杭州地铁盾构隧道的地层组合结构及主要岩土工程问题

卜令方,汪明元,金忠良

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122；2.浙江华东建设工程有限公司,浙江 杭州 310014)



杭州地铁盾构隧道的地层组合结构及主要岩土工程问题

卜令方1,2,汪明元1,金忠良2

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122；2.浙江华东建设工程有限公司,浙江 杭州 310014)

杭州地铁隧道采用土压平衡盾构法施工,沿线地质条件变化较大,潜在的岩土工程问题也各具特色。通过对杭州地铁隧道勘察资料的分析,结合盾构施工工艺,按横断面的地层组合将盾构隧道归纳为14类,涵盖了杭州地铁隧道可能穿越的所有地层组合类型。针对各地层组合结构,对盾构隧道在施工期和运营期可能遇到的主要岩土工程问题进行了分析。通过分类能够对杭州地铁盾构隧道的地质条件和岩土工程问题有系统性的认识,而且这些地层组合结构类型还可作为今后杭州地铁工程地质信息化工作中数字化建模的基础。

杭州地铁；盾构隧道；地层组合结构；岩土工程问题；地质信息化

近年来,杭州市轨道交通工程发展迅速。初期规划13条线路,总长375.6 km,自2007年开工建设以来,目前已开通82 km。远期规划有12条城际铁路连接周边城市,已进入建设阶段的有杭州至富阳、临安的杭富线和杭临线。除局部区间为高架或地面线外,大部分地铁线路均位于地下,区间隧道采用土压平衡盾构法施工。

杭州地质条件复杂,地铁隧道主要穿越粉土、粉砂、淤泥质土、黏性土等工程地质层,部分区间穿越深部的砂砾石层甚至基岩[1-3]。地铁隧道是地下隐蔽工程,工程地质层的水平向展布和垂直向组合以及线路起伏造成的埋深变化,共同导致各区段隧道穿越的地层不同。横断面地层组合结构的不同从根本上决定了盾构隧道在施工期和运营期面临的岩土工程问题也不同[4]。

本文通过对杭州地铁勘察、施工资料的分析,按横断面的地层组合对盾构隧道进行分类。然后结合各地层组合结构的特点,对盾构隧道在施工期和运营期的潜在岩土工程问题进行了分析。

1 基本地质条件

1.1 概况

杭州位于杭州湾西端,京杭大运河南端,是杭嘉湖平原和浙西丘陵的过渡地带。市郊区主要为平原地貌,海拔约3～8 m(1985国家高程基准),仅局部有基岩出露。总体而言,本区域构造活动微弱,地震震级小。第四系地层从中更新世到全新世均有发育,基岩埋深的高程从-20～-75 m不等,以-40～-55 m居多。

1.2 工程地质条件

注：A: 冲湖积平原区；B: 冲海积平原区。图1 杭州城区地形地貌

1.3 水文地质条件

杭州市区地表水系发达,主要河流有钱塘江、京杭运河、备塘河、余杭塘河等。

2 地层组合结构及岩土工程问题

杭州地铁隧道采用土压平衡盾构法施工。土压平衡盾构施工的基本原理是,通过刀盘旋转切削土体,切削下来的土体通过刀盘开口进入土舱,在土舱中建立土压以平衡掘进面前方的土、水压力,通过螺旋机将土舱中的土体排出,每顶进一环即进行管片拼装及在盾尾的空隙中注浆。土压平衡盾构能够实现全机械化作业,并可减少甚至避免对地面的影响,因此获得了广泛应用。

各工程地质层的水平向展布和垂直向组合以及线路起伏造成的埋深变化,共同导致各区段隧道穿越的地层组合不同。当掘进面土性不同时,盾构隧道在施工期及运营期可能遇到的岩土工程问题也不同。通过对杭州地铁勘察资料及施工资料的分析总结,按穿越的地层组合结构的不同将盾构隧道分为14种类型。下面依序对各地层组合结构类型及相应的岩土工程问题进行介绍。

