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杭州地鐵盾構(gòu)隧道的地層組合結(jié)構(gòu)及主要巖土工程問題

卜令方1,2,汪明元1,金忠良2

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司,浙江 杭州 310014)

摘 要：杭州地鐵隧道采用土壓平衡盾構(gòu)法施工,沿線地質(zhì)條件變化較大,潛在的巖土工程問題也各具特色。通過對杭州地鐵隧道勘察資料的分析,結(jié)合盾構(gòu)施工工藝,按橫斷面的地層組合將盾構(gòu)隧道歸納為14類,涵蓋了杭州地鐵隧道可能穿越的所有地層組合類型。針對各地層組合結(jié)構(gòu),對盾構(gòu)隧道在施工期和運營期可能遇到的主要巖土工程問題進(jìn)行了分析。通過分類能夠?qū)贾莸罔F盾構(gòu)隧道的地質(zhì)條件和巖土工程問題有系統(tǒng)性的認(rèn)識,而且這些地層組合結(jié)構(gòu)類型還可作為今后杭州地鐵工程地質(zhì)信息化工作中數(shù)字化建模的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：杭州地鐵；盾構(gòu)隧道；地層組合結(jié)構(gòu)；巖土工程問題；地質(zhì)信息化

近年來,杭州市軌道交通工程發(fā)展迅速。初期規(guī)劃13條線路,總長375.6 km,自2007年開工建設(shè)以來,目前已開通82 km。遠(yuǎn)期規(guī)劃有12條城際鐵路連接周邊城市,已進(jìn)入建設(shè)階段的有杭州至富陽、臨安的杭富線和杭臨線。除局部區(qū)間為高架或地面線外,大部分地鐵線路均位于地下,區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。

杭州地質(zhì)條件復(fù)雜,地鐵隧道主要穿越粉土、粉砂、淤泥質(zhì)土、黏性土等工程地質(zhì)層,部分區(qū)間穿越深部的砂礫石層甚至基巖[1-3]。地鐵隧道是地下隱蔽工程,工程地質(zhì)層的水平向展布和垂直向組合以及線路起伏造成的埋深變化,共同導(dǎo)致各區(qū)段隧道穿越的地層不同。橫斷面地層組合結(jié)構(gòu)的不同從根本上決定了盾構(gòu)隧道在施工期和運營期面臨的巖土工程問題也不同[4]。

本文通過對杭州地鐵勘察、施工資料的分析,按橫斷面的地層組合對盾構(gòu)隧道進(jìn)行分類。然后結(jié)合各地層組合結(jié)構(gòu)的特點,對盾構(gòu)隧道在施工期和運營期的潛在巖土工程問題進(jìn)行了分析。

1 基本地質(zhì)條件

1.1 概況

杭州位于杭州灣西端,京杭大運河南端,是杭嘉湖平原和浙西丘陵的過渡地帶。市郊區(qū)主要為平原地貌,海拔約3～8 m(1985國家高程基準(zhǔn)),僅局部有基巖出露。總體而言,本區(qū)域構(gòu)造活動微弱,地震震級小。第四系地層從中更新世到全新世均有發(fā)育,基巖埋深的高程從-20～-75 m不等,以-40～-55 m居多。

1.2 工程地質(zhì)條件

杭州市平原區(qū)的第四系地層在沉積過程中受到古氣候冷暖變化導(dǎo)致的三次海侵、海退的影響,經(jīng)歷了多次堆積和侵蝕交替作用,具有相變多而復(fù)雜和垂直方向上土層軟硬交替的特點?！逗贾莸罔F巖土工程勘察地層編號規(guī)定(試行稿)》[5]對杭州地層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)工程地質(zhì)層的劃分,杭州地鐵工程勘察的分層均按照該規(guī)定執(zhí)行。其中,①層為填土層；②層為硬殼層,主要巖性為黏性土和粉土；③層為錢塘江沖積沉積層,主要巖性為粉土、粉砂,狀態(tài)為稍密或中密；④、⑥、⑧、⑩層依次為第一～第四軟土層,主要巖性為流塑狀的淤泥質(zhì)黏性土或軟塑狀的黏性土；⑤、⑦、⑨

