复合地层盾构隧道工程地质勘察.pdf

复合地层盾构隧道工程地质勘察方法的研究鞠世健,竺维彬(广州市地下铁道总公司,广州 510030)摘要:盾构法施工与其它地下工程施工方法相比有其特殊性,反映在相应的地质勘察工作中就会有专门的要求,结合复合地层中盾构施工的特点,对目前的勘察内容、工作量等提出了改进意见,对地质勘察阶段的划分提出了看法。关键词:复合地层;盾构隧道;地质;勘察中图分类号:U452;U455.43文献标识码:AStudy on Geological I nvestigation Methods forShield Tunneli ng in M ixed GroundJU Shi2jian,ZHU Wei2bin(Guangzhou M etro Corporation,Guangzhou510030,China)Abstract:Compared to the construction methods of the other underground works,the shield tunneling method has itsown special features,therefore the geological investigation for the shield tunnelingworks also has itsown special require2ments.On basis of the features of the shield tunneling in mixed ground,the authorsmake some recommendations on thecontent/quantity optimization and stage division of the geological investigation works in the paper.Key words:mixed ground;shield tunneling;geology;investigation0前言盾构隧道施工方法及施工参数的选择与其它任何一种地下工程一样,无不受制于施工环境,特别是围岩的工程地质和水文地质特征。目前,以各地的地铁工程为例,通常对车站、隧道等土建施工,不论工法如何,提供的是同一份地质报告。这样,在一定程度上就无法满足盾构法施工对勘察工程的一些特殊要求,以便据此选择出适应性最强的盾构机、盾构施工方法和施工参数。在确定复合地层盾构施工与工程勘察之间的关系之前,有必要首先对复合地层的基本概念做一个说明。从文献上看,复合地层一般被称作“mixed face”或“mixed face conditions”,也就是说,在盾构机前方的工作面是由不同的工程地质层“混合”组成的(见图1)。然而实际的围岩环境除了在工作面上(或垂直断面上)的“混合”之外,在沿隧道轴线的方向上,也存在着不同地质层的混合,见图2。这里将复合地层定义为在三维方向上,围岩主要由岩土力学、工程地质、水文地质等特征相差较大的几种地层的组合。与复合地层相对应的是均一地层,定义为在三维方向上,围岩由一种或几种岩土力学、工程地质、水文地质等特征相差不大的一种或几种地层的组合。均一地层又可分为两类,一类是均一软土地层,另一类是均一岩石地层。本文要研究的是盾构在复合地层中施工对工程地质勘察的一些要求。1 人工杂填土层;2-1 淤泥质土层;2-2 淤泥质砂土;3-2 冲洪积土层;5-1 残积土层;6 岩层全风化带;7 岩层强风化带;8 岩层中风化带;9 岩层微风化带图1广州地铁复合地层垂向变化代表剖面Fig.1Example of mixed ground in Guangzhou Metro works:strata varying in vertical direction收稿日期:2007-11-22;修回日期:2007-12-06作者简介:鞠世健(1943-),男,辽宁绥中县人,1967年毕业于北京矿业学院煤田地质系,本科,高级工程师,主要从事于盾构施工的研究。