廣州地鐵巖土工程勘察的重點和難點摘 要: 本文以地鐵工程的特點為出發點, 結合廣州地區特定的地質條件, 討論廣州地鐵巖土工程勘察的重點和難點, 歸納不同的線路方案和施工方法對巖土工程勘察的要求, 總結目前階段廣州地鐵巖土工程勘察中存在的問題, 并提出幾條建議。關鍵詞: 巖土工程勘察; 重點; 難點1 概述 廣州市為了滿足城市經濟和社會快速、持續發展的需要, 按照“東進、西聯、南拓、北優”的城市發展格局對軌道交通工程進行規劃, 到2010 年廣州市將擁有 9 條城市軌道交通線路, 線路總長 255km, 車站總數 164 座。大規模的地鐵工程建設帶來了大規模的巖土工程勘察工作。本文從地鐵工程的特點出發, 結合廣州地區特定的地質條件, 探討廣州地鐵巖土工程勘察的重點、難點問題。 地鐵工程按線路敷設方式可分為地下線、地面線和高架線; 按功能可分為車站、區間、車輛段、停車場、變電站、控制中心等; 按施工方法可分為盾構法、礦山法、明挖法、蓋挖法和沉管法等。地鐵線路敷設方式和施工方法的多樣性,導致地鐵工程基礎類型和結構形式的多樣性 ( 如樁、連續墻、支撐、錨桿、復合地基等) , 因此,地鐵巖土工程勘察兼有鐵路隧道、城市高層建筑、深基坑、水文地質勘察的特點。不同的線路敷設方式、工法和結構形式對巖土工程勘察提出不同的要求和側重點。2 廣州地區工程地質、水文地質條件 廣州大地構造處于華南褶皺系中的粵中拗陷構造單元, 受加里東、印支、燕山及喜馬拉雅等構造旋迴的作用, 范圍內發育了不同規模的褶皺和斷裂, 并發育了沉積巖、巖漿巖和變質巖。其中, 北東向的廣從斷裂和東西向的瘦狗嶺斷裂將廣州劃分為三個構造區, 并控制各區的第四紀沉積及沉積中心的展布。2.1 廣從斷裂以西構造區 位于北東向的廣花凹陷的南西部, 主體構造是北東向, 由上古生界及其褶皺和伴生的斷裂以及二迭系和第三系向斜盆地構成。白云區西部位于本構造區范圍。本區第四系地層主要由上更新統和全新統人工填土、沖洪積砂層、沖洪坡積土層和殘積層組成, 下伏基巖主要為石炭系、二迭系、三迭系和第三系碎屑巖和碳酸鹽巖, 巖性有灰巖、泥灰巖、炭質灰巖、炭質泥巖或頁巖、砂巖、泥巖、礫巖、灰質礫巖等。本構造區內不良地質作用主要有巖溶、煤礦采空區、斷裂和風化深槽。2.2 廣從斷裂以東、瘦狗嶺斷裂以北構造區 位于增城凸起的西部, 白云區東部、蘿崗區主要位于該構造范圍。本區第四系主要由上更新統和全新統人工填土、沖洪積土層、沖洪積砂層、河湖相沉積土層和殘積層組成, 下伏基巖主要為燕山期侵入巖。本構造區內不良地質和特殊性土主要有花崗巖風化殘積土、球狀風化、風化深槽、砂土液化等。2.3 廣從斷裂以東、瘦狗嶺斷裂以南的構造區 位于三水斷陷盆地東部, 是由中生界白堊系構成的東西向比較寬闊的褶皺和燕山晚期及喜馬拉雅期形成的一系列北西向斷層構成的繼承性構造。越秀、荔灣、天河、芳村、海珠、黃埔及番禺等大部分位于該構造區范圍。第四系主要由全新統和上更新統人工填土、海陸交互相沉積層、沖洪坡積層和殘積層組成, 下伏基巖為白堊系沉積巖和震旦系變質巖。本構造區內地鐵工程面臨的典型不良地質作用主要有砂土液化、軟土、白堊系殘積層和風化帶遇水軟化等。 廣州市地處珠江三角洲, 河流縱橫, 地下水豐富, 埋深較淺。地下水按賦存方式可分為第四系孔隙水、基巖風化裂隙水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水。地下水位受季節、潮汐影響明顯。第四系孔隙水局部具有承壓性, 隱伏巖溶中的巖溶裂隙水多具有承壓性。另外, 廣州發育多個褶皺、斷裂構造, 受構造裂隙和斷裂破碎帶的影響, 水文地質條件復雜。