北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)北京市區(qū)地鐵、深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)北京市區(qū)地鐵、深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)編寫：侯景巖（國(guó)土資源部國(guó)土資源部 教授級(jí)高級(jí)工程教授級(jí)高級(jí)工程師師 ）摘要：摘要：本文由北京四環(huán)路以內(nèi)淺層（埋深30米以內(nèi)）土質(zhì)分區(qū)入手，介紹地鐵、深基礎(chǔ)施工中各區(qū)段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，并對(duì)與之相關(guān)的工程環(huán)境進(jìn)行分區(qū)，同時(shí)介紹降水技術(shù)。 北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)圖圖1-1 1-1 北京的地形及河系北京的地形及河系北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 北 京 平 原 即 北 京 行 政 區(qū) 所 轄 平 原 區(qū)16800Km2 ，而北京市區(qū)即東城、西城、崇文、宣武、朝陽(yáng)、豐臺(tái)、海淀所屬的建成區(qū)只有400 Km2，地鐵工程及高大建筑物多分布在本區(qū)之內(nèi)，這也是本文的討論重點(diǎn)。 北京市區(qū)是北京平原的一個(gè)局部。就巖土工程條件看，它有如下特點(diǎn)： (一)三大河系沉積物控制其成長(zhǎng)發(fā)育：北京古地理及其沉積環(huán)境，是一個(gè)很復(fù)雜的問題，此以將今比古的研究方法看，永定河、北運(yùn)河和潮白河這三條河流是對(duì)北京市區(qū)影響最大的三條河系也就是說以永定河為主的三條河流所帶來的沉積物構(gòu)成了北京市區(qū)。特別是更新世晚期和全新世時(shí)期，其特征是山前幾個(gè)沖積扇相連；西部、中部以北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 及西南部為永定河的堆積物；北部為北運(yùn)河的現(xiàn)代堆積物；東部為潮白河的影響區(qū)。所形成的沉積物：第四系地層厚度：西部復(fù)興門以西為30-40米、中部天安門一帶為70-80米、東部建國(guó)門以東為120-200米。巖土組成特征：西北巖土顆粒粗、東南巖土顆粒細(xì)；西北為單一的砂卵石含水層、東南為砂礫石與粘性土互層；西北為單一潛水區(qū)、東南為潛水與承壓水并存( (見圖見圖2:2:市區(qū)階地分布市區(qū)階地分布示意圖示意圖) ) 。 巖土物理力學(xué)性質(zhì)：因巖土顆粒組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及含水特性的不同而有所差異，相關(guān)指標(biāo)各勘察資料均有記載，這里不一一贅述。 由地形上看，西部高、東部低、北部高、南部低。 作為其佐證，請(qǐng)看穿過市區(qū)南北向地鐵各站地面標(biāo)高即可看出，各級(jí)階地和河漫灘，產(chǎn)生不同的地層結(jié)構(gòu)。 北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)45m48m52m47m39.9m三級(jí)階地二級(jí)階地一級(jí)階地頤和園成府路雙榆樹菜市口馬家堡北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)圖圖3 市區(qū)基底東西向剖面圖市區(qū)基底東西向剖面圖堅(jiān)硬巖石堅(jiān)硬巖石天安門八寶山西山第三系紅層定福莊北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 由市區(qū)東西向剖面圖可以看出，北京市區(qū)基底由三個(gè)部分組成，即西部古老巖系、東部大興隆起和中部北京凹陷。1 1、西部古老巖系、西部古老巖系：埋深20-40米，由煤系地層為主組成，下伏奧陶系石灰?guī)r，將西山雨水導(dǎo)入平原，對(duì)平原工程條件影響甚大。