海陆交互相地层条件下地铁基坑降水的环境效应与控制措施

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近年来,我国城镇化水平的不断提高,国内各大中城市的常住人口逐年增加,相应的城市规模也在不断提升,许多城市都把修建地铁作为了构建适应于新时代要求的立体交通体系的重要途径。既是受上述国内大环境影响,也是顺应城市发展的需要,南通市也开始进行了轨道交通工程建设的相关工作。然而,自第四纪更新世以来,在地壳运动与古河流、古海洋等因素的共同作用下,南通地区形成了深达数百米的巨厚第四系沉积层,加之南通通江达海,地下水环境复杂,对地铁基坑建设造成了一定困难,其中海陆交互相沉积土这一特殊层位的影响尤为显著。在过往的工程实践中,发现在未发生明显流土状况时也会出现一定程度的基坑失稳状况。因此,有必要对南通城市轨道交通建设区域的地质情况及典型土层性质作一研究。本文以南通城区典型的海陆交互相粉砂为研究对象进行了一系列的试验及探讨,主要的工作内容如下:(1)依据相关的工程地质资料,将南通城区的地貌形态划分为平原与残丘两个地貌单元,整理了区域内地质历史与典型土层的工程地质特性,将全新统如东组中下段的青灰色滨、浅海相粉砂层确定为重点研究对象。依据工程地质及水文地质资料,并辅以南通城市轨道交通相关的设计建设资料,明确了区域内地下水赋存条件,并确定影响工程的主要地下水类型为潜水。(2)综合运用室内试验与现场试验,确定南通地区典型全新统如东组粉砂分类为细粒土砂(SF),并得到了相关的水文地质参数。采用水中落砂法制样进行了基坑渗漏引发渗流状态下的模型试验,结果表明,在模拟基坑侧壁存在渗漏的条件下,在渗漏点附近会形成一盆形沉降区域,该区域的尺寸与水头差呈正相关关系,且渗流引发的区域性不均匀沉降范围及程度主要与过往所受最大渗流水头差及渗透力(水力梯度)相关。(3)利用基于离散元理论的方法进行数值模拟,提出了适用于模拟南通地区高孔隙率粉砂的建模方法,结果显示,在存在基坑侧壁渗漏的情况下,渗漏点周边的土体会形成一盆形不均匀沉降区域,而在存在渗漏引起的渗流及渗透力的情况下,单纯由于地下水位变化引发孔隙水压力消散而导致的土体沉降远远小于渗流引发的土体不均匀沉降,同时水头差极大地影响了基坑渗漏引发渗流而导致的周边土体不均匀沉降。在南通这一地下水及大气降水都极其丰富的地区,如果基坑存在渗漏,很有可能在地下水位变动时造成险情。(4)通过分析南通城市轨道交通工程建设相关监测资料发现,当地铁基坑周边显示出异常的地下水位变化趋势时,该异常点周边的岩土体及建筑物形变很可能也存在异常,进一步论证了地下水在海陆交互相地层中的渗流是导致地铁基坑周边岩土体及建筑物发生异常形变的原因。同时发现,临近河流湖泊等自然水体的岩土体产生异常的差异沉降较少或程度较轻,这可能是由于在这种环境下地下水补给方便,受地表水体水位涨落影响大,可能早已达到相对稳定的状态。依据南通城市轨道交通车站基坑的相关建设经验,提出了地下连续墙-搅拌桩-止水帷幕的双层止水结构及FGM渗漏检测技术-WSS注浆的综合处治方案,为海陆交互相地层条件下的基坑降水环境效应的控制提供了指导方案。
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