斷裂對廣州地鐵工程施工的影響及勘察對策

斷裂對廣州地鐵工程施工的影響及勘察對策

摘要:論述了斷裂對地鐵工程施工的影響,針對工程設(shè)計和施工需要,提出了斷裂勘察對策和工程措施建議。關(guān)鍵詞:斷裂;地鐵;施工;勘察對策

廣州地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,地層種類多,構(gòu)造斷裂相當(dāng)發(fā)育,素有“地質(zhì)博物館”之稱。地鐵工程施工中經(jīng)常遇到斷裂破碎帶,給施工帶來不利影響。如何將斷裂對施工的影響減少到最小,是值得考慮的問題,為此,應(yīng)查明線路部位斷裂帶的主要特征及其對工程的影響,為工程設(shè)計和施工提供地質(zhì)依據(jù)。1斷裂對地鐵工程施工的影響

廣州地鐵施工過程中,很多線路都碰到斷裂破碎帶,大部分施工受阻,造成工程投資增加、工期拖延、危及安全。斷裂帶來的主要不良影響和危害有以下幾個方面:

(1)基坑周邊地面下沉,房屋開裂。二號線越秀公園站,基坑圍護(hù)方案采用止水帷幕止水、人工挖孔樁圍護(hù)加鋼管內(nèi)支撐方案。在北基坑施工中遇廣從斷裂富水段,由于持續(xù)降水排水量很大,使上覆土層疏干壓密和花崗巖風(fēng)化土管涌流失,造成圍護(hù)樁身前傾,基坑周邊地面下沉,房屋開裂,老體育館(最大沉降量達(dá)60cm以上)不得不廢棄使用。

(2)盾構(gòu)機(jī)刀具磨損破壞嚴(yán)重,施工進(jìn)度慢。三號線大漢區(qū)間曾經(jīng)遇到225m寬的張扭性富水?dāng)嗔褞?禮村斷裂),斷裂發(fā)育于紅層和混合巖接觸部位。洞身巖層整體性、均一性極差,硅化角礫巖單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到67～156MPa。盾構(gòu)機(jī)在其間掘進(jìn)時滾刀偏磨嚴(yán)重,甚至出現(xiàn)刮刀因其固定螺栓斷裂而脫落的現(xiàn)象,使得施工中被迫停機(jī),并從地面對前方土體進(jìn)行了加固處理,以穩(wěn)定開挖面進(jìn)而開倉和更換刀具[1]。

(3)施工隧道頂板多次冒落,事故處理工作量大。三號線洛大區(qū)間,盾構(gòu)法施工過程中,段長10m內(nèi)先后塌方兩次,范圍達(dá)約8m×8m(130m3砼)和11m×5m(150m3粘土),并引起江堤坍塌。對塌方區(qū)進(jìn)行了回填和加固處理,含停機(jī)疏通盾構(gòu)機(jī)管路共歷時20天。分析事故原因,主要是由東西向河村斷層的支斷裂和堤岸拋石以及地層間隙引起的卸壓與泥水管路堵塞引起的[2]。

(4)發(fā)生涌水突水事件甚至造成基坑淹沒。二號線紀(jì)念堂站50m暗挖區(qū)間,采用管棚支護(hù),由于清泉街?jǐn)嗔押褪阕佣位規(guī)r并存,施工中發(fā)生突水事件,突水點水量達(dá)10m3/h以上,隧道總涌水量達(dá)600m3/d以上,再加上預(yù)防措施不足,造成了基坑淹沒以及地表部分地段塌陷。

(5)灰?guī)r區(qū)巖石破碎、巖溶發(fā)育,高架段成樁困難。五號線滘大(高架)區(qū)間,場地基巖主要為壺天群灰?guī)r,因伴斷裂發(fā)育,巖溶很發(fā)育,地下水豐富,對地鐵施工造成了很大影響。沖孔成樁過程常有偏錘、偏樁、漏漿現(xiàn)象,其中某根樁施工耗時一年多。2勘察對策

