断裂对广州地铁工程施工的影响及勘察对策

广州地区地质条件复杂, 地层种类多, 构造断裂相当发育, 素有“地质博物馆”之称。地铁工程施工中经常遇到断裂破碎带, 给施工带来不利影响。如何将断裂对施工的影响减少到最小,是值得考虑的问题, 为此, 应查明线路部位断裂带的主要特征及其对工程的影响, 为工程设计和施工提供地质依据。 1 断裂对地铁工程施工的影响 广州地铁施工过程中, 很多线路都碰到断裂破碎带, 大部分施工受阻, 造成工程投资增加、工期拖延、危及安全。断裂带来的主要不良影响和危害有以下几个方面: (1)基坑周边地面下沉, 房屋开裂。二号线越秀公园站, 基坑围护方案采用止水帷幕止水、人工挖孔桩围护加钢管内支撑方案。在北基坑施工中遇广从断裂富水段, 由于持续降水排水量很大,使上覆土层疏干压密和花岗岩风化土管涌流失,造成围护桩身前倾, 基坑周边地面下沉, 房屋开裂, 老体育馆 (最大沉降量达 60cm 以上) 不得不废弃使用。 (2)盾构机刀具磨损破坏严重, 施工进度慢。三号线大汉区间曾经遇到 225m 宽的张扭性富水断裂带 ( 礼村断裂) , 断裂发育于红层和混合岩接触部位。洞身岩层整体性、均一性极差, 硅化角砾岩单轴抗压强度达到 67～156MPa。盾构机在其间掘进时滚刀偏磨严重, 甚至出现刮刀因其固定螺栓断裂而脱落的现象, 使得施工中被迫停机, 并从地面对前方土体进行了加固处理, 以稳定开挖面进而开仓和更换刀具 [1]。 (3)施工隧道顶板多次冒落, 事故处理工作量大。三号线洛大区间, 盾构法施工过程中, 段长10m 内先后塌方两次, 范围达约 8m×8m ( 130 m3砼) 和 11m×5m (150m3 粘土) , 并引起江堤坍塌。对塌方区进行了回填和加固处理, 含停机疏通盾构机管路共历时 20 天。分析事故原因, 主要是由东西向河村断层的支断裂和堤岸抛石以及地层间隙引起的卸压与泥水管路堵塞引起的 [2]。 (4)发生涌水突水事件甚至造成基坑淹没。二号线纪念堂站 50m 暗挖区间, 采用管棚支护, 由于清泉街断裂和石磴子段灰岩并存, 施工中发生突水事件, 突水点水量达 10 m3/h 以上, 隧道总涌水量达 600 m3/d 以上, 再加上预防措施不足, 造成了基坑淹没以及地表部分地段塌陷。 (5)灰岩区岩石破碎、岩溶发育, 高架段成桩困难。五号线滘大 ( 高架) 区间, 场地基岩主要为壶天群灰岩, 因伴断裂发育, 岩溶很发育, 地下水丰富, 对地铁施工造成了很大影响。冲孔成桩过程常有偏锤、偏桩、漏浆现象, 其中某根桩施工耗时一年多。 2 勘察对策 断裂发育总体上是有规律的, 但在各地段表现出的工程特征却不尽相同, 有时区别很大。应根据区域调查成果去推测, 并运用物探和工程勘察等手段来查明, 结合施工地质资料去印证。 2.1 勘察工作内容、对象及实施方案 2.1.1 勘察工作内容和对象 从以上分析可知, 断裂的不利影响主要有三种: 一是断裂破坏了岩体的完整性, 胶结不良的破碎带自稳能力差, 在工程施工产生临空面时坍塌; 二是因裂隙发育加剧了可溶岩的溶洞发育,给成桩造成困难; 三是因存在储水空隙, 在一定条件下形成导水通道和富水带 ( 段) , 造成施工排水困难, 而过度排水还导致周边土体下沉, 危及周边建筑安全。 针对地铁工程设计与施工需要, 勘察工作内容的重点应为: 查明和确定断层; 断层面的产状确定和性质判断; 断裂带规模、带内岩石破碎程度和胶结情况; 断裂 ( 线路地段) 富水程度; 断层两盘相对运动和断距的确定等。 广州地区地铁线网内主要断裂分布有 NE 向广从断裂, 近 EW 向瘦狗岭断裂、清泉街断裂和广三断裂, NW 向礼村断裂、文冲断裂等; 这些较大断裂成为最主要的勘察对象。随着线网的扩展, 今后也应关注外围的 NW 向白坭—沙湾断裂、NE 向河源—东莞断裂等。明确勘察对象, 首先应收集区域资料和前期勘察成果, 并认真分析, 专题勘察才能做到有的放失、疏而不漏。 2.1.2 勘察方法、实施步骤 断层勘察方法主要有测绘、钻探、探槽 ( 硐探) 和物探方法。由于广州地铁线网内断层出露不多, 地铁工程勘察中野外观测应用较少; 物探方法较多应用于前期的线路 ( 网) 规划工作。这里结合清泉街断裂、广三断裂和广从断裂勘察等三个实例进行说明。 ( 1) 确定勘察实施方案。