廣州地鐵3號線北延段線路選擇和工法建議摘 要:廣州地鐵3號線北延段線路經過不同地質單元,地質條件復雜。根據各地質單元的巖土特征,討論了地鐵不同線路和工法將遇到的工程問題,建議了最佳線路形式和工法選擇。關鍵詞:廣州地鐵3號線;巖土特征;巖溶;高架線;地下線;盾構法 廣州地鐵3號線北延段自燕塘向北延伸至新白云國際機場,沿線經過城市道路、國道、郊區城鎮,所經地層年代眾多,巖性復雜,線路全長約30.84ｋｍ,新建車站10座,最大站間距5700ｍ,最小站間距880ｍ,平均站間距2490ｍ,其中機場線試驗段(長1732ｍ)已完成土建施工。根據階段巖土工程勘察資料,探討地鐵3號線北延段線路形式選擇和工法建議。1巖土分區及其特點 按巖土工程地質條件和地貌的不同特點,將軌道交通3號線北延段為劃分為2個地質單元,即燕塘至磨刀坑段和磨刀坑至新機場段,現將上述2個地質單元的主要特征說明如下:1.1 燕塘至磨刀坑段(里程ＹＡＫ0+000+ＹＡＫ8+350)1.1.1 地貌特征 本段為低山丘陵地貌,沿線經過剝蝕殘丘和山間小盆地,地形起伏較大,地面高差88.97ｍ,線路沿線多為密集民居,辦公樓和城市道路等。1.1.2 巖土分層特征 (1)第四系土層特征:主要有人工填土、沖積—洪積砂層、土層及淤泥質土層、殘積土層,厚度變化較大,層厚4.30～36.00ｍ,軟土零星分布,厚度較小,沖積—洪積砂層在南方醫院至同和一帶較發育,地下水較豐富。 (2)下伏基巖特征:①在里程ＹＡＫ0+250～ＹＡＫ1+550和ＹＡＫ3+600～ＹＡＫ7+250為燕山期花崗巖分布地段,巖面起伏較大,全風化和強風化帶厚度較大,風化強烈,個別地段存在球狀風化孤石,裂隙局部發育,地下水不豐富。②在里程ＹＡＫ0+00～ＹＡＫ250、ＹＡＫ1+550～ＹＡＫ3+600和ＹＡＫ7+250～ＹＡＫ8+350為震旦系變質巖分布范圍,巖性主要為花崗片麻巖,部分地段為混合花崗巖、變質石英砂巖、石英巖等。巖石風化強烈,全風化和強風化帶厚度較大,節理、裂隙稍發育,中微風化巖巖面大部分地段埋藏較深,且起伏較大,在瘦狗嶺,巖面凸起。1.1.3 地下水特征 (1)松散巖類孔隙水:主要賦存在沖積—洪積砂層,砂層分布范圍較廣,地下水較豐富,砂層綜合滲透系數為5～10ｍ/ｄ。 (2)塊狀基巖裂隙水:主要賦存在花崗巖和變質巖強風化帶和中風化帶之中,地下水富水性不強,在山溝谷口處,地下水相對較豐富,滲透系數為0.1～0.5ｍ/ｄ。 (3)地下水腐蝕性特征:根據水質分析結果,按《巖土工程勘察規范》(ＧＢ50021-2001)的有關規定判定地下水對混凝土結構無腐蝕性,對混凝土質結構中的鋼筋有弱腐蝕性,對鋼結構有弱腐蝕性。1.1.4 斷裂特征 在里程ＹＡＫ8+350和ＹＡＫ8+650分別為廣從斷裂束,斷裂兩側巖性為震旦系變質巖、三疊系小坪組砂頁及石炭系石灰巖,線路經過廣從斷裂地段若采用高架線,斷裂對工程影響不大。若采用地下線,隧道經過斷裂破碎帶時,按Ⅰ類圍巖支護,并增加止水措施。1.2磨刀坑至新機場(里程ＹＡＫ8+350～ＹＡＫ30+842.27)1.2.1 地貌特征 為廣花沖積平原,地形較平坦,開闊,地面高程7.78～23.85ｍ,沿線地表多為公路、農田及民居,在里程ＹＡＫ22+180～ＹＡＫ22+366線路跨越流溪河。1.2.2 巖土分層特征 (1)第四系土層特征:本段第四系土層主要有人工填土、耕植土、沖積—洪積土層和砂層,厚度變化較大,層厚6.00～44.60ｍ,其中砂層厚度較大(厚度0.50～20.55ｍ),分布范圍廣。砂層含水豐富且補給來源充沛。 (2)下伏基巖特征:①在里程ＹＡＫ8+350～700下伏基巖為三疊系炭質頁巖、泥巖及砂巖,風化強烈,挾持與廣從斷裂與震旦系變質巖之間。