Ⅰ型地层组合结构的特征是盾构隧道的全断面都是③粉土、粉砂层(图2),是冲海积平原区地铁隧道最常见的类型。盾构施工中应注意的主要岩土工程问题有：1)粉土、粉砂层透水性好,易产生管涌或流砂,在排土口出现喷涌现象,盾尾易发生漏水、漏砂等情况；2)粉土、粉砂层自稳能力差,沉降反应迅速,若土舱支护压力设置不当或盾尾注浆不及时,土体易坍塌,甚至导致地表塌陷；3)掘进面粉土、粉砂层可能包含几个密实度不同的亚层,若千斤顶推力设置不当,易造成较松散的土层排土过多,产生盾构方向失控；4)盾构施工振动可能会引起砂土液化问题。在地铁运营期应注意的主要岩土工程问题有:1)若发生管片渗水、漏砂,易加剧隧道变形；2)抽降地下潜水易导致隧道产生附加沉降；3)当隧道下卧土层的密实度不同时,将产生纵向不均匀沉降。

图2 Ⅰ型地层组合结构

Ⅱ型地层组合结构的特征是盾构隧道的全断面都是淤泥、淤泥质土等软土层(图3),主要地层组合有④、⑥、④⑥,局部区段为⑧、⑥⑧。隧道断面土层的状态以流塑为主,局部软塑。Ⅱ型地层组合结构在冲海积平原区和冲湖积平原区均较常见。盾构施工中应注意的主要岩土工程问题有：1)软土层透水性差,易产生超孔隙水压力,管片受浮力大；2)软土具有高灵敏度、触变性和流动性,自稳能力差,在盾构掘进作用下易发生顶板坍塌及掘进面失稳；3)软土黏性大,温度过高时可能在刀盘中心和土舱中结“泥饼”,产生堵舱现象,影响掘进。在地铁运营期应注意的主要岩土工程问题是,由于软土的高压缩性及次固结变形,隧道沉降量较大且达到稳定状态所需时间很长。

图3 Ⅱ型地层组合结构

Ⅲ型地层组合结构的特征是盾构隧道的全断面都是硬土层(图4),主要地层组合有⑤、⑦、⑤⑦、⑦⑨和⑤⑦⑨,隧道断面土层的塑性状态有软可塑、硬可塑和硬塑。Ⅲ型地层组合结构仅见于冲湖积平原区。盾构施工中应注意的主要岩土工程问题有：1)硬土层黏性大,在刀盘中心和土舱中易结“泥饼”,产生堵舱现象,影响掘进；2)盾构掘进时硬土层易黏着盾构机外壳产生“背土”现象,使盾构机外壳与土体空隙加大,增加了注浆量；3)当掘进面各土层软硬程度不同时,若千斤顶推力设置不当,易造成较软的土层排土过多,产生盾构方向失控。在地铁运营期应注意的主要岩土工程问题是当隧道下卧土层的压缩性不同时,将产生纵向不均匀沉降。

图4 Ⅲ型地层组合结构

Ⅳ～Ⅶ型地层组合结构的特征是盾构隧道断面的最上部为③粉土、粉砂层,下部为软土层和(或)硬土层(图5)。需要说明的是,图中各土层厚度的占比仅用于示意,而非实际情况。Ⅳ型的主要地层组合有③④、③⑥和③④⑥。Ⅴ型的主要地层组合有③⑤、③⑦,局部区段为③+基岩全风化形成的黏性土。Ⅵ型的主要地层组合有③④⑦、③⑥⑦。Ⅶ型的主要地层组合为③⑦⑧。Ⅳ～Ⅶ型地层组合结构在冲海积平原区较常见。盾构施工中应注意的主要岩土工程问题有：1)粉土、粉砂层(I型)应注意的问题；2)软土层(Ⅱ型)和(或)硬土层(Ⅲ型)应注意的问题；3)掘进面各土层的软硬程度不同,若千斤顶推力设置不当,易造成较软层排土过多,产生盾构方向失控。在地铁运营期应注意的岩土工程问题是,当隧道下卧层为软土层时(Ⅳ、Ⅶ型),由于软土的高压缩性及次固结变形,隧道沉降量较大且达到稳定状态所需时间很长。

图5 Ⅳ～Ⅶ型地层组合结构

Ⅷ～Ⅺ型地层组合结构的特征是盾构隧道断面为软土层和硬土层(图6)。Ⅷ型的主要地层组合有④⑤、④⑦、⑥⑦、⑥⑨、④⑤⑦、④⑥⑦、⑥⑧⑨和④⑥⑨。Ⅸ型的主要地层组合有⑤⑥、⑦⑧。Ⅹ型的主要地层组合有⑤⑥⑦、⑦⑧⑨。Ⅺ型的主要地层组合有④⑤⑥、⑥⑦⑧。Ⅷ～Ⅺ型地层组合结构在冲海积平原区和冲湖积平原区都较常见。盾构施工中应注意的主要岩土工程问题有：1)软土层(Ⅱ型)应注意的问题；2)硬土层(Ⅲ型)应注意的问题；3)掘进面各土层的软硬程度不同,若千斤顶推力设置不当,易造成较软层排土过多,产生盾构方向失控。在地铁运营期应注意的主要岩土工程问题是,当隧道下卧层为软土层时(Ⅸ、Ⅺ型),由于软土的高压缩性及次固结变形,隧道沉降量较大且达到稳定状态所需时间很长。

