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1、北京市区地铁、深基础岩土工北京市区地铁、深基础岩土工程特征及降水技术程特征及降水技术 前 言 北京平原区是一个北部、西部靠山，东南部连接华北北京平原区是一个北部、西部靠山，东南部连接华北大平原，不甚完整的盆地地区，燕国建都以来已有大平原，不甚完整的盆地地区，燕国建都以来已有30003000年年的城市建设历史，由局部看，是一个西北高（标高的城市建设历史，由局部看，是一个西北高（标高70-9070-90米）米）东南低（标高东南低（标高3030米左右）的第四系沉积平原米左右）的第四系沉积平原（见图（见图（见图（见图1-1 1-1 1-1 1-1 北京北京北京北京的地形及河系）的地形及河系）的地形及河
2、系）的地形及河系）。北部为阴山山系，西部为太行山系。有五。北部为阴山山系，西部为太行山系。有五大河流（大河流（大清河、永定河、北运河、潮白河、大清河、永定河、北运河、潮白河、大清河、永定河、北运河、潮白河、大清河、永定河、北运河、潮白河、泃泃泃泃错河错河错河错河）由）由西北向东南入海，各河流所携带的堆积土石是北京平原的西北向东南入海，各河流所携带的堆积土石是北京平原的主要组成物质。河流相的砂、砂砾石、砂卵石以及各类粘主要组成物质。河流相的砂、砂砾石、砂卵石以及各类粘性土，互层而生。地下水以不同埋藏形式，赋存其中，形性土，互层而生。地下水以不同埋藏形式，赋存其中，形成了北京平原工程地质条件中的水
3、文特点。本文拟以地铁成了北京平原工程地质条件中的水文特点。本文拟以地铁以及一些工程为对象，讨论它的岩土工程环境，同时讨论以及一些工程为对象，讨论它的岩土工程环境，同时讨论一些与之相关的工程分区问题。一些与之相关的工程分区问题。 由市区东西向剖面图可以看出，北京市区基底由三个部分组成，即西部古老岩系、东部大兴隆起和中部北京凹陷。1、西西部部古古老老岩岩系系：埋深20-40米，由煤系地层为主组成，下伏奥陶系石灰岩，将西山雨水导入平原，对平原工程条件影响甚大。2、中中部部北北京京凹凹陷陷：即著名的北京沉降带，东西宽约30华里，（航天桥高碑店），东北西面向分布，广安门一带厚约3000余米。由不透水的第
4、三系红灰色砂砾岩组成，天安门地面70米以下即为第三系，它控制了地下水的运动和分布，对全区工程、水文地质要件有着重大的影响。3、东东部部大大兴兴隆隆起起：实际是一个潜伏在地下的隆起带，分布在通县县城和大兴县城的连线上，是由寒武、奥陶系灰岩组成，岩溶发育，埋藏又较深，其供水方面的意义，大于工程地质方面的影响。 二、市区浅层（二、市区浅层（3030mm以上）第四系地层的分布规律以上）第四系地层的分布规律 按本区地层、岩性、富水性以及其它水理特性综合分区为以下五区。(见图见图4：浅层：浅层第四系富水性分区第四系富水性分区)1、富水区（区）：浅层水井的单井出水量大于30m3/h 本区主要分布在海淀区紫竹
5、院、阜城门、天坛以西地区，岩性主要以砂砾石、砂卵石、粗中砂为主，粘性土多以夹层或透镜体状态分布，西部及北部含水层颗粒粗，东部及南部含水层颗粒细，主要含水层水位埋深在19m以上。 地区平均含水层厚度13 m左右，含水层渗透系数80120m /d，平均水力坡度千分之二，局部有第三系地层隆起2、较富水区（区）：浅层水井的单井出水量20- 30m3/h 本区主要分布在市中心地带，以故宫为中心，呈Y字型南北向的条形地带，即五道口、阜城门、天坛公园以东、东直门、建国门、吕家营以西地。地面标高44m左右。地层 分布主要以圆砾、砂砾卵石为主，一般有厚层的粘性土分布其间。表现出明显的分层性，地层颗粒由北向南略有