依次為第一～第四硬土層,主要巖性為可塑或硬塑狀的黏性土；層為古錢塘江及古苕溪河床沖洪積層,主要巖性為砂土和圓礫,狀態(tài)為中密或密實；層為基巖,主要巖性有泥質(zhì)粉砂巖、凝灰?guī)r、石英砂巖、安山玢巖和灰?guī)r等。另外,層黏性土層黏性土和層殘坡積層黏性土分布范圍較小。各工程地質(zhì)層可按巖性或物理力學(xué)性質(zhì)的不同而劃分亞層。

按沉積環(huán)境的不同,杭州市平原區(qū)可分為沖湖積平原區(qū)和沖海積平原區(qū)(圖1)。在沖湖積平原區(qū),表層一般為硬殼層②,其下分布有深厚的淤泥質(zhì)軟土層④和⑥,再往下為硬土層⑦、⑨

和砂礫石層。在沖海積平原區(qū),表層為厚度達(dá)10～30 m的粉土、粉砂層③,其下為厚層的軟土層⑥,再往下為軟硬相間的⑦、⑧、⑨、⑩層以及砂礫石層

1.3 水文地質(zhì)條件

杭州市區(qū)地表水系發(fā)達(dá),主要河流有錢塘江、京杭運河、備塘河、余杭塘河等。

地下水主要有潛水和承壓水兩類,潛水主要賦存于③層中,水位埋深一般為0.5～2.0 m。主要的承壓水層為

層,含水量極豐富,水壓較大,滲透系數(shù)可達(dá)1 m/d。局部地區(qū)在⑧層或⑨層底部存在粉土、砂土、圓礫承壓水層,含水層厚度小,為微承壓水。

2 地層組合結(jié)構(gòu)及巖土工程問題

杭州地鐵隧道采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。土壓平衡盾構(gòu)施工的基本原理是,通過刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體,切削下來的土體通過刀盤開口進(jìn)入土艙,在土艙中建立土壓以平衡掘進(jìn)面前方的土、水壓力,通過螺旋機(jī)將土艙中的土體排出,每頂進(jìn)一環(huán)即進(jìn)行管片拼裝及在盾尾的空隙中注漿。土壓平衡盾構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)全機(jī)械化作業(yè),并可減少甚至避免對地面的影響,因此獲得了廣泛應(yīng)用。

各工程地質(zhì)層的水平向展布和垂直向組合以及線路起伏造成的埋深變化,共同導(dǎo)致各區(qū)段隧道穿越的地層組合不同。當(dāng)掘進(jìn)面土性不同時,盾構(gòu)隧道在施工期及運營期可能遇到的巖土工程問題也不同。通過對杭州地鐵勘察資料及施工資料的分析總結(jié),按穿越的地層組合結(jié)構(gòu)的不同將盾構(gòu)隧道分為14種類型。下面依序?qū)Ω鞯貙咏M合結(jié)構(gòu)類型及相應(yīng)的巖土工程問題進(jìn)行介紹。

Ⅰ型地層組合結(jié)構(gòu)的特征是盾構(gòu)隧道的全斷面都是③粉土、粉砂層(圖2),是沖海積平原區(qū)地鐵隧道最常見的類型。盾構(gòu)施工中應(yīng)注意的主要巖土工程問題有：1)粉土、粉砂層透水性好,易產(chǎn)生管涌或流砂,在排土口出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象,盾尾易發(fā)生漏水、漏砂等情況；2)粉土、粉砂層自穩(wěn)能力差,沉降反應(yīng)迅速,若土艙支護(hù)壓力設(shè)置不當(dāng)或盾尾注漿不及時,土體易坍塌,甚至導(dǎo)致地表塌陷；3)掘進(jìn)面粉土、粉砂層可能包含幾個密實度不同的亞層,若千斤頂推力設(shè)置不當(dāng),易造成較松散的土層排土過多,產(chǎn)生盾構(gòu)方向失控；4)盾構(gòu)施工振動可能會引起砂土液化問題。在地鐵運營期應(yīng)注意的主要巖土工程問題有:1)若發(fā)生管片滲水、漏砂,易加劇隧道變形；2)抽降地下潛水易導(dǎo)致隧道產(chǎn)生附加沉降；3)當(dāng)隧道下臥土層的密實度不同時,將產(chǎn)生縱向不均勻沉降。

