桂金祥， 李建強， 王佳亮

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

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成都地鐵4號線二期盾構隧道漂卵石專項勘察分析

桂金祥， 李建強， 王佳亮

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

為探索漂卵石地層地質(zhì)勘察方法，查明成都地鐵4號線二期工程西延段漂石分布、含量、粒徑、強度等工程特性，通過現(xiàn)場井群降水、人工大口徑探井開挖、鋼筋混凝土護壁、井下地質(zhì)編錄和漂石的量測、現(xiàn)場K30試驗、密度試驗、取樣和水文地質(zhì)試驗等綜合方法，查明了漂石的空間分布、含量、粒徑大小、形狀、強度等特征以及漂卵石土的機床系數(shù)、天然密度、水文地質(zhì)特性。從地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、工程經(jīng)驗等綜合考慮，分析了地鐵隧道工法的選擇、隧道埋深、盾構選型，預測施工中可能出現(xiàn)的巖土工程問題，并提出針對性的工程措施建議以及漂卵石地層勘察方法的選用建議。

成都地鐵； 盾構隧道； 專項勘察； 漂卵石特征； 盾構選型

0 引言

本專項勘察在利用既有勘察資料的基礎上，結合地質(zhì)條件和盾構隧道特點，通過地質(zhì)測繪，采用常規(guī)勘察難以開展的現(xiàn)場大口徑井群降水、大口徑探井人工開挖、井下地質(zhì)編錄和漂石的量測、現(xiàn)場K30試驗、密度試驗、取樣試驗及水文試驗等綜合方法，查明漂卵石的空間分布、含量、粒徑、強度和水文地質(zhì)等特征；分析評價漂卵石對工法的選擇、隧道埋深的確定及盾構選型，預測施工中可能出現(xiàn)的巖土工程問題，并提出針對性的工程措施建議，為工程設計施工提供必要的基礎資料，同時為類似工程的勘察和建設提供借鑒。

1 地質(zhì)特征

成都平原為岷江及其支流等多個沖積扇重疊聯(lián)綴而成的復合沖積扇平原，為川西平原岷江水系Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地。成都地鐵4號線二期工程西延線位于川西成都平原岷江水系Ⅰ級階地，為侵蝕-堆積地貌，沿東西走向，地形開闊、平坦，地勢總體呈西高東低。

成都屬東部季風區(qū)中亞熱帶濕潤氣候亞區(qū)，雨量充沛，四季分明，夏季多暴雨；年平均降水量800～1 000 mm，多年平均氣溫15～16 ℃，7月最高可達26 ℃以上；全市年平均相對濕度可達80%～ 85%，蒸發(fā)量年平均為877～1 130 mm。

成都平原由第四系不同時期和不同成因類型的松散堆積物組成，以中上更新統(tǒng)分布最廣，其余為零星分布；具典型的二原結構，表層為黏性土，其下為冰水沉積沖積層漂卵石土夾粉細砂，俗稱雅安礫石層。代表性漂卵石層剖面見圖1。地層厚度變化大，從西北向東南厚度變薄，覆蓋層厚度數(shù)十m，下伏基巖為白堊系泥巖。

圖1 代表性漂卵石層剖面

成都平原處于我國新華夏系第三沉降帶——四川盆地西南緣，界于龍門山構造帶山前江油—灌縣區(qū)域性斷裂與龍泉山背斜西翼斷裂之間，為斷陷盆地，成都平原及周邊構造綱要見圖2。受區(qū)域構造第四系古地貌控制，第四系厚度在從西向東、自北朝南逐漸變薄。歷史地震資料顯示，市區(qū)一帶至今尚無強震記錄，地殼穩(wěn)定性良好。

