地铁建设岩土工程问题探讨

         xxx是具有国际影响的区域中心城市，轨道交通作为一项能有效改善城市交通环境、促进经济发展的基础措施是十分必要的，是城市可持续发展的必然选择。由于城市轨道交通工程处于繁华的城市中心地带，所处的复杂的地上、地下环境、地质条件和地下工程建设的隐蔽性、复杂性等，同时鉴于xxx特殊复杂的地质构造、水文地质条件、岩溶发育等特点，地铁建设可能引发的岩土工程问题较多且复杂。同时由于轨道交通工程建设的政治敏感性强、公共安全要求高、社会影响力大，一旦发生重大安全风险事故，将造成恶劣的社会影响。因此需对xxx地铁建设可能引发的岩土工程问题有深入的认识，以便采取相应的应对措施，降低地铁修建的风险。

 

         2岩土工程问题

         根据以往地铁建设中所遇到的岩土问题，主要总结如下：

         2.1软土问题

         xxx地区软土具有典型的三角洲软土性质，由于江水与海潮的复杂交替作用，淤泥与薄层砂交错沉积。而广州地区气候炎热、雨量充沛、植物茂盛、河网纵横，致使广州地区软土具有独特的工程性质。主要带来的工程难题有：

 

         （1）工后沉降量可能很大，沉降时间会很长，一般长达3年以上，甚至出现不均匀沉降，从而导致作为永久结构的地铁隧道、高架、车站、车辆段以及停车场等不稳定和损坏。

 

         （2）在这种软土地层中掘进时，易出现盾构机“栽头”问题。其结果是盾构机姿态难以控制，进而造成管片的错台、开裂、破损等。

 

         （3）在软土地层条件下，深基坑施工容易产生挡土结构位移过大，基坑开挖时出现底涌，甚至出现基坑围护体系的坍塌，基坑失稳等严重问题。

 

         （4）在软土地层条件下，可能会导致基坑周边（隧道上方）建筑物、管线和道路的沉陷和开裂破坏等，造成重大的经济损失和不良的社会影响。

 

         2.2花岗岩残积土问题

         调查发现花岗岩残积土的边坡失稳事故，大部分是由于残积土的不均匀性和各向异性造成的，残积土中的原生和次生裂隙对边坡失稳起了决定性作用。花岗岩残积土保留有原岩一定的残余结构强度，但由于其一般含有较多的砂砾碎屑，因此极易因扰动而破坏其结构性。主要带来的工程难题有：

 

         （1）花岗岩残积土扰动敏感性强，吸水性强，遇水易膨胀、软化、甚至崩解，隧道施工过程中若处理不当，容易造成掌子面失稳，地面沉降难以控制，甚至会导致隧道塌方、地面沉陷、建筑物开裂损坏。

 

         （2）花岗岩残积土不良地层遇水软化、泥化、崩解特性引起地铁明挖基坑工程风险主要有：大型挖土设备施工非常困难，有时只能采用人工开挖，开挖工效严重降低，开挖面极易坍塌，并且随着开挖暴露时间的延长，影响范围将进一步扩大；土体强度等力学性质急剧变差，地基承载力降低甚至丧失，导致基坑内被动土压力降低，支撑轴力增大，围护结构变形加大，甚至造成围护结构失稳、坍塌以及周边建筑物沉降变形等风险。

 

         2.3花岗岩球状风化问题

         花岗岩球状风化体主要分布于全风化带和强风化带。在垂直风化剖面上具有“上多下少、上小下大”的特点。花岗岩球状风化体的大小随着风化程度的增强而减小，而数量却随着风化程度的增强而增加。主要带来的工程难题有：

 

         （1）由于花岗岩球状风化体单轴抗压强度非常高，与四周岩土层的强度差异大，因此很难被盾构刀具破碎，常在刀盘前方滚动，这给盾构施工带来极大困难和风险。

 

         （2）这种地质条件下进行钻孔桩施工存在钻进速度慢，钻具寿命短，易偏孔、卡钻、掉钻头、塌孔等事故；同时由于桩周土阻抗的变化影响，给桩基检测评定带来一定影响。

 

         2.4岩溶问题

         xx市西部和北部在区域地质上属于广花凹陷，沉积了巨厚的石灰岩建造。总的来说，石炭系灰岩溶洞一般为空洞，地下水丰富，且与砂层直接连通，有进一步发展的可能；第三系萃庄村组灰岩溶洞多为半充填或全充填，经常在岩层界面出露。主要带来的工程难题有：

 

         （1）当隧道穿越岩溶区时，常常遇到大小不等、部位不同、充填物及充填程度不同、含水量不同的溶洞，这些溶洞的存在将给隧道的施工和围岩的稳定带来不同程度的困难。

 

         （2）岩溶地质条件给高架桥梁钻孔灌注桩基础设计与施工同样带来比较严重的地质灾害，桥梁荷载通过桩基础传递到地层中，在岩溶地区，由于溶洞的存在，对桩基的承载能力产生重大影响。

