武汉地铁6号线钟琴区间工程地质问题

刘建平, 吴 刚

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北 武汉 430050)

武汉地铁6号线钟琴区间工程地质问题

刘建平, 吴 刚

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北 武汉 430050)

通过工程地质勘察,对武汉地铁6号线钟琴区间场区可能遇到的断裂破碎带、岩溶、膨胀岩土及红黏土、上软下硬地层、突水、涌砂及管涌等工程地质问题进行分析与评价,对拟建场区的工程地质条件及问题有了清楚的认识。

工程地质问题；地铁；武汉

1 工程概况

武汉市钟家村站—琴台站区间起点里程YK14+450.687,终点里程YK15+184.490,总长733.803 m,拟采用土压平衡盾构。钟家村站为地铁四号线二期(2014年12月底试运营)和地铁六号线的换乘站,地铁6号线钟琴区间里程YK14+781.48设置工作井,优先安排工作井—钟家村站区间盾构施工。

区间穿过区域构造大桥倒转向斜,场区地层岩性复杂,软硬不均,存在很多工程地质问题。隧道沿鹦鹉大道展布,地处汉阳重要商圈,人口密集,交通负荷极重,场区地面建(构)筑物密布,因此,查明区间工程地质条件,分析存在的工程地质问题及对既有构筑物的影响,对确保地铁工程顺利进行有着十分重要的作用。

2 场区工程地质条件

2.1 地形地貌

武汉位于江汉平原东部平原边缘隆起带。场区位于武汉市汉阳区钟家村与古琴台间,地形南北高中间低,区间中西部为月湖。区间线路沿线地势整体较为平缓,地面高程介于22.07～26.90 m,线路区间附近月湖湖底高程在19.70 m左右。本区间所处地貌属剥蚀堆积垄岗状平原区。

2.2 地层岩性

场区覆盖层厚度17.3～30.3 m,整体上琴台高架附近相对较薄,琴台高架两侧相对较厚。地层主要为近代人工填筑土层、第四系全新统冲积层、第四系中更新统冲洪积层、第四系残积层。沿线基岩主要为三叠系灰岩、炭质泥岩,二叠系灰岩、灰岩夹泥质灰岩,石炭系泥质灰岩、泥岩、碎裂硅质岩、炭质泥岩,泥盆系石英砂岩,志留系坟头组泥岩、粉砂岩。岩面整体上呈中间高、两侧低的特征。隧道区间地质纵断面见图1。

图1 隧道区间地质纵断面示意图Fig.1 Schematic diagram of geological profile of tunnel1.人工填土;2.黏土、粉质黏土;3.粉质黏土夹粉砂;4.膨胀土;5.红黏土;6.灰岩;7.泥质灰岩;8.炭质泥岩;9.粉砂质泥岩;10.粉砂岩;11.破碎硅质岩;12.石英砂岩;13.泥岩;14.溶洞。

2.3 地质构造

2.3.1 褶皱

武汉市在大地构造上位于淮阳山字型弧顶西侧与新华夏系第二沉降带复合部位,跨及秦岭褶皱系和扬子准地台两个Ⅰ级构造单元。

区内褶皱形态多见于市区南部的构造剥蚀丘陵区,主要为志留—三叠系地层组成的地台型侏罗山式簿皮构造[1]。褶皱形态以紧密线状为主,背斜较宽阔,一般隐伏于地下,构成谷地；向斜狭窄,构成丘陵主要骨架。其特点为轴线呈北西西或近东西向,并略向南凸出的弧形,西端有向北偏转之势。

工程场区位于大桥倒转向斜的核部及北翼,该向斜西起舵落口,向东沿琴断口、龟山、珞珈山,至八蝶山一带,地表断续出露。轴线呈北西西—近东西向,延伸长达40 km,宽约0.5～1.5 km。核部为三叠系大冶组,两翼为志留—二叠系。产状均向北倾斜,倾角50°～75°。

2.3.2 断层

2.3.2.1 近场区断层概况

区内断层较为发育,主要为北西西向或近东西向、北北东向断层,为区内主干断层,局部发育有北东向断层。近场区断层主要为王家山逆断层F34、长江断层F9,其次为规模较小的古琴台断层F41及龟山断层F42(图2)。

