特殊地质条件下地铁施工技术措施

2018-02-18郭红梅

西部探矿工程 2018年1期

郭红梅

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京100101）

1 概述

目前我国各地正大力兴建地铁，各地都较普遍地存在着大量不良地质和特殊性岩土，常见不良地质作用有岩溶、活动断裂、地面沉降、地裂缝、采空区、砂土液化等，常见特殊性岩土有填土、软土、膨胀岩土、风化岩和残积土、湿陷性黄土等。本文分析总结了主要的不良地质作用和特殊性岩土对地铁施工造成的不利影响以及应采取的主要技术措施，为地铁新线建设提供参考，以确保地铁施工安全。

2 不良地质作用及技术措施

2.1 岩溶

2.1.1 不良影响

在暗挖过程中若碰到充填的地下水或松散物，将是重大威胁，更危险的还在于到处连通的地下水。对地下线路而言，可能造成盾构机跌落事故，明（盖）或暗挖法施工时岩溶承压水可能击穿隔水底板或造成岩溶水突涌。对高架线路来说，溶洞的存在对桩基承载能力产生不利影响，桩基底部的溶洞，可能因溶洞顶板厚度不够，压碎顶板，桩基承载能力损失。

同时，岩溶地层的桩基施工过程中可能引起垮孔、漏浆、断桩等施工事故。

2.1.2 技术措施

开工前要采用物探、钻探等相结合，互相认证，确定溶洞发育地带。

对地基稳定有影响的岩溶洞隙，应根据其位置、大小、埋深、围岩稳定性和水文地质条件综合分析、因地制宜地采取下列处理措施[1]：①对洞口较小的洞隙，宜采用镶补、嵌塞等方法处理；②对洞口较大的洞隙，宜采用梁、板和拱等结构跨越，也可采用浆砌块石等堵塞措施；③对于围岩不稳定、风化裂隙破碎的岩体，可采用灌浆加固和清爆填塞等措施；④对规模较大的间隙，可采用洞底支撑或调整柱距等方法处理。

2.2 活动断裂

2.2.1 不良影响

活动断裂带是地表表层薄弱地带，断裂带上、下两盘的岩性往往不同，接触带岩层的整体性、岩性均一性极差，盾构掘进时易造成刀盘偏磨严重。隧道易发生坍塌、甚至冒顶，基坑开挖易产生突涌断裂构造降低了岩体的强度及稳定性，会发生较大沉陷，易造成地铁结构断裂或倾斜。

2.2.2 技术措施

在可行性研究勘察时，应建议避让全新活动断裂和发震断裂，避让距离应根据断裂的等级、规模、性质、覆盖层厚度、地震烈度等因素综合确定。非全新活动断裂可不采取避让措施，当浅埋且破碎带发育时，可按不均匀地基处理。

2.3 地面沉降

2.3.1 不良影响

隧道盾构区间随着地面不均匀沉降，盾构管片间发生变形错位，导致防水破裂，造成隧道渗水。若地面沉降过大，导致测量水准点下沉，若不及时调整水准基点标高，造成区间隧道不能贯通。

2.3.2 技术措施

地面沉降的原因主要是超量抽取地下水及城市建设施工时产生的，可以通过采取如下一系列措施减缓和预防地面沉降灾害的发生。①加强地面沉降基础研究工作，在监测数据整理分析的基础上，建立地面沉降预警预报系统，预测地面沉降的发展趋势；②科学合理控制地面沉降区地下水的开采量、开采层位、开采范围；③强化城市建设施工管理，避免加剧地面沉降；④加强政府宏观管理，增强全民防灾减灾意识。

2.4 地裂缝

2.4.1 不良影响

由于受地裂缝的错动作用可能导致隧道衬砌变形破坏，可能造成如下几种隧道病害：①地裂缝带的活动会引起地铁隧道衬砌的变形，变形大时会导致跨地裂缝处的轨道产生变形；②当地裂缝的活动量超过了地铁隧道衬砌的允许变形量时，衬砌开裂，拱顶、边墙等裂损处发生渗漏水现象。

