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北京市區(qū)地鐵、深基礎(chǔ)巖土工程特征及降水技術(shù) 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)。 關(guān)鍵詞：北京市區(qū)、巖土分區(qū)、工程環(huán)境、降水 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。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)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(lèi)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。 圖一 北京的地形及河系 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)、海淀各區(qū)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(wèn)題，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)所屬范圍。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(mén)以西為30-40米、中部天安門(mén)一帶為70-80米、東部建國(guó)門(mén)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區(qū)。 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。 圖二 市區(qū)階地分布及標(biāo)高示意圖 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)構(gòu)。 （二）古老巖系控制了市區(qū)第四系地層巖土工程特性： 圖三 市區(qū)基底東西向剖面 由圖三“市區(qū)基底東西向剖面”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），東北西南向分布，廣安門(mén)一帶厚約3000米。由不透水、半膠結(jié)的第三系紅灰色砂礫巖組成，天安門(mén)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、富水性以及其它水理特性綜合分區(qū)為以下五區(qū)。 1、富水區(qū)（Ⅰ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(mén)、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料細(xì)，主要含水層水位埋深在19m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。 圖四 淺層（30m以上）第四系富水性分區(qū) 2、較富水區(qū)（Ⅱ區(qū)）：淺層水井的單井出水量20-30m 3/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(mén)、天壇公園以東、東直門(mén)、建國(guó)門(mén)、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)（Ⅲ區(qū)）：淺層水井的單井出水量10-20m3/h。 共分兩個(gè)亞區(qū)，Ⅲ1區(qū)是在城區(qū)東部西壩河、東直門(mén)、建國(guó)門(mén)、呂家營(yíng)以東，東四環(huán)以西地帶；Ⅲ2區(qū)，西北至西直門(mén)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)（Ⅳ區(qū)）：淺層水井的單井出水量5-10 m3/h。 Ⅳ1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。 Ⅳ2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)。 Ⅳ3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Ⅳ3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Ⅳ1、Ⅳ2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，Ⅳ3區(qū)水位較其他地區(qū)為深。 地質(zhì)學(xué)院 圖五 市區(qū)淺層南北向剖面 圖六 市區(qū)淺層?xùn)|西向剖面 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。 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：全線多砂礫類(lèi)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(lèi)土與粘性土互層分布區(qū)，砂類(lèi)土多。南部為永定河主影響區(qū)。 （2）新街口至黃莊。為較巨厚的砂礫卵石分布區(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(lèi)土與粘性土互層，北部為粉質(zhì)類(lèi)粘土廣泛分布?？蓪⑵浞譃?段。 （1）北新橋以南為多層砂類(lèi)土與粘性土互層，崇文門(mén)以南砂類(lèi)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(lèi)地層自穩(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(lèi)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）亮馬河至知春路為粉土質(zhì)類(lèi)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)，水位較深，地層顆粒較粗、掘進(jìn)困難。頤和園一帶有砂巖分布。 圖七 地鐵4#、5#、10#線地理分布示意圖 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，還會(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)，因地下鐵道埋置深度的加大，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 Φ3.2~3.3m（壁厚0.15m） 水平井口徑 Φ89mm~114mm（最終下入3英寸，波紋濾水管） 水平井長(zhǎng)度 30~50m （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： 圖八 管道漏水形成飽和砂土水丘示意圖 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。 圖九 砂土懸涌造成空洞致使管道斷裂示意圖 圖十 地層塌陷泥沙涌入隧道示意圖 此后，由于頂部上水及下水管斷裂，又有大量新水參加沖刷，推波助瀾，增加了破壞性，此為次生災(zāi)害。砂粒本身的重量同樣加到水上，水成為流動(dòng)物質(zhì)的載體，砂與水渾然一體形成了懸液，產(chǎn)生砂土懸涌現(xiàn)象。 總結(jié)“復(fù)—八”線因水而造成的塌方，多屬于砂土懸涌災(zāi)害，大部分與水有關(guān)，因而應(yīng)引以為戒，采取有效治水措施，確保工程施工安全。 參考文獻(xiàn)：略。