人口密集泉水密布,在这座城修地铁堪称世界最难(图)

了不起的中国制造 0

 作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  济南人民期盼了几十年的地铁终于来了。

  2019年1月1日上午10时16分,济南首条地铁——济南轨道交通1号线全线通车试运行,这意味着“泉城”济南正式迈进地铁时代。





  (济南地铁一号线的线路)


  1988年济南首次提出修建轨道交通,到如今首条地铁开通,从来没有一座城市,像济南这样,为是否修建地铁而如此纠结,甚至到了2014年,还有业界权威指出济南市不适合修建地铁。

  我们知道,济南市是山东省省会,全国15个副省级城市之一,经济实力并不弱,修建地铁对于济南的财政而言应该并非难事,同时,济南市的人口多达870万,交通十分拥堵,修建地铁的需求和呼声一直很强烈。

  那究竟为什么济南地铁迟迟不修呢?

  (一)济南修地铁难,难就难在地下泉水遍布

  济南地铁之所以这么难修,原因说起来很简单,就是因为济南特殊的地质构造和丰富的地下泉水在全世界独一无二。

  从专业上讲,济南单斜构造地下水资源地段属于鲁中南中低山丘陵山前冲积平原水文地质区,泰山背斜北翼单斜构造地下水资源亚区,下部灰岩地层历史上由于受地下水冲刷的影响岩溶裂隙较为发育,地表水系极为丰富,因此被称为泉城。




  (济南趵突泉)


  事实上,每座城市修地铁的时候都有它自己的问题。

  比如北京、成都这样山脚下的平原,土质中有许多堆积物,如卵石、碎石等,质地非常坚硬,容易破坏施工机械。

  再比如上海、广州这样河流入海口处的城市,地下都是江水冲刷淤积出来的泥沙,结构强度约等于零,地铁修好之后就在不断地发生变形。

  再比如西安,地下有着数不尽的地裂缝,经常发生不均匀沉降,让穿过其中的地铁开裂。

  ……

  但这些问题,都可以通过增强地铁线路结构强度、巧妙选线、预先探测等方式去解决,只有济南的地下水问题,几乎成为了业界的一大“不可能解决的问题”。泉水不仅会阻碍地铁的修建,而且也会在地铁建成后不断地侵蚀地铁结构,造成渗水和破坏。

  对于一般的城市而言,修建地铁时遇到地下水,会直接将其抽掉,让地下水位降下来。可是济南之所以被叫做“泉城”,正是因为它的地下水位非常高,这才能在地表形成涌泉。




  想要用传统手段把济南的地下水位降低到可以修建地铁的程度,不仅工程量巨大,而且济南地表的泉也就不存在了,修建地铁总不能以破坏环境为代价。

  (二)“泉城”修地铁,地铁和泉水如何“共生”?


  泉水对地铁不利,地铁施工非常“怕水”,但为了济南的生态保持,又仍然要“保水”。要安全穿越“毛细血管”密布的泉脉修建地铁,并且不破坏地下水文环境,技术难度可想而知。

  同时,济南的地上交通已经十分拥堵,在通过人口密集区时将轨道交通全部建在地面上并不可取,因此。济南地铁必须与泉水“共生”。




  (济南地铁的标志就是艺术化处理过的“泉”字)

  首先,济南轨道交通1号线的选址正处于济南西部泉水补给区,在规划设计之初就完全避开了趵突泉、大明湖等泉水敏感区。西部的地质条件相对较好,离泉水核心区较远,修建阻碍相对较低。通过修建1号线,可以为后期经过市区的线路积累保泉经验和技术。

  其次,在施工过程中,根据保泉的需要,济南轨道交通集团联合山东省地矿工程勘察院共同研发出基坑降水保泉回灌一体化装置,通过自动化控制管理,实现基坑降水与回灌同时进行,减少基坑降水对周边环境的影响。

  所谓基坑降水回灌,是把基坑降水抽取的地下水回补至基坑外含水层。由于基坑止水帷幕的存在,坑内抽取回补至坑外的地下水不仅能够避免浪费地下水资 源,而且可以提升回灌点周边的地下水位,保持土体有效应力,减少差异沉降量,减弱基坑降水对周边建(构)筑物的影响。