2.4.2 技术措施

一般情况下，只能通过调整与地裂缝配置关系，及采取隔离的途径或转嫁构造力作用的办法，以达到减轻和防治地裂缝灾害的目的，当地铁线路完全避开无法实现时，应采取减缓和设置适应性结构措施等[2]。

（1）控制承压水开采能基本控制地面沉降的发展和地裂缝的活动强度。

（2）适当扩大地裂缝影响范围内的衬砌断面，设置可调式浮置板道床主动适应地裂缝变形。

2.5 采空区

2.5.1 不良影响

采空区对地铁工程的不利影响主要表现在采空区垮塌引起地面塌陷和开裂，在可研阶段，应通过综合勘察手段查明采空区的范围和深度，分析采空区的影响程度，为设计和施工提供依据。

2.5.2 技术措施

针对不同的塌陷模式和不同的线路分布地区，应分别采取不同措施。①建地表防排水工程，防止渗漏；②在薄弱地段采取钻孔灌浆或旋喷桩加固处理，同时应结合构筑物抗震设计，采取加固保护措施；③直接对采空区进行充填，充分利用采矿废石，充填采空区；④可考虑采用基础整体浇筑的加固措施，或使用旋喷桩加固法加固基础，即在浅部用旋喷桩形成一硬壳层，再在其上再设置筏板基础；⑤对比较大的塌陷坑，可采用梁式基础、拱形结构，或以刚性大的平板基础跨越、遮盖空区。

2.6 砂土液化

2.6.1 不良影响

地铁车辆段及停车场以浅基础位置，砂土液化可造成地基土承载力、抗剪强度的突然丧失。地铁围护结构若位于液化土层中，基坑侧壁土层、围岩丧失其自稳能力，极易造成塌方事故。高架地铁结构，桩基位于液化土层中，砂土液化可降低桩周土的侧摩阻力，影响桩基承载力。

2.6.2 技术措施

砂土液化的常用防治措施有：合理地选择建筑场地、地基处理、基础和上部结构选择等。

在强震区应合理的选择建筑场地，以尽量避开可能液化土层分布的地段。地基处理可以消除液化可能性或减轻其液化程度。地震液化的地基处理措施很多，可以部分或全部消除液化的影响。此外应增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝。

3 特殊性岩土及技术措施

3.1 填土

3.1.1 工程特性与不良影响

（1）不均匀性：填土组成成份复杂，回填的方法、时间和厚度的随意性，若地铁出入口、U型槽等基础埋深较浅的结构部位坐落于填土上，易产生不均匀沉降，导致结构开裂。

（2）低强度和高压缩性：土质疏松、密度差、固结程度低，抗剪强度低，承载力低，压缩性高。对基坑支护极为不利。

（3）欠压密性与湿陷性：土质疏松，孔隙率高，在浸水后会产生较强的湿陷。对于车辆段，地面线，主要以浅基础和路基为主，人工填土的密实度差，均匀性差，会造成轨道沉降、房屋开裂等事故。

3.1.2 技术措施

填土成分比较复杂，均匀性差，厚度变化大，工程上一般要进行地基处理。常用的地基处理方法有换土垫法，适用于地下水位以上，可减少和调整地基不均匀沉降；机械碾压、重锤夯实及强夯法，适用于加固浅埋的松散低塑性或无粘性填土；挤密法、灰土桩，适用于地下水位以上；砂、碎石桩适用于地下水位以上。

3.2 软土

3.2.1 工程特性与不良影响

（1）压缩性：一经扰动，软土层强度明显降低，变形时间长，变形量大。

（2）低强度：在软土地层中进行管棚钻进施工时，受钻杆挠度、刚度等的影响，易引起钻孔的偏斜、坍塌等，从而影响管棚的形成质量。

（3）渗透性：软土地层中，注浆效果难以控制，难以一次形成有效的止水帷幕。

（4）流变性：软土地区基坑开挖，会引起坑内土体的应力释放，若基坑围护设计和施工不合理，易引起基坑变形和失稳。

（5）固结沉降：当车辆段等地面建筑位于软土地基上时，变形问题、稳定问题及工后沉降问题将出现；软土中盾构法施工，易引起地面较大沉降，引起隧道附近地下管网及构筑物开裂等。