图2 构造纲要图Fig.2 Tectonic outline map1.泥盆系—三叠系;2.断层及编号;3.地层不整合界线;4.指北针;5.志留系;6.覆盖层区推测地层界线;7.拟建工程;8.水系。

(1) 北西西—近东西向断层:该断层规模较大,多沿褶曲两翼分布。以逆掩、逆断层为主,断面一般倾向北,倾角>40°。王家山逆断层(F34)位于大桥倒转向斜北翼,断层上盘泥盆系五通石英砂岩逆冲于二叠系孤峰硅质岩之上。断层多处扭曲变形,被北东、北西向断层错断。

(2) 北北东向断层:该组断层多被覆盖,据遥感、物探资料分析,为一组规模较大的区域性隐伏断层。该组断层走向北东10°～25°,呈逆时针方向扭动,据区域地质资料分析,断层形成较晚,为燕山晚期产物,它切割了北西向断层及白垩—下第三系地层。该断层在近场区主要有长江断层(F9)及古琴台断层(F41)。

(3) 北东向断层:该组断层规模较小,一般为平移断层。距离隧址较近的为龟山断层(F42)。

2.3.2.2 场区断裂构造

根据物探、钻探资料揭示,结合武汉市1∶5万基岩地质图,钟家村站—琴台站区间发育一条规模较大的断层破碎带f1,断裂破碎带分布于右洞里程YK14+920～YK15+030,核心部位于YK14+990,宽约110 m,走向呈近东西向,倾向正北,倾角较陡,约70°；断裂破碎带核心部位为断层泥,两侧为极破碎炭质泥岩,夹碎裂硅质岩。该断裂被北东向断裂错断,为非全新世活动断裂。

2.4 水文地质条件

2.4.1 地表水

场区地表水体主要为月湖湖水,其水量主要来源于大气降水、地表径流和人工蓄水,水位变幅较小。场区总体呈中部高,两侧低,地表水从琴台立交桥向两侧流动。

2.4.2 地下水

根据含水介质和地下水的赋存状况,可将场区内地下水划分为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、岩溶裂隙水、基岩裂隙水四种类型[2]。

2.4.2.1 上层滞水

主要赋存于填土层中,其含水与透水性取决于填土的类型。上层滞水的水位连续性差,无统一的自由水面,接受大气降水和供、排水管道渗漏水垂直下渗补给,水量有限。

2.4.2.2 第四系松散岩类孔隙水

主要赋存于3-5层粉质黏土夹粉砂中,具承压性,富水程度一般,接受周围土层孔隙水侧向补给,并进行侧向排泄。10-2层粉质黏土夹碎石层透水性差,富水程度低;11-1层角砾透水性好,但呈透镜体状分布,富水程度低。勘察期间3-5层稳定水位埋深4.1 m,相应高程为19.24 m;11-1层稳定水位埋深6.2 m,对应高程为15.87 m。

2.4.2.3 岩溶裂隙水

岩溶裂隙水主要赋存于二叠系灰岩中,根据钻探资料,场区溶洞主要分布在工作井及工作井往钟家村站盾构通过区段,揭示溶洞大小在0.40～2.50 m,钻进过程中漏浆严重,有掉钻现象,勘察期间钻孔稳定水位埋深在3.10～5.20 m之间。

2.4.2.4 基岩裂隙水

主要赋存于强—中等风化基岩裂隙及构造破碎带中,强—中等风化基岩裂隙水总体来说水量贫乏,对隧道工程影响较小。构造破碎带节理裂隙发育,岩体透水性较好,对隧道工程有一定影响。

2.5 特殊性岩土与不良地质现象[3]

2.5.1 特殊性岩土

本区段存在的特殊性岩土主要有人工填土、膨胀土、红黏土及强风化岩。

(1) 人工填土:场区均有分布,为新近人工堆填,厚度0.60～6.50 m。成分为工业煤渣、黏性土夹碎石、块石、建筑垃圾及生活垃圾等,结构疏密不均,透水性及力学性能差异较大。

