劉建平, 吳 剛

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430050)

武漢地鐵6號線鐘琴區(qū)間工程地質(zhì)問題

劉建平, 吳 剛

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430050)

通過工程地質(zhì)勘察,對武漢地鐵6號線鐘琴區(qū)間場區(qū)可能遇到的斷裂破碎帶、巖溶、膨脹巖土及紅黏土、上軟下硬地層、突水、涌砂及管涌等工程地質(zhì)問題進(jìn)行分析與評價,對擬建場區(qū)的工程地質(zhì)條件及問題有了清楚的認(rèn)識。

工程地質(zhì)問題；地鐵；武漢

1 工程概況

武漢市鐘家村站—琴臺站區(qū)間起點(diǎn)里程YK14+450.687,終點(diǎn)里程YK15+184.490,總長733.803 m,擬采用土壓平衡盾構(gòu)。鐘家村站為地鐵四號線二期(2014年12月底試運(yùn)營)和地鐵六號線的換乘站,地鐵6號線鐘琴區(qū)間里程YK14+781.48設(shè)置工作井,優(yōu)先安排工作井—鐘家村站區(qū)間盾構(gòu)施工。

區(qū)間穿過區(qū)域構(gòu)造大橋倒轉(zhuǎn)向斜,場區(qū)地層巖性復(fù)雜,軟硬不均,存在很多工程地質(zhì)問題。隧道沿鸚鵡大道展布,地處漢陽重要商圈,人口密集,交通負(fù)荷極重,場區(qū)地面建(構(gòu))筑物密布,因此,查明區(qū)間工程地質(zhì)條件,分析存在的工程地質(zhì)問題及對既有構(gòu)筑物的影響,對確保地鐵工程順利進(jìn)行有著十分重要的作用。

2 場區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

武漢位于江漢平原東部平原邊緣隆起帶。場區(qū)位于武漢市漢陽區(qū)鐘家村與古琴臺間,地形南北高中間低,區(qū)間中西部為月湖。區(qū)間線路沿線地勢整體較為平緩,地面高程介于22.07～26.90 m,線路區(qū)間附近月湖湖底高程在19.70 m左右。本區(qū)間所處地貌屬剝蝕堆積壟崗狀平原區(qū)。

2.2 地層巖性

場區(qū)覆蓋層厚度17.3～30.3 m,整體上琴臺高架附近相對較薄,琴臺高架兩側(cè)相對較厚。地層主要為近代人工填筑土層、第四系全新統(tǒng)沖積層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積層、第四系殘積層。沿線基巖主要為三疊系灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖,二疊系灰?guī)r、灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r,石炭系泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、碎裂硅質(zhì)巖、炭質(zhì)泥巖,泥盆系石英砂巖,志留系墳頭組泥巖、粉砂巖。巖面整體上呈中間高、兩側(cè)低的特征。隧道區(qū)間地質(zhì)縱斷面見圖1。

圖1 隧道區(qū)間地質(zhì)縱斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of geological profile of tunnel1.人工填土;2.黏土、粉質(zhì)黏土;3.粉質(zhì)黏土夾粉砂;4.膨脹土;5.紅黏土;6.灰?guī)r;7.泥質(zhì)灰?guī)r;8.炭質(zhì)泥巖;9.粉砂質(zhì)泥巖;10.粉砂巖;11.破碎硅質(zhì)巖;12.石英砂巖;13.泥巖;14.溶洞。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

2.3.1 褶皺

武漢市在大地構(gòu)造上位于淮陽山字型弧頂西側(cè)與新華夏系第二沉降帶復(fù)合部位,跨及秦嶺褶皺系和揚(yáng)子準(zhǔn)地臺兩個Ⅰ級構(gòu)造單元。

區(qū)內(nèi)褶皺形態(tài)多見于市區(qū)南部的構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū),主要為志留—三疊系地層組成的地臺型侏羅山式簿皮構(gòu)造[1]。褶皺形態(tài)以緊密線狀為主,背斜較寬闊,一般隱伏于地下,構(gòu)成谷地；向斜狹窄,構(gòu)成丘陵主要骨架。其特點(diǎn)為軸線呈北西西或近東西向,并略向南凸出的弧形,西端有向北偏轉(zhuǎn)之勢。

