三号线盾构区间主要不良地质

所属栏目:交通运输论文 发布日期:2010-12-10 08:49 热度:

  摘要:本文分析了三号线盾构工程沿线的工程地质与水文地质概况、地质构造情况、主要地质特征,并对沿线的主要不良地质情况进行了探讨,且提出了施工对策。
  关键字:三号线,地质特征,不良地质,施工对策
  1引言
  广州地铁三号线盾构工程沿线的工程地质、水文地质非常复杂,其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差,物理力学特性差异大。沿线地层很多属于不良地质,例如:断裂带、上软下硬地层、全断面硬岩、花岗岩球状风化地层、富水砂层等,这给施工带来极大困难。但经过参建各方的共同努力,管理上精心组织,技术上不断创新,多次成功采用了新的工法、新的工艺,确保了2006年底全线顺利开通。
  2地质概述
  三号线沿线的基岩地层主要是白垩系,侏罗系和震旦系的地层亦有分布,基岩上部广泛分布第四系,基岩与第四系之间缺乏第三系。三号线盾构隧道穿过的地层在岩性、结构、变质程度等方面存在巨大差异。
  1)第四系
  该层顶部主要是人工填土层,上部为冲积、淤积砂层、土层,中部是冲、洪积粘性土层,底部是残积层、冲洪积粉土、粉质粘土、淤泥质砂。三号线所有盾构区间隧道都穿过该层。
  2)白垩系
  白垩系上统岩性主要为棕红色砂岩、含砾砂岩、砾岩、泥质粉砂岩、泥灰岩等,钙质、泥质胶结。包括:大朗山组三元里段,三水组西壕段、东湖段、康乐段。白垩系下统岩性主要为紫红色泥质粉岩,粉砂质泥岩,粉砂岩,粉细砂岩。包括:白鹤洞组广钢段、猴岗段。穿过该岩系的盾构区间有:珠江新城站~客村站、五山站~华师站、客村站~大塘站、大塘站~沥滘站、沥滘站~大石站、大石站~汉溪站。
  3)侏罗系
  该岩系是杂色岩系,主要为紫红色,灰白色砂岩,粉砂岩,泥岩组成,见黑色炭质页岩。汉溪站~市桥站盾构区间穿越该地层。
  4)震旦系
  该岩系以深变质海相岩石为主,主要由各类混合岩,绢云母千枚岩,片岩,石英岩,石英片麻岩组成,部分地方为残变质砂岩,长石石英砂岩及含石英粉砂质泥岩等。大石站~汉溪站、汉溪站~市桥站盾构区间穿越该地层。
  5)燕山期花岗岩
  燕山三期的粗粒黑云母花岗岩分布于市桥附近,岩性一般为肉红色,具中、粗粒花岗结构。燕山四期黑云母二长花岗岩分布于瘦狗岭断裂以北,岩性为灰色,肉红色,细-粗粒结构。市桥站~番禺广场站、天河客运站~华师站盾构区间穿越该地层。
  3地质构造
  在区域构造上,三号线北端(瘦狗岭断层以北)属于增城凸起的白云山~罗岗断隆区,其南端(礼村断裂以南)属于新造~化龙断隆区。线路中段的白垩系沉积岩隶属于三水断陷中的广州断陷区。如图1所示。
  1)褶皱
  沿线通过的主要褶皱有天河向斜、大塘背斜、珠江向斜和顺德向斜。
  2)断裂
  线路穿过的断层主要有:瘦狗岭断裂、广三断裂、礼村断裂、里仁洞断裂、市桥断裂等。
  4地质特征
  三号线盾构工程沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂,隧道通过了沉积岩、岩浆岩(火成岩)、变质岩三大类地层,其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差,物理力学特性差异大。
  1)水文地质条件复杂
  三号线沿线沟渠密布,江河纵横,隧道多次横穿珠江主水道,珠江新城站~客村站区间两次穿越北珠江干流和支流,沥滘站~大石站区间穿越了312m宽的三枝香水道和505m宽的南珠江。沿线第四系砂层发育,地表水对地下水有直接补给关系,因此富水性强,水文地质条件十分复杂。
  2)粘土成分较高
  室内试验表明,无论是红层,还是花岗岩和变质岩,它们的残积层和全风化层中的粉粒和粘粒的含量一般都在42%~51%。
  3)风化壳和残积土层发育
  由于广州气候炎热,雨量充沛,岩石的风化作用强烈,残积土全风化岩和强风化岩普遍存在。花岗岩类的风化剖面发育较完全,但花岗岩类的风化层中常出现孤石,尤其以碱性花岗岩风化残积土中的的居多。质纯灰岩常常只有中微风化岩,在岩面常有一层软塑甚至流塑状的炭质淤泥层,但当泥质炭质灰岩或灰岩中有碎屑岩夹层时,残积土和全、强风化岩也常达一定厚度。由于红层中胶结物不同,岩石性质成份、岩石的强度变化较大;又因地下水作用的强弱不同,构造裂隙的差异,在红层的风化带中常具有软硬相间的特点。
  4)岩层成分、结构和构造的差异性大
  广州地区岩层成分、结构和构造的差异非常大,即使是同一类的岩石,其岩性特征也不尽相同,这导致盾构施工特征也不一样。
  5)地层岩石多样,不同地层的岩土工程特征显著
  岩土工程特征差异与岩石种类密切相关。一般说来,在50m深度内,花岗岩、灰岩、混合岩多属硬质岩;碎屑岩、红层多属软质岩,而胶结物为钙铁硅质的也可属硬质岩。不同成因类型的岩体,其特征也不相同
  5主要不良地质及施工对策
  1)断裂带
  三号线盾构区间多次穿越断裂带,断裂带最大的问题是岩体破碎,相对周边完整的基岩属于软弱夹层,在隧道施工时容易造成涌水、坍塌等工程事故。为保证施工安全,需采取必要措施,如:(1)在地层不稳地段应采用土压平衡模式掘进,确保工作面的稳定;(2)在富水地段,盾构掘进过程中向土仓内和掘进面及螺旋输送机内注入添加材料,改善碴土性能,提高碴土的流动性和止水性,以防失水。总体上看,三号线过断裂带是比较成功的。
1.jpg

  图1广州地区活动断裂分布图
  
  
  
  2)上软下硬地层
  三号线天河客运站~华师站区间、市桥站~番禺广场站区间、珠江新城站~客村站区间都遇到上软下硬地层,在这种地层中掘进非常困难。上软下硬地层是上部为残积土、坡积土、淤泥质土以及砂层等软弱地层,下部为坚硬的岩石微风化带。此类地层下部坚硬的岩石对滚刀破坏严重,而开挖扰动,上部软弱地层难以自稳,这对刀具更换和地面建筑物的保护都带来极大困难。主要施工对策有:(1)加强地质补勘,摸清上软下硬地层的地层特性以及岩石分界线;对周边建(构)筑物进行详细调查和鉴定,若有必要可采取注浆加固或基础托换等措施。(2)盾构机施工进入上软下硬地层前,在具备条件的地段停机进行盾构机设备检查、修复,同时对损坏的刀具进行更换。(3)刀具布置应采用全断面滚刀的刀具配置形式。(4)在工程施工前,应根据工程地质条件,提前安排刀具更换计划,对于换刀困难的地段,可进行预加固,以增加换刀时的安全性,预加固地点应合理;或采用压气作业进行换刀。(5)掘进时,如发生掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩等发生突变或不在正常的范围,应立即分析原因,检查刀具情况,不可盲目掘进。(6)对于隧道下部坚硬岩石,若盾构机无法破除,可采用辅助措施进行处理,例如采用冲孔桩冲孔破除,或采用火工爆破的方法进行处理,然后盾构机掘进通过。(7)应合理选择、控制掘进参数,例如盾构机推力、刀盘扭矩等,减少对地层的扰动,避免造成上部软弱地层沉降塌陷。
  3)全断面硬岩
  三号线地质钻探资料显示,在天河客运站~华师站区间、市桥站~番禺广场站区间部分围岩为IV、V类以上围岩,抗压强度最大达161MPa的硬岩。目前,盾构在长距离花岗岩、混合岩等全断面硬岩段掘进困难,刀具损坏严重,施工速度非常缓慢。根据三号线经验,对于长距离岩石抗压强度很高的全断面硬岩,宜采用矿山法开挖初支,然后盾构通过的方式,市桥站~番禺广场站区间和大石站~汉溪站区间都采用这种方法通过全断面硬岩段。
  4)花岗岩球状风化地层
  三号线天河客运站~华师站区间、市桥站~番禺广场站区间多处通过俗称“孤石”的花岗岩球状风化地层,“孤石”的单轴抗压强度高达160MPa左右,其四周岩土层主要为花岗岩强、全风化层,两者强度差异较大,且四周岩土层稳定性差,多属Ⅱ、Ⅲ类围岩。这给刀具破除“孤石”带来极大困难,甚至无法破除,因此,盾构施工非常艰难。例如:天河客运站~五山站区间盾构机过348米球状风化体区,历时8个月,先后进行气压法换刀15次,更换各类刀具251把。盾构通过花岗岩球状风化体区的关键是如何破除“孤石”,目前主要方法有:(1)对孤石周边风化土层进行地面或洞内预加固,然后再盾构机破岩或人工破岩;(2)洞内静态爆破或火药爆破;(3)地面钻孔爆破或冲孔破除孤石;(4)压气作业条件下人工破除孤石,破除时可采用岩石分裂机等设备。
  5)富水砂层
  由于砂层含水量丰富,渗透性好,且受扰动后易液化,因此土压平衡盾构在砂层中掘进很容易出现喷涌现象,一方面,需用大量时间进行盾尾清理,严重影响盾构施工进度,另外,大量泥沙喷出或砂遇水液化,均易引起地层沉降,从而最终导致地面建筑物建(构)筑物沉降,甚至破坏。为了减少地面沉降,保证建筑物安全,需采取相应措施,主要有:(1)在过砂层之前,对盾构机进行全面检查及维修保养。一方面,防止泥水、砂浆从盾尾密封冒出,一旦泥水大量从盾尾冒出,易造成失水沉降,而砂浆从盾尾冒出,将无法及时对管片背后进行填充,亦导致沉降难以控制;另一方面,防止因故障长时间停机,而导致土仓大量积水,且盾体外壳与开挖隧道之间的空隙无法及时填充。(2)进行土体改良。主要是采用聚合物添加剂、膨润土等来改良渣土,以改善渣土的和易性,增加止水效果,避免喷涌的发生。(3)做好同步注浆和二次注浆工作。一方面,防止隧道后方的水流入土仓;另一方面,及时填充管片背后空隙,防止沉降进一步扩大。(4)合理选择掘进模式和掘进参数。一般采用土压平衡模式,根据地下水位、地层条件、隧道埋深等合理选择土仓压力。合理选择掘进参数,例如:螺旋输送器的转速、闸门开度,刀盘转速,推进千斤顶的推力等。(5)控制好盾构机的姿态。若盾构机姿态不好,需要纠偏,这对控制沉降及其不利。(6)合理确定渣土的松散系数,严格控制出土量。要做到既不能多出,也不能少出。若少出,会造成土仓压力增大,掘进速度减慢;若多出,会造成地面沉降增大,甚至地面塌方。(7)尽量做到快速通过。应该尽量提高掘进速度,避免刀盘转动对地层扰动时间过长,造成上部砂层松动,同时掘进速度加快能够及早为管片背后注浆创造条件,有利于隧道稳定和控制地表沉降。
  6结语
  广州地铁三号线地质条件非常复杂,施工中碰到了众多难题,如穿越花岗岩上软下硬地层、穿越花岗岩球状风化地层,在解决难题过程中也积累了丰富的宝贵经验。经过参建各方的共同努力,管理上精心组织,技术上不断创新,多次成功采用了新的工法、新的工艺,确保了8个盾构标段顺利贯通。
  
  参考文献:
  [1]广州市轨道交通三号线土建施工技术研究最终成果(内部资料).
  [2]竺维彬,鞠世键,史海欧.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究.广州:暨南大学出版社,2007.
  [3]竺维彬,鞠世键.复合地层中的盾构施工技术.北京:中国科学技术出版社,2006.
  [4]林本海.广东岩土地层特点与地层归一性划分方法.建筑监督检测与造价,2009,2(1):1-11.
  [5]彭卫平,容穗红.广州市水文地质特征分析.城市勘察,2006,3:59-63
  [6]谢明.广州地铁沿线岩土分层系统的建立和特征以及在地铁、轻轨勘察规范中增设岩土分层规定的必要性和可行性.地铁与轻轨,2000,1:17-24.

文章标题:三号线盾构区间主要不良地质

转载请注明来自:http://www.sofabiao.com/fblw/ligong/jiaotongyunshu/5782.html

相关问题解答

SCI服务

搜论文知识网的海量职称论文范文仅供广大读者免费阅读使用! 冀ICP备15021333号-3