 

         （3）对明挖结构、基坑，主要是围护结构施工过程中的坍塌、围护结构渗漏水及基坑开挖过程中的基底突涌水风险。

 

         2.5断裂问题

         xxx地区发育的较大断裂有：广从断裂、广三断裂、瘦狗岭断裂、文冲断裂、化龙断裂、沙湾断裂。次级断裂较多，主要有清泉街断裂、三元里温泉断裂等。其中影响地铁建设的主要断裂有广从断裂、广三断裂、瘦狗岭断裂。断裂给施工带来的影响：

 

         （1）断裂破碎带破坏了岩体的完整性，降低了地层的稳定性和隧道围岩类别，增加了隧道开挖的难度。若断裂面是极不稳定的滑移面，对隧道或高架线桥桩的稳定有重要影响。

 

         （2）断裂破碎带通常是地下水富集地带和导水通道。隧道开挖、深基坑开挖时可能产生突水和涌水现象，盾构掘进易形成喷涌，甚至会导致坍塌、周边建构筑物损坏。

 

         （3）断裂带处岩层通常不均匀，岩面起伏变化大，易造成盾构刀具损坏，导致盾构掘进速度缓慢。而富水断层中，刀具更换困难。

 

         （4）断裂带在石灰岩地层中通过，常伴随断裂带影响范围内岩溶发育、地下水丰富等特殊地质条件。岩溶发育比断裂带本身在工程上更难处理。

 

         2.6复合地层问题

         复合地层的组合方式是非常复杂多样的，但总的来说有两大类:

 

         （1）复合地层在垂直方向上的变化。最典型的垂直方向上的复合地层就是所谓“上软下硬”地层。

 

         （2）复合地层在水平方向上的变化。在一施工段当中，可能分布着不同时代、不同岩性、不同风化程度或不同层序的地层，从而表现出水平方向上工程地质性质的差异。主要带来的工程难题有：

 

         （1）在上软下硬地层中，基坑围护结构施工一般比较困难。若岩面较高，围护结构施工将耗时耗力，工期会很长。

 

         （2）复合地层的特殊构造和性质造成了围岩自稳能力的差异，矿山法施工过程中，开挖方法、施工工艺、支护参数选择非常困难，施工风险非常大。若隧道拱顶局部处于富水砂层及填石层中，在开挖过程中易发生涌水涌砂现象，极易引起初衬变形，甚至导致隧道坍塌，地面沉降大，但为破除下部岩石，必须采用爆破施工，这会对上部已施工的初衬造成影响，地面沉降将更加难以控制。

         3处理措施

 

         3.1软土问题处理措施

         （1）由于cxx地区软土渗透性较好，排水固结法可作为地基处理首选方法。土工合成材料能提高地基稳定性、减小地基最终沉降量，可与其它方法结合使用。深层搅拌桩、振冲碎石桩等复合地基方法兼具置换、挤密软土的特点，且造价适中、加固快速，也可作为xxx地区软土的有效处理方法。

 

         （2）由于xxx地铁地下车站基坑开挖深度一般都在15m以上，常用围护结构类型有地下连续墙与钻孔灌注桩两种。当施工场地受限，地质情况较好，连续墙成槽困难时，可采取钻孔灌注桩；若软土地层较厚，地下水丰富时，宜采用连续墙。xxx地铁深基坑第一道支撑一般采用钢筋混凝土支撑，其余采取钢管内支撑。但在地质条件差时，因轴向压力大，支撑稳定性难以保证，且支撑与钢围檩之间剪切力大，其余支撑也可考虑钢筋混凝土支撑。

 

         3.2花岗岩残积土问题处理措施

         （1）解决花岗岩残积土不良地层工程风险关键是处理好“水”，因为该土层天然状态下具有较好的力学性质，“水”是风化土层软化、崩解的诱因。

 

         （2）矿山法隧道施工中，应对周边地下水加以严格控制，并对掘进区土体进行必要的注浆加固，以尽可能截断水的来源，工程实际证明，认真进行袖阀管注浆是一种有效方法。

 

         （3）在花岗岩残积土中应尽可能避免采用人工挖孔桩，尤其是在地下水丰富的环境下。

 

         （4）对于深基坑工程，广州地铁一般采用围护结构隔水+主动式止水或降水方式+地基加固。

 

         3.3花岗岩球状风化问题处理措施

         （1）加密补充地质勘探，掌握花岗岩球状风化体分布情况。提前做好准备工作，为破除花岗岩球状风化体、更换刀具等做准备。不能通过盾构机直接破除的，应采取适当的方法进行破除。

 

         （2）桩基钻孔成孔过程中，突然遇到硬岩钻进困难时，应注意分析工程地质资料和周边桩位钻进情况，避免将风化体误判为达到持力层。若采用常规冲进法无法穿越球状风化体，可采取其他方法。

 