Ⅱ型地層組合結(jié)構(gòu)的特征是盾構(gòu)隧道的全斷面都是淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土層(圖3),主要地層組合有④、⑥、④⑥,局部區(qū)段為⑧、⑥⑧。隧道斷面土層的狀態(tài)以流塑為主,局部軟塑。Ⅱ型地層組合結(jié)構(gòu)在沖海積平原區(qū)和沖湖積平原區(qū)均較常見。盾構(gòu)施工中應(yīng)注意的主要巖土工程問題有：1)軟土層透水性差,易產(chǎn)生超孔隙水壓力,管片受浮力大；2)軟土具有高靈敏度、觸變性和流動性,自穩(wěn)能力差,在盾構(gòu)掘進(jìn)作用下易發(fā)生頂板坍塌及掘進(jìn)面失穩(wěn)；3)軟土黏性大,溫度過高時可能在刀盤中心和土艙中結(jié)“泥餅”,產(chǎn)生堵艙現(xiàn)象,影響掘進(jìn)。在地鐵運營期應(yīng)注意的主要巖土工程問題是,由于軟土的高壓縮性及次固結(jié)變形,隧道沉降量較大且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間很長。

Ⅲ型地層組合結(jié)構(gòu)的特征是盾構(gòu)隧道的全斷面都是硬土層(圖4),主要地層組合有⑤、⑦、⑤⑦、⑦⑨和⑤⑦⑨,隧道斷面土層的塑性狀態(tài)有軟可塑、硬可塑和硬塑。Ⅲ型地層組合結(jié)構(gòu)僅見于沖湖積平原區(qū)。盾構(gòu)施工中應(yīng)注意的主要巖土工程問題有：1)硬土層黏性大,在刀盤中心和土艙中易結(jié)“泥餅”,產(chǎn)生堵艙現(xiàn)象,影響掘進(jìn)；2)盾構(gòu)掘進(jìn)時硬土層易黏著盾構(gòu)機(jī)外殼產(chǎn)生“背土”現(xiàn)象,使盾構(gòu)機(jī)外殼與土體空隙加大,增加了注漿量；3)當(dāng)掘進(jìn)面各土層軟硬程度不同時,若千斤頂推力設(shè)置不當(dāng),易造成較軟的土層排土過多,產(chǎn)生盾構(gòu)方向失控。在地鐵運營期應(yīng)注意的主要巖土工程問題是當(dāng)隧道下臥土層的壓縮性不同時,將產(chǎn)生縱向不均勻沉降。

Ⅳ～Ⅶ型地層組合結(jié)構(gòu)的特征是盾構(gòu)隧道斷面的最上部為③粉土、粉砂層,下部為軟土層和(或)硬土層(圖5)。需要說明的是,圖中各土層厚度的占比僅用于示意,而非實際情況。Ⅳ型的主要地層組合有③④、③⑥和③④⑥。Ⅴ型的主要地層組合有③⑤、③⑦,局部區(qū)段為③+基巖全風(fēng)化形成的黏性土。Ⅵ型的主要地層組合有③④⑦、③⑥⑦。Ⅶ型的主要地層組合為③⑦⑧。Ⅳ～Ⅶ型地層組合結(jié)構(gòu)在沖海積平原區(qū)較常見。盾構(gòu)施工中應(yīng)注意的主要巖土工程問題有：1)粉土、粉砂層(I型)應(yīng)注意的問題；2)軟土層(Ⅱ型)和(或)硬土層(Ⅲ型)應(yīng)注意的問題；3)掘進(jìn)面各土層的軟硬程度不同,若千斤頂推力設(shè)置不當(dāng),易造成較軟層排土過多,產(chǎn)生盾構(gòu)方向失控。在地鐵運營期應(yīng)注意的巖土工程問題是,當(dāng)隧道下臥層為軟土層時(Ⅳ、Ⅶ型),由于軟土的高壓縮性及次固結(jié)變形,隧道沉降量較大且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間很長。

Ⅷ～Ⅺ型地層組合結(jié)構(gòu)的特征是盾構(gòu)隧道斷面為軟土層和硬土層(圖6)。Ⅷ型的主要地層組合有④⑤、④⑦、⑥⑦、⑥⑨、④⑤⑦、④⑥⑦、⑥⑧⑨和④⑥⑨。Ⅸ型的主要地層組合有⑤⑥、⑦⑧。Ⅹ型的主要地層組合有⑤⑥⑦、⑦⑧⑨。Ⅺ型的主要地層組合有④⑤⑥、⑥⑦⑧。Ⅷ～Ⅺ型地層組合結(jié)構(gòu)在沖海積平原區(qū)和沖湖積平原區(qū)都較常見。盾構(gòu)施工中應(yīng)注意的主要巖土工程問題有：1)軟土層(Ⅱ型)應(yīng)注意的問題；2)硬土層(Ⅲ型)應(yīng)注意的問題；3)掘進(jìn)面各土層的軟硬程度不同,若千斤頂推力設(shè)置不當(dāng),易造成較軟層排土過多,產(chǎn)生盾構(gòu)方向失控。在地鐵運營期應(yīng)注意的主要巖土工程問題是,當(dāng)隧道下臥層為軟土層時(Ⅸ、Ⅺ型),由于軟土的高壓縮性及次固結(jié)變形,隧道沉降量較大且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間很長。