工程場區(qū)位于大橋倒轉(zhuǎn)向斜的核部及北翼,該向斜西起舵落口,向東沿琴斷口、龜山、珞珈山,至八蝶山一帶,地表斷續(xù)出露。軸線呈北西西—近東西向,延伸長達(dá)40 km,寬約0.5～1.5 km。核部為三疊系大冶組,兩翼為志留—二疊系。產(chǎn)狀均向北傾斜,傾角50°～75°。

2.3.2 斷層

2.3.2.1 近場區(qū)斷層概況

區(qū)內(nèi)斷層較為發(fā)育,主要為北西西向或近東西向、北北東向斷層,為區(qū)內(nèi)主干斷層,局部發(fā)育有北東向斷層。近場區(qū)斷層主要為王家山逆斷層F34、長江斷層F9,其次為規(guī)模較小的古琴臺斷層F41及龜山斷層F42(圖2)。

圖2 構(gòu)造綱要圖Fig.2 Tectonic outline map1.泥盆系—三疊系;2.斷層及編號;3.地層不整合界線;4.指北針;5.志留系;6.覆蓋層區(qū)推測地層界線;7.擬建工程;8.水系。

(1) 北西西—近東西向斷層:該斷層規(guī)模較大,多沿褶曲兩翼分布。以逆掩、逆斷層為主,斷面一般傾向北,傾角>40°。王家山逆斷層(F34)位于大橋倒轉(zhuǎn)向斜北翼,斷層上盤泥盆系五通石英砂巖逆沖于二疊系孤峰硅質(zhì)巖之上。斷層多處扭曲變形,被北東、北西向斷層錯斷。

(2) 北北東向斷層:該組斷層多被覆蓋,據(jù)遙感、物探資料分析,為一組規(guī)模較大的區(qū)域性隱伏斷層。該組斷層走向北東10°～25°,呈逆時針方向扭動,據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析,斷層形成較晚,為燕山晚期產(chǎn)物,它切割了北西向斷層及白堊—下第三系地層。該斷層在近場區(qū)主要有長江斷層(F9)及古琴臺斷層(F41)。

(3) 北東向斷層:該組斷層規(guī)模較小,一般為平移斷層。距離隧址較近的為龜山斷層(F42)。

2.3.2.2 場區(qū)斷裂構(gòu)造

根據(jù)物探、鉆探資料揭示,結(jié)合武漢市1∶5萬基巖地質(zhì)圖,鐘家村站—琴臺站區(qū)間發(fā)育一條規(guī)模較大的斷層破碎帶f1,斷裂破碎帶分布于右洞里程YK14+920～YK15+030,核心部位于YK14+990,寬約110 m,走向呈近東西向,傾向正北,傾角較陡,約70°；斷裂破碎帶核心部位為斷層泥,兩側(cè)為極破碎炭質(zhì)泥巖,夾碎裂硅質(zhì)巖。該斷裂被北東向斷裂錯斷,為非全新世活動斷裂。

2.4 水文地質(zhì)條件

2.4.1 地表水

場區(qū)地表水體主要為月湖湖水,其水量主要來源于大氣降水、地表徑流和人工蓄水,水位變幅較小。場區(qū)總體呈中部高,兩側(cè)低,地表水從琴臺立交橋向兩側(cè)流動。

2.4.2 地下水

根據(jù)含水介質(zhì)和地下水的賦存狀況,可將場區(qū)內(nèi)地下水劃分為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、巖溶裂隙水、基巖裂隙水四種類型[2]。

2.4.2.1 上層滯水

主要賦存于填土層中,其含水與透水性取決于填土的類型。上層滯水的水位連續(xù)性差,無統(tǒng)一的自由水面,接受大氣降水和供、排水管道滲漏水垂直下滲補(bǔ)給,水量有限。

2.4.2.2 第四系松散巖類孔隙水

主要賦存于3-5層粉質(zhì)黏土夾粉砂中,具承壓性,富水程度一般,接受周圍土層孔隙水側(cè)向補(bǔ)給,并進(jìn)行側(cè)向排泄。10-2層粉質(zhì)黏土夾碎石層透水性差,富水程度低;11-1層角礫透水性好,但呈透鏡體狀分布,富水程度低?？辈炱陂g3-5層穩(wěn)定水位埋深4.1 m,相應(yīng)高程為19.24 m;11-1層穩(wěn)定水位埋深6.2 m,對應(yīng)高程為15.87 m。