（6）触变性：易造成盾构上部围岩松弛，难以形成压力拱，对于刚脱离盾尾的管片，经常会出现局部或整体上浮。

3.2.2 技术措施

在软土层中进行盾构施工关键的技术问题是安全出洞的技术措施和减少地表变形的技术措施。在软土中盾构出洞时如何保持洞口外土体的稳定，保证盾构平稳地切入土体是盾构施工顺利进行的第一步，出洞技术措施主要包括钢板桩作临时封门和出洞区土体加固等[3]。出洞区外土体利用注浆法、深层搅拌法、旋喷法和冰冻法等方法进行加固，加固后土体渗透系数降低、抗剪强度提高，在洞圈内封门拆除后能保持自立，不发生滑移，不发生渗流。盾构施工后期沉降虽然沉降发展速度较慢，但其累计值还是相当可观的。对于地面有较重要的构筑物来说，除在盾构推进过程中精心施工外，利用跟踪压注固结浆液的方法控制后期沉降是一种效果良好且必须的手段。

3.3 膨胀岩土

3.3.1 工程特性与不良影响

由于膨胀岩具有吸水膨胀和失水收缩等工程特性，具体危害表现在以下几个主要方面[4]：

（1）地下膨胀岩工程：在地下膨胀岩中开挖隧道时，地下洞室普遍发生开裂、内鼓、坍塌和膨胀等变形现象；

（2）膨胀岩路基：膨胀岩在干湿效应的作用下，旱季岩体失水收缩，微裂隙张开，为地表水渗入提供通道，雨季时充水膨胀，强度降低，导致线路走行变样、路肩隆起、侧沟破坏、道床翻浆冒泥等病害。

（3）膨胀岩边坡：膨胀岩边坡的病害可分为坡面病害和坡体病害两大类，坡面病害的破坏形式有剥落、溜塌及局部崩塌，坡体病害的破坏形式有坍塌和滑坡。

（4）膨胀岩地基：如果构筑物选择膨胀岩作为其浅基础持力层，会使承载力达不到要求或由于膨胀压力的作用使构筑物产生倾斜变形。如选择膨胀岩作为桩基等深基础的持力层，则会由于成桩等施工过程中水的影响而使桩的承载力出现问题。

3.3.2 技术措施

膨胀岩的胀缩性主要是由于水的作用而引起的，因此以浅基础的形式建造在膨胀岩地基上的构筑物一般要求在构筑物周围加大散水，不设地表明沟，同时采取措施防止膨胀岩地基中水分的蒸发散失。

合理选择基础埋置深度也是有效措施之一，一般要求强膨胀岩地基，基础应埋置在大气风化作用影响深度以下，对于弱膨胀岩地基，可视胀缩变形大小而适当确定。

膨胀岩边坡应采用强支护、快速施工、快速封闭并加强地表水、地下水的截排等综合治理措施。可以从以下几个方面予以考虑：①禁止雨季施工，尽量避免原岩扰动；②快速施工，速战速决，避免干湿循环导致强度衰减和变形体的牵延；③注浆加固破碎或松动岩层以提高力学稳定性，改变其应力状态向有利于稳定性方面转化；④设置抗滑桩、桩板墙、锚杆挡土墙等支挡结构。

3.4 风化岩和残积土

3.4.1 工程特性与不良影响

（1）由于基岩风化程度不一样，物理力学性质差异很大，盾构施工时，盾构机的姿态很难控制。

（2）当隧道位于不均匀风化岩体内，基岩界面往往为软弱结构面，也是地下水连通界面，易引起掌子面涌水和失稳。

（3）花岗岩残积土及全强风化带若夹有球状风化物（孤石），在刀盘旋转时，很容易造成球体松脱并随着刀盘一起旋转，盾构机无法前进。一方面，造成球体对刀具的侧压力加大，超过一定的极限时刀具折断，另一方面，球体随着刀盘旋转，会对周边的围岩产生越来越大的扰动，容易造成盾构机上方地体发生塌方。