②在里程ＹＡＫ8+700～ＹＡＫ12+550和ＹＡＫ25+650～ＹＡＫ30+800,為石炭系地層分布范圍,巖性主要為灰巖,次為炭質灰巖、炭質頁巖、泥巖等。巖面起伏較大,巖溶較發育,地下水豐富,補給來源充沛。③在里程ＹＡＫ12+550～ＹＡＫ25+650為龍歸沉積盆地范圍,下伏基巖為第三系地層分布地段,巖性較復雜,為一套下粗上細的海陸河湖交互相沉積巖,主要巖性有粉砂質泥巖、鈣質泥巖、泥灰巖、石灰巖、礫巖和粗砂巖等。風化程度較強,巖質較軟。石灰巖一般呈夾層出現,并發育有溶洞,地下水豐富。1.2.3 地下水特征 (1)松散巖類孔隙水:主要賦存在沖積—洪積砂層之中,砂層厚度較大,分布范圍廣,補給條件較好,地下水豐富,砂層綜合滲透系數可達10～50ｍ/ｄ。 (2)層狀基巖裂隙水:主要賦存在碎屑巖類強風化和中風化帶,由于風化裂隙大部分被泥質充填,故其富水性和透水性較弱。 (3)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水:主要賦存在石炭系石灰巖和第三系石灰巖中,工程勘察有27個鉆孔揭露有溶洞,經抽水試驗證實,富水性和滲水性均較好。滲透系數為6.16～36.46ｍ/ｄ,建議滲透系數采用20～30ｍ/ｄ。 (4)地下水腐蝕性特征:根據水質分析結果,按《巖土工程勘察規范》(ＧＢ50021-2001)的有關規定制定,地下水對混凝土結構大部分地段無腐蝕性,局部地段有弱腐蝕性,對混凝土結構有弱腐蝕性,對鋼結構有弱—中等腐蝕性。1.2.4 斷裂特征 在里程ＹＡＫ8+650為廣從斷裂分布范圍,斷裂的上盤為石炭系地層,下盤為三疊系地層。1.2.5溶洞特征 主要發育在石炭系和第三系石灰巖地層中,工程勘察階段有27個鉆孔揭露到溶洞,洞高0.20～10.91ｍ,溶洞層數1～6層,大部分溶洞無充物或半充填,地下水豐富。溶洞在宏觀上有一定的的規律性,在局部地方是無規律的,工程勘察溶洞大部分發育深度較淺,對地鐵地下線開挖有較大的影響。2巖土工程條件評價2.1燕塘至磨刀坑段 (1)人工填土層分布廣泛,主要為雜填土和素填土,欠壓實—稍壓實,局部可能存在土層滯水。本段軌道交通擬采用地下線,人工填土對區間隧道施工影響甚微,站址采用明挖施工,影響亦較小。 (2)沖積—洪積砂層,本層在南方醫院至同和一帶較發育, 其它地段零星分布,地下水富水程度中等,砂層對站址基坑施工有較大影響,基坑開挖時,排水可導致基坑周圍地面沉降,引起建筑物開裂變形等,對區間隧道礦山法施工影響亦較大,隧道開挖掘進時,可能導致突水、涌砂或坍塌,嚴重時可坍塌至地表,若采用盾構法施工則影響較小。 (3)沖積—洪積土層,分布較廣泛,呈可塑狀為主,屬弱—微透水層,有一定的承載能力和自穩能力,對隧道和站址基坑施工,影響較小。 (4)沖積—洪積淤泥質土層,零星分布,層度不大,透水性差,易壓縮變形,強度較低,自穩能力差。對站址基坑開挖有一定影響,失水時可導致地面沉降。 (5)坡殘積層,本層為變質巖和花崗巖風化殘積土,厚度大,分布范圍廣,透水性弱,具遇水易軟化、崩解特點,對區間隧道礦山法開挖和站址明挖基坑有較大影響,施工時注意采取排水、防水措施。防止土層泡水、滲水降低土層的強度。 (6)基巖,本段基巖為震旦系變質巖及燕山期花崗巖,全風化帶和強風化帶已風化成呈土狀或半巖半土狀,含少量地下水,亦具有遇水軟化、崩解特點,對隧道開挖和基坑施工有較大影響,巖石中風化帶和微風化帶,巖質堅硬,局部裂隙發育,對盾構施工主要考慮是巖石強度對盾構掘進的影響。對礦山法施工,則需進行爆破開挖。