成都地铁4号线二期盾构隧道漂卵石专项勘察分析

桂金祥， 李建强， 王佳亮

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)



成都地铁4号线二期盾构隧道漂卵石专项勘察分析

桂金祥， 李建强， 王佳亮

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

为探索漂卵石地层地质勘察方法，查明成都地铁4号线二期工程西延段漂石分布、含量、粒径、强度等工程特性，通过现场井群降水、人工大口径探井开挖、钢筋混凝土护壁、井下地质编录和漂石的量测、现场K30试验、密度试验、取样和水文地质试验等综合方法，查明了漂石的空间分布、含量、粒径大小、形状、强度等特征以及漂卵石土的机床系数、天然密度、水文地质特性。从地质条件、周边环境、工程经验等综合考虑，分析了地铁隧道工法的选择、隧道埋深、盾构选型，预测施工中可能出现的岩土工程问题，并提出针对性的工程措施建议以及漂卵石地层勘察方法的选用建议。

成都地铁； 盾构隧道； 专项勘察； 漂卵石特征； 盾构选型

0 引言

本专项勘察在利用既有勘察资料的基础上，结合地质条件和盾构隧道特点，通过地质测绘，采用常规勘察难以开展的现场大口径井群降水、大口径探井人工开挖、井下地质编录和漂石的量测、现场K30试验、密度试验、取样试验及水文试验等综合方法，查明漂卵石的空间分布、含量、粒径、强度和水文地质等特征；分析评价漂卵石对工法的选择、隧道埋深的确定及盾构选型，预测施工中可能出现的岩土工程问题，并提出针对性的工程措施建议，为工程设计施工提供必要的基础资料，同时为类似工程的勘察和建设提供借鉴。

1 地质特征

成都平原为岷江及其支流等多个冲积扇重叠联缀而成的复合冲积扇平原，为川西平原岷江水系Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地。成都地铁4号线二期工程西延线位于川西成都平原岷江水系Ⅰ级阶地，为侵蚀-堆积地貌，沿东西走向，地形开阔、平坦，地势总体呈西高东低。

成都属东部季风区中亚热带湿润气候亚区，雨量充沛，四季分明，夏季多暴雨；年平均降水量800～1 000 mm，多年平均气温15～16 ℃，7月最高可达26 ℃以上；全市年平均相对湿度可达80%～ 85%，蒸发量年平均为877～1 130 mm。

成都平原由第四系不同时期和不同成因类型的松散堆积物组成，以中上更新统分布最广，其余为零星分布；具典型的二原结构，表层为黏性土，其下为冰水沉积冲积层漂卵石土夹粉细砂，俗称雅安砾石层。代表性漂卵石层剖面见图1。地层厚度变化大，从西北向东南厚度变薄，覆盖层厚度数十m，下伏基岩为白垩系泥岩。

图1 代表性漂卵石层剖面

成都平原处于我国新华夏系第三沉降带——四川盆地西南缘，界于龙门山构造带山前江油—灌县区域性断裂与龙泉山背斜西翼断裂之间，为断陷盆地，成都平原及周边构造纲要见图2。受区域构造第四系古地貌控制，第四系厚度在从西向东、自北朝南逐渐变薄。历史地震资料显示，市区一带至今尚无强震记录，地壳稳定性良好。

图2 成都平原及周边构造纲要

Fig. 2 Structure class of Chengdu Plain and its surrounding areas

成都平原地下水主要为第四系松散堆积砂卵石层孔隙潜水，白垩系灌口组泥岩风化裂隙水深埋于第四系堆积层之下，水量较小。第四系孔隙潜水自上而下由一套透水性不同、具有统一水力联系的孔隙含水岩组组成，含水层主体为更新统砂砾卵石层，与沿河渠故道呈条带状叠置于其上的全新统卵石层，共同组成区内第四系孔隙含水岩组。区内地下水具水流交替循环强烈、水位恢复迅速的特点。由于含水层有西厚东薄、北厚南薄的特点，富水程度随含水层厚度的减薄而减小。地下水等水位及埋藏深度分布见图3。

图3 地下水等水位及埋藏深度分布

Fig. 3 Groundwater level contour map and buried depth distribution

2 专项勘察方案

2.1 地质测绘

通过场地及周边既有工程施工揭示，了解沿线漂卵石层的分布和特征，对线路附近成都师范学院分校、孔雀城二期、湟浦国际、佳兆业广场等既有基坑进行地质测绘。成都师范学院分校基坑全貌见图4，湟浦国际基坑全貌见图5。