2.4.2.3 巖溶裂隙水

巖溶裂隙水主要賦存于二疊系灰?guī)r中,根據(jù)鉆探資料,場區(qū)溶洞主要分布在工作井及工作井往鐘家村站盾構(gòu)通過區(qū)段,揭示溶洞大小在0.40～2.50 m,鉆進(jìn)過程中漏漿嚴(yán)重,有掉鉆現(xiàn)象,勘察期間鉆孔穩(wěn)定水位埋深在3.10～5.20 m之間。

2.4.2.4 基巖裂隙水

主要賦存于強(qiáng)—中等風(fēng)化基巖裂隙及構(gòu)造破碎帶中,強(qiáng)—中等風(fēng)化基巖裂隙水總體來說水量貧乏,對隧道工程影響較小。構(gòu)造破碎帶節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體透水性較好,對隧道工程有一定影響。

2.5 特殊性巖土與不良地質(zhì)現(xiàn)象[3]

2.5.1 特殊性巖土

本區(qū)段存在的特殊性巖土主要有人工填土、膨脹土、紅黏土及強(qiáng)風(fēng)化巖。

(1) 人工填土:場區(qū)均有分布,為新近人工堆填,厚度0.60～6.50 m。成分為工業(yè)煤渣、黏性土夾碎石、塊石、建筑垃圾及生活垃圾等,結(jié)構(gòu)疏密不均,透水性及力學(xué)性能差異較大。

(2) 膨脹土:場區(qū)大范圍分布有黏土(10-1)、粉質(zhì)黏土(10-1a)層、黏土(10-1b)及黏土夾碎石(10-2)。試驗(yàn)結(jié)果表明,黏土(10-1)層自由膨脹率在33%～69%,平均值為47.07%,膨脹力為12.0～125.0 kPa；粉質(zhì)黏土(10-1a)層自由膨脹率在34%～57%,平均值為42.09%,膨脹力為10.0～25.0 kPa；黏土夾碎石(10-2)層自由膨脹率在42%～46%,平均值為43.75%；根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)第12.5節(jié),黏土(10-1)膨脹潛勢分類屬弱—中；粉質(zhì)黏土(10-1a)層膨脹潛勢分類屬弱膨脹；黏土夾碎石(10-2)層膨脹潛勢分類屬弱膨脹。這幾層土吸水膨脹后土體強(qiáng)度將急劇降低。

(3) 紅黏土:場區(qū)琴臺立交橋以南段碳酸鹽類基巖面以上多分布有次生紅黏土,該地層具有高塑性(IP=20.8)、高液限(ωL=47.1)、上硬下軟等特征,土層暴露后期強(qiáng)度會迅速降低。試驗(yàn)資料顯示該地層自由膨脹率在42%～79%,平均值為54.32%,膨脹力為25～187 kPa；根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)表12.5.5-1,具弱—中膨脹潛勢。紅黏土在脹縮性能上以收縮為主,在天然狀態(tài)下膨脹量小,收縮性高；其膨脹潛勢主要表現(xiàn)在失水收縮后復(fù)浸水的過程中,一部分可表現(xiàn)出縮后膨脹,另一部分則無此現(xiàn)象。

(4) 強(qiáng)風(fēng)化巖:主要分布在月湖及月湖以北一帶,基巖為志留系粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,巖體風(fēng)化嚴(yán)重,呈粉質(zhì)黏土、粉土狀,部分呈角礫土、混黏性土狀,土體多呈褐黃色、灰白色。強(qiáng)風(fēng)化土體厚度>10 m,位于隧道底板以下。