6、变细的趋势，地层平均含水层厚度8-12m。地下水基本流向由西北向东南，地下水位比较混乱，水位埋深17-19m。含水层渗透系数50-80 m /d。平均水力坡度千分之1.5。3、中等富水区（区）：浅层水井的单井出水量10-20m3/h 共分两个亚区，1区是在城区东部西坝河、东直门、建国门、吕家营以东，东四环以西地带；2区，西北至西直门以北、东北至西坝河曙光里，南到北新桥、后海的一个U字形地带。地层主要为砂、砂砾与粘性土互层。平均渗透系数20-60m/d，地下水位埋深15-17m。4、弱富水区（区）：浅层水井的单井出水量5-10m3/h 1区主要分布在北三环路安贞桥及马甸桥以北的U字形地带，西北至
7、东升路、东北至太阳宫一带。 2区主要分布在亚运村及安外小关地带，为一个逐渐向 北扩大的半圆形，向北又进入另一个富水区。 3区主要分布在玉渊潭以南，公主坟附近一个东西长、南北短的环形地带。本区地层主要以砂质粘土、粉质粘土等粘性土为主，在粘性土之间夹部分中细砂或粉细砂层，地层岩性分层界限不清，浅层难以成井。不同的是3区是因第三系岩层隆起至使第四系地层变浅而划入第四区，出水量较1、2区为大，但不稳定。本区渗透系数10-40m/d，水位埋深14-20m，3区水位较其他地区为深。5、贫水区（V层）：浅层水井的单井出水量小于5m3/h 共分2个亚区，V1区位于北京市北部中轴线，北三环路以北、亚运村南呈U字
8、型分布。向西北及东北延伸，西北至地质大学，东北至干杨树附近。V2区分布在西部公主坟地区，范围很小，只有1.2平方公里。本区地层主要以粘性土、砂质粘土、粉质粘土为主，中央有少量粉质砂层及砂层透镜体。V2区公主坟出水量不稳定。图图图图44浅层浅层浅层浅层30 第四系富水性分区图第四系富水性分区图第四系富水性分区图第四系富水性分区图图图图图5 5 5 5- -1 1 1 1 市区浅层南北向剖面市区浅层南北向剖面市区浅层南北向剖面市区浅层南北向剖面地质学院地质学院图图图图5 5 5 5- -2 2 2 2 市区浅层东西向剖面市区浅层东西向剖面市区浅层东西向剖面市区浅层东西向剖面三、北京地铁三、北京地铁
9、4#4#、5#5#、10#10#、线各地铁站段岩土特性、线各地铁站段岩土特性 就此三条地铁线路第四系地层颗粒而论、西部粗、东部细。南北两头粗、中间细。西部水位埋深大，东部水位埋深浅。西部地层分层性差，东部地层分层性好。可将各线按岩土工程条件概略的进行分段。1 1、地地铁铁四四号号线线：全线多砂砾类土含水层，颗粒较粗、水位埋深较深，可将其分为4段。（1）新街口以南。属砂砾类土与粘性土互层分布区，砂类土多，南部为永定河主影响区。（2）新街口至黄庄。为较巨厚的砂砾部区。（3）黄庄至成府路。上部为粉土质地层，深部为砂卵石地层。（4）园明圆至龙背村。浅层砂砾卵石多，且极富水。2 2、地地铁铁五五号号线线
10、：全线南北差异较大，南部为砂类土与粘性土互层，北部为粉质类粘土广泛分布。可将其分为2段。（1）北新桥以南为多层砂类土与粘性土互层，崇文门以南砂类土多。（2）北新桥以北为粉土质粘性土广泛分布，局部有砂卵石，粉土类的自稳性好，但有少量层间水极难去除。 北土城东路站以北地铁钻出地面，故未作分区。3 3、地地铁铁十十号号线线：全线穿过几个地质单元，岩土特性变化较大，概略地将其分为3段。（1）亮马河以南。为砂类土与粘性土互层出现，除南部外，粘性土相对多余其他条线路，水位相对较浅。（2）亮马河至知春里。为粉土质类粘性土广泛分布区，局部有砂卵石，土的自稳性较好，但有少量空间水，极难去除。（3）知春路以西。较
11、少粘性土而多为巨厚砂卵石分布区，水位较浅，地层颗粒较粗、掘进较困难。浅层有砂岩分布。 图图图图6 6 6 6：地铁四号线、五号线、十号线、奥运支线图示地铁四号线、五号线、十号线、奥运支线图示地铁四号线、五号线、十号线、奥运支线图示地铁四号线、五号线、十号线、奥运支线图示 以上只是一个粗略的工程地质分区，相信随着北京地铁等大型工程的大规模建设，不断的取得新的工程资料，定会取得一些新认识、新看法、使北京市区的岩土工程分区，更为成熟，更为完善。 四、降水技术四、降水技术 自1896年德国建造柏林地下铁道采用深井降水以来，因地下铁道埋置深度的加大，施工人员无时无刻不在和地下水作艰苦斗争，施工降水也随之