圖2 成都平原及周邊構造綱要

Fig. 2 Structure class of Chengdu Plain and its surrounding areas

成都平原地下水主要為第四系松散堆積砂卵石層孔隙潛水，白堊系灌口組泥巖風化裂隙水深埋于第四系堆積層之下，水量較小。第四系孔隙潛水自上而下由一套透水性不同、具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的孔隙含水巖組組成，含水層主體為更新統(tǒng)砂礫卵石層，與沿河渠故道呈條帶狀疊置于其上的全新統(tǒng)卵石層，共同組成區(qū)內(nèi)第四系孔隙含水巖組。區(qū)內(nèi)地下水具水流交替循環(huán)強烈、水位恢復迅速的特點。由于含水層有西厚東薄、北厚南薄的特點，富水程度隨含水層厚度的減薄而減小。地下水等水位及埋藏深度分布見圖3。

圖3 地下水等水位及埋藏深度分布

Fig. 3 Groundwater level contour map and buried depth distribution

2 專項勘察方案

2.1 地質(zhì)測繪

通過場地及周邊既有工程施工揭示，了解沿線漂卵石層的分布和特征，對線路附近成都師范學院分校、孔雀城二期、湟浦國際、佳兆業(yè)廣場等既有基坑進行地質(zhì)測繪。成都師范學院分?；尤惨妶D4，湟浦國際基坑全貌見圖5。

圖4 成都師范學院分?；尤?/p>

Fig. 4 Foundation pit of branch campus of Chengdu Normal University

圖5 湟浦國際基坑全貌

地質(zhì)測繪表明： 漂卵石層埋深一般為3～5 m，卵石層中含有一定數(shù)量的漂石，漂石粒徑一般小于50 cm。

2.2 既有工程地質(zhì)鉆孔資料利用

結合地質(zhì)條件和工程類型進行工程勘探孔布置。鑒于成都地區(qū)漂卵石鉆進經(jīng)驗，西延線鉆探過程中，采用金剛石鉆進，植物膠護壁，單動雙管，巖芯采取率高，代表性鉆孔取芯見圖6。本次利用地質(zhì)鉆孔共112孔，巖芯鑒定時對漂石進行單項記錄、統(tǒng)計及綜合分析，繪制漂石分布散點圖，分析不同深度漂石的大小和含量等特征。針對性地布置代表性超重型動力觸探，判斷卵石土的密實程度。

2.3 井群降水、鋼筋混凝土護壁的大口徑井探

在地質(zhì)測繪和利用既有地質(zhì)資料的基礎上，鑒于漂卵石層埋深一般為3～5 m，厚度大于40 m，有富含水、強透水(滲透系數(shù)一般為25～30 m/d)、自穩(wěn)性差等特點，在每個探井周圍設置3—4個口徑為300 mm的深管群井降水。代表性探井及降水井布置示意圖見圖7。井口設置鎖口，人工開挖探井鎖口圈示意圖見圖8。探井采用200 mm厚C20鋼筋混凝土護壁，實施探井分節(jié)開挖、分節(jié)護壁，分節(jié)高為1 m，探井護壁見圖9。

圖6 代表性鉆孔取芯

圖7 代表性探井及降水井布置示意圖(單位： mm)

Fig. 7 Representative exploratory wells and layout of dewatering wells (mm)

圖8 人工開挖探井鎖口圈示意圖(單位： cm)

Fig. 8 Sketch diagram of manual excavated exploratory well locking rings (cm)

圖9 探井護壁

根據(jù)地質(zhì)測繪、初勘鉆探資料和既有相關地質(zhì)資料，結合擬建隧道埋置深度等，自西向東代表性布置8個口徑為1.5～2.0 m的探井。探井位置分布示意圖見圖10。根據(jù)地質(zhì)條件和工程初步方案，探井設計深度見表1。

圖10 探井位置分布示意圖[1]

m

井下對漂石分布、大小、形狀等進行量測編錄，代表性井下編錄見圖11。

2.4 現(xiàn)場K30原位試驗

在探井不同深度處進行K30試驗(現(xiàn)場K30試驗見圖12)，測定漂卵石土強度、變形、基床系數(shù)等，現(xiàn)場測定砂卵石土天然密度。本次完成K30試驗51點，天然密度測試26次。