(2) 膨胀土:场区大范围分布有黏土(10-1)、粉质黏土(10-1a)层、黏土(10-1b)及黏土夹碎石(10-2)。试验结果表明,黏土(10-1)层自由膨胀率在33%～69%,平均值为47.07%,膨胀力为12.0～125.0 kPa；粉质黏土(10-1a)层自由膨胀率在34%～57%,平均值为42.09%,膨胀力为10.0～25.0 kPa；黏土夹碎石(10-2)层自由膨胀率在42%～46%,平均值为43.75%；根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB 50307—2012)第12.5节,黏土(10-1)膨胀潜势分类属弱—中；粉质黏土(10-1a)层膨胀潜势分类属弱膨胀；黏土夹碎石(10-2)层膨胀潜势分类属弱膨胀。这几层土吸水膨胀后土体强度将急剧降低。

(3) 红黏土:场区琴台立交桥以南段碳酸盐类基岩面以上多分布有次生红黏土,该地层具有高塑性(IP=20.8)、高液限(ωL=47.1)、上硬下软等特征,土层暴露后期强度会迅速降低。试验资料显示该地层自由膨胀率在42%～79%,平均值为54.32%,膨胀力为25～187 kPa；根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB 50307—2012)表12.5.5-1,具弱—中膨胀潜势。红黏土在胀缩性能上以收缩为主,在天然状态下膨胀量小,收缩性高；其膨胀潜势主要表现在失水收缩后复浸水的过程中,一部分可表现出缩后膨胀,另一部分则无此现象。

(4) 强风化岩:主要分布在月湖及月湖以北一带,基岩为志留系粉砂质泥岩、粉砂岩,岩体风化严重,呈粉质黏土、粉土状,部分呈角砾土、混黏性土状,土体多呈褐黄色、灰白色。强风化土体厚度>10 m,位于隧道底板以下。

2.5.2 不良地质作用

岩溶:场区琴台立交以南段分布有可溶性二叠系、三叠系及石炭系灰岩,根据钻探情况,工作井段岩溶较发育,灰岩埋藏于第四系覆盖层下,覆盖层层厚22.0～25.0 m,溶洞洞径0.6～2.5 m,揭示岩溶钻孔岩芯岩溶率为1%～4%。场区岩溶按埋藏条件分类属浅覆盖型岩溶,岩溶发育程度级别为中等发育。溶洞呈半充填状,充填物为流塑—软塑状黏性土混碎石,钻进时漏浆严重。经现场踏勘,岩溶发育段附近未发现地面塌陷现象。

3 工程地质问题评价

3.1 断层破碎带

在琴台高架附近存在构造破碎带,该区段隧道从极破碎炭质泥岩及碎裂硅质岩中穿过,由于岩体破碎,围岩强度大,而且软硬不均匀,稳定性差,地下水比较丰富,盾构通过时可能发生涌水；破碎地段的岩块较大,易堵塞螺旋输送机；断裂带碎裂硅质岩岩块强度大,要求盾构破岩能力强等问题,设计施工时需采取相应措施解决其不利影响。

3.2 岩溶

通过本次勘察,发现竖井附近岩溶发育,盾构施工时,一旦揭穿溶洞可能发生盾构机栽头、陷落、突水、突泥等事故,对盾构施工影响较大。

区间隧道部分段位于覆盖层中,部分段隧道下部位于中等风化、微风化灰岩及溶洞中,可考虑适当抬高隧道底板埋深,将隧道底板全部埋置于第四系覆盖层,避开灰岩中的溶洞。

由于地铁4号线钟(家村)五(里新村)区间和6号线钟(家村)工(作井)区间交叉,6号线右线无法避开灰岩分布地段,盾构施工进入灰岩段,在安装环片时,盾构机前方发生突水,施工单位调整盾构机刀盘与掌子面压力到0.6 MPa时,将突水止住。

