洛陽地鐵建設(shè)工程地質(zhì)研究

孟大勇 惠寒斌 吳向濤

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

洛陽市為十三朝古都、牡丹之城，是全國重要的旅游、文化、科技和工業(yè)城市。為緩解城市交通壓力和改善交通條件，有力支撐洛陽的城市發(fā)展格局，2016年洛陽地鐵一期建設(shè)規(guī)劃獲國務(wù)院批準(zhǔn)建設(shè)，成為我國中西部地區(qū)第一個獲批建設(shè)的非省會城市。規(guī)劃由4條線路組成，線路總長105.4 km，車站數(shù)量63座，其中換乘站8座。地下線路區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，地下車站采用明挖法施工，結(jié)構(gòu)底板埋深15 m～25 m。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

洛陽市所處的大地構(gòu)造單元為中朝準(zhǔn)地臺的西南部，二級構(gòu)造單元為華熊臺緣凹陷，三級構(gòu)造單元為澠池確山陷褶斷束。在構(gòu)造體系上屬于昆侖—秦嶺緯向構(gòu)造帶和新華夏系的華北沉降帶、太行山隆起帶的交接復(fù)合、聯(lián)合部位的一部分。基底構(gòu)造以緊密褶皺為主，巖層遭受區(qū)域變質(zhì)作用和混合巖化作用。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，規(guī)模較大，縱橫交錯，尤以中新生代的斷裂活動最強(qiáng)。豫西地臺(華北地臺之西南隅之稱)和秦嶺地槽褶皺區(qū)(又稱黃河地塹，昆侖—秦嶺地槽東延部分)是地質(zhì)主要構(gòu)造體系。工程區(qū)附近發(fā)育數(shù)條規(guī)模較大斷裂，但均為全新世非活動斷裂，對工程影響不大。

根據(jù)GB 18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，洛陽地鐵Ⅱ類場地地震動峰值加速度為0.10g，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，屬地震烈度7度區(qū)。

3 工程地質(zhì)條件

洛陽地鐵線路均位于洛陽城區(qū)，北部為邙山丘陵，中間為伊洛河河谷，南部為龍門山、萬安山山丘。地鐵沿線地貌單元自北向南主要為黃土丘陵、洛河Ⅱ級階地、洛河河床及漫灘、伊洛河Ⅰ級階地及洪流平地。其地層巖性較復(fù)雜，地下水變化較大，詳見表1。

表1 地鐵沿線工程地質(zhì)條件

4 主要工程地質(zhì)問題

4.1 黃土濕陷性

洛河Ⅱ級階地、伊洛河Ⅰ級階地、洪流平地分布次生的黃土狀土，黃土針狀孔隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)較疏松，具濕陷性，濕陷等級為輕微，濕陷厚度不超過12 m，位于主體結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高之上，對工程影響不大，但對于附屬建筑物車站進(jìn)出口結(jié)構(gòu)淺埋基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行濕陷性處理。

4.2 車站基坑降水

地鐵工程在洛河Ⅱ級階地及以南各地貌單元的地鐵結(jié)構(gòu)基本處于地下水位以下，一般處于水位以下5 m～15 m，對于明挖基坑工程需采用施工降水，以保證工作面的干燥。

含水層主要為卵石層，滲透系數(shù)100 m/d～150 m/d，屬強(qiáng)透水層，降水深度大(最大約15 m)，建議采用管井進(jìn)行降水。降水施工中，會引起地層壓密(有效應(yīng)力增加)或缺失(卵石填隙物中的砂、黏性土等細(xì)顆粒會同地下水一同抽出)，導(dǎo)致地面及周圍建構(gòu)筑物的沉降和變形，對周邊環(huán)境影響很大，建議采用止水帷幕或回灌措施，減少對周邊環(huán)境的影響，同時降水井設(shè)計(jì)和施工應(yīng)滿足規(guī)范要求。

