探讨岩土工程在城市发展中的新动向

1 城市地下岩土工程是新世纪城市建设的重要环节

随着国民经济的高速发展, 我国城市化水平正在快速提高, 从1990年的18.96%提高到1997年末的28.9%。城市化水平的提高标志着城市工程建设的飞速发展。但是, 我国城市建设基本上沿用“摊大饼”的粗放发展模式, 给国民经济带来不应有的损失。主要是:

(1) 城市范围无限制地外延扩展, 耕地损失严重。据卫星遥感资料判断和测算, 1986~1996年间, 全国31个特大城市城区实际占地规模扩大50.2%, 有的城市占地成倍增长。另据预测, 至2010年, 我国城市总数将从1996年的640座增加到1000座, 其结果是占用了大量耕地。到下世纪中叶, 我国城市化水平将提高到65%左右, 这意味着城市人口将比1990年增加7亿多人, 按每个城市人口用地100m2计, 将占用耕地1亿多亩。土地问题是我国可持续发展的关键, 城市人口急剧增长与地域规模的限制已成为城市发展的突出矛盾, 城市发展非走节约土地的集约化发展模式不可。

(2) 城市人口密度大, 形成了所谓的“城市综合症”。首先表现在城市交通阻塞, 行车速度缓慢。其次是, 由于城市基础设施落后于城市面积的扩展和城市人口的增长, 造成城市环境的恶化。当前我国城市环境形势日趋严重, 大气污染日趋加剧, 全国500多座城市大气质量达到一级标准的不到1%, 酸雨面积超过国土面积的40%。

(3) 城市总体抗灾抗毁能力偏低。在城市总体规划中, 除防洪、防空外, 目前尚缺少综合防灾的内容, 城市基础设施的防灾措施处于空白。为了克服这方面的弊端, 解决城市人口、环境、资源三大危机, 医治“城市综合症”, 实施城市可持续发展, 世界发达国家都在把地下空间作为新的国土资源, 开发利用城市地下空间, 成为越来越受到重视的城市建设指导方针和发展方向。

城市功能空间能转入和宜转入地下的领域是很广阔的, 包括商业、交通、部分市政设施、文化娱乐休闲、部分工业生产、仓储、防灾 (避难) 和救灾空间等。充分利用地下空间是城市立体化开发的最重要组成部分。它可以达到扩大空间容量、提高开发集约度、消除步车混杂、交通顺畅、商业更加繁荣, 地面绿地增加, 环境优美开敞, 购物与休闲, 娱乐相互交融的多功能效果, 与向城市上空发展的模式相比, 是一种更为合理的发展模式。向地下要土地、要空间已成为城市建设发展的必然趋势, 显示了无比的优越性。我国及国外大城市的地下商业城 (街) 、地下车库、地下影剧院、地下铁道、地下人防系统, 是众所周知的城市地下工程。有的国家已开始实施和计划采用地下污水收集和处理设施、地下垃圾处理厂、地下超导磁直接储存电能、地下供热供冷系统、地下多功能公用隧道 (共同沟) 以及具有抗灾功能的地下空间系统。它们是未来城市建设的发展方向。

2 城市地下岩土工程的特点及难点

众所周知, 地下岩土工程是一个具有悠久历史的领域。可以说自有人类以来就有岩土工程, 特别是进入工业社会以后岩土工程处处存在, 但是城市岩土工程, 除了传统的地面房层工程外, 地下岩土工程却是随着现代城市的兴起而发展的。经过最近几十年的实践, 无论从设计、施工、设备和工艺, 还是理论、技术和经验, 都已达到相当高的水平, 特别是深埋地下岩石工程, 更是达到了较成熟的程度。

但是, 城市地下岩土工程却具有与一般岩土工程不同的特点, 主要是:多数埋深较浅。地面建筑、交通设施密集, 地下管线多, 开挖造成的影响大, 地质条件复杂, 多以土体为主, 常有膨胀土、沙层、地下水, 尤其是沿海沿江城市, 淤土、软土的开挖难度更大。因此, 城市地下岩土工程存在许多需要解决的特殊问题。主要是:

(1) 浅埋、超浅埋暗挖施工技术。城市地下工程的埋深, 不仅直接影响工程造价, 而且关系到工程使用方便与否, 因此, 城市地下工程一般埋深较浅。在浅埋、特别是超浅埋的条件下, 地下工程需要穿越建筑物和线路、街道, 地面保护成为施工技术中的首要问题。

(2) 复杂、恶劣环境下的开挖技术。诸如流砂层、膨胀土、高压缩性软土淤土、风化破碎岩石、高浓度瓦斯地层、大涌水、硫化氢、岩溶、高应力、地下管线、地面大车流量、大型载重车多、建筑物密集等等, 都是地下岩土工程施工中的难题。

(3) 大断面隧道开挖、支护技术。主要是地铁车站及商场、仓库、厅、室, 其跨度尺寸达10m以上。

(4) 开挖影响控制技术。随着工程埋深的减小, 开挖对地面的影响越来越大, 在超浅埋条件下, 开挖影响的控制与开挖方式、施工工艺、支护方法等众多因素有关, 是地下工程施工中最为复杂的问题。壁后充填是减少支护构造与岩土体之间空隙的有效措施, 在一次支护和二次支护后采用小导管注浆法进行充填。