12、而有所发展。北京地区为降低地下水位采用多种工具及施工方法，将多种施工工艺系统配套以适应于各种地层，把地下水位下降到基础层以下，保证了以往各条地铁线路的建设的顺利进行，因而，也创造了一些成功的经验。 （一）降水工程的作用： 在地下水位下，开挖隧道或深挖基坑时，采用降水的作用是： 1、截住基坑或隧道侧面及基底的渗水，满足施工的需要； 2、增加侧壁及边坡的稳定性，并防止侧壁或基层土壤流失； 3、减少侧桩和隧道初期支护的压力，减少隧道内的空气压力； 4、改善基坑和填土的砂土特性； 5、防止基底隆起和破坏。 总之，不仅施工作业面需要降水，同时水位降低能使土的有效应力增加，可使水位以下的土进一步固结，有加
13、固基坑、隧道侧壁和基础强度的作用。（二）设计降水工程的依据： 设计某一处的降水工程，需要搜集和了解以下方面的资料： 1、地下水分布和埋藏条件： 2、动水压力及流纲的分布； 3、地层渗透性（渗透系数）； 4、补给源及补给边界资料。 总降水量计算公式，请参阅“建设中的北京地铁”（中国铁道出版社）。（三）北京地区常用的降水方法： 1、轻型井点 2、喷射井点 3、深井井点（管井井点） 4、渗水井点（自渗井） 5、电渗井点 6、辐射井点 7、泄水暗沟（管）和明排等其他方法 （四）辐射井的应用： 北京北郊地区，由于地层透水性及降水井施工条件的限制，有些施工单位采用辐射井降水方法，北京地铁5#线已完成了十二
14、眼降水辐射井，其特点如下： 1、降水施工时，占用施工场地小。边长小于100米基坑只在四个角上设辐射降水井即可； 2、充分发挥水平方向渗透性大于垂直方向渗透性的优势； 3、机械设备的改进，已使主井可以用机械施工，水平井也可以克服地层方面的困难，大大提高了效率； 4、可节省资金和电力：据有关方面统计，施工辐射井比普通深井井点贵14%，但深井点运转电费比辐射井贵30%，如果考虑地面拆迁费用、减少管线费用，辐射井综合成本还是有和深井降水比较的余地。 辐射井 主井口径 3.23.3m（壁厚0.15m） 水平井口径 89mm114mm（最终下入3英寸，波纹滤水管） 水平井长度 3050m （五）降水引起沉
15、降问题的讨论 一般认为，地下水位下降后，该土的溶重由原有水下浮重增加到饱和容重，由于土的自重压力增加，再加上动水压力的作用，可能引起附加沉降。但在北京地区，由于下述原因： 1、水位变幅的往复发生，多层水位下降区域沉降早已多次发生而近于完成； 2、本区水位下降发生在砂层之中，基底式的砂粒接触，使砂粒支撑了部分水压力； 3、粘土层释水的缓慢性。 所以降水所引起的地面沉降，量有多大，不同地层不同降水方式沉降有什么变化，应加强测量监测，进一步加以讨论。 （六）地下水含水层中砂土悬涌塌方分析： 稳定的饱和砂土，在大量放水、放砂平衡状态被严重破坏，或者受到其他外力作用时，剪切力促使砂粒滑动而改变排列状态，
16、应力由砂骨架转移至水，引起超孔隙水压力。当既有的全部应力转移至孔隙水后，超孔隙水压力等于原饱和砂所承受的总压力，形成了所谓的液化。此刻，水压不能承受剪切力这一特性的影响下，稳定饱和砂土变成流体，向着不平衡的方向掏空的隧道掌子面或基坑涌去，瞬间发生原有饱和砂土层物质下泄，立即形成空洞，上覆土层塌陷，这即是原生塌方灾害。 图图图图77管道漏水形成饱和砂土水丘示意图管道漏水形成饱和砂土水丘示意图管道漏水形成饱和砂土水丘示意图管道漏水形成饱和砂土水丘示意图 图图图图8 8 8 8 砂土悬涌造成空洞致使管道断裂示意图砂土悬涌造成空洞致使管道断裂示意图砂土悬涌造成空洞致使管道断裂示意图砂土悬涌造成空洞致使管道断裂示意图图图图图99地层塌陷泥沙涌入隧道示意图地层塌陷泥沙涌入隧道示意图地层塌陷泥沙涌入隧道示意图地层塌陷泥沙涌入隧道示意图 2005年年3月月结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！28
