廣州地鐵3號線北延段線路選擇和工法

廣州地鐵3號線北延段線路選擇和工法建議摘　要:廣州地鐵3號線北延段線路經(jīng)過不同地質(zhì)單元,地質(zhì)條件復(fù)雜。根據(jù)各地質(zhì)單元的巖土特征,討論了地鐵不同線路和工法將遇到的工程問題,建議了最佳線路形式和工法選擇。關(guān)鍵詞:廣州地鐵3號線;巖土特征;巖溶;高架線;地下線;盾構(gòu)法 廣州地鐵3號線北延段自燕塘向北延伸至新白云國際機(jī)場,沿線經(jīng)過城市道路、國道、郊區(qū)城鎮(zhèn),所經(jīng)地層年代眾多,巖性復(fù)雜,線路全長約30.84ｋｍ,新建車站10座,最大站間距5700ｍ,最小站間距880ｍ,平均站間距2490ｍ,其中機(jī)場線試驗(yàn)段(長1732ｍ)已完成土建施工。根據(jù)階段巖土工程勘察資料,探討地鐵3號線北延段線路形式選擇和工法建議。1巖土分區(qū)及其特點(diǎn) 按巖土工程地質(zhì)條件和地貌的不同特點(diǎn),將軌道交通3號線北延段為劃分為2個(gè)地質(zhì)單元,即燕塘至磨刀坑段和磨刀坑至新機(jī)場段,現(xiàn)將上述2個(gè)地質(zhì)單元的主要特征說明如下:1.1 燕塘至磨刀坑段(里程ＹＡＫ0+000+ＹＡＫ8+350)1.1.1 地貌特征 本段為低山丘陵地貌,沿線經(jīng)過剝蝕殘丘和山間小盆地,地形起伏較大,地面高差88.97ｍ,線路沿線多為密集民居,辦公樓和城市道路等。1.1.2 巖土分層特征 (1)第四系土層特征:主要有人工填土、沖積—洪積砂層、土層及淤泥質(zhì)土層、殘積土層,厚度變化較大,層厚4.30～36.00ｍ,軟土零星分布,厚度較小,沖積—洪積砂層在南方醫(yī)院至同和一帶較發(fā)育,地下水較豐富。 (2)下伏基巖特征:①在里程ＹＡＫ0+250～ＹＡＫ1+550和ＹＡＫ3+600～ＹＡＫ7+250為燕山期花崗巖分布地段,巖面起伏較大,全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化帶厚度較大,風(fēng)化強(qiáng)烈,個(gè)別地段存在球狀風(fēng)化孤石,裂隙局部發(fā)育,地下水不豐富。②在里程ＹＡＫ0+00～ＹＡＫ250、ＹＡＫ1+550～ＹＡＫ3+600和ＹＡＫ7+250～ＹＡＫ8+350為震旦系變質(zhì)巖分布范圍,巖性主要為花崗片麻巖,部分地段為混合花崗巖、變質(zhì)石英砂巖、石英巖等。巖石風(fēng)化強(qiáng)烈,全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化帶厚度較大,節(jié)理、裂隙稍發(fā)育,中微風(fēng)化巖巖面大部分地段埋藏較深,且起伏較大,在瘦狗嶺,巖面凸起。1.1.3 地下水特征 (1)松散巖類孔隙水:主要賦存在沖積—洪積砂層,砂層分布范圍較廣,地下水較豐富,砂層綜合滲透系數(shù)為5～10ｍ/ｄ。 (2)塊狀基巖裂隙水:主要賦存在花崗巖和變質(zhì)巖強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶之中,地下水富水性不強(qiáng),在山溝谷口處,地下水相對較豐富,滲透系數(shù)為0.1～0.5ｍ/ｄ。 (3)地下水腐蝕性特征:根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果,按《巖土工程勘察規(guī)范》(ＧＢ50021-2001)的有關(guān)規(guī)定判定地下水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性,對混凝土質(zhì)結(jié)構(gòu)中的鋼筋有弱腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。