2 2、中部北京凹陷、中部北京凹陷：即著名的北京沉降帶，東西寬約30華里，（航天橋高碑店），東北西面向分布，廣安門一帶厚約3000余米。由不透水的第三系紅灰色砂礫巖組成，天安門地面70米以下即為第三系，它控制了地下水的運(yùn)動(dòng)和分布，對(duì)全區(qū)工程、水文地質(zhì)要件有著重大的影響。3 3、東部大興隆起、東部大興隆起：實(shí)際是一個(gè)潛伏在地下的隆起帶，分布在通縣縣城和大興縣城的連線上，是由寒武、奧陶系灰?guī)r組成，巖溶發(fā)育，埋藏又較深，其供水方面的意義，大于工程地質(zhì)方面的影響。 北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 按本區(qū)地層、巖性、富水性以及其它水理特性綜合分區(qū)為以下五區(qū)。( (見圖見圖4 4：淺層：淺層30 第四系富水性分區(qū)第四系富水性分區(qū)) )1、富水區(qū)（區(qū)）：淺層水井的單井出水量大于30m3/h 本區(qū)主要分布在海淀區(qū)紫竹院、阜城門、天壇以西地區(qū)，巖性主要以砂礫石、砂卵石、粗中砂為主，粘性土多以?shī)A層或透鏡體狀態(tài)分布，西部及北部含水層顆粒粗，東部及南部含水層顆粒細(xì)，主要含水層水位埋深在19m以上。 地區(qū)平均含水層厚度13 m左右，含水層滲透系數(shù)80120m /d，平均水力坡度千分之二，局部有第三系地層隆起2、較富水區(qū)（區(qū)）：淺層水井的單井出水量20- 30m3/h 本區(qū)主要分布在市中心地帶，以故宮為中心，呈Y字型南北向的條形地帶，即五道口、阜城門、天壇公園以東、東直門、建國(guó)門、呂家營(yíng)以西地。地面標(biāo)高44m左右。地層 北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 分布主要以圓礫、砂礫卵石為主，一般有厚層的粘性土分布其間。表現(xiàn)出明顯的分層性，地層顆粒由北向南略有變細(xì)的趨勢(shì)，地層平均含水層厚度8-12m。地下水基本流向由西北向東南，地下水位比較混亂，水位埋深17-19m。含水層滲透系數(shù)50-80 m /d。平均水力坡度千分之1.5。3、中等富水區(qū)（區(qū)）：淺層水井的單井出水量10-20m3/h 共分兩個(gè)亞區(qū)，1區(qū)是在城區(qū)東部西壩河、東直門、建國(guó)門、呂家營(yíng)以東，東四環(huán)以西地帶；2區(qū)，西北至西直門以北、東北至西壩河曙光里，南到北新橋、后海的一個(gè)U字形地帶。地層主要為砂、砂礫與粘性土互層。平均滲透系數(shù)20-60m/d，地下水位埋深15-17m。4、弱富水區(qū)（區(qū)）：淺層水井的單井出水量5-10m3/h 1區(qū)主要分布在北三環(huán)路安貞橋及馬甸橋以北的U字形地帶，西北至東升路、東北至太陽(yáng)宮一帶。 2區(qū)主要分布在亞運(yùn)村及安外小關(guān)地帶，為一個(gè)逐漸向北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 北擴(kuò)大的半圓形，向北又進(jìn)入另一個(gè)富水區(qū)。 3區(qū)主要分布在玉淵潭以南，公主墳附近一個(gè)東西長(zhǎng)、南北短的環(huán)形地帶。本區(qū)地層主要以砂質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等粘性土為主，在粘性土之間夾部分中細(xì)砂或粉細(xì)砂層，地層巖性分層界限不清，淺層難以成井。不同的是3區(qū)是因第三系巖層隆起至使第四系地層變淺而劃入第四區(qū)，出水量較1、2區(qū)為大，但不穩(wěn)定。本區(qū)滲透系數(shù)10-40m/d，水位埋深14-20m，3區(qū)水位較其他地區(qū)為深。5、貧水區(qū)（V層）：淺層水井的單井出水量小于5m3/h 共分2個(gè)亞區(qū)，V1區(qū)位于北京市北部中軸線，北三環(huán)路以北、亞運(yùn)村南呈U字型分布。向西北及東北延伸，西北至地質(zhì)大學(xué)，東北至干楊樹附近。V2區(qū)分布在西部公主墳地區(qū)，范圍很小，只有1.2平方公里。