淺析成都地鐵建設(shè)的工程地質(zhì)特點及施工方法

汪中杰， 楊義奎

(1.成都市軌道建設(shè)工程保障中心，四川成都 611731；2.四川誠正工程檢測技術(shù)有限公司，四川成都 610041)

成都，地處四川盆地西部、成都平原腹地，境內(nèi)地勢平坦、河流眾多。近年來，成都城市地鐵的發(fā)展迅猛：截止目前已開通運營地鐵1～5號、7號、10號等7條線路(總里程約302 km)；在建地鐵8號線一期、9號線一期等線路(總里程約213 km)預(yù)計2020年將陸續(xù)開通；未來5年將實施8號線二期、10號線三期等線路(總里程約207 km)。地鐵建設(shè)具有：工程地質(zhì)條件復(fù)雜、周邊環(huán)境復(fù)雜、自然環(huán)境復(fù)雜、建設(shè)規(guī)模大、技術(shù)復(fù)雜難度大、工程協(xié)調(diào)工程量大、控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格等特點。工程建設(shè)的基本要求是安全可靠、經(jīng)濟高效、效益顯著，而對于地鐵的設(shè)計施工乃至運營均離不開工程環(huán)境的支撐，掌握好、利用好工程地質(zhì)的特點，不僅能保證建筑物的安全，又能減少不必要的處理措施、縮短工期，達到良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 成都地鐵建設(shè)的工程地質(zhì)概況

工程地質(zhì)是一個綜合概念，主要包括地形地貌條件、巖土類型及其工程地質(zhì)性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地震、水文地質(zhì)等因素。

1.1 地形地貌條件

成都地鐵工程區(qū)域地處成都平原岷江沖洪積扇狀平原的南東邊緣、區(qū)內(nèi)地形平坦，地勢受扇狀平原的控制，總體上西高東低、北高南低，海拔高程484～540 m，市內(nèi)地貌類型單一，均為侵蝕、堆積地貌，其主體地貌單元為冰水堆積扇狀平原二級階地(圖1)。

圖1 成都地形示意

1.2 巖土類型及其工程地質(zhì)性質(zhì)

地層按成因與時代劃分自上而下主要為第四系全新統(tǒng)人工填筑土層、第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土及砂礫卵石土層、上更新統(tǒng)上段粘類土及砂礫卵石土層、上更新統(tǒng)下段粘類土及砂礫卵石土層、白堊系上統(tǒng)灌口組，按照巖性分為：黏土、粉質(zhì)黏土、砂土等細(xì)粒土和砂礫卵石粗粒土、砂巖及泥巖。

根據(jù)目前已有的部分地鐵勘察資料，線路地質(zhì)條件見表1。

表1 成都地鐵部分線路主要地層類型

由表1可知，成都地鐵建設(shè)的工程地質(zhì)類型主要分為砂卵石地層、泥巖砂巖地層，同時均伴有高富水、富含大漂石等特點。砂卵石是巖石與流水在河床相互作用、長期搬運的產(chǎn)物，具有卵石含量高(占比70 %左右，含大漂石)、卵石強度高(單軸抗壓強度達50～150 MPa)、地下水位高(水位埋深一般2～5 m)的“三高”特點。

1.3 地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地震

成都平原在構(gòu)造位置上處于我國新華夏系第三沉降帶之川西褶帶的西南緣，界于龍門山隆褶帶山前江油～灌縣區(qū)域性斷裂和龍泉山褶皺帶之間，為一斷陷盆地。該斷陷盆地內(nèi)，西部的大邑—彭縣—什郁和東部的蒲江—新津—成都—廣漢兩條隱伏斷裂將斷陷盆地分為西部邊緣構(gòu)造帶、中央凹陷和東部邊緣構(gòu)造帶三部分。

龍泉山構(gòu)造褶皺斷裂帶，展布于中江、龍泉驛、仁壽一帶，長約20 km，寬約15 km，為一系列壓扭性逆斷層組成，走向北東，構(gòu)造形態(tài)狹長，現(xiàn)期斷裂活動甚少。

龍門山構(gòu)造帶為滑脫逆沖推復(fù)構(gòu)造帶，經(jīng)青山、灌縣至二郎山，長達500 km，寬24～40 km，是規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的北東向構(gòu)造帶。

成都市區(qū)距離龍泉山褶皺帶20 km，距龍門山隆褶帶50 km，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造及地震活動較微弱，歷史上從未發(fā)生過強震，從地殼的穩(wěn)定性來看應(yīng)屬于基本穩(wěn)定區(qū)，按現(xiàn)行規(guī)范，成都市地震基本烈度為Ⅶ度(圖2)。