第27卷 第6期2007年12月隧道建设Tunnel Construction27(6):1014Dec.,2007 1 人工填土层;3-1 细砂土层;4-2 河湖相淤泥质土层;5-1 可塑或稍密状残积层;5-2 硬塑或中密状残积层;6 岩层全风化带;7 岩层强风化带;8 岩层中风化带;9 岩层微风化带;7H花岗岩强风化带;9H 花岗岩微风化带;6C-1 石灰岩中风化带;9C-2 相对完整的石灰岩微风化带。图2广州地铁五号线草 陶区间剖面图Fig.2Geological profile of Cao2Tao running tunnel on line 5 ofGuangzhouMetro1复合地层盾构施工需要钻探工程关注的重点问题1.1对几个重要的地层层面和地质界面要研究准确1.1.1上软下硬地层的硬地层层面特别是花岗岩和变质岩的层面和风化界面。因为在这种上软下硬情况下,盾构机的姿态很难控制,由于操作不当从而会引发管片错台和破损、隧道轴线超限等连锁事故。1.1.2砂层层面的位置以广州地区的 3-2 砂层为例,该砂层与隧道的关系主要有三种(图3),即隧道全断面3-2 砂层(图3a)、隧道部分断面3-2 砂层(图3b)和隧道断面上部3-2 砂层(图3c)。这三种情况在盾构施工过程中都出现过较大的地面沉降,特别是在选用土压平衡盾构机的情况。其原因主要是由于该地层在刀盘的扰动下会在瞬间液化或流动,一旦土仓内的水土压力与工作面主动水土压力出现些许不平衡都会引起较大的地面沉降。以第三种情况为例,图4说明了沉降的形成过程。(a)黄沙站 长寿路站地质剖面示意图(b)局部断面砂层示意图(c)隧道上部是砂层的示意图 图3 沙层与盾构隧道断面的关系Fig.3Spatial relationships between sand stratum and cross2sections of shield-bored tunnels3-2 砂层;6 全风化层;7 强风化层;8 中风化层;9 微风化层图4地层塌陷过程示意图Fig.4Ground subsidence process1.1.3淤泥层层面以广州地区2 淤泥层为例,当该淤泥层处于和图3所示相同关系的状态下时,会出现与3-2 砂层类似的地面沉降问题。11第6期 鞠世健 等 复合地层盾构隧道工程地质勘察方法的研究如果2 淤泥层位于隧道断面的下部,则会出现隧道结构安全问题。广州地铁一号线黄 长区间有近100m的隧道下部赋存4.06.0m的淤泥地层(见图5),其主要岩土参数见表1。该隧道建成后,在此处出现过98mm的整体沉降。1.2对断层及其破碎带的范围、岩性和水文特征要分析和研究清楚以广州地区为例,几条区域性的断层破碎带的岩性很复杂(图6),且透水性很好,比如广从断裂、清泉街断裂、瘦狗岭断裂、礼村断裂等。盾构在通过断层带时一般会出现两种故障,一是断层带中的硅化角砾岩(图7)对刀具磨损严重或由于刀盘旋转时突然碰到大块断裂岩出现的瞬间荷载会崩断刀具(图8、图9),二是裂隙水发育造成螺旋输送器的喷涌。图5广州地铁一号线黄 长区间地层剖面示意图Fig.5Geological profile of Huang2Chang running tunnel on line1 of GuangzhouMetro表1淤泥地层2 岩土参数Table 1Geotechnical parameters ofmud strata2岩性天然密度/(g/cm3)天然含水量W/%天然孔隙比e液性指数/%天然快剪黏聚力/kPa内摩擦角/()压缩系数/MPa-1压缩模量/MPa承载力标准值/kPa水平地基系数/MPa侧压力系数淤泥1.5563.671.7881.768.113.381.352.104060120.75淤泥质土1.7639.141.1122.182.437.360.544.414060120.75图6 广州地铁三号线大 汉区间礼村断裂剖面图Fig.6Geological profile of Licun fracture in Da2Han runningtunnel