1.1.4 斷裂特征 在里程ＹＡＫ8+350和ＹＡＫ8+650分別為廣從斷裂束,斷裂兩側(cè)巖性為震旦系變質(zhì)巖、三疊系小坪組砂頁及石炭系石灰?guī)r,線路經(jīng)過廣從斷裂地段若采用高架線,斷裂對工程影響不大。若采用地下線,隧道經(jīng)過斷裂破碎帶時(shí),按Ⅰ類圍巖支護(hù),并增加止水措施。1.2磨刀坑至新機(jī)場(里程ＹＡＫ8+350～ＹＡＫ30+842.27)1.2.1 地貌特征　　為廣花沖積平原,地形較平坦,開闊,地面高程7.78～23.85ｍ,沿線地表多為公路、農(nóng)田及民居,在里程ＹＡＫ22+180～ＹＡＫ22+366線路跨越流溪河。1.2.2　巖土分層特征 (1)第四系土層特征:本段第四系土層主要有人工填土、耕植土、沖積—洪積土層和砂層,厚度變化較大,層厚6.00～44.60ｍ,其中砂層厚度較大(厚度0.50～20.55ｍ),分布范圍廣。砂層含水豐富且補(bǔ)給來源充沛。 (2)下伏基巖特征:①在里程ＹＡＫ8+350～700下伏基巖為三疊系炭質(zhì)頁巖、泥巖及砂巖,風(fēng)化強(qiáng)烈,挾持與廣從斷裂與震旦系變質(zhì)巖之間。②在里程ＹＡＫ8+700～ＹＡＫ12+550和ＹＡＫ25+650～ＹＡＫ30+800,為石炭系地層分布范圍,巖性主要為灰?guī)r,次為炭質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖、泥巖等。巖面起伏較大,巖溶較發(fā)育,地下水豐富,補(bǔ)給來源充沛。③在里程ＹＡＫ12+550～ＹＡＫ25+650為龍歸沉積盆地范圍,下伏基巖為第三系地層分布地段,巖性較復(fù)雜,為一套下粗上細(xì)的海陸河湖交互相沉積巖,主要巖性有粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、石灰?guī)r、礫巖和粗砂巖等。風(fēng)化程度較強(qiáng),巖質(zhì)較軟。石灰?guī)r一般呈夾層出現(xiàn),并發(fā)育有溶洞,地下水豐富。1.2.3 地下水特征 (1)松散巖類孔隙水:主要賦存在沖積—洪積砂層之中,砂層厚度較大,分布范圍廣,補(bǔ)給條件較好,地下水豐富,砂層綜合滲透系數(shù)可達(dá)10～50ｍ/ｄ。 (2)層狀基巖裂隙水:主要賦存在碎屑巖類強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化帶,由于風(fēng)化裂隙大部分被泥質(zhì)充填,故其富水性和透水性較弱。 (3)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水:主要賦存在石炭系石灰?guī)r和第三系石灰?guī)r中,工程勘察有27個(gè)鉆孔揭露有溶洞,經(jīng)抽水試驗(yàn)證實(shí),富水性和滲水性均較好。滲透系數(shù)為6.16～36.46ｍ/ｄ,建議滲透系數(shù)采用20～30ｍ/ｄ。 (4)地下水腐蝕性特征:根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果,按《巖土工程勘察規(guī)范》(ＧＢ50021-2001)的有關(guān)規(guī)定制定,地下水對混凝土結(jié)構(gòu)大部分地段無腐蝕性,局部地段有弱腐蝕性,對混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)有弱—中等腐蝕性。1.2.4 斷裂特征 在里程ＹＡＫ8+650為廣從斷裂分布范圍,斷裂的上盤為石炭系地層,下盤為三疊系地層。1.2.5溶洞特征 主要發(fā)育在石炭系和第三系石灰?guī)r地層中,工程勘察階段有27個(gè)鉆孔揭露到溶洞,洞高0.20～10.91ｍ,溶洞層數(shù)1～6層,大部分溶洞無充物或半充填,地下水豐富。溶洞在宏觀上有一定的的規(guī)律性,在局部地方是無規(guī)律的,工程勘察溶洞大部分發(fā)育深度較淺,對地鐵地下線開挖有較大的影響。