圖2 成都地震帶示意

1.4 水文地質(zhì)條件

市區(qū)多年平均年降水總量947 mm，最大日降水量195 mm。降水年內(nèi)分配主要集中在5～9月，占全年80 %以上。

區(qū)內(nèi)為岷江、都江堰、內(nèi)江水系在平原區(qū)的尾水部分，由于受東部臺地的阻擋，原本在平原區(qū)以北西—南東流向的河流在市區(qū)內(nèi)逐步轉(zhuǎn)為近南北向。成都境內(nèi)的河流主要為沙河、小沙河、府河、南河、江安河、清水河等河流，其中沙河為人工河道。河流的總體水文特征是徑流量與水位明顯受區(qū)內(nèi)降水量周期變化規(guī)律控制，夏秋流量大，冬春流量小且上游支流多斷流。河流的水位、流量受降雨以及都江堰水利工程的人為調(diào)配的影響。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、場地土層及地下水的賦存條件，地下水主要有兩種類型：一是賦存于填土里的上層滯水，二是賦存于卵石層的孔隙潛水。地下水位淺(一般而言地下開挖2 m可見地下水分布)，且具有水流交替循環(huán)強烈、水位迅速恢復(fù)的特點。

1.4.1 上層滯水

上層滯水主要賦存于黏土層之上的填土層中，大氣降水、溝渠和附近居民的生活用水為其主要補給源。水量、水位變化大，且不穩(wěn)定。由于其水量相對小，對地下工程影響較小。

1.4.2 卵石土層中的孔隙潛水

水量較豐富的孔隙潛水主要賦存于I級階地地區(qū)第四系全新統(tǒng)(Q4)和上更新統(tǒng)(Q3)卵石上中，地下水位埋深多大于6 m，水位變化較小，含水層有效厚度為2～40 m不等，大氣降水和上游地下水補給為其主要補給源。根據(jù)成都地區(qū)水文地質(zhì)資料，砂、卵石土綜合含水層滲透系數(shù)K為24～28 m/d，為強透水層。

2 成都地鐵建設(shè)中主要施工方法

2.1 明挖法

明挖法可適用于不同的地層類型，它本質(zhì)上是一種深基坑工程技術(shù)，主要利用豎向圍護結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻、土釘墻、抗滑樁)、橫向水平支撐(混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及斜支撐)提供的空間，進行主體結(jié)構(gòu)的施工(圖3)。

圖3 明挖車站示意

明挖法具有施工速度快、工程隱患可視化、施工安全、造價較低等優(yōu)點。一般用于淺埋的地鐵車站的修建或地下軌道交通復(fù)雜地段，有時也兼做盾構(gòu)的始發(fā)井與接收井。

明挖施工通常涉及到房屋拆遷、綠化遷移、管線遷改等配合工作，故而對地面空間要求高，長期占用城市地面影響交通疏解，噪聲振動對環(huán)境影響較大。

2.2 蓋挖法

蓋挖法是首先修筑地下結(jié)構(gòu)的頂板或臨時路面的蓋板，然后在頂板或蓋板的遮護下修建地下結(jié)構(gòu)其它部分的半明挖施工方法的統(tǒng)稱(圖4)。蓋挖法施工是明挖基礎(chǔ)上的改進方法。按其主體結(jié)構(gòu)的施工工序，主要分為蓋挖順作、蓋挖逆作、蓋挖半逆作。

圖4 蓋挖法示意

蓋挖法比較適應(yīng)當(dāng)前城市對地面交通的需求，但施工工期較長、土方運輸困難、造價較高。

2.3 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是一種使用盾構(gòu)在地下掘進，一邊防止軟基開挖面土砂崩塌和保持開挖面穩(wěn)定，一邊在機內(nèi)安全進行隧道的開挖作業(yè)和襯砌作業(yè)，從而構(gòu)筑成隧道的施工法(圖5)。

圖5 盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)示意

盾構(gòu)施工法由于具有開挖和襯砌安全，掘進速度快，盾構(gòu)的推進、出土、拼裝襯砌等全過程可實現(xiàn)自動化作業(yè)，施工安全、勞動強度低，以及對地面交通與設(shè)施影響較小等優(yōu)點，成為城市地鐵建設(shè)的首選方法。