on line 3 of GuangzhouMetro图7 断层带中的硅化角砾岩Fig.7Silified breccia contained in fault zones图8刀具崩断原因示意图Fig.8Causes for cutting tool breaking图9断裂的连接螺栓Fig.9Broken connection bolts1.3岩石地层中的特殊地质体或地质现象要尽可能地判别清楚1.3.1花岗岩球状风化体球状风化体是花岗岩风化过程中的一种特殊地质现象,花岗岩球状风化体的体积一般不大,通常为13m左右,见图10a、10b。花岗岩球状风化体对刀盘刀具造成极大的损坏,将工期严重滞后,是目前在复合地层中盾构施工尚未能很好解决的难点之一。因此,通过勘察和分析研究,尽可能地准确判断花岗岩球状风化体的具体位置,是将来设法解决盾构施工该难点的前提。1.3.2溶洞石灰岩中的溶洞将给盾构施工带来两大问题,一是盾构机在推进过程中一旦遇到溶洞,特别是较大的溶洞,会造成盾构机姿态的突然变化,从而引发隧道变形、大量漏浆等一系列的事故;二是隧道形成后,如何21隧道建设 2007年12月 第27卷保证通过溶洞地段的隧道的长期稳定,是保证永久结构安全的另一大难题。(a)地表揭露的花岗岩球状风化体(b)刀盘前的花岗岩球状风化岩体图10花岗岩球状风化体Fig.10Sphere2shaped weathered granite因此,尽可能地加密钻孔以便控制溶洞的空间形态和位置是极其重要的。1.3.3土洞一般来说,土洞在石灰岩的残积层中较为常见。土洞是其下部石灰岩岩溶作用的结果,有土洞的地方,溶洞也发育。若土洞位于隧道下部,对永久结构破坏的隐患较大,这是因为土洞是否充填以及充填物的密实度将决定这段隧道在运营期间的稳定性,甚至会导致隧道灾难性的破坏。1.4钻探岩芯描述和岩性、矿物鉴定要准确详细目前的地质报告中岩芯描述和岩矿鉴定普遍比较粗糙,损失了许多分析和判断围岩特征的资料和数据,主要表现在如下几方面。1.4.1岩性描述过于简单在某些地质报告或岩性鉴定中,一些重要的成分常常被忽略掉。以广州地铁五号线西 草区间MEZ3-GX-10钻孔柱状图为例。白垩系三水组的砾岩中的粗碎屑是石灰石,胶结物为钙质,偶夹薄层的泥质灰岩,这些成分会溶蚀成空洞,但在岩性鉴定中,常常将这些重要的成分忽略掉。而这些资料对预测和判断是否存在溶蚀现象是非常重要的。1.4.2RQD值统计不准确岩石地层,特别是微风化和中风化花岗岩和变质岩的RQD值统计不准确。岩性鉴定过程中RQD值统计不准确表现在两方面。一是,通常以大于单块10 cm的岩芯长度作为统计的标准,但在实际工作中发现,由于不同的鉴定员对于10 cm掌握的尺度不同,统计出的结果也就不相同。二是,目前使用的这个RQD值,实际上反映的是围岩竖直方向一维的RQD值,在评价各向异性的围岩时是不准确的。但在隧道内,且在施工过程中进一步获取另外两维方向上的RQD值是不现实的。在这种情况下,建议充分利用钻探岩芯资料,再增加以20 cm(刀盘一般最小的开口宽度)为基准的计算RQD值,以期捕捉到更有指导意义的经验数据。1.4.3岩石的矿物成分分析 在岩石当中,特别是在花岗岩和变质岩当中,石英成分的多少,与刀盘和刀具的磨损程度成线性关系(图11)。忽略了该问题的研究会造成刀具以至于刀盘的严重磨损。因此,矿物成分分析对刀具的选择及施工过程中换刀位置的预测都是非常重要的。在沉积岩中,重点是对砾岩和含砾砂岩中砾石成分的分析,砾石及其成分与刀盘和刀具磨损的关系非常密切。图11 石英含量与刀具磨损关系示意图Fig.11Relationship between quartz content and cutting toolwearing2复合地层中盾构施工特别要分析和研究的几个问题2.1对地层的颗粒分析不足该项目之所以对盾构施工特别重要,主要表现在:盾构机的选型,理论上来讲,在软土地层和复合地层中盾构机选型的依据就是颗粒分析。对泥水盾构机而言,颗粒分析是选择泥水处理系统的依据。