2.5.2 不良地質(zhì)作用

巖溶:場區(qū)琴臺立交以南段分布有可溶性二疊系、三疊系及石炭系灰?guī)r,根據(jù)鉆探情況,工作井段巖溶較發(fā)育,灰?guī)r埋藏于第四系覆蓋層下,覆蓋層層厚22.0～25.0 m,溶洞洞徑0.6～2.5 m,揭示巖溶鉆孔巖芯巖溶率為1%～4%。場區(qū)巖溶按埋藏條件分類屬淺覆蓋型巖溶,巖溶發(fā)育程度級別為中等發(fā)育。溶洞呈半充填狀,充填物為流塑—軟塑狀黏性土混碎石,鉆進(jìn)時漏漿嚴(yán)重。經(jīng)現(xiàn)場踏勘,巖溶發(fā)育段附近未發(fā)現(xiàn)地面塌陷現(xiàn)象。

3 工程地質(zhì)問題評價

3.1 斷層破碎帶

在琴臺高架附近存在構(gòu)造破碎帶,該區(qū)段隧道從極破碎炭質(zhì)泥巖及碎裂硅質(zhì)巖中穿過,由于巖體破碎,圍巖強(qiáng)度大,而且軟硬不均勻,穩(wěn)定性差,地下水比較豐富,盾構(gòu)通過時可能發(fā)生涌水；破碎地段的巖塊較大,易堵塞螺旋輸送機(jī)；斷裂帶碎裂硅質(zhì)巖巖塊強(qiáng)度大,要求盾構(gòu)破巖能力強(qiáng)等問題,設(shè)計(jì)施工時需采取相應(yīng)措施解決其不利影響。

3.2 巖溶

通過本次勘察,發(fā)現(xiàn)豎井附近巖溶發(fā)育,盾構(gòu)施工時,一旦揭穿溶洞可能發(fā)生盾構(gòu)機(jī)栽頭、陷落、突水、突泥等事故,對盾構(gòu)施工影響較大。

區(qū)間隧道部分段位于覆蓋層中,部分段隧道下部位于中等風(fēng)化、微風(fēng)化灰?guī)r及溶洞中,可考慮適當(dāng)抬高隧道底板埋深,將隧道底板全部埋置于第四系覆蓋層,避開灰?guī)r中的溶洞。

由于地鐵4號線鐘(家村)五(里新村)區(qū)間和6號線鐘(家村)工(作井)區(qū)間交叉,6號線右線無法避開灰?guī)r分布地段,盾構(gòu)施工進(jìn)入灰?guī)r段,在安裝環(huán)片時,盾構(gòu)機(jī)前方發(fā)生突水,施工單位調(diào)整盾構(gòu)機(jī)刀盤與掌子面壓力到0.6 MPa時,將突水止住。

若不能避開巖溶發(fā)育區(qū),宜對巖溶發(fā)育區(qū)段進(jìn)行施工勘察,以查清巖溶區(qū)的詳細(xì)地質(zhì)情況[4],根據(jù)勘察結(jié)果調(diào)整施工方案,以規(guī)避溶洞對施工的不良影響。

3.3 膨脹巖土及紅黏土

隧道洞身段大部分埋設(shè)在(10-1)層黏土、(10-2)層黏土夾碎石及(13-2)層次生紅黏土中,該類土層黏粒含量高,均具膨脹性,具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能,即使在荷重作用下仍能浸水膨脹,產(chǎn)生膨脹壓力,同時該土還具有脹縮變形的可逆性,在吸水膨脹和失水收縮后,有再吸水再膨脹、再失水再收縮的特性,在反復(fù)膨脹收縮的過程中,能產(chǎn)生較高的膨脹力。盾構(gòu)機(jī)在膨脹系數(shù)較大的巖土層中掘進(jìn),一來很容易被遇水膨脹的土層“裹死”,導(dǎo)致姿態(tài)難以控制,輕則影響隧道成型質(zhì)量,重則可能造成線路偏差超限；二來掘進(jìn)過程中,挖掘面的黏性土體受到刀盤的碾壓極易在刀盤面和土倉內(nèi)壁上形成附著的泥餅,堅(jiān)硬的泥餅將會把刀盤開口堵塞,嚴(yán)重降低盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)能力。刀盤泥餅與土倉中隔板的長時間摩擦?xí)?dǎo)致中隔板等位置的溫度快速升高,從而引起回轉(zhuǎn)中心橡膠密封件性能的下降,威脅盾構(gòu)施工的安全。