2.5 水文地質(zhì)試驗

結合沿線水文地質(zhì)特征及場地條件，進行了8個帶觀測井的大口徑抽水試驗。

圖11 代表性井下編錄

圖12 現(xiàn)場K30試驗

2.6 室內(nèi)試驗

對探井和鉆孔進行取樣試驗，測定砂土天然休止角，分析卵石土顆粒，點荷載試驗測定漂卵石抗壓強度。本次共完成漂石抗壓強度測定42組，點荷載試驗26組，砂卵石土顆粒分析26組，水質(zhì)試驗8組。

2.7 綜合地質(zhì)分析

根據(jù)既有資料、地質(zhì)調(diào)繪、探井、鉆探、水文地質(zhì)試驗、原位測試、室內(nèi)試驗等綜合勘察資料，對各種勘察方法得出的結果進行縱、橫向?qū)Ρ确治?，綜合分析西延線的地質(zhì)情況，分析評價其對工法選擇的影響，預測施工中可能出現(xiàn)的巖土工程問題，并提出針對性的工程措施建議。

3 勘察成果分析

3.1 砂卵石層分布特征

圖13 代表性透鏡狀砂層

3.2 鉆孔揭示漂石統(tǒng)計分析

成都平原冰水沉積漂石多為橢球狀或扁平狀，空

間分布垂直方向多為短邊，水平方向多為長邊，鉆孔巖芯鑒定時對豎向長度大于18 cm的巖芯判定其長邊大于20 cm。按漂石進行編錄，對全線112個鉆孔進行統(tǒng)計分析，鉆孔揭示漂石含量、粒徑隨深度分布統(tǒng)計見表2。漂石含量、粒徑隨深度分布見圖14，各區(qū)間鉆孔揭示漂石鉆孔數(shù)統(tǒng)計見表3。各區(qū)間鉆孔揭示漂石含量統(tǒng)計見表4。

由表2、圖14及表3—4分析得知： 在平面上自西向東(從大學城站到終點)，漂石含量遞減；大學城站—楊柳河站—鳳溪站所揭示的漂石比例較高，鉆孔見漂石率在75%以上；大學城段最大漂石粒徑為34 cm，且埋深為10～30 m的漂石含量達1.2%以上；鳳溪站—光華公園站—西部新城西站—鳳凰大街站—西部新城站—終點的漂石含量相對較低，埋深為10～30 m的漂石含量為0.3%～0.8%。

表2 鉆孔揭示漂石含量、粒徑隨深度分布統(tǒng)計

注： 漂石占其地層厚度的比例=(漂石總長/卵石層總厚度)×100%=1.53%。

圖14 鉆孔揭示漂石含量、粒徑隨深度分布

Fig. 14 Contents and particle sizes of boulders in different depths showed by hole drilling

表3 各區(qū)間鉆孔揭示漂石鉆孔數(shù)統(tǒng)計

Table 3 Statistics of drilling holes and holes with boulders showed by hole drilling

區(qū)間名稱揭示漂石鉆孔數(shù)段內(nèi)所有鉆孔數(shù)揭示漂石鉆孔所占比例/% 大學城站—楊柳河站162176楊柳河站—鳳溪站81080 鳳溪站—南熏大道站51145 南熏大道站—光華公園站61155 光華公園站—西部新城西站91753 西部新城西站—鳳凰大街站71258 鳳凰大街站—西部新城站82040西部新城站—終點4944

表4 各區(qū)間鉆孔揭示漂石含量統(tǒng)計[1]

深度為0～7 m及37 m以下漂石含量明顯較少，深度為14～21 m漂石含量也相對較少，粒徑較小(小于25 cm)；從隨深度漂石含量、粒徑考慮，14～21 m和37 m以下是盾構穿行的理想深度。同時也應考慮到，深度為37 m的隧道埋深相對較大，地下水位較高(地下水位埋深一般為6～10 m)，水壓較大時會對盾構產(chǎn)生不利影響。