斷裂發(fā)育總體上是有規(guī)律的,但在各地段表現(xiàn)出的工程特征卻不盡相同,有時區(qū)別很大。應(yīng)根據(jù)區(qū)域調(diào)查成果去推測,并運(yùn)用物探和工程勘察等手段來查明,結(jié)合施工地質(zhì)資料去印證。2.1勘察工作內(nèi)容、對象及實施方案2.1.1勘察工作內(nèi)容和對象

從以上分析可知,斷裂的不利影響主要有三種:一是斷裂破壞了巖體的完整性,膠結(jié)不良的破碎帶自穩(wěn)能力差,在工程施工產(chǎn)生臨空面時坍塌;二是因裂隙發(fā)育加劇了可溶巖的溶洞發(fā)育,給成樁造成困難;三是因存在儲水空隙,在一定條件下形成導(dǎo)水通道和富水帶(段),造成施工排水困難,而過度排水還導(dǎo)致周邊土體下沉,危及周邊建筑安全。

針對地鐵工程設(shè)計與施工需要,勘察工作內(nèi)容的重點應(yīng)為:查明和確定斷層;斷層面的產(chǎn)狀確定和性質(zhì)判斷;斷裂帶規(guī)模、帶內(nèi)巖石破碎程度和膠結(jié)情況;斷裂(線路地段)富水程度;斷層兩盤相對運(yùn)動和斷距的確定等。

廣州地區(qū)地鐵線網(wǎng)內(nèi)主要斷裂分布有NE向廣從斷裂,近EW向瘦狗嶺斷裂、清泉街?jǐn)嗔押蛷V三斷裂,NW向禮村斷裂、文沖斷裂等;這些較大斷裂成為最主要的勘察對象。隨著線網(wǎng)的擴(kuò)展,今后也應(yīng)關(guān)注外圍的NW向白坭—沙灣斷裂、NE向河源—東莞斷裂等。明確勘察對象,首先應(yīng)收集區(qū)域資料和前期勘察成果,并認(rèn)真分析,專題勘察才能做到有的放失、疏而不漏。2.1.2勘察方法、實施步驟

斷層勘察方法主要有測繪、鉆探、探槽(硐探)和物探方法。由于廣州地鐵線網(wǎng)內(nèi)斷層出露不多,地鐵工程勘察中野外觀測應(yīng)用較少;物探方法較多應(yīng)用于前期的線路(網(wǎng))規(guī)劃工作。這里結(jié)合清泉街?jǐn)嗔选V三斷裂和廣從斷裂勘察等三個實例進(jìn)行說明。

(1)確定勘察實施方案。具體以廣從斷裂專題勘察為例簡介方案如下:

方案以巖土工程勘察為主,活動性評價為輔;采用勘探、抽水試驗、巖礦鑒定和取樣做巖土熱釋光試驗等多種方法,主要查明斷裂(線路部位)位置、產(chǎn)狀、規(guī)模、主斷裂面特征和富水程度。

布孔原則:于初步推斷斷裂位置布置垂直斷裂走向的若干條勘探線,組成網(wǎng)格布孔方式(切忌平鋪)。首先在線路旁側(cè)布孔一排,以結(jié)合線路工點詳勘工作;其次在兩側(cè)布兩排孔進(jìn)行追索,以詳細(xì)查明斷裂帶的主要特征?；谌c確定一個面的原理,每個斷裂面應(yīng)有三個鉆孔揭露,才能查明產(chǎn)狀。設(shè)計鉆孔詳見鉆孔平面圖(圖1)。

此外,抽水試驗宜布置多孔抽水,但限于工程費(fèi)用和工期,一般僅于每個斷裂破碎帶布設(shè)一個(GC-16)。抽水試驗進(jìn)水段應(yīng)據(jù)鉆孔簡易水文地質(zhì)觀測資料、鉆孔巖芯斷裂破碎帶和上、下盤圍巖破碎段來綜合確定。

