复合地层盾构隧道工程地质勘察

'第27卷第6期隧道建设27(6):10～142007年12月TunnelConstructionDec.,2007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:AStudyonGeologicalInvestigationMethodsforShieldTunnelinginMixedGroundJUShi2jian,ZHUWei2bin(GuangzhouMetroCorporation,Guangzhou510030,China)Abstract:Comparedtotheconstructionmethodsoftheotherundergroundworks,theshieldtunnelingmethodhasitsownspecialfeatures,thereforethegeologicalinvestigationfortheshieldtunnelingworksalsohasitsownspecialrequire2ments.Onbasisofthefeaturesoftheshieldtunnelinginmixedground,theauthorsmakesomerecommendationsonthecontent/quantityoptimizationandstagedivisionofthegeologicalinvestigationworksinthepaper.Keywords:mixedground;shieldtunneling;geology;investigation0前言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,另一类是均盾构隧道施工方法及施工参数的选择与其它任何一岩石地层。一种地下工程一样,无不受制于施工环境,特别是围岩本文要研究的是盾构在复合地层中施工对工程地的工程地质和水文地质特征。目前,以各地的地铁工质勘察的一些要求。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“mixedface”或“mixedfaceconditions”,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〈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〉岩层强风化在三维方向上,围岩主要由岩土力学、工程地质、水文带;〈8〉岩层中风化带;〈9〉岩层微风化带地质等特征相差较大的几种地层的组合。图1广州地铁复合地层垂向变化代表剖面与复合地层相对应的是均一地层,定义为在三维Fig.1ExampleofmixedgroundinGuangzhouMetroworks:方向上,围岩由一种或几种岩土力学、工程地质、水文stratavaryinginverticaldirection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111.1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〈1〉人工填土层;〈3-1〉细砂土层;〈4-2〉河湖相淤泥质土层;〈5关系主要有三种(图3),即隧道全断面〈3-2〉砂层-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(图3a)、隧道部分断面〈3-2〉砂层(图3b)和隧道断化带;〈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;面上部〈3-2〉砂层(图3c)。〈9C-2〉相对完整的石灰岩微风化带。这三种情况在盾构施工过程中都出现过较大的地图2广州地铁五号线草—陶区间剖面图面沉降,特别是在选用土压平衡盾构机的情况。其原Fig.2GeologicalprofileofCao2Taorunningtunnelonline5of因主要是由于该地层在刀盘的扰动下会在瞬间液化或GuangzhouMetro流动,一旦土仓内的水土压力与工作面主动水土压力1复合地层盾构施工需要钻探工程关注的重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。点问题(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.3Spatialrelationshipsbetweensandstratumandcross2sectionsofshield-boredtunnels〈3-2〉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.4Groundsubsidenceprocess1.1.3淤泥层层面图3所示相同关系的状态下时,会出现与〈3-2〉砂层以广州地区〈2〉淤泥层为例,当该淤泥层处于和类似的地面沉降问题。 12隧道建设2007年12月第27卷如果〈2〉淤泥层位于隧道断面的下部,则会出现是裂隙水发育造成螺旋输送器的喷涌。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4.0～6.0m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5广州地铁一号线黄—长区间地层剖面示意图(图7)对刀具磨损严重或由于刀盘旋转时突然碰到大Fig.5GeologicalprofileofHuang2Changrunningtunnelonline块断裂岩出现的瞬间荷载会崩断刀具(图8、图9),二1ofGuangzhouMetro表1淤泥地层〈2〉岩土参数Table1Geotechnicalparametersofmudstrata〈2〉天然快剪天然密度天然含水天然孔隙液性指数压缩系数压缩模量承载力标准水平地基系侧压力岩性3)量黏聚力内摩擦-1/(g/cmW/%比e/%/MPa/MPa值/kPa数/MPa系数/kPa角/(°)淤泥1.5563.671.7881.768.113.381.352.1040～601～20.75淤泥质土1.7639.141.1122.182.437.360.544.4140～601～20.75图6广州地铁三号线大—汉区间礼村断裂剖面图Fig.6GeologicalprofileofLicunfractureinDa2Hanrunning图9断裂的连接螺栓tunnelonline3ofGuangzhouMetroFig.9Brokenconnectionbolts1.3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1～3m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,图7断层带中的硅化角砾岩将工期严重滞后,是目前在复合地层中盾构施工尚未Fig.7Silifiedbrecciacontainedinfaultzones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,特别是较大的图8刀具崩断原因示意图溶洞,会造成盾构机姿态的突然变化,从而引发隧道变Fig.8Causesforcuttingtoolbreaking形、大量漏浆等一系列的事故;二是隧道形成后,如何 