广州地铁岩土工程勘察的重点和难点

来源:中华铁道网

  摘要:本文以地铁工程的特点为出发点,结合广州地区特定的地质条件,讨论广州地铁岩土工程勘察的重点和难点,归纳不同的线路方案和施工方法对岩土工程勘察的要求,总结目前阶段广州地铁岩土工程勘察中存在的问题,并提出几条建议。

  关键词:岩土工程勘察;重点;难点

  1概述

  广州市为了满足城市经济和社会快速、持续发展的需要,按照“东进、西联、南拓、北优”的城市发展格局对轨道交通工程进行规划,到2010年广州市将拥有9条城市轨道交通线路,线路总长255km,车站总数164座。大规模的地铁工程建设带来了大规模的岩土工程勘察工作。本文从地铁工程的特点出发,结合广州地区特定的地质条件,探讨广州地铁岩土工程勘察的重点、难点问题。

  地铁工程按线路敷设方式可分为地下线、地面线和高架线;按功能可分为车站、区间、车辆段、停车场、变电站、控制中心等;按施工方法可分为盾构法、矿山法、明挖法、盖挖法和沉管法等。地铁线路敷设方式和施工方法的多样性,导致地铁工程基础类型和结构形式的多样性(如桩、连续墙、支撑、锚杆、复合地基等),因此,地铁岩土工程勘察兼有铁路隧道、城市高层建筑、深基坑、水文地质勘察的特点。不同的线路敷设方式、工法和结构形式对岩土工程勘察提出不同的要求和侧重点。

  2广州地区工程地质、水文地质条件

  广州大地构造处于华南褶皱系中的粤中拗陷构造单元,受加里东、印支、燕山及喜马拉雅等构造旋迴的作用,范围内发育了不同规模的褶皱和断裂,并发育了沉积岩、岩浆岩和变质岩。其中,北东向的广从断裂和东西向的瘦狗岭断裂将广州划分为三个构造区,并控制各区的第四纪沉积及沉积中心的展布。

  2.1广从断裂以西构造区

  位于北东向的广花凹陷的南西部,主体构造是北东向,由上古生界及其褶皱和伴生的断裂以及二迭系和第三系向斜盆地构成。白云区西部位于本构造区范围。本区第四系地层主要由上更新统和全新统人工填土、冲洪积砂层、冲洪坡积土层和残积层组成,下伏基岩主要为石炭系、二迭系、三迭系和第三系碎屑岩和碳酸盐岩,岩性有灰岩、泥灰岩、炭质灰岩、炭质泥岩或页岩、砂岩、泥岩、砾岩、灰质砾岩等。本构造区内不良地质作用主要有岩溶、煤矿采空区、断裂和风化深槽。

  2.2广从断裂以东、瘦狗岭断裂以北构造区

  位于增城凸起的西部,白云区东部、萝岗区主要位于该构造范围。本区第四系主要由上更新统和全新统人工填土、冲洪积土层、冲洪积砂层、河湖相沉积土层和残积层组成,下伏基岩主要为燕山期侵入岩。本构造区内不良地质和特殊性土主要有花岗岩风化残积土、球状风化、风化深槽、砂土液化等。

  2.3广从断裂以东、瘦狗岭断裂以南的构造区

  位于三水断陷盆地东部,是由中生界白垩系构成的东西向比较宽阔的褶皱和燕山晚期及喜马拉雅期形成的一系列北西向断层构成的继承性构造。越秀、荔湾、天河、芳村、海珠、黄埔及番禺等大部分位于该构造区范围。第四系主要由全新统和上更新统人工填土、海陆交互相沉积层、冲洪坡积层和残积层组成,下伏基岩为白垩系沉积岩和震旦系变质岩。本构造区内地铁工程面临的典型不良地质作用主要有砂土液化、软土、白垩系残积层和风化带遇水软化等。

  广州市地处珠江三角洲,河流纵横,地下水丰富,埋深较浅。地下水按赋存方式可分为第四系孔隙水、基岩风化裂隙水及碳酸盐岩岩溶裂隙水。地下水位受季节、潮汐影响明显。第四系孔隙水局部具有承压性,隐伏岩溶中的岩溶裂隙水多具有承压性。另外,广州发育多个褶皱、断裂构造,受构造裂隙和断裂破碎带的影响,水文地质条件复杂。

  3地铁工程对岩土工程勘察的要求

  地铁岩土工程勘察按阶段分为工可勘察、初勘、详勘及施工勘察,另外必要时可在某阶段补充水文专题勘察、断裂专题勘察、软土专题勘察、物探等。不同勘察阶段有着不同的勘察精度和要求,以详勘为例,广州地铁详勘阶段岩土工程勘察的主要目的和要求归结如下:

  (1)在初勘基础上,详细查明场地的工程地质及水文地质条件,对于复杂地段或有特殊要求的地段,进行重点勘察。

  (2)详细查明不良地质条件及特殊性岩土的分布特征。

  4广州地铁岩土工程勘察的重点和难点

  4.1重点

  4.1.1勘察应满足结构设计和工法需要

  对于明挖法和盖挖法,勘探孔一般布置于结构边线外2m左右,明挖通道、风道等钻孔可沿其中心线布置;结构外侧1倍开挖深度范围宜布置钻孔。岩土工程勘察需查明岩土分层及厚度;查明基岩产状、起伏及坡度情况;查明不良地质;查明地下水类型、水位、水量、补给来源、渗透性、对混凝土及钢结构的腐蚀性;判断管涌、浮托破坏的可能性;判断砂层的液化特征;判断基坑降水的可能性;进行土石可挖性分级;评价环境对基坑开挖施工的承受能力;提供围护结构(桩、墙、土钉、锚杆)及永久性桩基设计所需的岩土参数(如重度、抗剪强度、泊松比、无侧限抗压强度、静止侧压力系数、基床系数、桩基承载力特征值、岩土与锚固体的黏结强度等);提供工程地质纵横断面等。

  对于盾构法,勘探孔沿线路两侧交错布置于隧道外3~5m。岩土工程勘察需查明地层构造、层序以及地层中洞穴、透镜体和障碍物分布。对于软土、松散砂层、含漂石、卵石地层、高粉粘粒含量地层、掌子面软硬不均地层及硬岩地层等对盾构机具选择和施工有重大影响的地层,应重点勘察。查明硬岩的节理发育情况和岩体基本质量分级;查明地下水位、渗透系数、腐蚀性,估算掌子面涌水量(作为衡量隧道失稳后破坏后果的一个参考指标);提供力学计算和盾构机、刀具选型所需的岩土物理、力学参数;进行土石可挖性分级并提供工程地质纵横断面。

  对于矿山法,勘察孔尽量布置在开挖范围外侧3~5m。岩土工程勘察最首要的任务是进行准确的隧道围岩分级。另外,勘察还应着重查明水文地质条件,估算隧道单位长度(可按1m或10m)的涌水量;查明构造破碎带、含水松散围岩、膨胀性围岩、岩溶、遇水软化崩解围岩以及可能产生岩爆的围岩;进行土石可挖性分级并提供工程地质纵横断面。对于冻结法施工,另需提供地层含水量、地下水流速、开挖范围岩土层温度及热物理指标等。

  4.1.2勘察应着重查明不良地质及特殊性岩土

  广州地区地质条件复杂,影响地铁工程的不良地质作用较多,如断裂、岩溶(含白垩系红层溶蚀及空洞)、采空区、花岗岩残积层及风化带、球状风化、风化深槽、软土、硬岩等。

  断裂带岩体破碎,桩基设计时应尽量绕避,无法绕避时应穿过断裂带;由于断裂带地下水活动复杂,对地下隧道施工威胁较大,勘察阶段应予以查明断裂带的范围、产状、构造破碎情况及富水性。断裂的活动性对地铁工程可能会造成一定程度的影响,必要时应进行断裂专题勘察,为设计考虑是否需对结构进行特殊处理提供资料。

  广州地铁二、三、五、六号线均通过岩溶发育区,珠江新城至赤岗塔过江段、如意坊、水荫路等地岩土工程勘察中,还在白垩系红层中揭示到洞穴。岩溶及红层洞穴对地下线、高架线均带来较大的不良影响。对地下线而言,可能造成盾构机跌落事故,明挖或矿山法施工时岩溶承压水可能击穿隔水底板或者揭露到岩溶含水层,造成岩溶水突涌;对高架线来说岩溶及洞穴导致持力层选择困难、桩基施工卡钻、漏浆、造成地面塌陷并影响地面建筑和地下管线安全;桩基及隧道下如有隐伏岩溶,受加载影响有可能导致结构下沉;岩溶(尤其是土洞)的发展对地铁的运营也带来不利影响,如土洞发展有可能造成结构沉降,影响地铁工程及环境安全。岩土工程勘察应力求查明溶洞和土洞的分布及水文地质条件。由于钻探具有一孔之鉴的局限性,以及岩溶发育的局部无规律性,必要时钻探应结合物探方法进行综合探查。

  采空区对地铁工程的不利影响主要表现在采空区垮塌引起地面塌陷和开裂,以及采空区上部岩体产生破坏和变形,引起地铁隧道下沉和断裂。广州北郊(三元里至嘉禾)二迭系地层中含煤,该煤层自清代开始开采至今已形成大片采空区和错综复杂的采煤巷道,由于采空区的平面位置及空间状况对北部线路在线路敷设方案及工法选择上有着极大的影响,应通过调查、勘察等手段查明采空区的范围和深度,分析煤矿采空区对地铁线路的影响程度,为北部线路的设计和施工提供依据。

  硬岩对盾构机的选型及工法有重大影响。一般在岩石天然单轴抗压强度高于80MPa时宜选用单刃盘型滚刀,同时结合岩石强度和节理裂隙发育情况设计滚刀间距。盾构机在硬岩地层中掘进时,刀具磨损严重,有时甚至损坏刀具和磨损刀盘,掘进效率极低,此时宜选用矿山法(钻爆法)施工。由此可见,查明硬岩的分布、强度、石英含量(研磨性)、裂隙发育情况是很有必要的。广州发育有花岗岩、灰岩、石英岩、辉绿岩等硬岩,岩土工程勘察中应着重查明。