2.2磨刀坑至新機場段(1)人工填土層:分布廣泛,主要為雜填土、素填土,部分地段為耕植土,欠壓實—稍壓實,局部可能存在土層滯水。本段軌道交通不論采用地面線或地下線,人工填土層對軌道交通施工影響甚微。(2)沖積—洪積砂層:分布廣泛,厚度較大,地下水豐富,補給條件較好,若軌道交通采用地下線,則對隧道礦山法施工影響甚大,可導致隧道突水、涌砂和坍塌,嚴重時可坍塌至地表,對盾構法則影響較小,在施工采用注漿加固即可。在明挖段圍護結構則應采取止水措施。 (3)沖積—洪積土層:分布廣泛,層厚變化較大,為弱—微透水層,有一定的承載能力和自穩能力。對隧道和站址開挖影響較小,若采用高架線,則影響甚微。 (4)沖積—洪積淤泥質土層:零星分布,厚度較薄,透水性差,易壓縮變形,強度低,自穩能力差。軌道交通若采用地下線,則對隧道和站址施工有一定影響,失水時可導致地面沉降,若采用高架線,則影響較小。 (5)殘積土層:殘積土層為碎屑巖風化而成。局部為石灰巖風化而成。厚度變化較大,具有遇水軟化、崩解特點,軌道交通若采用地下線,隧道和站址開挖時,應采取排水和防水措施。若采用高架線,則影響較小。 (6)碎屑巖:碎屑巖巖性較為復雜,為石炭系、二疊系、三疊系和第三系地層,巖性主要為泥巖,粉砂質泥巖、鈣質泥巖、泥灰巖、炭質頁巖、粗砂巖、礫巖等。風化裂隙,節理較發育,在強風化帶和中風化帶,含地下水,但富水程度較差,軟硬夾層較多,為軟質巖。本段若采用地下線,不論采用礦山法或盾構法施工,碎屑巖對開挖掘進影響較小,盾構法施工時應注意巖面起伏和軟硬夾層變化,防止掘進左右或上下偏離,若采用高架線,則根據樁型要求,樁端座落在連續穩定巖層上即可。 (7)石灰巖:在磨刀坑至太和莊,矮崗至新機場北,石灰巖分布廣泛,其中巖溶較發育,地下水豐富,在巖溶發育地段,軌道交通若采用深埋方案,不管是礦山法還是盾構法施工,都存在較大的安全隱患,可導致突水,突泥和盾構機具陷落等事故,若采用高架線,則影響程度較小,可根據樁型要求,樁端座落在連續穩定巖層上即可。3主要不良地質作用對工程的影響3.1燕塘至磨刀坑段 (1)本段軟土零星分布,厚度不大,埋藏較淺,對深埋隧道施工影響較小,對站址明挖施工有一定影響,可能產生基坑側壁變形,易產生壓縮變形和地面沉降及引起地面建筑物變形。 (2)本段在南方醫院至同和一帶,沖積—洪積砂層分布較廣,富水性、透水性較好,對暗挖隧道施工、明挖基坑支護和止水有一定的不利影響。 (3)花崗巖、花崗巖片麻殘積土層及其全風化帶和強風化帶,具遇水易軟化、崩解特點,對暗挖隧道和明挖基坑均有一定的不利影響,設計施工時應予注意。 (4)在里程ＹＡＫ6+460范圍殘積土層中存在球狀風化孤石,對樁基施工、盾構隧道施工有較大影響,設計、施工時應予注意。 (5)花崗巖和花崗片麻巖的中風化帶和微風化帶,巖石強度較高(最大值為147.3ＭＰａ),盾構機掘進時應選擇好機型。3.2磨刀坑至新機場段 (1)本段軟土零星分布,厚度不大,若軌道交通采用高架線路,則軟土對工程影響甚微,若采用地下線,則軟土會引起基坑側壁變形、地面沉降和建筑物變形。 (2)本段沖積—洪積砂層厚度較大,分布范圍廣,地下水豐富,若軌道交通采用高架線,則砂層對工程影響較小,若采用地下線,砂層對暗挖隧道、明挖基坑的穩定會產生較大的不利影響,必須做好止水和支護工作。線路選線和工法選擇時應予注意。 (3)碎屑巖中的泥巖、粉砂質泥巖、泥炭質頁巖、泥質粉砂巖及其風化殘積土,具遇水易軟化、開挖暴露后易干裂收縮特點,若采用地下線,隧道圍巖和基坑邊坡容易產生失穩,若采用高架線,則對工程影響較小。 (4)在線路經過石灰巖分布地段,巖溶較為發育,地下水豐富,若采用地下線,不管采用何種工法,均對隧道施工影響較大,設計時應予重視,若采用高架線,則巖溶發育僅對樁基施工有不利影響,但容易處理。