3.3 探井揭示漂石分布統(tǒng)計分析

探井揭示漂石大小、含量隨深度分布統(tǒng)計分析結果見表5。揭示漂石個數(shù)及長短邊之比統(tǒng)計見表6。最大漂石統(tǒng)計見表7。

由表5—7可知： 各探井漂石含量為5.90%～24.50%，平均為15.85%。其中粒徑為20～30 cm的漂石含量為3.71%～19.12%，平均為11.53%；粒徑為30～40 cm的漂石含量為0.21%～6.47%，平均為3.53%；粒徑為40～50 cm的漂石含量為0.07%～2.30%，平均為0.80%；粒徑大于50 cm的漂石含量為0～1.09%，平均為0.44%。粒徑為20～40 cm的漂石占漂石總量的90%～97%，粒徑大于40 cm的漂石占漂卵石體積比的0.4%～1.7%，占漂石總量的3%～7%。

漂石隨深度的分布情況： 深度為0～5 m的漂石含量為4.40%，深度為5～10 m的漂石含量為7.75%，深度為10～15 m的漂石含量為8.10%，深度為15～20 m的漂石含量為8.84%，深度為20～25 m的漂石含量為8.36%。深度為5～25 m的漂石含量相對穩(wěn)定在7.75%～8.84%。

1#及1-1#—1-4#探坑漂石含量較高，達17.04%～18.38%，最大漂石粒徑為66 cm，隧道洞身范圍內(nèi)漂石含量變化較小，對盾構影響較大；1-5#和2#探坑漂石含量約15.96%和13.43%，漂石在10～16 m富集；3#探坑漂石含量約10.94%，漂石在13～15 m相對富集?？傮w來說，由西向東(從大學城站到終點)漂石含量呈現(xiàn)減少的特征。

表5 探井揭示漂石大小、百分比含量隨深度分布統(tǒng)計

Table 5 Contents and particle sizes of boulders in different depths showed by exploratory wells

%

表6 探井揭示漂石個數(shù)及長短邊之比統(tǒng)計

表7 探井最大漂石統(tǒng)計

3.4 漂卵石土天然密度及漂卵石強度特征

經(jīng)現(xiàn)場試驗及取樣試驗，漂卵石土天然密度、含水率統(tǒng)計結果見表8。漂卵石土顆粒分析表明卵石土卵石含量一般為70%～85%，其余為圓礫和砂充填。漂石天然抗壓強度統(tǒng)計見表9。

表8 漂卵石土天然密度、含水率統(tǒng)計

Table 8 Statistics of natural density and water content of boulder and pebble soil

統(tǒng)計項樣本個數(shù)最大值最小值平均值天然密度ρ/(g/cm3)262.272.162.23天然含水率ω/%26160.64.9換算含水率ωf/%10162.36.1

表9 漂石天然抗壓強度統(tǒng)計

不同母巖成分的漂石在空間上隨機分布，漂卵石強度高，尤其是石英砂巖，對盾構刀具選型有較大影響。

3.5 卵石土水文地質(zhì)試驗

場地卵石土為強透水層，具有富水性好、滲透性強、補給充足的特點。一般地質(zhì)勘察由于鉆孔口徑較小，不利用強透水層和沒有觀測井的抽水試驗，數(shù)據(jù)采集難度較大，試驗結果誤差較大。本次水文地質(zhì)試驗充分利用大口徑、大降深的探坑降水井或井群進行帶觀測井的抽水試驗，從而提高試驗的準確性。全線主要含水層共8個降水井進行了抽水試驗，見表10。

根據(jù)抽水試驗，場地內(nèi)卵石土為強透水層，滲透系數(shù)一般為25.2～28.7 m/d。

根據(jù)線路場地水文地質(zhì)條件特征，結合鉆孔水文試驗成果和室內(nèi)試樣滲透試驗，綜合地區(qū)經(jīng)驗，確定主要巖土層滲透系數(shù)K和透水性建議，見表11。

表10 抽水試驗成果

表11 主要巖土層滲透系數(shù)和透水性建議

全線地下水位埋深為4.30～10.00 m，水位年變化幅度為2～3 m，漂卵石富含于地下水，強透水，隨著隧道埋深的增大，水壓升高。根據(jù)地質(zhì)剖面和水文特征，隧道穿行于卵石層中。

3.6 卵石土基床系數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場K30原位試驗，測得卵石土基床系數(shù)見表12。