3 地鐵工程對巖土工程勘察的要求 地鐵巖土工程勘察按階段分為工可勘察、初勘、詳勘及施工勘察, 另外必要時可在某階段補充水文專題勘察、斷裂專題勘察、軟土專題勘察、物探等。不同勘察階段有著不同的勘察精度和要求, 以詳勘為例, 廣州地鐵詳勘階段巖土工程勘察的主要目的和要求歸結如下: ( 1) 在初勘基礎上, 詳細查明場地的工程地質及水文地質條件, 對于復雜地段或有特殊要求的地段, 進行重點勘察。 ( 2) 詳細查明不良地質條件及特殊性巖土的分布特征。4 廣州地鐵巖土工程勘察的重點和難點4.1 重點4.1.1 勘察應滿足結構設計和工法需要 對于明挖法和蓋挖法, 勘探孔一般布置于結構邊線外 2m 左右, 明挖通道、風道等鉆孔可沿其中心線布置; 結構外側 1 倍開挖深度范圍宜布置鉆孔。巖土工程勘察需查明巖土分層及厚度; 查明基巖產狀、起伏及坡度情況; 查明不良地質;查明地下水類型、水位、水量、補給來源、滲透性、對混凝土及鋼結構的腐蝕性; 判斷管涌、浮托破壞的可能性; 判斷砂層的液化特征; 判斷基坑降水的可能性; 進行土石可挖性分級; 評價環境對基坑開挖施工的承受能力; 提供圍護結構( 樁、墻、土釘、錨桿) 及永久性樁基設計所需的巖土參數 ( 如重度、抗剪強度、泊松比、無側限抗壓強度、靜止側壓力系數、基床系數、樁基承載力特征值、巖土與錨固體的黏結強度等) ; 提供工程地質縱橫斷面等。 對于盾構法, 勘探孔沿線路兩側交錯布置于隧道外 3～5m。巖土工程勘察需查明地層構造、層序以及地層中洞穴、透鏡體和障礙物分布。對于軟土、松散砂層、含漂石、卵石地層、高粉粘粒含量地層、掌子面軟硬不均地層及硬巖地層等對盾構機具選擇和施工有重大影響的地層, 應重點勘察。查明硬巖的節理發育情況和巖體基本質量分級; 查明地下水位、滲透系數、腐蝕性, 估算掌子面涌水量 ( 作為衡量隧道失穩后破壞后果的一個參考指標) ; 提供力學計算和盾構機、刀具選型所需的巖土物理、力學參數; 進行土石可挖性分級并提供工程地質縱橫斷面。 對于礦山法, 勘察孔盡量布置在開挖范圍外側 3～5m。巖土工程勘察最首要的任務是進行準確的隧道圍巖分級。另外, 勘察還應著重查明水文地質條件, 估算隧道單位長度 ( 可按 1m 或 10m)的涌水量; 查明構造破碎帶、含水松散圍巖、膨脹性圍巖、巖溶、遇水軟化崩解圍巖以及可能產生巖爆的圍巖; 進行土石可挖性分級并提供工程地質縱橫斷面。對于凍結法施工, 另需提供地層含水量、地下水流速、開挖范圍巖土層溫度及熱物理指標等。4.1.2 勘察應著重查明不良地質及特殊性巖土 廣州地區地質條件復雜, 影響地鐵工程的不良地質作用較多, 如斷裂、巖溶 ( 含白堊系紅層溶蝕及空洞) 、采空區、花崗巖殘積層及風化帶、球狀風化、風化深槽、軟土、硬巖等。 斷裂帶巖體破碎, 樁基設計時應盡量繞避,無法繞避時應穿過斷裂帶; 由于斷裂帶地下水活動復雜, 對地下隧道施工威脅較大, 勘察階段應予以查明斷裂帶的范圍、產狀、構造破碎情況及富水性。斷裂的活動性對地鐵工程可能會造成一定程度的影響, 必要時應進行斷裂專題勘察, 為設計考慮是否需對結構進行特殊處理提供資料。 廣州地鐵二、三、五、六號線均通過巖溶發育區, 珠江新城至赤崗塔過江段、如意坊、水蔭路等地巖土工程勘察中, 還在白堊系紅層中揭示到洞穴。巖溶及紅層洞穴對地下線、高架線均帶來較大的不良影響。