图6 Ⅷ～Ⅺ型地层组合结构

图7 Ⅻ型地层组合结构

图8 型地层组合结构

图9 型地层组合结构

3 讨 论

上述14类地层组合结构涵盖了杭州地铁盾构隧道可能遇到的所有地层组合类型,能够使杭州地铁工程的建设者对盾构隧道的地质条件和岩土工程问题有系统性的认识。这些地层组合结构类型今后可用于杭州地铁工程的勘察、设计、施工和杭州地铁工程地质信息化工作中。

目前，杭州地铁工程勘察已基本实现地层编号的标准化,今后在杭州地铁工程的勘察、设计和施工方面,可采用本文的地层组合结构分类对盾构隧道穿越的地质条件进行标准化。在勘察阶段可根据上述地层组合结构类型对盾构隧道沿里程方向进行分段,这样，设计人员和施工人员可依据各段的地层组合结构类型抓住主要矛盾,并采取相应的措施以保证地铁隧道在施工期和运营期的安全。

如今,信息化技术在岩土及地下工程中逐渐受到重视。地铁工程属于隐蔽的地下工程,又是线性工程,沿线地质条件通常变化较大,而不同的地质条件下潜在的岩土工程问题也不同。数字化技术能够使隐蔽的地下空间所处的地质环境透明化,可用于辅助工程分析与决策,保证工程建设与运营过程的可控化[6]。目前上海市已建立“上海轨道交通地质信息管理与分析系统”,即通过对沿线的地层资料整理和统一后,按不同的工程地质结构类型对沿线进行工程地质分区,对各区可能出现的岩土工程风险问题进行梳理,便于管理部门使用[4]。本文的地层组合结构可用于对地铁线路进行分区分段,作为今后杭州地铁工程地质信息化工作中的基本数字化模型。

需要说明的是,本文的地层组合结构类型仅考虑了隧道断面的地层组合,未考虑盾构隧道与周边建构筑物的相互影响,也未考虑杭州地层的一些特殊情况,例如浅层气、钱塘江两岸的抛石、沉船等障碍物[1-2]。在具体应用时,若存在这些特殊情况,可进一步对各段隧道的地层组合结构类型划分亚类。

4 结 语

1)通过对杭州地铁隧道勘察资料和施工资料的分析,将盾构隧道穿越的地层划分为14种地层组合结构,涵盖了杭州地铁隧道可能穿越的所有地层组合类型。并对各地层组合结构情况下盾构隧道在施工期和运营期的主要岩土工程问题进行了分析。通过分类能够使杭州地铁工程的建设者对盾构隧道的地质条件和岩土工程问题有系统性的认识。

2)本文的地层组合结构可用于对地铁线路进行分区分段,使得设计、施工人员能够根据各区段的地层组合结构类型明确要考虑的主要岩土工程问题。

3)本文的地层组合结构可作为今后杭州地铁工程地质信息化工作中的基本数字化模型。

[1] 王松平,陈勇华.杭州地铁1号线地质条件及主要岩土工程问题[J].浙江建筑,2010,27(2): 12-15．

[2] 叶向前,田春凌.杭州地铁区间盾构施工地质风险源分析[J].城市勘测,2012(2):173-176．

[3] 金兴平,杨迎晓,李辉煌.杭州地铁1#线岩土工程问题探讨[J].岩石力学与工程学报,2005,24(增刊2): 5680-5685．

[4] 朱建纲. 轨道交通工程勘察设计风险控制指南[M].北京：中国建筑工业出版社,2014．

[5] 杭州地铁集团有限责任公司. 杭州地铁岩土工程勘察地层编号规定(试行稿)[R]. 杭州： 杭州地铁集团有限责任公司,2011.

[6] 李晓军,朱合华,郑路.盾构隧道数字化研究与应用[J].岩土工程学报,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

浙江华东建设工程有限公司科研项目(HDJS-KY-2015(6))

卜令方(1987—)，男，山东巨野人，博士，从事岩土工程勘察设计工作。

P64；U231

B

1008-3707(2016)12-0016-05