本區(qū)地層主要以粘性土、砂質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土為主，中央有少量粉質(zhì)砂層及砂層透鏡體。V2區(qū)公主墳出水量不穩(wěn)定。北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)地質(zhì)學(xué)院地質(zhì)學(xué)院北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 就此三條地鐵線路第四系地層顆粒而論、西部粗、東部細(xì)。南北兩頭粗、中間細(xì)。西部水位埋深大，東部水位埋深淺。西部地層分層性差，東部地層分層性好?？蓪⒏骶€按巖土工程條件概略的進(jìn)行分段。1 1、地鐵四號(hào)線、地鐵四號(hào)線：全線多砂礫類土含水層，顆粒較粗、水位埋深較深，可將其分為4段。（1）新街口以南。屬砂礫類土與粘性土互層分布區(qū)，砂類土多，南部為永定河主影響區(qū)。（2）新街口至黃莊。為較巨厚的砂礫部區(qū)。（3）黃莊至成府路。上部為粉土質(zhì)地層，深部為砂卵石地層。（4）園明圓至龍背村。淺層砂礫卵石多，且極富水。北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)2 2、地鐵五號(hào)線：、地鐵五號(hào)線：全線南北差異較大，南部為砂類土與粘性土互層，北部為粉質(zhì)類粘土廣泛分布?？蓪⑵浞譃?段。（1）北新橋以南為多層砂類土與粘性土互層，崇文門以南砂類土多。（2）北新橋以北為粉土質(zhì)粘性土廣泛分布，局部有砂卵石，粉土類的自穩(wěn)性好，但有少量層間水極難去除。 北土城東路站以北地鐵鉆出地面，故未作分區(qū)。3 3、地鐵十號(hào)線：、地鐵十號(hào)線：全線穿過幾個(gè)地質(zhì)單元，巖土特性變化較大，概略地將其分為3段。（1）亮馬河以南。為砂類土與粘性土互層出現(xiàn)，除南部外，粘性土相對(duì)多余其他條線路，水位相對(duì)較淺。（2）亮馬河至知春里。為粉土質(zhì)類粘性土廣泛分布區(qū)，局部有砂卵石，土的自穩(wěn)性較好，但有少量空間水，極難去除。（3）知春路以西。較少粘性土而多為巨厚砂卵石分布區(qū)，水位較淺，地層顆粒較粗、掘進(jìn)較困難。淺層有砂巖分布。 北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 以上只是一個(gè)粗略的工程地質(zhì)分區(qū)，相信隨著北京地鐵等大型工程的大規(guī)模建設(shè)，不斷的取得新的工程資料，定會(huì)取得一些新認(rèn)識(shí)、新看法、使北京市區(qū)的巖土工程分區(qū)，更為成熟，更為完善。自1896年德國(guó)建造柏林地下鐵道采用深井降水以來，因地下鐵道埋置深度的加大，施工人員無時(shí)無刻不在和地下水作艱苦斗爭(zhēng)，施工降水也隨之而有所發(fā)展。北京地區(qū)為降低地下水位采用多種工具及施工方法，將多種施工工藝系統(tǒng)配套以適應(yīng)于各種地層，把地下水位下降到基礎(chǔ)層以下，保證了以往各條地鐵線路的建設(shè)的順利進(jìn)行，因而，也創(chuàng)造了一些成功的經(jīng)驗(yàn)。 （一）降水工程的作用： 在地下水位下，開挖隧道或深挖基坑時(shí)，采用降水的作用是： 1、截住基坑或隧道側(cè)面及基底的滲水，滿足施工的需要； 2、增加側(cè)壁及邊坡的穩(wěn)定性，并防止側(cè)壁或基層土壤流失；北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 3、減少側(cè)樁和隧道初期支護(hù)的壓力，減少隧道內(nèi)的空氣壓力； 4、改善基坑和填土的砂土特性； 5、防止基底隆起和破壞。 總之，不僅施工作業(yè)面需要降水，同時(shí)水位降低能使土的有效應(yīng)力增加，可使水位以下的土進(jìn)一步固結(jié)，有加固基坑、隧道側(cè)壁和基礎(chǔ)強(qiáng)度的作用。（二）設(shè)計(jì)降水工程的依據(jù)： 設(shè)計(jì)某一處的降水工程，需要搜集和了解以下方面的資料： 1、地下水分布和埋藏條件： 2、動(dòng)水壓力及流綱的分布； 3、地層滲透性（滲透系數(shù)）； 4、補(bǔ)給源及補(bǔ)給邊界資料。 