對地下線而言, 可能造成盾構機跌落事故, 明挖或礦山法施工時巖溶承壓水可能擊穿隔水底板或者揭露到巖溶含水層, 造成巖溶水突涌;對高架線來說巖溶及洞穴導致持力層選擇困難、樁基施工卡鉆、漏漿、造成地面塌陷并影響地面建筑和地下管線安全; 樁基及隧道下如有隱伏巖溶, 受加載影響有可能導致結構下沉; 巖溶 ( 尤其是土洞) 的發展對地鐵的運營也帶來不利影響, 如土洞發展有可能造成結構沉降, 影響地鐵工程及環境安全。巖土工程勘察應力求查明溶洞和土洞的分布及水文地質條件。由于鉆探具有一孔之鑒的局限性,以及巖溶發育的局部無規律性, 必要時鉆探應結合物探方法進行綜合探查。 采空區對地鐵工程的不利影響主要表現在采空區垮塌引起地面塌陷和開裂, 以及采空區上部巖體產生破壞和變形, 引起地鐵隧道下沉和斷裂。廣州北郊 ( 三元里至嘉禾) 二迭系地層中含煤,該煤層自清代開始開采至今已形成大片采空區和錯綜復雜的采煤巷道, 由于采空區的平面位置及空間狀況對北部線路在線路敷設方案及工法選擇上有著極大的影響, 應通過調查、勘察等手段查明采空區的范圍和深度, 分析煤礦采空區對地鐵線路的影響程度, 為北部線路的設計和施工提供依據。 硬巖對盾構機的選型及工法有重大影響。一般在巖石天然單軸抗壓強度高于 80MPa 時宜選用單刃盤型滾刀, 同時結合巖石強度和節理裂隙發育情況設計滾刀間距。盾構機在硬巖地層中掘進時, 刀具磨損嚴重, 有時甚至損壞刀具和磨損刀盤, 掘進效率極低, 此時宜選用礦山法 ( 鉆爆法)施工。由此可見, 查明硬巖的分布、強度、石英含量 ( 研磨性) 、裂隙發育情況是很有必要的。廣州發育有花崗巖、灰巖、石英巖、輝綠巖等硬巖,巖土工程勘察中應著重查明。 花崗巖殘積土及全強風化帶, 石英及粘粒含量均較高, 具有遇水軟化及崩解特性。采用礦山法時隧道極易失穩跨塌, 采用盾構法時易結泥餅、極大地降低掘進效率。花崗巖殘積土及全強風化帶若夾有球狀風化物, 由于風化球周圍巖體與球狀風化巖體本身強度存在較大差距, 易造成刀具損壞, 甚至會導致刀盤變形乃至使整個盾構機癱瘓。巖土工程勘察應詳細查明風化帶的厚度、分布、球狀風化體的規模、抗壓強度等, 并進行有必要的顆分試驗,為盾構機設計和選型、泥漿配制等提供依據。 海陸交互相沉積、海相沖積、陸相沖洪積砂層在廣州各區廣泛分布。飽和砂土在在急劇變化的周期性地震力作用下可能液化。砂土液化時,土體失去抗剪強度, 地基土喪失承載力, 從而使地下結構失穩破壞, 使地面結構傾斜、開裂、傾倒、下沉等。根據建筑抗震設計規范, 晚更新世( Q3) 及其以前的砂土、粉土在 7、8 度時可不進行液化判定, 但廣州地區的沖洪積粉細砂<3- 1>、中粗砂<3- 2>時代較難劃分, 為慎重起見, 廣州地鐵巖土工程勘察中, 對飽和的沖洪積粉細砂、中粗砂均進行液化判定。 軟土強度低, 易擾動, 易誘發基坑變形和不均勻沉降, 巖土工程勘察應進行詳細勘察和評價,為基坑支護結構設計、樁基設計和地基處理設計提供依據。當軟土分布規模較大, 必要時還需進行軟土專題勘察。4.1.3 應提供合理的巖土參數和工程措施建議 不同的結構與工法, 不同功能的建 ( 構) 筑物對巖土工程勘察的要求也不同, 這種不同在巖土參數和工程措施建議上也應有所體現。如對于明挖車站, 重點巖土參數有地下水位、各巖土密度、抗剪強度指標、側壓力系數、樁端 ( 側) 阻力特征值等; 對于盾構法, 重要的巖土參數主要是隧道范圍內各巖土層天然抗壓強度; 對于高架結構, 重要的巖土參數主要有基巖埋深、樁端( 側) 阻力特征值、巖石抗壓強度等。巖土工程勘察提供巖土參數和建議時, 應有的放矢, 結合工法和設計的需要, 這樣做也使巖土測試抓住重點,避免不必要的工作, 節省勘察投入。4.2 難點4.2.1 地鐵巖土工程勘察施工受環境制約明顯 地鐵線路設計要考慮吸收和引導客流, 線路多穿過密集的商業區和居民區, 地面建筑、交通、地下管線等成為制約勘察施工的明顯因素。