若不能避开岩溶发育区,宜对岩溶发育区段进行施工勘察,以查清岩溶区的详细地质情况[4],根据勘察结果调整施工方案,以规避溶洞对施工的不良影响。

3.3 膨胀岩土及红黏土

隧道洞身段大部分埋设在(10-1)层黏土、(10-2)层黏土夹碎石及(13-2)层次生红黏土中,该类土层黏粒含量高,均具膨胀性,具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形性能,即使在荷重作用下仍能浸水膨胀,产生膨胀压力,同时该土还具有胀缩变形的可逆性,在吸水膨胀和失水收缩后,有再吸水再膨胀、再失水再收缩的特性,在反复膨胀收缩的过程中,能产生较高的膨胀力。盾构机在膨胀系数较大的岩土层中掘进,一来很容易被遇水膨胀的土层“裹死”,导致姿态难以控制,轻则影响隧道成型质量,重则可能造成线路偏差超限；二来掘进过程中,挖掘面的黏性土体受到刀盘的碾压极易在刀盘面和土仓内壁上形成附着的泥饼,坚硬的泥饼将会把刀盘开口堵塞,严重降低盾构机掘进能力。刀盘泥饼与土仓中隔板的长时间摩擦会导致中隔板等位置的温度快速升高,从而引起回转中心橡胶密封件性能的下降,威胁盾构施工的安全。

在设计施工时可考虑采用适当扩大开挖直径,以解决盾体“裹死”现象；通过添加阳离子型添加剂,改变盾构机设计、选型、掘进参数等措施消除盾构过程的刀盘泥饼[5]。

3.4 上软下硬地层

场区隧道沿线基岩面有一定的起伏,部分段隧道需穿过较硬的中等风化、微风化灰岩,因而掘进过程将面临上软下硬地层,在这种地层掘进可能发生盾构机抬头、偏移或被卡住、蛇行推进,注浆不及时易产生隧道管片破损以及盾构机损坏等许多难以预料的问题[6],施工设计时应引起重视。

3.5 突水、涌砂及管涌

靠近琴台站附近存在3-5层粉质黏土夹粉砂,该层为承压含水层的过渡层,呈“千层饼”状,易发生涌砂、管涌破坏,设计及施工时应引起重视。联络通道附近存在11-1层角砾,由于11-1层呈透镜体状分布,角砾石间充填物为粉质黏土,因此11-1层含水量有限,发生突水事故的可能性较小。

4 周边环境分析与评价

场区位于武汉市钟家村商业中心,建(构)筑物密布,隧道左线与闽东大厦(28层)最近距离约12 m,右线与新世界百货(商业中心)最近距离约11 m,工程建设时需严格控制变形、地面环境卫生、施工震动、施工噪音,做好施工组织。隧道穿越京广铁路、琴台立交等重要交通干线,京广铁路桥及琴台立交桥基础允许沉降变形量极小,需采取施工控制措施,防止施工引起地面变形过大。

5 结语

武汉地铁6号线钟琴区间地质条件复杂,拟建区间可能面临断裂破碎带、岩溶、膨胀岩土及红黏土、上软下硬地层、突水、涌砂及管涌等工程地质问题,通过分析和评价,对拟建场区的工程地质条件及工程地质问题有了清楚的认识,为工程设计及施工提供了地质依据,也可作为同类工程的参考。

[1] 湖北省区域地质矿产调查所.武汉市基岩地质图(1∶50 000)[R].武汉:湖北省区域地质矿产调查所,1988.

[2] 李智毅,杨裕云.工程地质学概论[M].武汉:中国地质大学出版社,1994.

[3] 常士骠,张苏民.工程地质手册[M].第四版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[4] 卫晓波.盾构隧道区间溶土洞处理技术[J].山西建筑,2010(18):341-343.

[5] 赵巨川.盾构在膨胀岩土中掘进的应对措施[J].城市建设理论研究,2012(12):202-204.

[6] 王恒.上软下硬复合地层盾构施工掘进参数研究[D].合肥:安徽建筑工业学院,2012.

(责任编辑：陈文宝)

Engineering Geological Problems of Wuhan Metro Line 6 in theZhongjiacun-Qintai Section

LIU Jianping, WU Gang

(ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignInstituteCo.,Ltd,Wuhan,Hubei430050)

Through the engineering geological exploration,analysis and evaluation have been done on the engineering geological problems of fracture zone,karst caves,expansive soils and red clay,upper-soft lower-hard ground,water and sand gushing,piping,with a clear understanding of the engineering geology condition and other engineering geology problems in the proposed site area.

engineering geological problems; metro; Wuhan

2014-12-25;改回日期:2015-03-13

刘建平(1981-),男,工程师,硕士,地质工程专业,从事岩土工程勘察工作。E-mail:liujp@brdi.com.cn

P642; U231

A

1671-1211(2015)04-0472-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504022

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1333.004.html 数字出版日期:2015-06-19 13:33