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1、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(xiě)：侯景巖 （ 國(guó)土資源部 教授級(jí)高級(jí)工程師 ） 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)。 前 言 北京平原區(qū)是一個(gè)北部、西部靠山，東南部連接華北 大平原，不甚完整的盆地地區(qū)，燕國(guó)建都以來(lái)已有 3000年 的城市建設(shè)歷史，由局部看，是一個(gè)西北高（標(biāo)高 70-90米） 東南低（標(biāo)高 30米左右）的第四系沉積平原 （見(jiàn)圖 1-1 北京 的地形及河系） 。北部為陰山山系，西部為太行山系。有五 大河流（ 大清河、永定河、北運(yùn)

2、河、潮白河、 泃 錯(cuò)河 ）由 西北向東南入海，各河流所攜帶的堆積土石是北京平原的 主要組成物質(zhì)。河流相的砂、砂礫石、砂卵石以及各類粘 性土，互層而生。地下水以不同埋藏形式，賦存其中，形 成了北京平原工程地質(zhì)條件中的水文特點(diǎn)。本文擬以地鐵 以及一些工程為對(duì)象，討論它的巖土工程環(huán)境，同時(shí)討論 一些與之相關(guān)的工程分區(qū)問(wèn)題。 圖 1-1 北京的地形及河系 圖 1-2 北京地區(qū)水系流域示意圖 一、 北京市區(qū)的巖土工程特征 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

3、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(wèn)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(shuō)以永定河為主的三條河流 所帶來(lái)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 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

4、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(jiàn)圖 2:市區(qū)階地分布 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(guò)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)

5、構(gòu) 。 圖 2 市區(qū)階地分布示意圖 45 m48 m52 m47 m39.9 m 三級(jí)階地二級(jí)階地一級(jí)階地 頤 和 園 成 府 路 雙 榆 樹(shù) 菜 市 口 馬 家 堡 （二）古老巖系控制了市區(qū)第四系地層巖土工程特性： 圖 3 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 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、 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、 中部

6、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、 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 。 二、市區(qū)淺層（ 30m以上）第四系地層的分布規(guī)律 按本區(qū)地層 、 巖性 、 富水性以及

7、其它水理特性綜合分區(qū)為 以下五區(qū) 。 (見(jiàn)圖 4：淺層 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) 80 120m /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

8、，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 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

9、 、 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 。

10、 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(shù)附近 。 V2區(qū)分布在西部公主

11、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 。 圖 4 淺層 第四系富水性分區(qū)圖 圖 5-1 市區(qū)淺層南北向剖面 地質(zhì)學(xué)院 圖 5-2 市區(qū)淺層?xùn)|西向剖面 三、北京地鐵 4#、 5#、 10#、線各地鐵站段巖土特性 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 。 可將各 線按巖土工程條件概略的進(jìn)行分段 。 1、 地鐵四號(hào)線 ：全線多砂

12、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 。 2、 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 。 可將其分為 2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

13、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、 地鐵十號(hào)線： 全線穿過(guò)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

14、層有砂巖分布 。 圖 6： 地鐵四號(hào)線、五號(hào)線、十號(hào)線、奧運(yùn)支線圖示 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 。 四 、 降水技術(shù) 自 1896年德國(guó)建造柏林地下鐵道采用深井降水以來(lái) ， 因地 下鐵道埋臵深度的加大 ， 施工人員無(wú)時(shí)無(wú)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

15、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(kāi)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； 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

16、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 ） 。 （ 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

17、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)； 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

18、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(wèn)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： 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

19、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?；瑒?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。 圖 7 管道漏水形成飽和砂土水丘示意圖 管道 隧道 水位 X 圖 8 砂土懸涌造成空洞致使管道斷裂示意圖 管道 隧道 水位 空洞 斷裂 圖 9 地層塌陷泥沙涌入隧道示意圖 地面塌陷段 隧道 管道 2005年 3月