4線路選擇和工法建議4.1燕塘至磨刀坑段 (1)為花崗巖及變質巖分布地段,沿線地面建筑密集,由于受城市規劃控制,本段不宜采用高架線路方案,鑒于沿線建筑物情況和城市道路現狀,建議采用深埋線路方案,工法采用盾構法。由于中微風化巖面起伏較大和巖石強度較大(最大值為147.3ＭＰａ),盾構施工時應予注意。如果設計采用礦山法施工,則要注意花崗巖及變質巖的殘積土層、全風化帶及強風化帶具遇水軟化、崩解特點,做好止水、排水措施。在南方醫院至同和一帶,沖積—洪積砂層發育,對礦山法施工影響較大,施工時應做好止水及支護措施。選擇礦山法施工應充分考慮上述不利條件。 綜合考慮本段沿線建筑物密度大,樁基和地下設施較多的情況,建議采用深埋線路方案,工法采用盾構法施工方案。4.2磨刀坑至新機場段 (1)在里程ＹＡＫ8+350～ＹＡＫ16+800,地面建筑物較少,大部分地段為農田,為石炭系石灰巖和第三系石灰巖分布地段,下伏基巖巖溶較為發育,溶洞發育部位大部分埋藏較深,第四系沖積—洪積砂層厚度較大,分布范圍廣,地下水豐富,從地質角度出發,若采用地下線,礦山法施工不利因素較多,深埋將遇到巖溶問題,淺埋將遇到砂層富水程度好、穩定性差的問題。若采用盾構法施工,深埋將遇到溶洞,對施工有不利影響。由于沿線建筑物較少,地下線施工工法亦可考慮淺埋明挖方案。若采用高架線,則不利地質因素較少,只有巖溶對樁基施工有一定影響,但影響程度較小。綜合上述分析,建議采用高架方案。 (2)在里程ＹＡＫ16+800～ＹＡＫ25+400,沿線地面為106國道,經過龍歸和人和鎮,在里程ＹＡＫ22+180～ＹＡＫ22+366跨越流溪河。本段為第三系碎屑巖分布地段。主要不良地質問題為砂層較厚及富水程度較好。軌道交通若采用地面線或高架線將影響龍歸鎮和人和鎮的城市化發展。建議采用地下線,工法采用盾構法,線路可采用中埋或深埋方案。如果采用高架線,樁型可采用鉆沖孔樁或預應力管樁,持力層為強—微風化巖。地面線地基可采用天然地基或換填處理。綜合上述分析,建議采用地下線,工法采用盾構法。 (3)在里程ＹＡＫ25+400～ＹＡＫ30+842(即矮崗至新機場),軌道交通為地下線,其中ＹＡＫ28+074至ＹＡＫ29+806為已完成土建的機場線試驗段。本段矮崗至機場試驗起點為機場高速公路,在試驗終點至新機場北為機場大道。本段為石炭系石灰巖分布地段,下伏基巖巖溶較發育,尤其在機場北一帶,發育多層較大的溶洞,巖面標高約-3.77～-0.35,埋深18.40～20.00ｍ,第四系沖積—洪積砂層厚度較大,地下水豐富,砂層與巖面直接接觸,砂層孔隙水與巖溶水相互有密切的水力聯系。本段設計和規劃只能采用地下線,鑒于本段的地質情況和周邊環境,隧道開挖宜采用明挖法,隧道淺埋,基坑圍護結構采用攪拌樁或旋噴樁止水,并結合井點降水,亦可考慮采用地下連續墻方案。5結束語 地鐵線路工法選擇涉及城市交通、商業環境、城市規劃發展及地質環境等因素,從巖土工程角度考慮選擇地鐵的線路和工法,只是其中一種因素,但在地質條件復雜地段,可能是決定因素。所以,在地鐵線路及工法選擇問題上,首先是要把線路的巖土工程條件查清楚,再結合城市規劃等因素進行線路和工法建議。參考文獻:[1] 巖土工程勘察規范(ＧＢ50021-2001)[Ｓ].[2] 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范(ＧＢ50307-1999)[Ｓ].[3] 廣州市軌道交通三號線北延段工可階段巖土工程勘察報告[Ｒ].廣東省地質物探工程勘察院,2005.
