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蘭州晨報:揭秘蘭州地鐵修建背後的故事

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  • 來源:蘭州晨報
  • 日期:2019-06-27

朱彥鵬(右三)和其團隊在馬灘地鐵站考察基坑支護

馬灘地鐵站基坑支護。

“蘭州地鐵一號線從陳官營到東崗鎮,全長約26千米,共設置20個車站,平均站間距1356m,最大站間距2320m,最小站間距822m。”朱彥鵬對這幾組數字幾乎能倒背如流。

蘭州地鐵從開建的第一天起,他就作爲施工風險論證專家參與其中,20個地鐵車站的基坑圍護、解決基坑降水、基坑紅砂岩地質穩定性差的破解,都是由他和他的科研團隊曆經無數個日日夜夜,進行多次實驗、論證完成,這些科研成果填補了多項國內相關領域的技術空白。近日,本報記者專訪网易棋牌土木工程學院教授朱彥鵬,爲大家揭開地鐵修建過程中那些不爲人知的故事。

A 20个车站地质条件各有不同 破解基坑围护加固难题

蘭州地鐵1號線共有20個車站,車站施工采用明挖法或鋪蓋法,車站基坑開挖深度在15—24m之間不等,是目前蘭州地區開挖深度最深的基坑。地鐵站基坑大多在城市建成區中進行開挖,市區建築密度大,場地狹小,鄰近又有建築物和地下市政管線,基坑工程的主要技術難點在于對基坑周圍原狀土體的保護,防止地表沈降,減少對既有建築物的影響。而且地鐵車站在不同地質分區,工程地質及水文地質情況差異較大,這就給地鐵站開挖深基坑時應選擇何種圍護類型及地下水的處理措施選擇帶來了很大困難。朱彥鵬所帶領的科研團隊接手關于地鐵修建的第一個重任就是要解決這20個車站深基坑圍護的類型以及如何處理地下水。

地鐵工程深基坑圍護結構設計的合理與否,不僅對工程的質量和安全至關重要,而且對工程的實施難度、施工期間的城市居民生活及周圍環境等都會産生直接影響。同時,蘭州又處于特殊的黃土地區,基坑壁岩土體既具有濕陷性的黃土層,水位線附近還常分布有軟塑-流塑地層,部分地段基坑側壁及基坑底還存在厚度較大的砂層,這與國內外已開挖的地鐵建設城市的地質條件差異較大。蘭州是首次進行地鐵建設,可借鑒的經驗幾乎沒有,所以這給朱彥鵬的科研團隊帶來了極大的挑戰。

科研人员首先根据20个车站所在的地面交通状况、岩层以及地下水赋存条件、车站建筑布置等因素,将各个车站归类考虑。比如:陈官营站,地表为人工填土,土质疏松,其下为黄土状土,分布稳定,工程性质较好,但含水量丰富, 工程多位于水位以下,施工降水过程中卵石土中细颗粒的流失易引起坍塌及涌砂涌水现象,围岩稳定性较差;下部泥岩具弱膨胀性,易崩解,脱落。地下水埋深4-6m,对混凝土结构具中等腐蚀性。

西關站至五裏鋪站,屬于科研團隊劃分的東市區盆地內的一級階地。地層主要爲人工填土、全新世卵石和第三系古-始新世砂岩組成。坑壁和基底的土層多位于水位以下,易産生坑壁坍塌、湧砂湧水現象,穩定性差。

根據這些車站所處位置的不同地質結構,朱彥鵬采用了深層攪拌水泥土圍護牆、土釘支護、鋼筋混凝土地下連續牆、鋼筋混凝土排樁加內支撐結構等不同的圍護結構方案。

朱彥鵬在解決地鐵車站基坑圍護選型的難題過程中得出蘭州地區不同工程地質及水文地質條件下合理基坑支護型式(如圍護類型、嵌固深度、樁間距、連續牆厚度、支撐間距等等)的經驗數據,爲蘭州後續地鐵工程的設計與施工提供了寶貴的科學依據。

B揭示红砂岩透水特性 打通施工卡点

2016年东方红广场地铁站在修建过程中, 遇到一个难以破解的问题,一度阻碍了施工的正常进行。东方红广场地铁站长度600米,主体结构投资6亿多,号称国内第三大地铁站,它承载着1、2、3号线的换乘任务。这么重要的一个站,工程进度突然卡住了,施工方非常着急。