图4 成都师范学院分校基坑全貌

Fig. 4 Foundation pit of branch campus of Chengdu Normal University

图5 湟浦国际基坑全貌

地质测绘表明： 漂卵石层埋深一般为3～5 m，卵石层中含有一定数量的漂石，漂石粒径一般小于50 cm。

2.2 既有工程地质钻孔资料利用

结合地质条件和工程类型进行工程勘探孔布置。鉴于成都地区漂卵石钻进经验，西延线钻探过程中，采用金刚石钻进，植物胶护壁，单动双管，岩芯采取率高，代表性钻孔取芯见图6。本次利用地质钻孔共112孔，岩芯鉴定时对漂石进行单项记录、统计及综合分析，绘制漂石分布散点图，分析不同深度漂石的大小和含量等特征。针对性地布置代表性超重型动力触探，判断卵石土的密实程度。

2.3 井群降水、钢筋混凝土护壁的大口径井探

在地质测绘和利用既有地质资料的基础上，鉴于漂卵石层埋深一般为3～5 m，厚度大于40 m，有富含水、强透水(渗透系数一般为25～30 m/d)、自稳性差等特点，在每个探井周围设置3—4个口径为300 mm的深管群井降水。代表性探井及降水井布置示意图见图7。井口设置锁口，人工开挖探井锁口圈示意图见图8。探井采用200 mm厚C20钢筋混凝土护壁，实施探井分节开挖、分节护壁，分节高为1 m，探井护壁见图9。

图6 代表性钻孔取芯

图7 代表性探井及降水井布置示意图(单位： mm)

Fig. 7 Representative exploratory wells and layout of dewatering wells (mm)

图8 人工开挖探井锁口圈示意图(单位： cm)

Fig. 8 Sketch diagram of manual excavated exploratory well locking rings (cm)

图9 探井护壁

根据地质测绘、初勘钻探资料和既有相关地质资料，结合拟建隧道埋置深度等，自西向东代表性布置8个口径为1.5～2.0 m的探井。探井位置分布示意图见图10。根据地质条件和工程初步方案，探井设计深度见表1。

图10 探井位置分布示意图[1]

m

井下对漂石分布、大小、形状等进行量测编录，代表性井下编录见图11。

2.4 现场K30原位试验

在探井不同深度处进行K30试验(现场K30试验见图12)，测定漂卵石土强度、变形、基床系数等，现场测定砂卵石土天然密度。本次完成K30试验51点，天然密度测试26次。

2.5 水文地质试验

结合沿线水文地质特征及场地条件，进行了8个带观测井的大口径抽水试验。

图11 代表性井下编录

图12 现场K30试验

2.6 室内试验

对探井和钻孔进行取样试验，测定砂土天然休止角，分析卵石土颗粒，点荷载试验测定漂卵石抗压强度。本次共完成漂石抗压强度测定42组，点荷载试验26组，砂卵石土颗粒分析26组，水质试验8组。

2.7 综合地质分析

根据既有资料、地质调绘、探井、钻探、水文地质试验、原位测试、室内试验等综合勘察资料，对各种勘察方法得出的结果进行纵、横向对比分析，综合分析西延线的地质情况，分析评价其对工法选择的影响，预测施工中可能出现的岩土工程问题，并提出针对性的工程措施建议。

3 勘察成果分析

3.1 砂卵石层分布特征

图13 代表性透镜状砂层

3.2 钻孔揭示漂石统计分析

成都平原冰水沉积漂石多为椭球状或扁平状，空

间分布垂直方向多为短边，水平方向多为长边，钻孔岩芯鉴定时对竖向长度大于18 cm的岩芯判定其长边大于20 cm。按漂石进行编录，对全线112个钻孔进行统计分析，钻孔揭示漂石含量、粒径随深度分布统计见表2。漂石含量、粒径随深度分布见图14，各区间钻孔揭示漂石钻孔数统计见表3。各区间钻孔揭示漂石含量统计见表4。