表12 卵石土基床系數(shù)統(tǒng)計

在探井不同深度處進行K30現(xiàn)場試驗，中密卵石土基床系數(shù)垂直K為124 MPa/m， 水平K為128 MPa/m； 密實卵石土基床系數(shù)垂直K為138 MPa/m，水平K為139 MPa/m。

3.7 綜合分析

3.7.1 工法選擇

擬建工程沿線上覆3～5 m黏性土，其下為厚度大于40 m的卵石層，探井揭示漂石含量為7.75%～8.84%，漂石粒徑一般小于40 cm;既有鉆孔資料揭示埋深為10～30 m的漂石含量達0.3%～1.2%，最大漂石粒徑為34 cm；地下水位埋深4.30～10.00 m，滲透系數(shù)為25.2～28.7 m/d，穩(wěn)定性差；周邊地下管線、建構筑物密集；工期緊。從本項目的地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、工期要求、經(jīng)濟性等方面分析，擬建工程適宜采用盾構法施工[3，5]。

3.7.2 隧道埋深

探井成果揭示，深度為5～25 m的漂石含量在7.75%～8.84%，漂石粒徑多集中在20～40 cm，占漂卵石體積比的8%～17%，占漂石總量的90%～97%；粒徑大于40 cm的漂石占漂卵石體積比的0.4%～1.7%，占漂石總量的3%～7%；最大漂石粒徑為66 cm。經(jīng)鉆孔揭示，在深度為0～7 m及37 m以下漂石含量明顯較少，14～21 m漂石含量也相對較少，粒徑小于25 cm。從隨深度的漂石含量、粒徑考慮，14～21 m和37 m以下是盾構穿行的理想深度。綜合考慮地質(zhì)條件、地下水位、水壓、環(huán)境、線路方案、經(jīng)濟性等因素，隧道埋深宜選擇在14～21 m。

3.7.3 盾構選型

盾構選型一般可從地層滲透系數(shù)法、地層顆粒級配法、地下水水頭壓力法中分析，重點考慮的地質(zhì)條件有： 砂卵石層的分布、松散程度，漂卵石的含量、粒徑、強度，地下水位、水壓、流速，充填物的類型、含量，開挖面穩(wěn)定性等。擬建隧道穿越地層為卵石層，地層中密—密實、含漂石、偶夾0～2 m的砂透鏡體，地下水位高、富含地下水、強透水，開挖面穩(wěn)定性差，易發(fā)生涌水等，結合既有工程經(jīng)驗，盾構選型宜優(yōu)先采用加泥式土壓平衡盾構[4，7-8，11]。在地下水壓偏高、場地條件允許且沉降需嚴格控制的區(qū)間也可選擇泥水平衡式盾構。

3.7.4 盾構主要參數(shù)[6,10-11]

因粒徑為20～40 cm的漂石占漂石總量的90%～97%，粒徑大于40 cm的漂石占漂卵石體積比的0.4%～1.7%，占漂石總量的3%～7%。因此，盾構刀盤的開口尺寸和開口率宜偏大，利用漂石進艙，土壓平衡盾構漂石進艙粒徑最大可達670 mm[7]，比泥水平衡盾構漂石的進艙粒徑要大。本次勘察揭示漂石最好粒徑為660 mm，小于進艙最大尺寸要求；漂石天然抗壓強度為41.8～299 MPa，漂卵石強度高；漂卵石含量高達65%～75%；因此，盾構刀片宜選用硬度大，抗剪性、耐磨性好的刀片?？紤]到在漂卵石層中長距離掘進，又要能順利地排除大漂石，采用高耐磨柱狀輻條式刀盤或小幅面板+輻條式的組合刀盤較好。

3.7.5 施工中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題[5，7，9-10]

大粒徑、高強度漂石的存在，加之分布規(guī)律性差，可能造成盾構刀具的損壞；橢球狀、扁平狀中等粒徑漂石可能會卡住刀盤，影響盾構掘進。

豐富的地下水會對土壓平衡盾構產(chǎn)生不良影響，可通過向開挖的土體中添加材料來減小開挖土體的滲透系數(shù)，即要采用加泥來提高土的抗?jié)B性和穩(wěn)定性。