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13保证通过溶洞地段的隧道的长期稳定,是保证永久结1.4.2RQD值统计不准确构安全的另一大难题。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10cm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10cm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(a)地表揭露的花岗岩球状风化体下,建议充分利用钻探岩芯资料,再增加以20cm(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(b)刀盘前的花岗岩球状风化岩体分的分析,砾石及其成分与刀盘和刀具磨损的关系非图10花岗岩球状风化体常密切。Fig.10Sphere2shapedweatheredgranite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,甚至会导图11石英含量与刀具磨损关系示意图致隧道灾难性的破坏。Fig.11Relationshipbetweenquartzcontentandcuttingtoolwearing1.4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2复合地层中盾构施工特别要分析和研究的粗糙,损失了许多分析和判断围岩特征的资料和数据,几个问题主要表现在如下几方面。2.1对地层的颗粒分析不足1.4.1岩性描述过于简单该项目之所以对盾构施工特别重要,主要表现在:在某些地质报告或岩性鉴定中,一些重要的成分①盾构机的选型,理论上来讲,在软土地层和复合常常被忽略掉。以广州地铁五号线西—草区间MEZ3地层中盾构机选型的依据就是颗粒分析。-GX-10钻孔柱状图为例。白垩系三水组的砾岩中②对泥水盾构机而言,颗粒分析是选择泥水处理的粗碎屑是石灰石,胶结物为钙质,偶夹薄层的泥质灰系统的依据。岩,这些成分会溶蚀成空洞,但在岩性鉴定中,常常将③对于土压平衡盾构机而言,大量的细颗粒成分这些重要的成分忽略掉。而这些资料对预测和判断是的存在,是造成密封舱和刀盘面板上结泥饼的物质来否存在溶蚀现象是非常重要的。源(图12),而一旦结了泥饼,就会立即造成无法推进, 14隧道建设2007年12月第27卷进而引发一系列的质量事故,甚至烧毁盾构机大轴承。有限度地应用物探方法是有积极意义的。目前存在的问题是,对于岩石地层的残积层、全风3.1地面物探方法的应用化层、强风化层的颗粒分析不足。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图12滚刀在泥饼中的印模(滚刀已拆除)Fig.12Cloggingofdisccutters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2.2地层产状的量测和分析不足供的煤炭储量级别作为阶段划分的依据,并依此来确地层产状的量测是钻探岩芯描述的内容,但在工定具体的钻孔布置密度等工作内容。因此,不同阶段程地质勘察报告中这部分内容往往被忽略。复合地层的勘察目的、任务和相应的工作内容和工作量就很明的最重要的特点是围岩的各向异性,这种特征在沉积确。基于这种思路,建议勘察阶段的划分如下:岩中表现的尤为突出,除了岩性变化和矿物成分变化(1)选线勘察之外,地层产状的变化是造成围岩各向岩性极为重要此阶段的勘察报告是设计工作的方案研究或工程的因素。由于地层产状的不同,会造成推进速度、盾构可行性研究报告的附件。目的是提供选择线路的地质机姿态稳定性、刀盘刀具磨损等的不同。依据,主要任务是通过搜集和分析拟选择的线路沿线2.3第四系沉积环境的分析不足的环境资料(包括地形、地物、地貌、地质、地下构筑物第四系沉积环境分析的实际意义在于在盾构施工和管线等)及必要的适量钻孔勘探,提供选线根据的过程中及时的对前方围岩特征和可能出现的施工环境地质报告。风险做出分析和判断,以便采取恰如其分的对应措施。(2)工法勘察这里说的沉积环境分析不是科研而是为盾构施工此阶段的勘察报告是初步设计报告的附件。目的服务的,因此不须增加新的钻孔。主要通过对砂体的是通过进一步勘察和方案比选,基本上确定线路的平空间分布形态、富水性质、水文地质特征等来分析和判剖面位置,确定区间施工方法选择的地质依据,提供区断古河床的走向和发育状况以及第四系活动断裂的存间招投标用地质报告。在与否等。通过对淤泥地层沉积环境分析来判断古湖(3)施工勘察沼的地形、地貌等。此阶段的勘察报告是施工图设计的附件。目的是3物探方法在盾构施工中的应用提供进一步的勘察工作以便稳定车站的位置和施工工这是一个颇有争议的问题,其一是该方法的应用法,提供车站招投标地质勘察资料。完成区间病害地范围;其二是该方法的解释精度。在这两个问题上目质、特殊地质体和构造的勘察(花岗岩的球状风化体、前都存在着程度不同的问题,然而人们还无法彻底放溶洞和大断裂等),为细化区间施工工法或辅助工法弃物探手段,这是因为,钻探方法对围岩的解释是以钻的选择提供勘察资料。孔资料为基础的,而钻孔毕竟是点信息,即便钻孔间距各阶段勘察方法的选择、勘察工作量、室内试验项很小,两孔之间的地质形态和特征依然是人们主观推目等应视环境的不同分别确定。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。参考文献: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[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.工勘察中的非常尴尬的处境。根据广州地区的经验,'