(2)勘探實施和過程控制。由于布孔時斷裂位置是推測的,因此應(yīng)據(jù)現(xiàn)場最新揭露到的地質(zhì)情況,對孔位、孔深以及鉆孔數(shù)量進(jìn)行調(diào)整,以達(dá)到投入最少工作量又能完成勘察任務(wù)的目的。簡潔地說,就是采用了方案指導(dǎo),現(xiàn)場調(diào)整的原則(包括孔數(shù)、孔位和孔深的調(diào)整);鉆探按先內(nèi)排(近線路)后外排的順序。過程控制還包括提高鉆孔巖芯采取率,可通過控制回次進(jìn)尺和采用雙重、多重巖芯管等措施來解決。廣從斷裂勘察主要鉆孔的施工順序為GC—13、16、14、18、15。通過現(xiàn)場勘察、多方討論審查,本次勘察鉆探孔、抽水孔布置合理,勘探有序,取樣及時,成果明顯。

(3)應(yīng)用多種方法手段確定斷層。斷層的識別可通過地貌、構(gòu)造、地層標(biāo)志和巖漿活動與礦化作用以及巖相與厚度的急變等方法。通過區(qū)域地質(zhì)和前期資料初推斷裂位置后,在專題勘察中,一般通過鉆探來揭示這些斷層活動的特征。當(dāng)任何線狀或面狀地質(zhì)體,如地層、巖脈、片理或相帶等沿走向突然中斷或被錯移,則直接標(biāo)志著斷層的存在;而斷層活動引起的構(gòu)造強(qiáng)化,如構(gòu)造透鏡體、擠壓破碎現(xiàn)象和各種擦痕,也是識別的重要依據(jù),如廣三斷裂勘察,從地質(zhì)平面圖和剖面圖看到K2S1含礫砂巖層分布的中斷,且發(fā)現(xiàn)破碎帶內(nèi)鉆孔巖芯見來自兩種不同巖層角礫的相互交錯以及兩期次不同顏色的英安斑巖呈脈狀并存等現(xiàn)象,找到了斷裂發(fā)育的明顯證據(jù)。當(dāng)巖相變異或礦化作用不顯著時,光靠常規(guī)手段無法正確清晰判別,則應(yīng)采樣進(jìn)行巖礦鑒定,如廣從斷裂勘察GC—2號孔,在現(xiàn)場無法判斷關(guān)鍵巖段歸類于淺變質(zhì)巖還是混合巖,經(jīng)巖礦鑒定成果為T3X泥巖和Z石英巖、片巖,從而推斷出廣從斷裂的斷裂面位置;GC—18號孔取樣作巖礦鑒定,判斷巖芯屬于動力變質(zhì)作用引起的,從而有效輔助推斷出廣從斷裂的主斷裂面位置(見圖2)。

斷層位置確定后,其規(guī)模、產(chǎn)狀以及破碎膠結(jié)等特征就可迎刃而解。

(4)斷裂破碎含水帶抽水試驗成果分析。由于破碎帶(含上、下盤破碎圍巖)介質(zhì)不均,且基坑施工一般為分段開挖、襯砌,故其滲透系數(shù)的提供和涌水量的預(yù)測在評價勘察范圍地下水富水程度時是非常重要的。開挖遇斷裂或溶洞時,地下水往往呈集中涌出(即突水現(xiàn)象)。

從目前地質(zhì)勘察和土建施工資料(具體見表1)可知,斷裂破碎帶的導(dǎo)水性不僅取決于自身的力學(xué)性質(zhì),還受圍巖性質(zhì)控制,如雖均具張性特征,可透水、富水部位多見于圍巖為脆性巖或兩種軟硬巖交界處,尤其多見于灰?guī)r區(qū);也可以看出勘察成果和土建施工所揭示情況基本一致,如清泉街?jǐn)嗔鸦佑克款A(yù)測也是較合理可靠的。此外廣從斷裂同永區(qū)間段局部地段可能富水,今后工程設(shè)計與施工中應(yīng)注意防范。2.2勘察成果有效性