如隧道埋深過淺，施工中易因增壓引起上覆地層和地面的隆起，失壓會引起沉降和塌陷，造成地面及周邊建構筑物損壞。

3.7.6 設計施工建議

建議根據(jù)漂卵石分布、含量、粒徑、強度，地下水文地質(zhì)特征，線路平縱方案，周邊環(huán)境條件，技術經(jīng)濟，工期等綜合考慮隧道的最佳埋置深度、盾構選型和參數(shù)配置。

施工中注意推進速度、盾構姿態(tài)、刀片磨損、掘進異響和土壓力等參數(shù)的控制，注意對涌水、聲音、振動和溫度等的檢測。

由于地層水位高，應注意盾構的密封問題，同時控制土壓力，避免增壓引起上覆地層和地面的隆起以及失壓引起沉降和塌陷，從而避免對地面及周邊建構筑物的破壞。

成都地區(qū)暴雨、強降雨頻發(fā)，設計及施工中應注意預防暴雨、強降雨等引發(fā)的地表水匯積、下滲、地下水位突升等對工程施工的危害。

4 結論與討論

4.1 勘察方法的選用

1)常規(guī)地質(zhì)鉆孔孔徑較小，對巖芯切削、擾動較大，對漂卵石取芯困難，難以準確揭示漂石的分布、含量等工程特征；而探井開挖直觀、準確，同時可進行K30試驗、密度試驗、取樣試驗、水文試驗等測試試驗，能準確揭示漂石分布、含量、粒徑、強度等工程特性，還能測得漂卵石土的天然密度、機床系數(shù)、水文地質(zhì)特性等特征。

2)本次勘察是基于可能存在含量較多的大漂石對盾構隧道施工的風險，在得到業(yè)主的支持和施工單位的配合后而進行的專項地質(zhì)勘察，是地質(zhì)勘察的新模式，其勘察成果具有重要意義。

3)類似的地質(zhì)勘察在條件許可時，可借鑒本次勘察實例，選用人工探井與多種測試試驗相結合的綜合勘察方法。

4.2 存在的問題和建議

1)對富含水、強透水漂卵石的大口徑探井人工開挖，需要采取井群降水、探井護壁等措施，涉及到施工資質(zhì)，同時需較多的勘察費用等，這對勘察單位來說一般情況下是難以實施的。

2)根據(jù)地質(zhì)條件的復雜性和對擬建工程的影響，宜開展專項勘察。

3)結合工程施工進行必要的現(xiàn)場測試(如在工作井、基坑進行現(xiàn)場K30試驗、密度試驗等)，采集漂石分布、含量、粒徑、強度、水文地質(zhì)特征等地質(zhì)信息，為擬建工程的設計和施工積累地質(zhì)基礎資料。

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Special Survey and Analysis of Boulders and Pebbles of Shield Tunnel of Phase Ⅱ of Chengdu Metro Line No. 4

GUI Jinxiang, LI Jianqiang, WANG Jialiang
(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

In order to learn the distribution, content, diameter and strength of boulders and machine tool coefficient, nature intensity and hydrogeological characteristics of boulders and pebbles met on west extended section of Phase Ⅱ of Chengdu Metro Line No. 4, a series of methods, i.e. in-situ well group dewatering, manual excavation of large-diameter exploratory well, reinforced concrete retaining wall, underground geological compilation and measuring, site K30 test, intensity tests, sampling and hydrogeological tests of boulders, are carried out. The construction method selection, tunnel buried depth and shield type selection are analyzed; the potential geotechnical issues occuring during shield tunneling are predicted. Finally, some countermeasures and surveying method for boulders and pebbles are suggested.

Chengdu Metro; shield tunnel; special survey; features of boulders and pebbles; shield type selection

2016-11-01;

2016-12-30

桂金祥(1966—)，男，云南陸良人，1989年畢業(yè)于西南交通大學，工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事鐵路、地鐵、公路等工程地質(zhì)、水文地質(zhì)的勘察技術工作。E-mail: 3216516915@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.014

U 452.1

B

1672-741X(2017)04-0476-10