杭州地鐵盾構隧道的地層組合結構及主要巖土工程問題

卜令方,汪明元,金忠良

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122；2.浙江華東建設工程有限公司,浙江 杭州 310014)

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杭州地鐵盾構隧道的地層組合結構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計研究院有限公司,浙江 杭州 311122；2.浙江華東建設工程有限公司,浙江 杭州 310014)

杭州地鐵隧道采用土壓平衡盾構法施工,沿線地質條件變化較大,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,結合盾構施工工藝,按橫斷面的地層組合將盾構隧道歸納為14類,涵蓋了杭州地鐵隧道可能穿越的所有地層組合類型。針對各地層組合結構,對盾構隧道在施工期和運營期可能遇到的主要巖土工程問題進行了分析。通過分類能夠對杭州地鐵盾構隧道的地質條件和巖土工程問題有系統性的認識,而且這些地層組合結構類型還可作為今后杭州地鐵工程地質信息化工作中數字化建模的基礎。

杭州地鐵；盾構隧道；地層組合結構；巖土工程問題；地質信息化

近年來,杭州市軌道交通工程發展迅速。初期規劃13條線路,總長375.6 km,自2007年開工建設以來,目前已開通82 km。遠期規劃有12條城際鐵路連接周邊城市,已進入建設階段的有杭州至富陽、臨安的杭富線和杭臨線。除局部區間為高架或地面線外,大部分地鐵線路均位于地下,區間隧道采用土壓平衡盾構法施工。

杭州地質條件復雜,地鐵隧道主要穿越粉土、粉砂、淤泥質土、黏性土等工程地質層,部分區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,共同導致各區段隧道穿越的地層不同。橫斷面地層組合結構的不同從根本上決定了盾構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隧道進行分類。然后結合各地層組合結構的特點,對盾構隧道在施工期和運營期的潛在巖土工程問題進行了分析。

1 基本地質條件

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。市郊區主要為平原地貌,海拔約3～8 m(1985國家高程基準),僅局部有基巖出露。總體而言,本區域構造活動微弱,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 工程地質條件

注：A: 沖湖積平原區；B: 沖海積平原區。圖1 杭州城區地形地貌

1.3 水文地質條件

杭州市區地表水系發達,主要河流有錢塘江、京杭運河、備塘河、余杭塘河等。

2 地層組合結構及巖土工程問題

杭州地鐵隧道采用土壓平衡盾構法施工。土壓平衡盾構施工的基本原理是,通過刀盤旋轉切削土體,切削下來的土體通過刀盤開口進入土艙,在土艙中建立土壓以平衡掘進面前方的土、水壓力,通過螺旋機將土艙中的土體排出,每頂進一環即進行管片拼裝及在盾尾的空隙中注漿。土壓平衡盾構能夠實現全機械化作業,并可減少甚至避免對地面的影響,因此獲得了廣泛應用。

各工程地質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,共同導致各區段隧道穿越的地層組合不同。當掘進面土性不同時,盾構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,按穿越的地層組合結構的不同將盾構隧道分為14種類型。下面依序對各地層組合結構類型及相應的巖土工程問題進行介紹。

Ⅰ型地層組合結構的特征是盾構隧道的全斷面都是③粉土、粉砂層(圖2),是沖海積平原區地鐵隧道最常見的類型。盾構施工中應注意的主要巖土工程問題有：1)粉土、粉砂層透水性好,易產生管涌或流砂,在排土口出現噴涌現象,盾尾易發生漏水、漏砂等情況；2)粉土、粉砂層自穩能力差,沉降反應迅速,若土艙支護壓力設置不當或盾尾注漿不及時,土體易坍塌,甚至導致地表塌陷；3)掘進面粉土、粉砂層可能包含幾個密實度不同的亞層,若千斤頂推力設置不當,易造成較松散的土層排土過多,產生盾構方向失控；4)盾構施工振動可能會引起砂土液化問題。在地鐵運營期應注意的主要巖土工程問題有:1)若發生管片滲水、漏砂,易加劇隧道變形；2)抽降地下潛水易導致隧道產生附加沉降；3)當隧道下臥土層的密實度不同時,將產生縱向不均勻沉降。

圖2 Ⅰ型地層組合結構

Ⅱ型地層組合結構的特征是盾構隧道的全斷面都是淤泥、淤泥質土等軟土層(圖3),主要地層組合有④、⑥、④⑥,局部區段為⑧、⑥⑧。隧道斷面土層的狀態以流塑為主,局部軟塑。Ⅱ型地層組合結構在沖海積平原區和沖湖積平原區均較常見。盾構施工中應注意的主要巖土工程問題有：1)軟土層透水性差,易產生超孔隙水壓力,管片受浮力大；2)軟土具有高靈敏度、觸變性和流動性,自穩能力差,在盾構掘進作用下易發生頂板坍塌及掘進面失穩；3)軟土黏性大,溫度過高時可能在刀盤中心和土艙中結“泥餅”,產生堵艙現象,影響掘進。在地鐵運營期應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變形,隧道沉降量較大且達到穩定狀態所需時間很長。