         3.4岩溶问题处理措施

         （1）在岩溶地区地铁设计中，由于岩溶对地下线的影响极大，在规划条件和地面条件许可的情况下，尽可能采用地面线或高架线。如果确实必须采用地下线，采用周详的工程措施，隔离岩溶水。隧道底板下有溶洞分布时，采取灌浆和结构措施处理，穿过溶洞地段先进行灌浆止水再开挖。

 

         （2）对于地面线，在土洞发育地段施工前应对土洞进行振塌或填灌处理，避免施工过程中因加载和振动作用产生地面塌陷。

 

         （3）对于高架线路，根据溶洞具体位置对桩位和桥跨进行合理调整，桩位布置尽量避开溶洞，确保桩端以下3D深度内没有溶洞或软弱夹层。岩溶发育的高架地段桩基施工时，应进行超前钻探，以确保桩基的稳定性。当承载力达不到要求时，桩端采取扩大头或采取群桩并经检测合格后方进行上部结构施工，并加强不良地段的桩位的沉降观测。

 

         3.5断裂问题处理措施

         （1）做好勘察，采用多种方法查明断裂的工程特征，主要包括断裂的范围、产状、构造特征、岩性、空间展布与地铁的关系、水文地质特征等。

 

         （2）矿山法开挖时应做好止水和防水措施，必要时应采用帷幕注浆处理；盾构机掘进不能采用敞开式掘进，必须采用土压或泥水平衡掘进，且应做好防喷涌措施，更换刀具应根据实际情况可考虑提前加固地层；深基坑开挖时，除了基坑侧壁止水外，还应在基坑底采取止水措施，防止基坑底涌水或过量排水导致基坑外侧周边建筑发生沉降开裂。

 

         （3）车站应尽量避开断层，否则应采取结构抗震设防措施。高架段应调整步跨，墩位尽量避开断层破碎带，无法避开的，要采取结构防范措施。

 

         3.6复合地层问题处理措施

         （1）在复合地层中盾构施工，施工工艺、施工参数等需要根据地层的变化而变化，应动态适当调整，在某些特殊的复合地层可能需要辅助工法。不同的地层，掘进模式不同，需要不同的添加剂种类和数量，需要不同的辅助设备，盾构机姿态控制方法和参数不同，等等。

 

         （2）在复合地层中，矿山法隧道施工必须按照信息化施工的原理，根据实际地质条件，结合施工单位的经验，对施工方案、设计参数进行动态调整。对于垂直方向上的复合地层，隧道上部软弱地层的加固处理和下部硬岩爆破控制是关键。

 

         （3）在上软下硬地层中，基坑围护结构可以考虑采用“吊脚桩”形式。这是一种比较经济、有效的方式。但该种围护结构形式有时也存在较大的安全隐患，若围护结构底部岩层透水性强、强度低、整体性差，会造成墙脚失稳，岩体坍塌等工程事故。因此，“吊脚桩”桩底必须落在较好的硬岩(或较硬岩)岩层中，才能确保基坑安全。当桩底为强度相对较低的泥岩、砂岩等岩层时，建议谨慎使用“吊脚桩”形式的围护结构。

 

         4结论

         本文分析了xxx地铁建设过程中存在的主要岩土工程问题产生原因，总结了之前的施工经验，提出了一些可行的处理措施和建议。

 

         （1）xxx地区软土主要分布于南部，具有典型的三角洲软土性质，并具有独特的工程性质。这些工程特性给广州地铁建设带来了很多难题，如工后沉降大、盾构机易“栽头”、深基坑工程围护结构易失稳等。针对这些问题必须采取合理的处理措施，如选择合适的加固方法、合理的支护体系等。

 

         （2）在xxx地区的东北部、东部和南部，广泛分布花岗岩地层。花岗岩地层主要有两个问题，即残积土问题和球状风化问题。花岗岩残积土扰动敏感性强，吸水性强，遇水易膨胀、软化、甚至崩解，因此，施工过程中关键是处理好“水”。花岗岩球状风化体具有随机分布的特征，施工过程中一般较难处理，因此，关键是预先发现，提前处理。

 

         （3）xx地区北部和西部是可溶性很强的灰岩地带，主要工程问题是岩溶（溶洞、溶槽、溶沟等）和土洞。工程建设过程中应尽量避开岩溶、土洞，若无法避开，须提前进行处理。

 

         （4）xxx地区构造断裂相当发育，断裂带处岩层通常不均匀，完整性差，且通常是地下水富集地带和导水通道，通常施工困难，甚至出现突水、涌水、喷涌等问题。首先是做好勘察，地铁结构应尽量避开断裂带，否则应采取相应的措施，施工过程中应做好止水、防喷涌等处理措施。

 

         （5）xxx地区地质条件极其复杂，地层产状多变，在不同地层组成的复合地层中施工，对施工工法和工艺的选择，以及施工参数的确定，都会带来很大的困难，甚至可能会引发工程危害叠加。因此，首先是合理的选择施工工法，其次是施工过程中应动态调整施工参数、施工工艺。