目前盾構(gòu)施工按照盾構(gòu)機的設(shè)備主要分為兩種類型：土壓平衡式盾構(gòu)及泥水平衡式盾構(gòu)。

2.3.1 土壓平衡式盾構(gòu)機

土壓平衡式盾構(gòu)機(Earth Pressure Balance)，當(dāng)盾構(gòu)推進時，刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，切削土體進入土艙，當(dāng)切削土體充滿土艙，此時盾構(gòu)機內(nèi)外達到土壓力平衡，從而保持穩(wěn)定。由于盾構(gòu)的推進作用，致使切削土體對切削面加壓，當(dāng)螺旋輸送機排出土艙內(nèi)的土體，使得螺旋出土器中的出土量與刀盤的切土量相等，從而一直保持刀盤及整個盾構(gòu)機的土壓平衡，使得盾構(gòu)機在地下邊掘進邊排土(圖6)。

圖6 盾構(gòu)機前體結(jié)構(gòu)

如前所述，成都地鐵中遇到的時常是高富水且含大漂石的地段，一方面高富水的存在使得地下水位高、動水壓力大、滲透壓力帶走土中骨架(土中主要受力的結(jié)構(gòu))增加孔隙、土中結(jié)構(gòu)材料缺失，從而增加沉降，另一方面大漂石的高強度、大直徑，常使盾構(gòu)機刀盤受損嚴(yán)重經(jīng)常更換甚至刀盤卡頓不得不停工。

2.3.2 泥水平衡盾構(gòu)機

泥水式盾構(gòu)機是通過向削切面注入提高土體流塑性和抗?jié)B性的添加劑等材料，使其與土艙內(nèi)的削切土混合成為流塑性較好和不透水的泥狀土，進而既排土順暢又能保持削切面穩(wěn)定的一類盾構(gòu)機(圖7)。

圖7 泥水平衡盾構(gòu)機示意

泥水平衡盾構(gòu)機需在地面專門制作泥漿液，而城市地面環(huán)境往往復(fù)雜、建筑物密集、交通繁忙，泥水處理設(shè)備需要額外占用地表土地資源，使得泥水平衡式盾構(gòu)的使用受到較大的制約。

2.4 礦山法

采用鉆眼爆破開挖斷面、礦山開拓巷道的方法，稱為礦山法，屬于暗挖法的一種，一般用于巖質(zhì)隧道，工藝簡單靈活、信息化反饋施工。噴錨支護出現(xiàn)后礦山法發(fā)展成新奧法，是軟弱圍巖(軟弱破碎圍巖地段)修筑隧道的一種基本方法，形成復(fù)合式內(nèi)外兩道襯砌支護，初次支護承擔(dān)全部荷載，二次支護作為安全儲備，按襯砌施工順序，可分為先拱后墻法及先墻后拱法(臺階法、全斷面法、漏斗棚架法等)，其基本思路是“少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉”(圖8)。

圖8 礦山法襯砌示意

由于環(huán)境敏感等問題，城市軌道交通建設(shè)一般不允許爆破作業(yè)，嚴(yán)格控制城市地表的變形量、地下水的影響等都使此方法的使用受到限制。

2.5 淺埋暗挖法

淺埋暗挖法是在距離地表較近的地下進行各種類型地下洞室暗挖施工的一種方法(圖9)。按照“十八字”原則(即管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測)進行隧道的淺埋暗挖法設(shè)計、施工，采用多種輔助工法，超前支護(如小導(dǎo)管超前注漿或長管棚超前注漿)，改善加固圍巖，調(diào)動部分圍巖的自承能力；并采用不同的開挖方法及時支護、封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護體系；在施工過程中應(yīng)用監(jiān)控量測、信息反饋和優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)不塌方、少沉降、安全施工等，并形成多種綜合配套技術(shù)。

圖9 淺埋暗挖法示意

一般而言，富水砂卵石中采用采用淺埋暗挖法應(yīng)注意降水施工，由于砂卵石地層松散，伴有膠結(jié)性差、自穩(wěn)性差的特點，開挖前必須對拱頂進行超前支護(注漿加固、預(yù)埋鋼筋)，以提高砂卵石地層自穩(wěn)、減少圍巖變形、防止坍塌。

淺埋暗挖法因施工機械化程度較低、需人工施工勞動強度大，采用降水施工作業(yè)，進而施工工期較長，對水位高的地區(qū)防水施作困難較大。

2.6 施工方法的比較

根據(jù)前述幾種施工方法的內(nèi)容及優(yōu)缺點，其特點及適應(yīng)性對比見表2。

表2 施工特點對比

總之，任何一種施工方法都有其相應(yīng)的優(yōu)點及缺點，工程實踐經(jīng)驗表明，施工方法的選擇常常受限于地質(zhì)、地形、環(huán)境條件、施工難易程度、環(huán)保、工程造價等多種因素的制約，選擇何種施工方法往往是一個綜合命題，有時往往兼而有之。