在設(shè)計(jì)施工時可考慮采用適當(dāng)擴(kuò)大開挖直徑,以解決盾體“裹死”現(xiàn)象；通過添加陽離子型添加劑,改變盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)、選型、掘進(jìn)參數(shù)等措施消除盾構(gòu)過程的刀盤泥餅[5]。

3.4 上軟下硬地層

場區(qū)隧道沿線基巖面有一定的起伏,部分段隧道需穿過較硬的中等風(fēng)化、微風(fēng)化灰?guī)r,因而掘進(jìn)過程將面臨上軟下硬地層,在這種地層掘進(jìn)可能發(fā)生盾構(gòu)機(jī)抬頭、偏移或被卡住、蛇行推進(jìn),注漿不及時易產(chǎn)生隧道管片破損以及盾構(gòu)機(jī)損壞等許多難以預(yù)料的問題[6],施工設(shè)計(jì)時應(yīng)引起重視。

3.5 突水、涌砂及管涌

靠近琴臺站附近存在3-5層粉質(zhì)黏土夾粉砂,該層為承壓含水層的過渡層,呈“千層餅”狀,易發(fā)生涌砂、管涌破壞,設(shè)計(jì)及施工時應(yīng)引起重視。聯(lián)絡(luò)通道附近存在11-1層角礫,由于11-1層呈透鏡體狀分布,角礫石間充填物為粉質(zhì)黏土,因此11-1層含水量有限,發(fā)生突水事故的可能性較小。

4 周邊環(huán)境分析與評價

場區(qū)位于武漢市鐘家村商業(yè)中心,建(構(gòu))筑物密布,隧道左線與閩東大廈(28層)最近距離約12 m,右線與新世界百貨(商業(yè)中心)最近距離約11 m,工程建設(shè)時需嚴(yán)格控制變形、地面環(huán)境衛(wèi)生、施工震動、施工噪音,做好施工組織。隧道穿越京廣鐵路、琴臺立交等重要交通干線,京廣鐵路橋及琴臺立交橋基礎(chǔ)允許沉降變形量極小,需采取施工控制措施,防止施工引起地面變形過大。

5 結(jié)語

武漢地鐵6號線鐘琴區(qū)間地質(zhì)條件復(fù)雜,擬建區(qū)間可能面臨斷裂破碎帶、巖溶、膨脹巖土及紅黏土、上軟下硬地層、突水、涌砂及管涌等工程地質(zhì)問題,通過分析和評價,對擬建場區(qū)的工程地質(zhì)條件及工程地質(zhì)問題有了清楚的認(rèn)識,為工程設(shè)計(jì)及施工提供了地質(zhì)依據(jù),也可作為同類工程的參考。

[1] 湖北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所.武漢市基巖地質(zhì)圖(1∶50 000)[R].武漢:湖北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所,1988.

[2] 李智毅,楊裕云.工程地質(zhì)學(xué)概論[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1994.

[3] 常士驃,張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊[M].第四版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[4] 衛(wèi)曉波.盾構(gòu)隧道區(qū)間溶土洞處理技術(shù)[J].山西建筑,2010(18):341-343.

[5] 趙巨川.盾構(gòu)在膨脹巖土中掘進(jìn)的應(yīng)對措施[J].城市建設(shè)理論研究,2012(12):202-204.

[6] 王恒.上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)研究[D].合肥:安徽建筑工業(yè)學(xué)院,2012.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Engineering Geological Problems of Wuhan Metro Line 6 in theZhongjiacun-Qintai Section

LIU Jianping, WU Gang

(ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignInstituteCo.,Ltd,Wuhan,Hubei430050)

Through the engineering geological exploration,analysis and evaluation have been done on the engineering geological problems of fracture zone,karst caves,expansive soils and red clay,upper-soft lower-hard ground,water and sand gushing,piping,with a clear understanding of the engineering geology condition and other engineering geology problems in the proposed site area.

engineering geological problems; metro; Wuhan

2014-12-25;改回日期:2015-03-13

劉建平(1981-),男,工程師,碩士,地質(zhì)工程專業(yè),從事巖土工程勘察工作。E-mail:liujp@brdi.com.cn

P642; U231

A

1671-1211(2015)04-0472-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504022

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1333.004.html 數(shù)字出版日期:2015-06-19 13:33