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广州地铁岩土工程勘察的重点和难点

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。
      花岗岩残积土及全强风化带, 石英及粘粒含量均较高, 具有遇水软化及崩解特性。采用矿山法时隧道极易失稳跨塌, 采用盾构法时易结泥饼、极大地降低掘进效率。花岗岩残积土及全强风化带若夹有球状风化物, 由于风化球周围岩体与球状风化岩体本身强度存在较大差距, 易造成刀具损坏, 甚至会导致刀盘变形乃至使整个盾构机瘫痪。岩土工程勘察应详细查明风化带的厚度、分布、球状风化体的规模、抗压强度等, 并进行有必要的颗分试验,为盾构机设计和选型、泥浆配制等提供依据。
      海陆交互相沉积、海相冲积、陆相冲洪积砂层在广州各区广泛分布。饱和砂土在在急剧变化的周期性地震力作用下可能液化。砂土液化时,土体失去抗剪强度, 地基土丧失承载力, 从而使地下结构失稳破坏, 使地面结构倾斜、开裂、倾倒、下沉等。根据建筑抗震设计规范, 晚更新世( Q3) 及其以前的砂土、粉土在 7、8 度时可不进行液化判定, 但广州地区的冲洪积粉细砂<3- 1>、中粗砂<3- 2>时代较难划分, 为慎重起见, 广州地铁岩土工程勘察中, 对饱和的冲洪积粉细砂、中粗砂均进行液化判定。
      软土强度低, 易扰动, 易诱发基坑变形和不均匀沉降, 岩土工程勘察应进行详细勘察和评价,为基坑支护结构设计、桩基设计和地基处理设计提供依据。当软土分布规模较大, 必要时还需进行软土专题勘察。
4.1.3 应提供合理的岩土参数和工程措施建议
      不同的结构与工法, 不同功能的建 ( 构) 筑物对岩土工程勘察的要求也不同, 这种不同在岩土参数和工程措施建议上也应有所体现。如对于明挖车站, 重点岩土参数有地下水位、各岩土密度、抗剪强度指标、侧压力系数、桩端 ( 侧) 阻力特征值等; 对于盾构法, 重要的岩土参数主要是隧道范围内各岩土层天然抗压强度; 对于高架结构, 重要的岩土参数主要有基岩埋深、桩端( 侧) 阻力特征值、岩石抗压强度等。岩土工程勘察提供岩土参数和建议时, 应有的放矢, 结合工法和设计的需要, 这样做也使岩土测试抓住重点,避免不必要的工作, 节省勘察投入。
4.2 难点
4.2.1 地铁岩土工程勘察施工受环境制约明显
      地铁线路设计要考虑吸收和引导客流, 线路多穿过密集的商业区和居民区, 地面建筑、交通、地下管线等成为制约勘察施工的明显因素。由于岩土工程勘察可能存在妨碍地面交通、损坏地下管线、造成环境污染等问题, 交通、园林等部门对勘察施工审批程序严格, 由此可能造成两方面后果, 一是部分钻孔无法施工导致影响勘察成果的质量, 二是影响勘察工期继而影响地铁设计和施工工期。
4.2.2 岩溶等不良地质勘察技术不足或成本过高
      广州部分地区岩溶强烈发育, 对地铁工程影响重大。岩溶勘察一直是岩土工程界的难题: 钻探仅能揭示某点的情况, 而且勘察施工易遭遇漏浆、垮塌、埋钻等事故, 物探解释结果具有多解性, 准确性较高的跨孔 CT 法成本过高, 如车辆段跨孔 CT费用过亿。花岗岩全强风化带中的球状风化孤石在地层中的分布无明显规律, 勘察中存在类似难题。
5 建议
      ( 1) 应避免岩土工程勘察引发环境问题。地铁岩土工程勘察多在市区进行, 工程勘察可能引发两类环境问题: 一是勘察对周边环境造成不良影响, 如施工影响交通, 泥浆、噪声污染环境,钻探破坏地下管线等; 二是勘察施工引起环境改变妨碍地铁后期施工, 如终孔后封孔不良导致地下水沿钻孔渗入地下施工作业通道并可能诱发地面变形。这两类环境问题都会造成不良后果, 应加以避免。勘察方案设计过程中, 在满足设计
要求的前提下, 勘察孔应绕避对交通、管线等造成不利影响的地段。勘察施工过程中, 应完善、严格工作流程, 对管线进行探查, 在确保安全的情况下继续钻进。钻孔终孔后, 做好回填、封孔等工作, 以绝后患。
      目前, 广州地铁岩土工程勘察实行勘察总体管理制度, 市区钻探采用全围蔽施工, 对钻探用水、泥浆统一处理, 开钻前严格执行管线调查、探测程序, 终孔对封孔进行旁站验收, 在避免勘察引发的环境问题方面起到了较好效果。
     (2) 应重视综合勘察技术手段的应用与配合。查明岩溶的分布及特征是地铁工程勘察的重点,同时也是难点。“钻探+物探”相结合的综合勘察技术, 能够做到点面结合, 很大程度上克服了常规钻探的局限性。物探手段多样, 不同的方法、不同的仪器揭示精度和成本差异明显, 需要结合设计对勘察的要求及地质条件, 选择既满足设计要求又经济可行的方法。如有可能, 可进行不同的物探方法比较, 结合钻探验证不同方法探测效果, 在勘察效果和经济成本之间寻求最佳结合。目前, 《广州市轨道交通线网岩土工程勘察总体技术要求》中物探方面内容比较欠缺, 综合勘察技术方面有待进一步探索和完善。
     (3) 土工试验项目可更紧密围绕工法进行精简。工可及初勘阶段, 为了提供方案、工法比选需要, 以及防止工法重大变动, 土工试验项目及岩土参数内容宜全面, 但详勘及施工阶段, 线路和工法趋于稳定。笔者认为, 详勘阶段土工试验项目及岩土参数可紧扣工法进行精简、优化, 如暗挖法施工中, 盾构管片规格已标准化, 矿山法隧道设计主要依靠工程类比法, 现勘察报告中的许多参数并不被关心。在这种现状下, 详勘阶段如果“全面”地进行岩土测试, 并“全面”地提供岩土参数, 在一定程度上会造成浪费。
      (4) 应重视既有勘察成果、经验的总结和利用。广州地铁岩土工程勘察工作覆盖了广州各区,至今已积累上万个钻孔资料。这些资料可为本地区其它工程利用, 在完善区域地质资料方面也能起到一定的作用。应尽快建立广州地铁岩土工程勘察数据库系统, 以方便对既有勘察成果的查询和利用。

参考文献
[1] GB 50307—1999 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范 [S] .
[2] 广州市轨道线网岩土工程勘察总体技术要求 (第二版) .