对于土压平衡盾构机而言,大量的细颗粒成分的存在,是造成密封舱和刀盘面板上结泥饼的物质来源(图12),而一旦结了泥饼,就会立即造成无法推进,31第6期 鞠世健 等 复合地层盾构隧道工程地质勘察方法的研究进而引发一系列的质量事故,甚至烧毁盾构机大轴承。目前存在的问题是,对于岩石地层的残积层、全风化层、强风化层的颗粒分析不足。图12 滚刀在泥饼中的印模(滚刀已拆除)Fig.12Clogging of disc cutters2.2地层产状的量测和分析不足地层产状的量测是钻探岩芯描述的内容,但在工程地质勘察报告中这部分内容往往被忽略。复合地层的最重要的特点是围岩的各向异性,这种特征在沉积岩中表现的尤为突出,除了岩性变化和矿物成分变化之外,地层产状的变化是造成围岩各向岩性极为重要的因素。由于地层产状的不同,会造成推进速度、盾构机姿态稳定性、刀盘刀具磨损等的不同。2.3第四系沉积环境的分析不足第四系沉积环境分析的实际意义在于在盾构施工过程中及时的对前方围岩特征和可能出现的施工环境风险做出分析和判断,以便采取恰如其分的对应措施。这里说的沉积环境分析不是科研而是为盾构施工服务的,因此不须增加新的钻孔。主要通过对砂体的空间分布形态、富水性质、水文地质特征等来分析和判断古河床的走向和发育状况以及第四系活动断裂的存在与否等。通过对淤泥地层沉积环境分析来判断古湖沼的地形、地貌等。3物探方法在盾构施工中的应用这是一个颇有争议的问题,其一是该方法的应用范围;其二是该方法的解释精度。在这两个问题上目前都存在着程度不同的问题,然而人们还无法彻底放弃物探手段,这是因为,钻探方法对围岩的解释是以钻孔资料为基础的,而钻孔毕竟是点信息,即便钻孔间距很小,两孔之间的地质形态和特征依然是人们主观推测的结果。而物探方法,是将两点之间的地下情况通过地层的各种物性以一条线为基础进行的解释,这无疑在理论上比一孔之见来得更理想。理论上很好,但实际应用上的精度又不尽如人意,因此,应用不是,不应用也不是,是物探方法在盾构施工勘察中的非常尴尬的处境。根据广州地区的经验,有限度地应用物探方法是有积极意义的。3.1地面物探方法的应用地面物探在广州地铁勘察工程中的应用在两个方面起到一定的作用,一是对地层分布和地层厚度的宏观探测;二是对碎屑沉积岩中的空洞的控制。3.2石灰岩溶洞的物探探测石灰岩地区岩溶的发育程度对盾构施工及隧道永久结构稳定性的影响极大,而通常岩溶在地下的形态和规模是千变万化的,规范要求的50.0m一个钻孔的孔距无法满足基本探明岩溶的目的。从理论上讲,物探方法应是一种最积极的补充手段。4关于勘察阶段划分的建议规范应对每个阶段的勘察目的规定的非常明确,比如在煤田地质勘察中,勘察阶段的划分主要是以提供的煤炭储量级别作为阶段划分的依据,并依此来确定具体的钻孔布置密度等工作内容。因此,不同阶段的勘察目的、任务和相应的工作内容和工作量就很明确。基于这种思路,建议勘察阶段的划分如下:(1)选线勘察此阶段的勘察报告是设计工作的方案研究或工程可行性研究报告的附件。目的是提供选择线路的地质依据,主要任务是通过搜集和分析拟选择的线路沿线的环境资料(包括地形、地物、地貌、地质、地下构筑物和管线等)及必要的适量钻孔勘探,提供选线根据的地质报告。(2)工法勘察此阶段的勘察报告是初步设计报告的附件。目的是通过进一步勘察和方案比选,基本上确定线路的平剖面位置,确定区间施工方法选择的地质依据,提供区间招投标用地质报告。(3)施工勘察此阶段的勘察报告是施工图设计的附件。目的是提供进一步的勘察工作以便稳定车站的位置和施工工法,提供车站招投标地质勘察资料。完成区间病害地质、特殊地质体和构造的勘察(花岗岩的球状风化体、溶洞和大断裂等),为细化区间施工工法或辅助工法的选择提供勘察资料。各阶段勘察方法的选择、勘察工作量、室内试验项目等应视环境的不同分别确定。参考文献:1 竺维彬,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术M.北京:中图科学技术出版社,2006.41隧道建设 2007年12月 第27卷