  (由于地下水位下降导致的地表沉降)

  济南地铁1号线的地下水位埋深平均为5米,给水来源主要是大气降水和由 南部山区向北的地下水径流,受季节变化的影响,地下水位在丰水季及枯水季变化明显。

  施工基坑内的土质属于粉质黏土,由于常年受到承压水位波动的影响,土层中的微孔道数量很多,综合渗透系数极高,地下水大部分均为承压水。

  承压水是承担土层压力的,人为地将承压水抽走而不进行补充,土层会因为承担不了上部压力而发生沉降,进而导致地面塌陷、建筑开裂等严重问题。因此,济南地铁工程的地下水回灌工作不能等到修完再统一进行,必须边修边回灌。




  (承压水的原理)


  在过往的工程中,基坑回灌施工的随意性很强,规范的设计和施工往往导致回灌井数量设置不合理、回灌实施效果差。而济南地铁的施工中,回灌工作是一项关键施工内容.因此规范十分严格。

  在施工开始前,现场专门进行了地下水回灌的水文地质实验,确定含水层地下水初始水位、水文地质参数、不同含水层间的水力联系等,再根据这些现场数据,确定单井的回灌量和回灌总量。

  由于地下压力的存在,回灌管路必须严格密封才能将承压水打回地下,这对回灌设备的要求很高。此外,由于回灌的水会进入济南的地下水系统,在未来还会被开采出来成为居民用水,因此水质必须过关,地下水在回灌之前必须进行净化处理。




  (济南地铁修建中使用的回灌设备)

  济南地铁工程采用的抽灌一体化设备,有效减少了回灌井的数量,降低了施工运维成本,节省了工作占地空间,实现了基坑降水回灌施工运行的简便化、高效化、节约化,回灌率高达90% 以上,水质指标优良,施工运行安全可靠,整套设备运行只需要两个人控制,既保障了地下水位的稳定,又保护了地铁周边的建筑物安全。




  (济南地铁的施工)

   (三)在市中心修地铁如何保护地上建筑?

  济南的高地下水位还带来另一个问题,就是会降低土层强度,地铁基坑的开挖会影响到周边建筑的安全。

  在城市繁华地段,建筑物十分密集,层高较高,地下还有市政管线交错纵横,情况非常复杂。密集的建筑物会给土层施加巨大的压力,基坑挖开后,这些建筑就会对土层造成偏压超载,使得基坑存在坍塌风险,同时,旁边建筑也会发生倾斜变形,地下的市政管线也会被挤压变形甚至破损。




  (距离建筑很近的基坑)

  这需要对基坑壁增加支护,严格控制基坑变形。通过在基坑壁设置混凝土灌注吊脚桩、岩石锚喷支护等方案,同时严密监测边壁的变形,可以最大限度地保护基坑的安全。

  工程师们还利用数值分析软件建立三维仿真模型,精确计算了整个开挖过程中的基坑受力情况,并采取有针对性的解决方案。

  除了保护基坑安全外,工程师们还要保护周边受基坑施工影响的建筑物的安全。

  在受影响建筑的地基周围,工程师们布置了微型钢管桩来加固土层,这种钢管桩是利用机械提前成孔,再植入加工成型的小直径钢管,梅花形布置,然后向管内压注水泥浆而成形的一种桩。

  在使用时,向其中灌注水泥浆液,穿过钢管预先成型的孔洞,扩散到桩体周围土体,经过浆液挤压、再次劈裂和固化等方式,使桩周围一定范围内土体得到加固,并形成坚固的钢管加水泥土复合体,从而维持建筑物的稳定。




  (微型钢管桩)

  济南地铁施工过程中,其本身以及周边建筑物的安全十分依赖于工程师们对工程地质和水文地质的掌握,以及对周围构筑物的基础形式、建造年限、结构类型等进行的详细调查和分析。这样,才能找到最为行之有效的基坑加固措施。

  结语




  (济南市地铁规划图)


  济南地铁1号线将于2019年4月开始运行。目前,济南地铁在建总长度达84公里,长期规划总长度超过200公里,攻克了泉水难关的济南地铁将在未来更好地服务济南市民 阅读原文

文章来源: 留园 查看原文
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