圖3 Ⅱ型地層組合結構

Ⅲ型地層組合結構的特征是盾構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有軟可塑、硬可塑和硬塑。Ⅲ型地層組合結構僅見于沖湖積平原區。盾構施工中應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“泥餅”,產生堵艙現象,影響掘進；2)盾構掘進時硬土層易黏著盾構機外殼產生“背土”現象,使盾構機外殼與土體空隙加大,增加了注漿量；3)當掘進面各土層軟硬程度不同時,若千斤頂推力設置不當,易造成較軟的土層排土過多,產生盾構方向失控。在地鐵運營期應注意的主要巖土工程問題是當隧道下臥土層的壓縮性不同時,將產生縱向不均勻沉降。

圖4 Ⅲ型地層組合結構

Ⅳ～Ⅶ型地層組合結構的特征是盾構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,局部區段為③+基巖全風化形成的黏性土。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型地層組合結構在沖海積平原區較常見。盾構施工中應注意的主要巖土工程問題有：1)粉土、粉砂層(I型)應注意的問題；2)軟土層(Ⅱ型)和(或)硬土層(Ⅲ型)應注意的問題；3)掘進面各土層的軟硬程度不同,若千斤頂推力設置不當,易造成較軟層排土過多,產生盾構方向失控。在地鐵運營期應注意的巖土工程問題是,當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變形,隧道沉降量較大且達到穩定狀態所需時間很長。

圖5 Ⅳ～Ⅶ型地層組合結構

Ⅷ～Ⅺ型地層組合結構的特征是盾構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型地層組合結構在沖海積平原區和沖湖積平原區都較常見。盾構施工中應注意的主要巖土工程問題有：1)軟土層(Ⅱ型)應注意的問題；2)硬土層(Ⅲ型)應注意的問題；3)掘進面各土層的軟硬程度不同,若千斤頂推力設置不當,易造成較軟層排土過多,產生盾構方向失控。在地鐵運營期應注意的主要巖土工程問題是,當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變形,隧道沉降量較大且達到穩定狀態所需時間很長。

圖6 Ⅷ～Ⅺ型地層組合結構

圖7 Ⅻ型地層組合結構

圖8 型地層組合結構

圖9 型地層組合結構

3 討 論

上述14類地層組合結構涵蓋了杭州地鐵盾構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者對盾構隧道的地質條件和巖土工程問題有系統性的認識。這些地層組合結構類型今后可用于杭州地鐵工程的勘察、設計、施工和杭州地鐵工程地質信息化工作中。

目前，杭州地鐵工程勘察已基本實現地層編號的標準化,今后在杭州地鐵工程的勘察、設計和施工方面,可采用本文的地層組合結構分類對盾構隧道穿越的地質條件進行標準化。在勘察階段可根據上述地層組合結構類型對盾構隧道沿里程方向進行分段,這樣，設計人員和施工人員可依據各段的地層組合結構類型抓住主要矛盾,并采取相應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,沿線地質條件通常變化較大,而不同的地質條件下潛在的巖土工程問題也不同。數字化技術能夠使隱蔽的地下空間所處的地質環境透明化,可用于輔助工程分析與決策,保證工程建設與運營過程的可控化[6]。目前上海市已建立“上海軌道交通地質信息管理與分析系統”,即通過對沿線的地層資料整理和統一后,按不同的工程地質結構類型對沿線進行工程地質分區,對各區可能出現的巖土工程風險問題進行梳理,便于管理部門使用[4]。本文的地層組合結構可用于對地鐵線路進行分區分段,作為今后杭州地鐵工程地質信息化工作中的基本數字化模型。

需要說明的是,本文的地層組合結構類型僅考慮了隧道斷面的地層組合,未考慮盾構隧道與周邊建構筑物的相互影響,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]。在具體應用時,若存在這些特殊情況,可進一步對各段隧道的地層組合結構類型劃分亞類。

4 結 語

1)通過對杭州地鐵隧道勘察資料和施工資料的分析,將盾構隧道穿越的地層劃分為14種地層組合結構,涵蓋了杭州地鐵隧道可能穿越的所有地層組合類型。并對各地層組合結構情況下盾構隧道在施工期和運營期的主要巖土工程問題進行了分析。通過分類能夠使杭州地鐵工程的建設者對盾構隧道的地質條件和巖土工程問題有系統性的認識。

2)本文的地層組合結構可用于對地鐵線路進行分區分段,使得設計、施工人員能夠根據各區段的地層組合結構類型明確要考慮的主要巖土工程問題。

3)本文的地層組合結構可作為今后杭州地鐵工程地質信息化工作中的基本數字化模型。

[1] 王松平,陳勇華.杭州地鐵1號線地質條件及主要巖土工程問題[J].浙江建筑,2010,27(2): 12-15．

[2] 葉向前,田春凌.杭州地鐵區間盾構施工地質風險源分析[J].城市勘測,2012(2):173-176．

[3] 金興平,楊迎曉,李輝煌.杭州地鐵1#線巖土工程問題探討[J].巖石力學與工程學報,2005,24(增刊2): 5680-5685．

[4] 朱建綱. 軌道交通工程勘察設計風險控制指南[M].北京：中國建筑工業出版社,2014．

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

[6] 李曉軍,朱合華,鄭路.盾構隧道數字化研究與應用[J].巖土工程學報,2009,31(9): 1456-1461．

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計工作。

P64；U231

B

1008-3707(2016)12-0016-05