通過斷裂專題勘察,采用資料收集,鉆探、抽水試驗、巖礦鑒定以及一些物探手段,能查清斷裂的主要特征和富水程度以及補(bǔ)給情況,能查明地表水、第四系沖積～洪積砂層孔隙潛水與斷裂破碎含水帶的水力聯(lián)系密切程度,能滿足土建施工和設(shè)計工作的要求。地鐵工程斷裂勘察實例也較多,事實證明勘察成果在一定程度上較好地指導(dǎo)了土建設(shè)計與施工。3.勘察報告的應(yīng)用和工程措施建議

勘察成果是經(jīng)過一整套科學(xué)的程序,執(zhí)行國家、地方和有關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),通過全體勘察人員的努力得到的智慧結(jié)晶,成果有效可靠。工程設(shè)計與施工中,應(yīng)充分研讀勘察報告,并作為設(shè)計與施工的基礎(chǔ);采取有效的支護(hù)和止排水措施,避免或減少斷裂對工程施工造成的不利影響。

車站應(yīng)盡量避開斷層,否則應(yīng)采取結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防措施。高架段應(yīng)調(diào)整步跨,墩位盡量避開斷層破碎帶,無法避開的,要采取必要的工程結(jié)構(gòu)防范措施。

斷層通常由幾條斷裂面構(gòu)成,因此除對地質(zhì)報告中述及的斷層破碎帶發(fā)育部位著重制定施工預(yù)案,還應(yīng)考慮整個斷裂帶的可能范圍,并及時支護(hù)、超前支護(hù)。明挖基坑圍護(hù)可采用排樁(加止水措施)或連續(xù)墻加內(nèi)支撐方案;暗挖隧道常借助地層注漿、管棚等加固措施進(jìn)行初砌支護(hù)。若采用盾構(gòu)法施工,還應(yīng)查閱地質(zhì)報告中帶內(nèi)巖石抗壓強(qiáng)度極值和地層軟硬不均情況等內(nèi)容,以便指導(dǎo)施工;施工中應(yīng)常查刀具磨損情況以便及時更換,另外從地面或盾構(gòu)機(jī)內(nèi)對前方破碎地層進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸淌潜匾?。此外對于高架段沖孔成樁施工中應(yīng)控制偏錘、漏漿、偏樁,可扔泥球或加片石甚至采用鋼護(hù)筒支護(hù)等措施。

工程降水方案應(yīng)堅持堵排結(jié)合的原則,并重視圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水對工程防水的效果。這里強(qiáng)調(diào)三點:

(

1)應(yīng)充分考慮殘積土和全、強(qiáng)風(fēng)化層的特殊性,其遇水易崩解、管涌。越秀公園站圍護(hù)樁施工,就出現(xiàn)管涌流砂、排水不斷增加的情況,無法在人工挖孔樁內(nèi)明排,只能采取外圍深孔注漿止水。

(2)不應(yīng)過度排水,否則會引起周邊土體下沉,危及周邊建筑安全。紀(jì)念堂站50m區(qū)間工中,發(fā)現(xiàn)地表塌陷問題后,除加密長管棚和徑向?qū)Ч茏{外,不得不采取回灌地下水的措施。

(3)富水?dāng)鄬幼钔怀龅牡刭|(zhì)特點是巖石破碎且硬度、強(qiáng)度高,地下水豐富,補(bǔ)給異常迅速。在這類地層中,盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)出口容易出現(xiàn)噴涌,除備足排水能力外,應(yīng)對斷層破碎帶進(jìn)行加固和止水。此外在暗挖隧道,也應(yīng)注意地下水的逕流對洞身結(jié)構(gòu)水泥漿體的沖刷破壞作用,以保障洞身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

在工程施工中,應(yīng)對周邊建筑物、地下水位進(jìn)行系統(tǒng)的定期監(jiān)測,實行全過程監(jiān)控。

由于斷裂發(fā)育的復(fù)雜性、勘察鉆孔密度和孔位選擇所限,造成地質(zhì)報告有一定局限性,因此要邊施工邊進(jìn)行必要觀察,及時發(fā)現(xiàn)問題,及時采取防范措施,必要時進(jìn)行補(bǔ)勘工作。4結(jié)論

廣州地鐵斷裂勘察手段方法應(yīng)用較