由表2、图14及表3—4分析得知： 在平面上自西向东(从大学城站到终点)，漂石含量递减；大学城站—杨柳河站—凤溪站所揭示的漂石比例较高，钻孔见漂石率在75%以上；大学城段最大漂石粒径为34 cm，且埋深为10～30 m的漂石含量达1.2%以上；凤溪站—光华公园站—西部新城西站—凤凰大街站—西部新城站—终点的漂石含量相对较低，埋深为10～30 m的漂石含量为0.3%～0.8%。

表2 钻孔揭示漂石含量、粒径随深度分布统计

注： 漂石占其地层厚度的比例=(漂石总长/卵石层总厚度)×100%=1.53%。

图14 钻孔揭示漂石含量、粒径随深度分布

Fig. 14 Contents and particle sizes of boulders in different depths showed by hole drilling

表3 各区间钻孔揭示漂石钻孔数统计

Table 3 Statistics of drilling holes and holes with boulders showed by hole drilling

区间名称揭示漂石钻孔数段内所有钻孔数揭示漂石钻孔所占比例/% 大学城站—杨柳河站162176杨柳河站—凤溪站81080 凤溪站—南熏大道站51145 南熏大道站—光华公园站61155 光华公园站—西部新城西站91753 西部新城西站—凤凰大街站71258 凤凰大街站—西部新城站82040西部新城站—终点4944

表4 各区间钻孔揭示漂石含量统计[1]

深度为0～7 m及37 m以下漂石含量明显较少，深度为14～21 m漂石含量也相对较少，粒径较小(小于25 cm)；从随深度漂石含量、粒径考虑，14～21 m和37 m以下是盾构穿行的理想深度。同时也应考虑到，深度为37 m的隧道埋深相对较大，地下水位较高(地下水位埋深一般为6～10 m)，水压较大时会对盾构产生不利影响。

3.3 探井揭示漂石分布统计分析

探井揭示漂石大小、含量随深度分布统计分析结果见表5。揭示漂石个数及长短边之比统计见表6。最大漂石统计见表7。

由表5—7可知： 各探井漂石含量为5.90%～24.50%，平均为15.85%。其中粒径为20～30 cm的漂石含量为3.71%～19.12%，平均为11.53%；粒径为30～40 cm的漂石含量为0.21%～6.47%，平均为3.53%；粒径为40～50 cm的漂石含量为0.07%～2.30%，平均为0.80%；粒径大于50 cm的漂石含量为0～1.09%，平均为0.44%。粒径为20～40 cm的漂石占漂石总量的90%～97%，粒径大于40 cm的漂石占漂卵石体积比的0.4%～1.7%，占漂石总量的3%～7%。

漂石随深度的分布情况： 深度为0～5 m的漂石含量为4.40%，深度为5～10 m的漂石含量为7.75%，深度为10～15 m的漂石含量为8.10%，深度为15～20 m的漂石含量为8.84%，深度为20～25 m的漂石含量为8.36%。深度为5～25 m的漂石含量相对稳定在7.75%～8.84%。

1#及1-1#—1-4#探坑漂石含量较高，达17.04%～18.38%，最大漂石粒径为66 cm，隧道洞身范围内漂石含量变化较小，对盾构影响较大；1-5#和2#探坑漂石含量约15.96%和13.43%，漂石在10～16 m富集；3#探坑漂石含量约10.94%，漂石在13～15 m相对富集。总体来说，由西向东(从大学城站到终点)漂石含量呈现减少的特征。

表5 探井揭示漂石大小、百分比含量随深度分布统计

Table 5 Contents and particle sizes of boulders in different depths showed by exploratory wells

%

表6 探井揭示漂石个数及长短边之比统计

表7 探井最大漂石统计

3.4 漂卵石土天然密度及漂卵石强度特征

经现场试验及取样试验，漂卵石土天然密度、含水率统计结果见表8。漂卵石土颗粒分析表明卵石土卵石含量一般为70%～85%，其余为圆砾和砂充填。漂石天然抗压强度统计见表9。

表8 漂卵石土天然密度、含水率统计

Table 8 Statistics of natural density and water content of boulder and pebble soil

