不良工程特性。凍結(jié)法施工解凍后易產(chǎn)生較大變形，從而易造成地基、管線和周邊構(gòu)筑物沉降量過大、不均勻沉陷或基礎(chǔ)面?zhèn)认蚧瑒拥葐栴}。

3 凍土試驗取樣

常州市軌道交通1號線一期工程共劃分為五個標(biāo)段，標(biāo)段所有出入場線及盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道場地主要第四系松散沉積物，其巖性主要為軟土和粉細(xì)砂層，結(jié)構(gòu)松散，地下水較為豐富，擬采用凍結(jié)法施工，本次凍土物理力學(xué)特性試驗研究主要針對I-01標(biāo)段。I-01標(biāo)段聯(lián)絡(luò)通道分布在新龍車輛段出入場線及4個盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)（除新龍站～北海路站設(shè)置2個聯(lián)絡(luò)通道外，其余各區(qū)間均設(shè)置1個聯(lián)絡(luò)通道），擬采用凍結(jié)法施工。

本次取樣采用鉆孔取樣，土樣尺寸統(tǒng)一為■92mm×250mm。依據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50307-2012）和《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）。

取原狀土樣主要在粘性土、粉土和砂土中進行，取樣位置視土層的埋深及厚度變化情況而定，聯(lián)絡(luò)通道周邊距結(jié)構(gòu)上下6m范圍內(nèi)取樣間距為1.0～1.50m，確保每層取土試驗數(shù)據(jù)不少于18個Ф92×250mm土樣。

每層土層做1 組凍土的物理力學(xué)特性指標(biāo)。主要應(yīng)包括不同溫度（-5℃、-10℃、-15℃）的凍土抗壓強度、凍土彈模、凍土泊松比，-10℃凍土的剪切強度、-10℃凍土的抗折強度、-10℃凍土的蠕變參數(shù)，融沉系數(shù)、凍土導(dǎo)熱系數(shù)、凍脹率等。

4 結(jié)論

地鐵建設(shè)中的上、下行隧道的聯(lián)絡(luò)通道，既有保證乘客在必要時進行安全疏散功能，又起到地鐵運營中兩車站間的集排水作用。在一些地下水較為豐富的地區(qū)在其施工過程中存在著較大的風(fēng)險性，應(yīng)對處理難度大，這一技術(shù)難題越來越引起人們的重視。

人工凍結(jié)法以結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強、無環(huán)境污染、隔水性好等優(yōu)點在聯(lián)絡(luò)通道施工中常被采用。而之前未有常州地區(qū)凍土物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)試驗研究資料，參考其他地區(qū)參數(shù)會對工程帶來很多不確定性。而之前未有常州地區(qū)凍土物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)試驗研究資料，本文以常州地鐵I-01標(biāo)段新龍車輛段出入場線及4個盾構(gòu)區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道場地典型土層為研究對象，分析了常州軌道交通一號線地質(zhì)特征及凍土試驗取樣特點，可為常州區(qū)域軌道交通工程建設(shè)提供參考。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]