2巖土工程條件評價(jià)2.1燕塘至磨刀坑段 (1)人工填土層分布廣泛,主要為雜填土和素填土,欠壓實(shí)—稍壓實(shí),局部可能存在土層滯水。本段軌道交通擬采用地下線,人工填土對區(qū)間隧道施工影響甚微,站址采用明挖施工,影響亦較小。 (2)沖積—洪積砂層,本層在南方醫(yī)院至同和一帶較發(fā)育, 其它地段零星分布,地下水富水程度中等,砂層對站址基坑施工有較大影響,基坑開挖時(shí),排水可導(dǎo)致基坑周圍地面沉降,引起建筑物開裂變形等,對區(qū)間隧道礦山法施工影響亦較大,隧道開挖掘進(jìn)時(shí),可能導(dǎo)致突水、涌砂或坍塌,嚴(yán)重時(shí)可坍塌至地表,若采用盾構(gòu)法施工則影響較小。 (3)沖積—洪積土層,分布較廣泛,呈可塑狀為主,屬弱—微透水層,有一定的承載能力和自穩(wěn)能力,對隧道和站址基坑施工,影響較小。 (4)沖積—洪積淤泥質(zhì)土層,零星分布,層度不大,透水性差,易壓縮變形,強(qiáng)度較低,自穩(wěn)能力差。對站址基坑開挖有一定影響,失水時(shí)可導(dǎo)致地面沉降。 (5)坡殘積層,本層為變質(zhì)巖和花崗巖風(fēng)化殘積土,厚度大,分布范圍廣,透水性弱,具遇水易軟化、崩解特點(diǎn),對區(qū)間隧道礦山法開挖和站址明挖基坑有較大影響,施工時(shí)注意采取排水、防水措施。防止土層泡水、滲水降低土層的強(qiáng)度。 (6)基巖,本段基巖為震旦系變質(zhì)巖及燕山期花崗巖,全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶已風(fēng)化成呈土狀或半巖半土狀,含少量地下水,亦具有遇水軟化、崩解特點(diǎn),對隧道開挖和基坑施工有較大影響,巖石中風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶,巖質(zhì)堅(jiān)硬,局部裂隙發(fā)育,對盾構(gòu)施工主要考慮是巖石強(qiáng)度對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響。對礦山法施工,則需進(jìn)行爆破開挖。2.2磨刀坑至新機(jī)場段(1)人工填土層:分布廣泛,主要為雜填土、素填土,部分地段為耕植土,欠壓實(shí)—稍壓實(shí),局部可能存在土層滯水。本段軌道交通不論采用地面線或地下線,人工填土層對軌道交通施工影響甚微。(2)沖積—洪積砂層:分布廣泛,厚度較大,地下水豐富,補(bǔ)給條件較好,若軌道交通采用地下線,則對隧道礦山法施工影響甚大,可導(dǎo)致隧道突水、涌砂和坍塌,嚴(yán)重時(shí)可坍塌至地表,對盾構(gòu)法則影響較小,在施工采用注漿加固即可。在明挖段圍護(hù)結(jié)構(gòu)則應(yīng)采取止水措施。 (3)沖積—洪積土層:分布廣泛,層厚變化較大,為弱—微透水層,有一定的承載能力和自穩(wěn)能力。對隧道和站址開挖影響較小,若采用高架線,則影響甚微。 (4)沖積—洪積淤泥質(zhì)土層:零星分布,厚度較薄,透水性差,易壓縮變形,強(qiáng)度低,自穩(wěn)能力差。軌道交通若采用地下線,則對隧道和站址施工有一定影響,失水時(shí)可導(dǎo)致地面沉降,若采用高架線,則影響較小。 (5)殘積土層:殘積土層為碎屑巖風(fēng)化而成。局部為石灰?guī)r風(fēng)化而成。厚度變化較大,具有遇水軟化、崩解特點(diǎn),軌道交通若采用地下線,隧道和站址開挖時(shí),應(yīng)采取排水和防水措施。若采用高架線,則影響較小。 (6)碎屑巖:碎屑巖巖性較為復(fù)雜,為石炭系、二疊系、三疊系和第三系地層,巖性主要為泥巖,粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖、粗砂巖、礫巖等。風(fēng)化裂隙,節(jié)理較發(fā)育,在強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶,含地下水,但富水程度較差,軟硬夾層較多,為軟質(zhì)巖。