4.3 車站基坑穩(wěn)定性

地鐵工程沿線基坑地層主要為黃土丘陵的粉質(zhì)黏土、洛河 Ⅱ 級階地的黃土狀土和伊洛河河床、 Ⅰ 級階地的卵石層。

粉質(zhì)黏土工程性質(zhì)較好，但發(fā)育垂直斜交裂隙，裂隙組合易形成楔形體導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。黃土狀土天然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好，但遇水后性質(zhì)變差，邊坡易失穩(wěn)。卵石層因其粘聚力幾乎為零，極易造成邊坡失穩(wěn)或坍塌。地鐵車站基坑開挖深度大(約20 m)，基坑地層穩(wěn)定性差，建議采用圍護(hù)樁進(jìn)行支護(hù)，并進(jìn)行內(nèi)支撐。圍護(hù)樁在施工過程中，由于卵石地層粒徑大、滲透性強(qiáng)、孔隙大且聯(lián)通、原巖強(qiáng)度高等特點(diǎn)，容易造成圍護(hù)樁施工時，泥漿滲漏嚴(yán)重甚至塌孔，樁身偏斜，鉆頭磨損大等問題，應(yīng)對泥漿參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，選擇適宜的鉆頭和工藝。

4.4 盾構(gòu)掘進(jìn)卵石地層刀盤卡死、掘進(jìn)困難

地鐵工程在洛河Ⅱ級階地及以南各地貌單元均穿過厚度較大的卵石層。卵石地層有兩個特點(diǎn)：1)卵石巖性主要為安山巖、玄武巖等硬質(zhì)巖，抗壓強(qiáng)度70 MPa～150 MPa，屬堅(jiān)硬巖；2)含少量大粒徑(最大500 mm～600 mm)的漂石。由于卵石地層含大粒徑漂石，盾構(gòu)掘進(jìn)中容易造成大粒徑漂石難以有效破碎，會隨刀盤一起轉(zhuǎn)動造成卡死的現(xiàn)象。同時，卵石強(qiáng)度高，刀盤、刀具與螺旋輸送機(jī)磨損嚴(yán)重，存在掘進(jìn)效率低下等問題。

建議改進(jìn)盾構(gòu)設(shè)備構(gòu)造，比如對刀盤進(jìn)行加寬并加入耐磨合金，提高刀盤的耐磨度，讓大粒徑漂石在刀盤處盡可能地被切削；刀具采用滾刀配置，降低刀具在切削過程中與卵石碰撞導(dǎo)致的崩齒、掉刀風(fēng)險等等。

4.5 盾構(gòu)掘進(jìn)卵石地層穩(wěn)定性

卵石地層呈單粒結(jié)構(gòu)，黏聚力幾乎為零，是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層。在有側(cè)限的條件下，強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好。但當(dāng)有臨空面時，極易發(fā)生坍塌變形，造成周圍松散地層擾動和地層變形。另外，卵石中存在大粒徑漂石，容易在螺旋輸送機(jī)中卡住導(dǎo)致出土不暢，為了將漂石排出就需要加大螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而出現(xiàn)過量出土引起的掘進(jìn)面地層超挖而失穩(wěn)。當(dāng)隧道開挖面上方卵石塌落時，就會引起上覆地層的突然沉陷塌方。當(dāng)圍巖中的卵漂石越多、粒徑越大時，擾動就越大。

根據(jù)線路地層分布特點(diǎn)，盾構(gòu)掘進(jìn)的地層主要為卵石含漂石，且含豐富的地下水，滲透系數(shù)100 m/d～150 m/d，在穿越洛河及Ⅰ級階地時，由于地表水和地下水位較高，當(dāng)掘進(jìn)過程卵石塌方時，造成大量的水體進(jìn)入隧道引起突水事故，后果不堪設(shè)想。因此，為了提高地層的穩(wěn)定性，建議采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，調(diào)整好適宜的泥漿配合比，確保在盾構(gòu)機(jī)與作業(yè)面之間形成泥漿包裹層，施工時，保持盾構(gòu)掘進(jìn)的連續(xù)性，盡量減少對地層的擾動。

5 結(jié)語

城市軌道交通工程屬線性工程，工程沿線通常會穿過不同的地貌單元，而地貌特征往往控制地層巖性及性質(zhì)、地下水等工程地質(zhì)條件，工程地質(zhì)條件又帶來不同的工程地質(zhì)問題。只有查明工程地質(zhì)特征，結(jié)合工程特點(diǎn)，有的放矢，才能準(zhǔn)確分析工程地質(zhì)問題，為設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的參數(shù)和適宜的建議。