總降水量計(jì)算公式，請(qǐng)參閱“建設(shè)中的北京地鐵”（中國(guó)鐵道出版社）。北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)（三）北京地區(qū)常用的降水方法： 1、輕型井點(diǎn) 2、噴射井點(diǎn) 3、深井井點(diǎn)（管井井點(diǎn)） 4、滲水井點(diǎn)（自滲井） 5、電滲井點(diǎn) 6、輻射井點(diǎn) 7、泄水暗溝（管）和明排等其他方法 （四）輻射井的應(yīng)用： 北京北郊地區(qū)，由于地層透水性及降水井施工條件的限制，有些施工單位采用輻射井降水方法，北京地鐵5#線已完成了十二眼降水輻射井，其特點(diǎn)如下： 1、降水施工時(shí)，占用施工場(chǎng)地小。邊長(zhǎng)小于100米基坑只在四個(gè)角上設(shè)輻射降水井即可； 2、充分發(fā)揮水平方向滲透性大于垂直方向滲透性的優(yōu)勢(shì)；北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 3、機(jī)械設(shè)備的改進(jìn)，已使主井可以用機(jī)械施工，水平井也可以克服地層方面的困難，大大提高了效率； 4、可節(jié)省資金和電力：據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，施工輻射井比普通深井井點(diǎn)貴14%，但深井點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)電費(fèi)比輻射井貴30%，如果考慮地面拆遷費(fèi)用、減少管線費(fèi)用，輻射井綜合成本還是有和深井降水比較的余地。 輻射井 主井口徑 3.23.3m（壁厚0.15m） 水平井口徑 89mm114mm（最終下入3英寸，波紋濾水管） 水平井長(zhǎng)度 3050m （五）降水引起沉降問題的討論 一般認(rèn)為，地下水位下降后，該土的溶重由原有水下浮重增加到飽和容重，由于土的自重壓力增加，再加上動(dòng)水壓力的作用，可能引起附加沉降。但在北京地區(qū)，由于下述原因：北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 1、水位變幅的往復(fù)發(fā)生，多層水位下降區(qū)域沉降早已多次發(fā)生而近于完成； 2、本區(qū)水位下降發(fā)生在砂層之中，基底式的砂粒接觸，使砂粒支撐了部分水壓力； 3、粘土層釋水的緩慢性。 所以降水所引起的地面沉降，量有多大，不同地層不同降水方式沉降有什么變化，應(yīng)加強(qiáng)測(cè)量監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步加以討論。 （六）地下水含水層中砂土懸涌塌方分析： 穩(wěn)定的飽和砂土，在大量放水、放砂平衡狀態(tài)被嚴(yán)重破壞，或者受到其他外力作用時(shí)，剪切力促使砂粒滑動(dòng)而改變排列狀態(tài)，應(yīng)力由砂骨架轉(zhuǎn)移至水，引起超孔隙水壓力。當(dāng)既有的全部應(yīng)力轉(zhuǎn)移至孔隙水后，超孔隙水壓力等于原飽和砂所承受的總壓力，形成了所謂的液化。此刻，水壓不能承受剪切力這一特性的影響下，穩(wěn)定飽和砂土變成流體，向著不平衡的方向掏空的隧道掌子面或基坑涌去，瞬間發(fā)生原有飽和砂土層物質(zhì)下泄，立即形成空洞，上覆土層塌陷，這即是原生塌方災(zāi)害。 北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)管道隧道水位X北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)管道隧道水位空洞斷裂北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)地面塌陷段隧道管道北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)20052005年年3 3月月北京市區(qū)地鐵深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù)