武漢地鐵6號線鐘琴區間工程地質問題

劉建平, 吳 剛

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,湖北 武漢 430050)

武漢地鐵6號線鐘琴區間工程地質問題

劉建平, 吳 剛

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,湖北 武漢 430050)

通過工程地質勘察,對武漢地鐵6號線鐘琴區間場區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問題進行分析與評價,對擬建場區的工程地質條件及問題有了清楚的認識。

工程地質問題；地鐵；武漢

1 工程概況

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

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

2 場區工程地質條件

2.1 地形地貌

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

2.2 地層巖性

場區覆蓋層厚度17.3～30.3 m,整體上琴臺高架附近相對較薄,琴臺高架兩側相對較厚。地層主要為近代人工填筑土層、第四系全新統沖積層、第四系中更新統沖洪積層、第四系殘積層。沿線基巖主要為三疊系灰巖、炭質泥巖,二疊系灰巖、灰巖夾泥質灰巖,石炭系泥質灰巖、泥巖、碎裂硅質巖、炭質泥巖,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、兩側低的特征。隧道區間地質縱斷面見圖1。

圖1 隧道區間地質縱斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of geological profile of tunnel1.人工填土;2.黏土、粉質黏土;3.粉質黏土夾粉砂;4.膨脹土;5.紅黏土;6.灰巖;7.泥質灰巖;8.炭質泥巖;9.粉砂質泥巖;10.粉砂巖;11.破碎硅質巖;12.石英砂巖;13.泥巖;14.溶洞。

2.3 地質構造

2.3.1 褶皺

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

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

工程場區位于大橋倒轉向斜的核部及北翼,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,地表斷續出露。軸線呈北西西—近東西向,延伸長達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。產狀均向北傾斜,傾角50°～75°。

2.3.2 斷層

2.3.2.1 近場區斷層概況

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

圖2 構造綱要圖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,據遙感、物探資料分析,為一組規模較大的區域性隱伏斷層。該組斷層走向北東10°～25°,呈逆時針方向扭動,據區域地質資料分析,斷層形成較晚,為燕山晚期產物,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 場區斷裂構造

根據物探、鉆探資料揭示,結合武漢市1∶5萬基巖地質圖,鐘家村站—琴臺站區間發育一條規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,兩側為極破碎炭質泥巖,夾碎裂硅質巖。該斷裂被北東向斷裂錯斷,為非全新世活動斷裂。

2.4 水文地質條件

2.4.1 地表水

場區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。場區總體呈中部高,兩側低,地表水從琴臺立交橋向兩側流動。

2.4.2 地下水

根據含水介質和地下水的賦存狀況,可將場區內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性差,無統一的自由水面,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向補給,并進行側向排泄。10-2層粉質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層穩定水位埋深4.1 m,相應高程為19.24 m;11-1層穩定水位埋深6.2 m,對應高程為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巖中,根據鉆探資料,場區溶洞主要分布在工作井及工作井往鐘家村站盾構通過區段,揭示溶洞大小在0.40～2.50 m,鉆進過程中漏漿嚴重,有掉鉆現象,勘察期間鉆孔穩定水位埋深在3.10～5.20 m之間。

2.4.2.4 基巖裂隙水

主要賦存于強—中等風化基巖裂隙及構造破碎帶中,強—中等風化基巖裂隙水總體來說水量貧乏,對隧道工程影響較小。構造破碎帶節理裂隙發育,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現象[3]

2.5.1 特殊性巖土

本區段存在的特殊性巖土主要有人工填土、膨脹土、紅黏土及強風化巖。

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

(2) 膨脹土:場區大范圍分布有黏土(10-1)、粉質黏土(10-1a)層、黏土(10-1b)及黏土夾碎石(10-2)。試驗結果表明,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《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB 50307—2012)第12.5節,黏土(10-1)膨脹潛勢分類屬弱—中；粉質黏土(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度將急劇降低。

(3) 紅黏土:場區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,土層暴露后期強度會迅速降低。試驗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《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(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,在天然狀態下膨脹量小,收縮性高；其膨脹潛勢主要表現在失水收縮后復浸水的過程中,一部分可表現出縮后膨脹,另一部分則無此現象。

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

2.5.2 不良地質作用

巖溶:場區琴臺立交以南段分布有可溶性二疊系、三疊系及石炭系灰巖,根據鉆探情況,工作井段巖溶較發育,灰巖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%。場區巖溶按埋藏條件分類屬淺覆蓋型巖溶,巖溶發育程度級別為中等發育。溶洞呈半充填狀,充填物為流塑—軟塑狀黏性土混碎石,鉆進時漏漿嚴重。經現場踏勘,巖溶發育段附近未發現地面塌陷現象。

3 工程地質問題評價

3.1 斷層破碎帶

在琴臺高架附近存在構造破碎帶,該區段隧道從極破碎炭質泥巖及碎裂硅質巖中穿過,由于巖體破碎,圍巖強度大,而且軟硬不均勻,穩定性差,地下水比較豐富,盾構通過時可能發生涌水；破碎地段的巖塊較大,易堵塞螺旋輸送機；斷裂帶碎裂硅質巖巖塊強度大,要求盾構破巖能力強等問題,設計施工時需采取相應措施解決其不利影響。

3.2 巖溶

通過本次勘察,發現豎井附近巖溶發育,盾構施工時,一旦揭穿溶洞可能發生盾構機栽頭、陷落、突水、突泥等事故,對盾構施工影響較大。

區間隧道部分段位于覆蓋層中,部分段隧道下部位于中等風化、微風化灰巖及溶洞中,可考慮適當抬高隧道底板埋深,將隧道底板全部埋置于第四系覆蓋層,避開灰巖中的溶洞。

由于地鐵4號線鐘(家村)五(里新村)區間和6號線鐘(家村)工(作井)區間交叉,6號線右線無法避開灰巖分布地段,盾構施工進入灰巖段,在安裝環片時,盾構機前方發生突水,施工單位調整盾構機刀盤與掌子面壓力到0.6 MPa時,將突水止住。

若不能避開巖溶發育區,宜對巖溶發育區段進行施工勘察,以查清巖溶區的詳細地質情況[4],根據勘察結果調整施工方案,以規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,在反復膨脹收縮的過程中,能產生較高的膨脹力。盾構機在膨脹系數較大的巖土層中掘進,一來很容易被遇水膨脹的土層“裹死”,導致姿態難以控制,輕則影響隧道成型質量,重則可能造成線路偏差超限；二來掘進過程中,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壁上形成附著的泥餅,堅硬的泥餅將會把刀盤開口堵塞,嚴重降低盾構機掘進能力。刀盤泥餅與土倉中隔板的長時間摩擦會導致中隔板等位置的溫度快速升高,從而引起回轉中心橡膠密封件性能的下降,威脅盾構施工的安全。

在設計施工時可考慮采用適當擴大開挖直徑,以解決盾體“裹死”現象；通過添加陽離子型添加劑,改變盾構機設計、選型、掘進參數等措施消除盾構過程的刀盤泥餅[5]。

3.4 上軟下硬地層

場區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化、微風化灰巖,因而掘進過程將面臨上軟下硬地層,在這種地層掘進可能發生盾構機抬頭、偏移或被卡住、蛇行推進,注漿不及時易產生隧道管片破損以及盾構機損壞等許多難以預料的問題[6],施工設計時應引起重視。

3.5 突水、涌砂及管涌

靠近琴臺站附近存在3-5層粉質黏土夾粉砂,該層為承壓含水層的過渡層,呈“千層餅”狀,易發生涌砂、管涌破壞,設計及施工時應引起重視。聯絡通道附近存在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黏土,因此11-1層含水量有限,發生突水事故的可能性較小。

4 周邊環境分析與評價

場區位于武漢市鐘家村商業中心,建(構)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(商業中心)最近距離約11 m,工程建設時需嚴格控制變形、地面環境衛生、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 結語

武漢地鐵6號線鐘琴區間地質條件復雜,擬建區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問題,通過分析和評價,對擬建場區的工程地質條件及工程地質問題有了清楚的認識,為工程設計及施工提供了地質依據,也可作為同類工程的參考。

[1] 湖北省區域地質礦產調查所.武漢市基巖地質圖(1∶50 000)[R].武漢:湖北省區域地質礦產調查所,1988.

[2] 李智毅,楊裕云.工程地質學概論[M].武漢:中國地質大學出版社,1994.

[3] 常士驃,張蘇民.工程地質手冊[M].第四版.北京:中國建筑工業出版社,2007.

[4] 衛曉波.盾構隧道區間溶土洞處理技術[J].山西建筑,2010(18):341-343.

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

[6] 王恒.上軟下硬復合地層盾構施工掘進參數研究[D].合肥:安徽建筑工業學院,2012.

(責任編輯：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,地質工程專業,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

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1333.004.html 數字出版日期:2015-06-19 13:33