本段若采用地下線,不論采用礦山法或盾構(gòu)法施工,碎屑巖對開挖掘進(jìn)影響較小,盾構(gòu)法施工時(shí)應(yīng)注意巖面起伏和軟硬夾層變化,防止掘進(jìn)左右或上下偏離,若采用高架線,則根據(jù)樁型要求,樁端座落在連續(xù)穩(wěn)定巖層上即可。 (7)石灰?guī)r:在磨刀坑至太和莊,矮崗至新機(jī)場北,石灰?guī)r分布廣泛,其中巖溶較發(fā)育,地下水豐富,在巖溶發(fā)育地段,軌道交通若采用深埋方案,不管是礦山法還是盾構(gòu)法施工,都存在較大的安全隱患,可導(dǎo)致突水,突泥和盾構(gòu)機(jī)具陷落等事故,若采用高架線,則影響程度較小,可根據(jù)樁型要求,樁端座落在連續(xù)穩(wěn)定巖層上即可。3主要不良地質(zhì)作用對工程的影響3.1燕塘至磨刀坑段 (1)本段軟土零星分布,厚度不大,埋藏較淺,對深埋隧道施工影響較小,對站址明挖施工有一定影響,可能產(chǎn)生基坑側(cè)壁變形,易產(chǎn)生壓縮變形和地面沉降及引起地面建筑物變形。 (2)本段在南方醫(yī)院至同和一帶,沖積—洪積砂層分布較廣,富水性、透水性較好,對暗挖隧道施工、明挖基坑支護(hù)和止水有一定的不利影響。 (3)花崗巖、花崗巖片麻殘積土層及其全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶,具遇水易軟化、崩解特點(diǎn),對暗挖隧道和明挖基坑均有一定的不利影響,設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)予注意。 (4)在里程ＹＡＫ6+460范圍殘積土層中存在球狀風(fēng)化孤石,對樁基施工、盾構(gòu)隧道施工有較大影響,設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)予注意。 (5)花崗巖和花崗片麻巖的中風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶,巖石強(qiáng)度較高(最大值為147.3ＭＰａ),盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)選擇好機(jī)型。3.2磨刀坑至新機(jī)場段 (1)本段軟土零星分布,厚度不大,若軌道交通采用高架線路,則軟土對工程影響甚微,若采用地下線,則軟土?xí)鸹觽?cè)壁變形、地面沉降和建筑物變形。 (2)本段沖積—洪積砂層厚度較大,分布范圍廣,地下水豐富,若軌道交通采用高架線,則砂層對工程影響較小,若采用地下線,砂層對暗挖隧道、明挖基坑的穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響,必須做好止水和支護(hù)工作。線路選線和工法選擇時(shí)應(yīng)予注意。 (3)碎屑巖中的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖及其風(fēng)化殘積土,具遇水易軟化、開挖暴露后易干裂收縮特點(diǎn),若采用地下線,隧道圍巖和基坑邊坡容易產(chǎn)生失穩(wěn),若采用高架線,則對工程影響較小。 (4)在線路經(jīng)過石灰?guī)r分布地段,巖溶較為發(fā)育,地下水豐富,若采用地下線,不管采用何種工法,均對隧道施工影響較大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予重視,若采用高架線,則巖溶發(fā)育僅對樁基施工有不利影響,但容易處理。4線路選擇和工法建議4.1燕塘至磨刀坑段 (1)為花崗巖及變質(zhì)巖分布地段,沿線地面建筑密集,由于受城市規(guī)劃控制,本段不宜采用高架線路方案,鑒于沿線建筑物情況和城市道路現(xiàn)狀,建議采用深埋線路方案,工法采用盾構(gòu)法。