Ⅻ型地層組合結(jié)構(gòu)的特征是盾構(gòu)隧道斷面的上部為砂性土和(或)黏性土,下部為

層砂、圓礫(圖7),主要地層組合有⑧、③⑧和⑥⑨。Ⅻ型地層組合結(jié)構(gòu)一般見于地鐵隧道穿越錢塘江的區(qū)段,因為錢塘江的最大沖刷深度達(dá)16 m,為滿足隧道抗沖刷和抗浮的要求,需保證隧道頂板以上至少有1倍洞徑厚度的土層,所以越江段的隧道埋深較大,部分區(qū)段將穿越層。盾構(gòu)施工中應(yīng)注意的主要巖土工程問題有:1)砂性土層(Ⅰ型)和(或)黏性土層(Ⅱ型、Ⅲ型)應(yīng)注意的問題；層以中密—密實狀態(tài)為主,掘進(jìn)阻力大,有些區(qū)段圓礫、卵石的粒徑較大,并且硬度大、強度高,因此，需安裝礫石破碎裝置和排礫裝置,選擇合適的刀盤；3)切削下來的土體易堆積在土艙下部而難以充滿整個土艙,因此，不易維持穩(wěn)定的土壓平衡狀態(tài)；層水量豐富且具有承壓性,應(yīng)注意涌水、流砂問題；5)掘進(jìn)面土層的軟硬程度不同,若千斤頂推力設(shè)置不當(dāng),易造成橫斷面上部較軟層排土過多,產(chǎn)生盾構(gòu)方向失控。在地鐵運營期應(yīng)注意的主要巖土工程問題有層富含承壓水,若發(fā)生管片滲水、漏砂易加劇隧道變形；2)抽降承壓水易導(dǎo)致隧道產(chǎn)生附加沉降。

型地層組合結(jié)構(gòu)的特征是盾構(gòu)隧道斷面為復(fù)合地層,上部為第四系地層,下部為基巖(圖8),涉及的巖性有石英砂巖和安山玢巖等。型在杭州市區(qū)的地鐵隧道中不常見,主要見于基巖埋深不大或者基巖面起伏較大的區(qū)段,如4號線水澄橋站—復(fù)興路站區(qū)間、5號線的江城路站—候潮路站區(qū)間。盾構(gòu)施工中應(yīng)注意的巖土工程問題有：1)砂性土層(Ⅰ型)和(或)黏性土層(Ⅱ型、Ⅲ型)應(yīng)注意的問題；2)巖石硬度大、強度高,會導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重,應(yīng)選擇合適的刀盤、刀具；3)掘進(jìn)面各地層的軟硬程度差別很大,土層易被切削,而巖石較難破碎,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不易控制；4)由于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制和刀具磨損導(dǎo)致開挖面過小或直徑不均勻,易將盾構(gòu)機(jī)卡?。?)掘進(jìn)面上部土體不穩(wěn)定時易坍塌。因為基巖的壓縮性很小,所以在地鐵運營期基本不存在沉降量大或不均勻沉降的問題。

型地層組合結(jié)構(gòu)的特征是盾構(gòu)隧道全斷面均為巖石(圖9),涉及的巖性有安山玢巖、泥質(zhì)粉砂巖和凝灰?guī)r等。型在杭州市區(qū)的地鐵隧道中不常見,主要見于基巖埋深不大或者基巖面起伏較大的區(qū)段,如4號線水澄橋站—復(fù)興路站區(qū)間,但在城際鐵路杭臨線、杭富線較為常見。盾構(gòu)施工中應(yīng)注意的巖土工程問題有：1)巖石硬度大、強度高,會導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重,應(yīng)根據(jù)巖石的軟硬程度及礦物成分等條件選擇合適的刀盤、刀具；2)刀具切削巖石的貫入度應(yīng)根據(jù)刀具強度和巖石強度實時控制,防止刀盤卡死。在地鐵運營期基本不存在沉降量大或不均勻沉降的問題。