统计项样本个数最大值最小值平均值天然密度ρ/(g/cm3)262.272.162.23天然含水率ω/%26160.64.9换算含水率ωf/%10162.36.1

表9 漂石天然抗压强度统计

不同母岩成分的漂石在空间上随机分布，漂卵石强度高，尤其是石英砂岩，对盾构刀具选型有较大影响。

3.5 卵石土水文地质试验

场地卵石土为强透水层，具有富水性好、渗透性强、补给充足的特点。一般地质勘察由于钻孔口径较小，不利用强透水层和没有观测井的抽水试验，数据采集难度较大，试验结果误差较大。本次水文地质试验充分利用大口径、大降深的探坑降水井或井群进行带观测井的抽水试验，从而提高试验的准确性。全线主要含水层共8个降水井进行了抽水试验，见表10。

根据抽水试验，场地内卵石土为强透水层，渗透系数一般为25.2～28.7 m/d。

根据线路场地水文地质条件特征，结合钻孔水文试验成果和室内试样渗透试验，综合地区经验，确定主要岩土层渗透系数K和透水性建议，见表11。

表10 抽水试验成果

表11 主要岩土层渗透系数和透水性建议

全线地下水位埋深为4.30～10.00 m，水位年变化幅度为2～3 m，漂卵石富含于地下水，强透水，随着隧道埋深的增大，水压升高。根据地质剖面和水文特征，隧道穿行于卵石层中。

3.6 卵石土基床系数

经现场K30原位试验，测得卵石土基床系数见表12。

表12 卵石土基床系数统计

在探井不同深度处进行K30现场试验，中密卵石土基床系数垂直K为124 MPa/m， 水平K为128 MPa/m； 密实卵石土基床系数垂直K为138 MPa/m，水平K为139 MPa/m。

3.7 综合分析

3.7.1 工法选择

拟建工程沿线上覆3～5 m黏性土，其下为厚度大于40 m的卵石层，探井揭示漂石含量为7.75%～8.84%，漂石粒径一般小于40 cm;既有钻孔资料揭示埋深为10～30 m的漂石含量达0.3%～1.2%，最大漂石粒径为34 cm；地下水位埋深4.30～10.00 m，渗透系数为25.2～28.7 m/d，稳定性差；周边地下管线、建构筑物密集；工期紧。从本项目的地质条件、周围环境、工期要求、经济性等方面分析，拟建工程适宜采用盾构法施工[3，5]。

3.7.2 隧道埋深

探井成果揭示，深度为5～25 m的漂石含量在7.75%～8.84%，漂石粒径多集中在20～40 cm，占漂卵石体积比的8%～17%，占漂石总量的90%～97%；粒径大于40 cm的漂石占漂卵石体积比的0.4%～1.7%，占漂石总量的3%～7%；最大漂石粒径为66 cm。经钻孔揭示，在深度为0～7 m及37 m以下漂石含量明显较少，14～21 m漂石含量也相对较少，粒径小于25 cm。从随深度的漂石含量、粒径考虑，14～21 m和37 m以下是盾构穿行的理想深度。综合考虑地质条件、地下水位、水压、环境、线路方案、经济性等因素，隧道埋深宜选择在14～21 m。

3.7.3 盾构选型

盾构选型一般可从地层渗透系数法、地层颗粒级配法、地下水水头压力法中分析，重点考虑的地质条件有： 砂卵石层的分布、松散程度，漂卵石的含量、粒径、强度，地下水位、水压、流速，充填物的类型、含量，开挖面稳定性等。拟建隧道穿越地层为卵石层，地层中密—密实、含漂石、偶夹0～2 m的砂透镜体，地下水位高、富含地下水、强透水，开挖面稳定性差，易发生涌水等，结合既有工程经验，盾构选型宜优先采用加泥式土压平衡盾构[4，7-8，11]。在地下水压偏高、场地条件允许且沉降需严格控制的区间也可选择泥水平衡式盾构。

3.7.4 盾构主要参数[6,10-11]

因粒径为20～40 cm的漂石占漂石总量的90%～97%，粒径大于40 cm的漂石占漂卵石体积比的0.4%～1.7%，占漂石总量的3%～7%。因此，盾构刀盘的开口尺寸和开口率宜偏大，利用漂石进舱，土压平衡盾构漂石进舱粒径最大可达670 mm[7]，比泥水平衡盾构漂石的进舱粒径要大。本次勘察揭示漂石最好粒径为660 mm，小于进舱最大尺寸要求；漂石天然抗压强度为41.8～299 MPa，漂卵石强度高；漂卵石含量高达65%～75%；因此，盾构刀片宜选用硬度大，抗剪性、耐磨性好的刀片。考虑到在漂卵石层中长距离掘进，又要能顺利地排除大漂石，采用高耐磨柱状辐条式刀盘或小幅面板+辐条式的组合刀盘较好。