由于巖土工程勘察可能存在妨礙地面交通、損壞地下管線、造成環境污染等問題, 交通、園林等部門對勘察施工審批程序嚴格, 由此可能造成兩方面后果, 一是部分鉆孔無法施工導致影響勘察成果的質量, 二是影響勘察工期繼而影響地鐵設計和施工工期。4.2.2 巖溶等不良地質勘察技術不足或成本過高 廣州部分地區巖溶強烈發育, 對地鐵工程影響重大。巖溶勘察一直是巖土工程界的難題: 鉆探僅能揭示某點的情況, 而且勘察施工易遭遇漏漿、垮塌、埋鉆等事故, 物探解釋結果具有多解性, 準確性較高的跨孔 CT 法成本過高, 如車輛段跨孔 CT費用過億。花崗巖全強風化帶中的球狀風化孤石在地層中的分布無明顯規律, 勘察中存在類似難題。5 建議 ( 1) 應避免巖土工程勘察引發環境問題。地鐵巖土工程勘察多在市區進行, 工程勘察可能引發兩類環境問題: 一是勘察對周邊環境造成不良影響, 如施工影響交通, 泥漿、噪聲污染環境,鉆探破壞地下管線等; 二是勘察施工引起環境改變妨礙地鐵后期施工, 如終孔后封孔不良導致地下水沿鉆孔滲入地下施工作業通道并可能誘發地面變形。這兩類環境問題都會造成不良后果, 應加以避免。勘察方案設計過程中, 在滿足設計要求的前提下, 勘察孔應繞避對交通、管線等造成不利影響的地段。勘察施工過程中, 應完善、嚴格工作流程, 對管線進行探查, 在確保安全的情況下繼續鉆進。鉆孔終孔后, 做好回填、封孔等工作, 以絕后患。 目前, 廣州地鐵巖土工程勘察實行勘察總體管理制度, 市區鉆探采用全圍蔽施工, 對鉆探用水、泥漿統一處理, 開鉆前嚴格執行管線調查、探測程序, 終孔對封孔進行旁站驗收, 在避免勘察引發的環境問題方面起到了較好效果。 (2) 應重視綜合勘察技術手段的應用與配合。查明巖溶的分布及特征是地鐵工程勘察的重點,同時也是難點。“鉆探+物探”相結合的綜合勘察技術, 能夠做到點面結合, 很大程度上克服了常規鉆探的局限性。物探手段多樣, 不同的方法、不同的儀器揭示精度和成本差異明顯, 需要結合設計對勘察的要求及地質條件, 選擇既滿足設計要求又經濟可行的方法。如有可能, 可進行不同的物探方法比較, 結合鉆探驗證不同方法探測效果, 在勘察效果和經濟成本之間尋求最佳結合。目前, 《廣州市軌道交通線網巖土工程勘察總體技術要求》中物探方面內容比較欠缺, 綜合勘察技術方面有待進一步探索和完善。 (3) 土工試驗項目可更緊密圍繞工法進行精簡。工可及初勘階段, 為了提供方案、工法比選需要, 以及防止工法重大變動, 土工試驗項目及巖土參數內容宜全面, 但詳勘及施工階段, 線路和工法趨于穩定。筆者認為, 詳勘階段土工試驗項目及巖土參數可緊扣工法進行精簡、優化, 如暗挖法施工中, 盾構管片規格已標準化, 礦山法隧道設計主要依靠工程類比法, 現勘察報告中的許多參數并不被關心。在這種現狀下, 詳勘階段如果“全面”地進行巖土測試, 并“全面”地提供巖土參數, 在一定程度上會造成浪費。 (4) 應重視既有勘察成果、經驗的總結和利用。廣州地鐵巖土工程勘察工作覆蓋了廣州各區,至今已積累上萬個鉆孔資料。這些資料可為本地區其它工程利用, 在完善區域地質資料方面也能起到一定的作用。應盡快建立廣州地鐵巖土工程勘察數據庫系統, 以方便對既有勘察成果的查詢和利用。參考文獻[1] GB 50307—1999 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范 [S] .[2] 廣州市軌道線網巖土工程勘察總體技術要求 (第二版) .
