摘要:大规模的地铁工程建设要求进行大规模的岩土工程勘察工作,本文着重从地铁工程设计及施工对勘察的要求出发,结合地铁工程的特点,通过分析地铁工程建设中主要的工程地质问题,分析地铁岩土工程勘察的重点和难点,指出地铁岩土工程勘察必须采用合理的勘察技术,既能完成勘察目标,又能最大限度地降低对城市环境的影响。
关键词:地铁项目 岩土工程勘察 重点 难点
近年来,随着广州市经济的快速发展,广州市的轨道交通建设也加大步伐,穿越“红层”的区段较多,已投入运营的地铁1、2、3号线及即将投入运营的4、5、6号线均须穿越不同范围的特殊质地结构。因这些特殊地质条件对地铁的设计和施工带来一些技术难题,同时也给从事广州地铁岩土工程勘察的技术人员提出了一些新的问题。笔者根据从事广州地铁岩土工程勘察的心得与地铁设计施工中遇到的一些实例,谈谈广州地区地铁工程地质特征及地铁岩土工程勘察时应重点解决的问题以及碰到的勘察难点。
1.广州地区工程地质、水文地质条件
广州地区地铁项目岩土工程勘察有别于其它地区地铁勘察项目,主要是由广州地区特殊的地理、地质条件所决定的。首先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的作用,范围内发育了不同规模的褶皱和断裂,以及沉积岩、岩浆岩和变质岩。广州发育有多个褶皱、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。广州市地处珠江三角洲,河流纵横,地下水丰富,埋深较浅,受季节、潮汐影响明显。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。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。其次,红岩基岩也是广州地区较典型的基岩类型之一,这类基岩往往存在软弱夹层,且具遇水易软化、失水易开裂的特征,对地铁的设计和施工带来一些技术难题。此外,广州地铁2、3、5、6号线均通过岩溶发育区,也是广州地区地铁项目岩土工程勘察有别于其它勘察项目的原因之一。岩溶及红层洞穴对地下线、高架线均带来比较大的负面影响。地下线可能造成盾构机跌落事故,矿山法或明挖施工时岩溶承压水容易击穿隔水底板或者揭露到岩溶含水层,造成岩溶水突涌;岩溶及洞穴可能导致高架线持力层选择困难、桩基施工卡钻、造成地面塌陷等安全事故。
2.地铁岩土工程勘察内容
地铁岩土工程勘察的主要目的是查明地铁沿线及附属工程的工程地质条件及水文地质条件,提供满足设计、施工所需的基础资料和设计参数,并分析沿线建筑物、地下构筑物及管线在地铁施工干扰下的稳定性,并提出防护措施。
2.1 勘察基本原则
详细查明地铁沿线工程地质及水文地质条件,特别是地质复杂地段、特殊岩土地段或有特殊施工要求区段,应进行重点。对于车站、出入口、水源井、通风道、车辆段等应进行单独详细勘察。地铁车站的横断面布置应在3个以上,在地质条件复杂地段的区间应布置横断面。
2.2 岩土基本参数
依据工程地质和水文地质情况,结合设计及施工方法的要求,以数理统计方法分层、分段综合各项指标,提出设计所需技术参数。地铁岩土工程勘察应取得的设计技术参数主要包括岩土物理指标、力学指标及热物理指标等。勘察时应根据工程的类别、工程性质、基础类型、土的性质、施工方法等对岩土物理力学参数的需求来确定,对所取得的试验数据必须满足数理统计和设计检算要求。土工常规试验按土类确定,其他试验项目的确定可根据所取样品的种类、工程性质及施工方法等确定。
2.3 水文地质条件
查明水文地质条件,即地下水及含水层的性质并做出评价。地铁施工需降水施工时应分段提出降水方法及有关计算参数;各车站、区间以及每个地貌单元应进行水文地质试验,分站段提供沿线地下水类型、补给来源、渗透系数、流向、流速、水位以及历年最高水位、枯水位等水文地质资料。
3.地铁岩土工程勘察重点
地铁岩土工程勘察的重点内容为地铁沿线及附属工程的工程地质条件及水文地质条件。
3.1沿地铁线地下水位勘察
地下水对地铁工程施工有十分重要的影响,也是造成地铁隧道病害及影响隧道安全稳定性的主要因素之一,在地下车站的基坑工程和开挖工程中,必须采取降水、排水、止水等工程措施。城市地铁大多数在城市道路地下穿越,与道路两侧建筑物距离较近,附近地下管线多,有时甚至要在已有建筑物下穿越,降水或排水施工极有可能对周围建筑或地下管道产生不利影响。所以,地铁工程勘察中要准确判别地下含水层位置、厚度、涌水量、渗透性、运动规律等水文地质参数,预测因降、排水引起的地面沉降量及其影响范围,没有做抽水试验的勘察项目,要尽可能结合邻近相似水文地质单元的勘察施工经验,提供准确、合理的参数。
广州地铁4号线部分区间采用矿山法施工,但在冲沟区软土和岩土交界面及风化裂隙内存在少量地下水,积水部位经常出现掌子面和拱顶岩土层掉块、剥落的情况。若不立即采取措施,浅部地下水和外围地下水将持续入渗,严重影响工程安全,经加强喷锚措施后才得以稳定。而地铁5号线三山街站砂土发育较好,因为对地下水渗透破坏认识不充分,工程支护深度不够,施工过程中发生了局部流土、管涌现象,后来灌浆加固时因压力过大,又发生地面局部隆起,致使工期延长、成本加大。
3.2软土和地面沉降的勘察