（4）在基坑开挖、隧道暗挖过程中，花岗岩风化岩、残积土遇水易软化、崩解，使地基强度、抗剪强度显著降低，易造成坑底隆起、围岩失稳、基坑垮塌等事故。

3.4.2 技术措施

花岗岩球状风化的处理办法主要有人工破岩石、盾构机破岩、地面钻探地下爆破破岩和冲孔桩破岩4种方法。目前常用的是人工破岩和盾构机直接破岩2种。

在盾构施工中应加密补充地质勘探，掌握球状风化体的分布情况。在掘进过程中通过观察盾构机掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化，来判断是否碰上了球状风化岩体。

全风化、强风化及残积的花岗岩地层中，尽管可能还保留长石类矿物晶体结构的轮廓，但其内部已经风化为粘土矿物，并且总含量基本保持不变，一旦卸荷或遇水，矿物晶体结构的轮廓将被破坏，粘土矿物吸收水分膨胀，盾构掘进过程中易形成泥饼。在易结泥饼的地层中掘进时，应考虑采取以下措施：①根据地质条件，有针对性地向密封土舱和刀盘面板适量加注高质量的泡沫或聚合物或膨润土或其中的2种混合液甚至3种混合液，以改善土体的和易性和塑性；②在浅埋隧道施工，地层相对自稳定时，设定的出土压力不宜超过主动土压，宜采用欠土压平衡模式；③若地层稳定性较差，但隔气体性较好时，宜采用辅助气压作业，掘进宜采用欠土压平衡模式；④采用冷却措施，避免密封土舱高温高热；⑤避免密封土舱饱满时长期停机，宜以泥浆或粘性差的砂土代替部分土体充填密封土舱。

3.5 湿陷性黄土

3.5.1 工程特性与不良影响

（1）黄土节理：黄土层常具有各方向的构造节理，有的原生节理呈X型，成对出现，并有一定延续性。在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。如果位于隧道顶部，极易产生塌顶。如果位于侧壁，则普遍出现侧壁掉土，常会引起较大的坍塌。

（2）黄土冲沟地段：当隧道在较长范围内沿着冲沟或塬边平行走向，而覆盖较薄或偏压很大的情况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。

（3）黄土溶洞与陷穴：隧道若修建在其上方，则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方，施工时有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压。

（4）水对黄土隧道施工的影响；由于黄土在干燥时很坚固，承载力也较高，施工可顺利进行。当其受水浸湿后，出现不同程度的湿陷性，会突然发生下沉现象，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，易造成坍塌。

3.5.2 技术措施

黄土地区的湿陷变形往往是局部和突然发生的，而且变形速率大，不均匀。应根据湿陷性黄土的特点和工程要求，因地制宜，把消除湿陷变形作为先决条件，采取以地基处理为主的综合措施，防止地基湿陷，结合防水措施和结构措施，保证构筑物的安全和正常使用[5]。

（1）地基处理措施[6]：湿陷性黄土地基处理的方法很多，如垫层法、强夯法、挤密法、预浸水法、桩基础法、深层搅拌桩法及化学加固法等。

（2）防水措施：做好总体平面和竖向设计，保证整个场地排水通畅，保证管网和水池类构筑物的工程质量，防止漏水，做好排除屋面雨水和房屋内地面防水的措施；对于明挖区间和车站来说，需要回填一定深度的土来做覆盖层，可考虑提高回填士的密实度，或者单独做一层或多层隔水层，阻断入渗路径；基坑开挖及地下结构施工时，应尽量避开雨季和冬季，缩短基坑暴露时间，并采取措施防止施工用水和雨水流入基坑。

（3）结构措施：减少构筑物的不均匀沉降，或使结构物适应地基的变形，建筑平面布置应力求简单或用沉降缝分成若干个构筑物体型简单的独立单元，用增设圈梁、基础梁构造柱等方法，加强构筑物上部结构的整体刚度。