3.7.5 施工中可能出现的工程地质问题[5，7，9-10]

大粒径、高强度漂石的存在，加之分布规律性差，可能造成盾构刀具的损坏；椭球状、扁平状中等粒径漂石可能会卡住刀盘，影响盾构掘进。

丰富的地下水会对土压平衡盾构产生不良影响，可通过向开挖的土体中添加材料来减小开挖土体的渗透系数，即要采用加泥来提高土的抗渗性和稳定性。

如隧道埋深过浅，施工中易因增压引起上覆地层和地面的隆起，失压会引起沉降和塌陷，造成地面及周边建构筑物损坏。

3.7.6 设计施工建议

建议根据漂卵石分布、含量、粒径、强度，地下水文地质特征，线路平纵方案，周边环境条件，技术经济，工期等综合考虑隧道的最佳埋置深度、盾构选型和参数配置。

施工中注意推进速度、盾构姿态、刀片磨损、掘进异响和土压力等参数的控制，注意对涌水、声音、振动和温度等的检测。

由于地层水位高，应注意盾构的密封问题，同时控制土压力，避免增压引起上覆地层和地面的隆起以及失压引起沉降和塌陷，从而避免对地面及周边建构筑物的破坏。

成都地区暴雨、强降雨频发，设计及施工中应注意预防暴雨、强降雨等引发的地表水汇积、下渗、地下水位突升等对工程施工的危害。

4 结论与讨论

4.1 勘察方法的选用

1)常规地质钻孔孔径较小，对岩芯切削、扰动较大，对漂卵石取芯困难，难以准确揭示漂石的分布、含量等工程特征；而探井开挖直观、准确，同时可进行K30试验、密度试验、取样试验、水文试验等测试试验，能准确揭示漂石分布、含量、粒径、强度等工程特性，还能测得漂卵石土的天然密度、机床系数、水文地质特性等特征。

2)本次勘察是基于可能存在含量较多的大漂石对盾构隧道施工的风险，在得到业主的支持和施工单位的配合后而进行的专项地质勘察，是地质勘察的新模式，其勘察成果具有重要意义。

3)类似的地质勘察在条件许可时，可借鉴本次勘察实例，选用人工探井与多种测试试验相结合的综合勘察方法。

4.2 存在的问题和建议

1)对富含水、强透水漂卵石的大口径探井人工开挖，需要采取井群降水、探井护壁等措施，涉及到施工资质，同时需较多的勘察费用等，这对勘察单位来说一般情况下是难以实施的。

2)根据地质条件的复杂性和对拟建工程的影响，宜开展专项勘察。

3)结合工程施工进行必要的现场测试(如在工作井、基坑进行现场K30试验、密度试验等)，采集漂石分布、含量、粒径、强度、水文地质特征等地质信息，为拟建工程的设计和施工积累地质基础资料。

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Special Survey and Analysis of Boulders and Pebbles of Shield Tunnel of Phase Ⅱ of Chengdu Metro Line No. 4

GUI Jinxiang, LI Jianqiang, WANG Jialiang
(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

In order to learn the distribution, content, diameter and strength of boulders and machine tool coefficient, nature intensity and hydrogeological characteristics of boulders and pebbles met on west extended section of Phase Ⅱ of Chengdu Metro Line No. 4, a series of methods, i.e. in-situ well group dewatering, manual excavation of large-diameter exploratory well, reinforced concrete retaining wall, underground geological compilation and measuring, site K30 test, intensity tests, sampling and hydrogeological tests of boulders, are carried out. The construction method selection, tunnel buried depth and shield type selection are analyzed; the potential geotechnical issues occuring during shield tunneling are predicted. Finally, some countermeasures and surveying method for boulders and pebbles are suggested.

Chengdu Metro; shield tunnel; special survey; features of boulders and pebbles; shield type selection

2016-11-01;

2016-12-30

桂金祥(1966—)，男，云南陆良人，1989年毕业于西南交通大学，工程地质与水文地质专业，本科，高级工程师，主要从事铁路、地铁、公路等工程地质、水文地质的勘察技术工作。E-mail: 3216516915@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.014

U 452.1

B

1672-741X(2017)04-0476-10