由于中微風(fēng)化巖面起伏較大和巖石強(qiáng)度較大(最大值為147.3ＭＰａ),盾構(gòu)施工時(shí)應(yīng)予注意。如果設(shè)計(jì)采用礦山法施工,則要注意花崗巖及變質(zhì)巖的殘積土層、全風(fēng)化帶及強(qiáng)風(fēng)化帶具遇水軟化、崩解特點(diǎn),做好止水、排水措施。在南方醫(yī)院至同和一帶,沖積—洪積砂層發(fā)育,對礦山法施工影響較大,施工時(shí)應(yīng)做好止水及支護(hù)措施。選擇礦山法施工應(yīng)充分考慮上述不利條件。 綜合考慮本段沿線建筑物密度大,樁基和地下設(shè)施較多的情況,建議采用深埋線路方案,工法采用盾構(gòu)法施工方案。4.2磨刀坑至新機(jī)場段 (1)在里程ＹＡＫ8+350～ＹＡＫ16+800,地面建筑物較少,大部分地段為農(nóng)田,為石炭系石灰?guī)r和第三系石灰?guī)r分布地段,下伏基巖巖溶較為發(fā)育,溶洞發(fā)育部位大部分埋藏較深,第四系沖積—洪積砂層厚度較大,分布范圍廣,地下水豐富,從地質(zhì)角度出發(fā),若采用地下線,礦山法施工不利因素較多,深埋將遇到巖溶問題,淺埋將遇到砂層富水程度好、穩(wěn)定性差的問題。若采用盾構(gòu)法施工,深埋將遇到溶洞,對施工有不利影響。由于沿線建筑物較少,地下線施工工法亦可考慮淺埋明挖方案。若采用高架線,則不利地質(zhì)因素較少,只有巖溶對樁基施工有一定影響,但影響程度較小。綜合上述分析,建議采用高架方案。 (2)在里程ＹＡＫ16+800～ＹＡＫ25+400,沿線地面為106國道,經(jīng)過龍歸和人和鎮(zhèn),在里程ＹＡＫ22+180～ＹＡＫ22+366跨越流溪河。本段為第三系碎屑巖分布地段。主要不良地質(zhì)問題為砂層較厚及富水程度較好。軌道交通若采用地面線或高架線將影響龍歸鎮(zhèn)和人和鎮(zhèn)的城市化發(fā)展。建議采用地下線,工法采用盾構(gòu)法,線路可采用中埋或深埋方案。如果采用高架線,樁型可采用鉆沖孔樁或預(yù)應(yīng)力管樁,持力層為強(qiáng)—微風(fēng)化巖。地面線地基可采用天然地基或換填處理。綜合上述分析,建議采用地下線,工法采用盾構(gòu)法。 (3)在里程ＹＡＫ25+400～ＹＡＫ30+842(即矮崗至新機(jī)場),軌道交通為地下線,其中ＹＡＫ28+074至ＹＡＫ29+806為已完成土建的機(jī)場線試驗(yàn)段。本段矮崗至機(jī)場試驗(yàn)起點(diǎn)為機(jī)場高速公路,在試驗(yàn)終點(diǎn)至新機(jī)場北為機(jī)場大道。本段為石炭系石灰?guī)r分布地段,下伏基巖巖溶較發(fā)育,尤其在機(jī)場北一帶,發(fā)育多層較大的溶洞,巖面標(biāo)高約-3.77～-0.35,埋深18.40～20.00ｍ,第四系沖積—洪積砂層厚度較大,地下水豐富,砂層與巖面直接接觸,砂層孔隙水與巖溶水相互有密切的水力聯(lián)系。本段設(shè)計(jì)和規(guī)劃只能采用地下線,鑒于本段的地質(zhì)情況和周邊環(huán)境,隧道開挖宜采用明挖法,隧道淺埋,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用攪拌樁或旋噴樁止水,并結(jié)合井點(diǎn)降水,亦可考慮采用地下連續(xù)墻方案。5結(jié)束語 地鐵線路工法選擇涉及城市交通、商業(yè)環(huán)境、城市規(guī)劃發(fā)展及地質(zhì)環(huán)境等因素,從巖土工程角度考慮選擇地鐵的線路和工法,只是其中一種因素,但在地質(zhì)條件復(fù)雜地段,可能是決定因素。所以,在地鐵線路及工法選擇問題上,首先是要把線路的巖土工程條件查清楚,再結(jié)合城市規(guī)劃等因素進(jìn)行線路和工法建議。參考文獻(xiàn):[1] 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