隧道施工中的掘进模式、注浆压力、防范失水等施工参数和措施都需要根据地质条件来设计和控制。地铁工程基坑开挖、降排水和隧道掘进过程中,因土体物理性质及结构发生变化易产生地面沉降、建筑物开裂等,而且地面沉降最大区域和受损害建筑物可能不在基坑近旁,而在远离基坑外某处。因此,地铁施工中的沉降、变形控制非常重要。软土勘察时应准确了解地基土的应力历史、变形特征和强度特点,对软土强度低、工后沉降量较大的情况,要对其力学特性需采取室内试验和野外原位测试相结合的手段,同时充分了解线路及周围的水文地质条件。因地铁线路长、影响面广,一个勘察单位所掌握的资料有限,所以应同相关部门协作,多咨询地方专家意见,制订出周密、合理的施工方案,预防不良现象的发生。
地铁4号线陈家湾站至新街口站区间软土发育良好,盾构施工后有明显的地面沉降,5号线西延段位于珠江漫滩区,软土厚度较大,且工程中采用过地基加固,但地基沉降量仍超过10 cm,至今仍未稳定。地铁5号线中山村站和花田门大街站也因软土发育,基坑开挖影响范围大,导致邻近建筑物地下室和墙体产生裂缝。
3.3 地基均匀性勘察
因为地铁隧道工程特殊的管片结构、衬砌结构的强度、刚度、整体性,其对不均匀地基的反应更加敏感,隧道施工中掘进设备的选择、参数的设置、地基的加固方法都要根据地层特点来确定。盾构在从硬地层到软地层易下沉、偏向的推进时需严格控制出土量,并加压注浆。
广州地铁4号线有一段冲沟软土,矿山法施工时发现地层变化,及时增加管棚支护,保证了地基稳定。因此,地铁勘察为了更精确地掌握地层性质和变化,必须按线路位置布置勘探点,充分了解线路周围的地质资料,当勘察中发现地层有较大变化时,应加密勘探点,查明地层变化的趋势、范围,避免在施工中出现异常或困难后再做补充工作,影响投资、工期、安全。
3.4残积土和强风化岩的勘察
由于地下潮湿或上部存在含水层等原因,残积土、强风化岩内会局部渗水,施工中经掘进、扰动、破坏后,隧道拱顶和侧壁常出现疏松、掉块现象,施工中经常要采取注浆、锚喷等加固措施。
广州地铁3号线某段隧道位于安山岩风化层内,裂隙极发育,岩体破碎,矿山法施工时因爆破震动大,局部塌方并引起上部地下水入渗。所以,勘察中应加强残积土、强风化岩的成分、结构、胶结程度、密实度、层理、裂隙、产状的描述,尽可能取得原状岩芯,做含水率、吸水率、强度等试验,细分出软弱层、含水带,便于施工中采取针对性措施。
4.地铁岩土工程勘察难点
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,不良地质及特殊性岩土全面勘察难度大,岩土工程勘察技术不足或成本过高,以及岩土工程勘察以造成一定的环境问题是广州地区地铁勘察是主要难点。
4.1 地质条件复杂,勘察难度高
广州部分地区地质情况特殊,特别是岩溶强烈发育以及红岩基岩分布范围广,对地铁工程影响重大。红岩基岩往往存在软弱夹层,且具遇水易软化、失水易开裂的特征,对地铁的设计和施工带来一些技术难题。广东的粤东、粤西地区因岩溶发生大面积地面塌陷,造成地铁附近房屋开裂下陷,造成巨大损失。查明岩溶的发育程度、岩溶特征、岩溶与地基稳定的影响等是岩溶地基的岩土工程勘察工作的重点,但是也一直是岩土工程界的难题。由于岩溶在空间上发育不均一性和岩溶水文地质条件的复杂性以及地形的多样性,一些常规地质方法在一定程度上受到限制,钻探仅能揭示某点的地质情况,而且其成本高、勘探周期长,不可能以极密的网度来查明复杂的岩溶分布特征;物探解释结果具有多解性;勘察施工易遭遇漏浆、垮塌、埋钻等事故;而准确性较高的跨孔CT法成本过高。在岩溶地区,需要合理地结合综合物探方法才能对岩溶进行立体勘探,解决一些地质学方法无法解决的问题,从而为岩溶发育场地稳定性的科学划分提供基础条件。
4.2勘察地区敏感,易发环境问题
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,因此城市地铁一般在城市道路下通过,地铁岩土工程勘察多在市区进行。城市地面建筑、交通、地下管线等成为制约勘察施工的明显因素。一是城市岩土工程勘察可能对周边环境造成不良影响,致使勘察施工审批不能及时到位。勘察施工会影响城市交通,泥浆、噪声会造成环境污染,钻探会破坏地下管线等,交通、园林等部门对勘察施工审批程序严格,由此可能造成部分钻孔无法施工导致影响勘察成果的质量,并且影响勘察工期继而影响地铁设计和施工工期。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、泥浆进行统一处理,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。
5. 结语
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,不良地质及特殊性岩土全面勘察难度大,地铁岩土工程勘察必须采取先进、经济的岩土工程勘察技术,全面、详细地掌握地铁沿线及附属工程的工程地质条件及水文地质条件,避免勘察过程带来的城市交通及环境问题等负面影响,为地铁工程建设提供可靠的岩土勘察资料,推进城市交通建设快速向前发展。
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