基坑內始終有滲水,起先有人認爲是基坑內的紅砂岩層裂縫造成的透水,而在施工前期做地質勘察時得出的結論是紅砂岩是不透水的。但實際上基坑內一直在滲水,大家都不知是何原因。作爲地鐵施工建設過程中全程參與風險論證的專家之一,這一問題引起了朱彥鵬的高度重視,他要枕擌基坑內的水是從哪裏來的。

朱彥鵬帶著他的團隊開始對東方紅廣場基坑內滲水問題展開深入系統的研究。首先他們通過一系列室內外試驗,對蘭州地鐵深基坑開挖所遇到的紅砂岩的物理力學特性和滲透性展開系統研究,全面分析紅砂岩的物理力學性質、揭示紅砂岩層的透水性與滲透變形機理。朱彥鵬告訴記者,不同地區紅砂岩具有明顯的差異,但是以往的研究與實踐工作未從紅砂岩物理力學特性角度考慮紅砂岩的滲透性,而是普遍認爲紅砂岩層爲隔水層,就是不具備透水性。如蘭州地區經驗和地勘報告中就寫到蘭州地鐵開挖遇到的“強風化砂秧撋岩作用差,屬極軟岩,易變形坍塌,地層富水性差,爲相對不透水層”。

但經過蘭州軌道交通1號線沿線多個車站基坑,特別是經過東方紅廣場站實踐證明,蘭州第三系砂岩透水性明顯,將其定義爲隔水層明顯不妥。朱彥鵬的科研團隊經過多次實驗最終將紅砂岩從多方面證明其具有滲透性。

紅砂岩既然具有透水性,隨後朱彥鵬團隊又展開探索與之相應的處置措施,結合對紅砂岩滲透系數的試驗研究,研究出基坑降水新方案,即采取坑外降水與坑內降水相結合的方法,在深基坑圍護樁的基礎上,利用坑外及周邊降水井,降低坑內外水頭差;坑內利用真空泵小厚度降水,采取降一層水,開挖一層的方式;坑內明水直接開挖集水井及時抽排的三位一體降水方法,有效避免了坑外的砂岩流入坑內,造成地面的沈陷,保證了基坑的正常運行。

針對紅砂岩透水的特性,采取新型的降水方案,東方紅廣場站終于恢複了正常施工,並且此方法之後在多個車站得到了應用。該研究成果有效縮短了地鐵站的施工期,填補了該地質情況下地鐵深基坑施工方面的空白。

C对红砂岩进行分类而“治” 降低工程造价

紅砂岩的問題並沒有就此結束。可以說這是讓蘭州軌道工程施工人員最頭疼的特殊岩土層,在解決了紅砂岩是否具有透水性的問題後,它又給施工人員擺出一個新問題。從現場開挖情況發現,不同地區的紅砂岩工程性質差異較大。部分地方的紅砂岩,暴露在地表極易風化,擾動或遇水時其強度迅速衰減呈散砂狀,由此産生了大量工程問題。

尤其是在基坑開挖過程中,位于水位以下的紅砂岩極易産生崩解砂化,其強度急劇下降,出現湧水湧砂、浸泡基坑現象,導致挖掘緩慢,嚴重影響工期,增加施工成本。另外,崩解砂化後的紅砂岩隨地下水滲流從基坑內用于阻止地下水的咬合樁薄弱處滲出,坑外砂土流失,給基坑周邊地表帶來較大沈降,對車站及周邊道路、管線以及建築物的安全造成很大隱患。

經過蘭州地鐵1號線多個車站基坑開挖後發現,不同地區紅砂岩性質不一致,尤其崩解性和滲透性差異較爲明顯。鑒于這種情況,朱彥鵬所帶的科研團隊2018年又開始著手進行關于蘭州地區紅砂岩崩解性的細致研究,以及與之相應的地下水處治措施。

朱彥鵬說,分析出蘭州市內各地鐵站紅砂岩的不同分類,就了解了它的崩解速度不同,在施工時就可以采取不同的方法,僅此科研項目就爲地鐵施工節省上億資金。

从2012年到现在,朱彦鹏和他的团队一直在围绕着兰州地铁建设中出现的工程问题进行“把脉诊治”。如今地铁正式通车了,朱彦鹏也拿到了一张乘车卡,他说高兴的同时,仍然有任务要做,那就是要做一系列保护规程, 因为之后地铁隧道周边肯定还会进行基础建设,那么如何才能不对地铁隧道造成影响,这就是他接下来要做的工作。

文/图 蘭州晨報/掌上兰州记者夏苗 实习生肖宗凯

http://www.lzcbnews.com/html/2019-06/27/node_8.htm

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