卜令方,汪明元,金忠良

(1.中國電建集團華東勘測設(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)

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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)

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)。

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

注：A: 沖湖積平原區(qū)；B: 沖海積平原區(qū)。圖1 杭州城區(qū)地形地貌

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。

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。

圖2 Ⅰ型地層組合結(jié)構(gòu)

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。

圖3 Ⅱ型地層組合結(jié)構(gòu)

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)機外殼產(chǎn)生“背土”現(xiàn)象,使盾構(gòu)機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。

圖4 Ⅲ型地層組合結(jié)構(gòu)

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。

圖5 Ⅳ～Ⅶ型地層組合結(jié)構(gòu)

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。

圖6 Ⅷ～Ⅺ型地層組合結(jié)構(gòu)

圖7 Ⅻ型地層組合結(jié)構(gòu)

圖8 型地層組合結(jié)構(gòu)

圖9 型地層組合結(jié)構(gòu)

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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[5] 杭州地鐵集團有限責(zé)任公司. 杭州地鐵巖土工程勘察地層編號規(guī)定(試行稿)[R]. 杭州： 杭州地鐵集團有限責(zé)任公司,2011.

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

BULingfang1,2,WANGMingyuan1,JINZhongliang2

2016-09-23

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

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。

P64；U231

B

1008-3707(2016)12-0016-05