(5) 分步开挖, 及时支护。实践证明, 分步开挖、及时支护可以有效地减少围岩及地面下沉。例如北京长安街过街道, 跨度大 (开挖跨度11.6m) 、超浅埋 (表土厚度仅0.6~1.0m) 、有动载、地下管线多, 为了减少地面下沉, 采用“中洞法”分步施工, 地面下沉减到24mm, 效果良好。

(5) 降水-回灌技术, 是治理地下水和减少地面下沉的有效方法, 已在北京地铁施工中推广应用。一般是“浅抽深灌”或“前抽后灌”。据北京地铁“复-八线”实测, 采用此法后其两侧高大建筑物下沉未超过2.5mm。值得研究的是, 近年来我国试验成功的“高水速凝材料”, 具有快速固结含水砂层的性能。如能在地下工程中进行试验, 对于阻隔地下水渗入施工空间, 将具有良好的应用前景。

3 城市地下岩土工程中的开挖影响及环境保护

城市地下岩土工程中的开挖影响指的是开挖引起的围岩移动与地面沉降, 不包括其它扰民影响。地下开挖必然会在其周围岩土体中引起位移与变形。由于开挖深度小, 其影响必然要波及到地面上, 但由于开挖宽度有限, 其影响也是可以控制的。影响的程度与范围, 取决于众多因素。对于浅理、超浅埋隧道式开挖工程, 主要取决于开挖方式、断面跨度、导坑形式、机具、支护方式与时机、构件刚度、回填、地面载荷 (动、静载) 、岩土体性质及地下水抽排等。

据实测研究, 隧道式开挖引起的地面沉降, 其横剖面一般呈盆状, 大体上用可概率积分曲线来描述。

对于浅埋和超浅埋隧道式开挖引起的地面沉降, 其最大下沉值大致由开挖空间支护前的下沉、地下水抽排引起的下沉以及开挖空间支护后的下沉等构成。这些下沉可通过采取一定的减沉措施减少到最小程度。从北京、上海和广州等城市的地铁施工实例结果看, 北京地铁“复-八线”两侧高大建筑物累计下沉量最大仅为2.5mm, 北京地铁西单车站正上方累计地表最大下沉量也未超过30mm;广州地铁有一段隧道横穿市区主干道天河路, 隧道顶距路面7m, 地层为饱含水细砂层, 地下密布有供水管、污水管及电缆线, 地面昼夜车流量约12万辆, 还有载重30~60t大型集装箱运输车快速通过。开挖后, 据对128个测点观测, 最大下沉为20.7mm, 低于国际上地面沉降控制标准。

根据国内外浅埋开挖实践, 地面减沉的措施有:

(1) 围岩预加固。为了加固软弱和松散岩、土体, 一般采取导坑或全断面预注浆。对于软弱或破碎岩体, 采用单液或双液压力预注浆;对于松散土体, 采用单液或双液高压旋喷预注浆。

(2) 强力支护。包括预支护、提高支护构件刚度及壁后充填等。预支护有管棚和插板两种方法。管棚钻孔深度受导坑尺寸限制, 可兼作注浆管, 适用条件广泛。插板需用千斤顶顶进, 具有防水效果, 但不能用于卵石地层。及时支护可以有效减少支护前的下沉。锁脚锚管是用于分步支护构件基础的稳定, 为下部开挖与支护安装创造良好条件, 减少上部支护构件的沉降。提高支护构件刚度可以减少支护后的下沉。壁后充填是减少支护构造与岩土体之间空隙的有效措施, 在一次支护和二次支护后采用小导管注浆法进行充填。

(3) 分步开挖, 及时支护。实践证明, 分步开挖、及时支护可以有效地减少围岩及地面下沉。例如北京长安街过街道, 跨度大 (开挖跨度11.6m) 、超浅埋 (表土厚度仅0.6~1.0m) 、有动载、地下管线多, 为了减少地面下沉, 采用“中洞法”分步施工, 地面下沉减到24mm, 效果良好。

(4) 降水-回灌技术, 是治理地下水和减少地面下沉的有效方法, 已在北京地铁施工中推广应用。一般是“浅抽深灌”或“前抽后灌”。据北京地铁“复-八线”实测, 采用此法后其两侧高大建筑物下沉未超过2.5mm。

值得研究的是, 近年来我国试验成功的“高水速凝材料”, 具有快速固结含水砂层的性能。如能在地下工程中进行试验, 对于阻隔地下水渗入施工空间, 将具有良好的应用前景。

摘要：本文论述了城市地下岩土工程的重要性及特点、难点, 由于它与复杂多变的自然条件密切联系, 所以在施工中需要解决一系列技术上的问题, 涉及到多门学科, 因而往往成为工程建设的难点, 保证工程质量、提高工程经济效益和社会效益的关键步骤。

关键词：岩土工程,地下空间,地下工程