3 討 論

上述14類地層組合結(jié)構(gòu)涵蓋了杭州地鐵盾構(gòu)隧道可能遇到的所有地層組合類型,能夠使杭州地鐵工程的建設(shè)者對盾構(gòu)隧道的地質(zhì)條件和巖土工程問題有系統(tǒng)性的認(rèn)識。這些地層組合結(jié)構(gòu)類型今后可用于杭州地鐵工程的勘察、設(shè)計、施工和杭州地鐵工程地質(zhì)信息化工作中。

目前，杭州地鐵工程勘察已基本實現(xiàn)地層編號的標(biāo)準(zhǔn)化,今后在杭州地鐵工程的勘察、設(shè)計和施工方面,可采用本文的地層組合結(jié)構(gòu)分類對盾構(gòu)隧道穿越的地質(zhì)條件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在勘察階段可根據(jù)上述地層組合結(jié)構(gòu)類型對盾構(gòu)隧道沿里程方向進(jìn)行分段,這樣，設(shè)計人員和施工人員可依據(jù)各段的地層組合結(jié)構(gòu)類型抓住主要矛盾,并采取相應(yīng)的措施以保證地鐵隧道在施工期和運營期的安全。

如今,信息化技術(shù)在巖土及地下工程中逐漸受到重視。地鐵工程屬于隱蔽的地下工程,又是線性工程,沿線地質(zhì)條件通常變化較大,而不同的地質(zhì)條件下潛在的巖土工程問題也不同。數(shù)字化技術(shù)能夠使隱蔽的地下空間所處的地質(zhì)環(huán)境透明化,可用于輔助工程分析與決策,保證工程建設(shè)與運營過程的可控化[6]。目前上海市已建立“上海軌道交通地質(zhì)信息管理與分析系統(tǒng)”,即通過對沿線的地層資料整理和統(tǒng)一后,按不同的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型對沿線進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū),對各區(qū)可能出現(xiàn)的巖土工程風(fēng)險問題進(jìn)行梳理,便于管理部門使用[4]。本文的地層組合結(jié)構(gòu)可用于對地鐵線路進(jìn)行分區(qū)分段,作為今后杭州地鐵工程地質(zhì)信息化工作中的基本數(shù)字化模型。

需要說明的是,本文的地層組合結(jié)構(gòu)類型僅考慮了隧道斷面的地層組合,未考慮盾構(gòu)隧道與周邊建構(gòu)筑物的相互影響,也未考慮杭州地層的一些特殊情況,例如淺層氣、錢塘江兩岸的拋石、沉船等障礙物[1-2]。在具體應(yīng)用時,若存在這些特殊情況,可進(jìn)一步對各段隧道的地層組合結(jié)構(gòu)類型劃分亞類。

4 結(jié) 語

1)通過對杭州地鐵隧道勘察資料和施工資料的分析,將盾構(gòu)隧道穿越的地層劃分為14種地層組合結(jié)構(gòu),涵蓋了杭州地鐵隧道可能穿越的所有地層組合類型。并對各地層組合結(jié)構(gòu)情況下盾構(gòu)隧道在施工期和運營期的主要巖土工程問題進(jìn)行了分析。通過分類能夠使杭州地鐵工程的建設(shè)者對盾構(gòu)隧道的地質(zhì)條件和巖土工程問題有系統(tǒng)性的認(rèn)識。

2)本文的地層組合結(jié)構(gòu)可用于對地鐵線路進(jìn)行分區(qū)分段,使得設(shè)計、施工人員能夠根據(jù)各區(qū)段的地層組合結(jié)構(gòu)類型明確要考慮的主要巖土工程問題。

3)本文的地層組合結(jié)構(gòu)可作為今后杭州地鐵工程地質(zhì)信息化工作中的基本數(shù)字化模型。

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Stratum Combination Structure and Major Geotechnical Engineering Problems of the Shield Tunnel of Hangzhou Metro

BU Lingfang1,2, WANG Mingyuan1, JIN Zhongliang2

收稿日期：2016-09-23

基金項目：浙江華東建設(shè)工程有限公司科研項目(HDJS-KY-2015(6))

作者簡介：卜令方(1987—)，男，山東巨野人，博士，從事巖土工程勘察設(shè)計工作。

中圖分類號：P64；U231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1008-3707(2016)12-0016-05