具体以广从断裂专题勘察为例简介方案如下: 方案以岩土工程勘察为主, 活动性评价为辅;采用勘探、抽水试验、岩矿鉴定和取样做岩土热释光试验等多种方法, 主要查明断裂 ( 线路部位)位置、产状、规模、主断裂面特征和富水程度。 布孔原则: 于初步推断断裂位置布置垂直断裂走向的若干条勘探线, 组成网格布孔方式 (切忌平铺) 。首先在线路旁侧布孔一排, 以结合线路工点详勘工作; 其次在两侧布两排孔进行追索, 以详细查明断裂带的主要特征。基于三点确定一个面的原理, 每个断裂面应有三个钻孔揭露, 才能查明产状。设计钻孔详见钻孔平面图 (图 1)。 此外, 抽水试验宜布置多孔抽水, 但限于工程费用和工期, 一般仅于每个断裂破碎带布设一个 (GC- 16) 。抽水试验进水段应据钻孔简易水文地质观测资料、钻孔岩芯断裂破碎带和上、下盘围岩破碎段来综合确定。 (2) 勘探实施和过程控制。由于布孔时断裂位置是推测的, 因此应据现场最新揭露到的地质情况, 对孔位、孔深以及钻孔数量进行调整, 以达到投入最少工作量又能完成勘察任务的目的。简洁地说, 就是采用了方案指导, 现场调整的原则 (包括孔数、孔位和孔深的调整) ; 钻探按先内排 ( 近线路) 后外排的顺序。过程控制还包括提高钻孔岩芯采取率, 可通过控制回次进尺和采用双重、多重岩芯管等措施来解决。广从断裂勘察主要钻孔的施工顺序为 GC—13、16、14、18、15。通过现场勘察、多方讨论审查, 本次勘察钻探孔、抽水孔布置合理, 勘探有序, 取样及时, 成果明显。 ( 3) 应用多种方法手段确定断层。断层的识别可通过地貌、构造、地层标志和岩浆活动与矿化作用以及岩相与厚度的急变等方法。通过区域地质和前期资料初推断裂位置后, 在专题勘察中,一般通过钻探来揭示这些断层活动的特征。当任何线状或面状地质体, 如地层、岩脉、片理或相带等沿走向突然中断或被错移, 则直接标志着断层的存在; 而断层活动引起的构造强化, 如构造透镜体、挤压破碎现象和各种擦痕, 也是识别的重要依据, 如广三断裂勘察, 从地质平面图和剖面图看到 K2S1 含砾砂岩层分布的中断, 且发现破碎带内钻孔岩芯见来自两种不同岩层角砾的相互交错以及两期次不同颜色的英安斑岩呈脉状并存等现象, 找到了断裂发育的明显证据。当岩相变异或矿化作用不显著时, 光靠常规手段无法正确清晰判别, 则应采样进行岩矿鉴定, 如广从断裂勘察 GC—2 号孔, 在现场无法判断关键岩段归类于浅变质岩还是混合岩, 经岩矿鉴定成果为 T3X泥岩和 Z 石英岩、片岩, 从而推断出广从断裂的断裂面位置; GC—18 号孔取样作岩矿鉴定, 判断岩芯属于动力变质作用引起的, 从而有效辅助推断出广从断裂的主断裂面位置 (见图 2)。 断层位置确定后, 其规模、产状以及破碎胶结等特征就可迎刃而解。 (4) 断裂破碎含水带抽水试验成果分析。由于破碎带 ( 含上、下盘破碎围岩) 介质不均, 且基坑施工一般为分段开挖、衬砌, 故其渗透系数的提供和涌水量的预测在评价勘察范围地下水富水程度时是非常重要的。开挖遇断裂或溶洞时, 地下水往往呈集中涌出 (即突水现象)。 从目前地质勘察和土建施工资料 ( 具体见表1) 可知, 断裂破碎带的导水性不仅取决于自身的力学性质, 还受围岩性质控制, 如虽均具张性特征, 可透水、富水部位多见于围岩为脆性岩或两种软硬岩交界处, 尤其多见于灰岩区; 也可以看出勘察成果和土建施工所揭示情况基本一致, 如清泉街断裂基坑涌水量预测也是较合理可靠的。此外广从断裂同永区间段局部地段可能富水, 今后工程设计与施工中应注意防范。 2.2 勘察成果有效性 通过断裂专题勘察, 采用资料收集, 钻探、抽水试验、岩矿鉴定以及一些物探手段, 能查清断裂的主要特征和富水程度以及补给情况, 能查明地表水、第四系冲积～洪积砂层孔隙潜水与断裂破碎含水带的水力联系密切程度, 能满足土建施工和设计工作的要求。地铁工程断裂勘察实例也较多, 事实证明勘察成果在一定程度上较好地指导了土建设计与施工。 3 勘察报告的应用和工程措施建议 勘察成果是经过一整套科学的程序, 执行国家、地方和有关行业规范标准, 通过全体勘察人员的努力得到的智慧结晶, 成果有效可靠。工程设计与施工中, 应充分研读勘察报告, 并作为设计与施工的基础; 采取有效的支护和止排水措施,避免或减少断裂对工程施工造成的不利影响。 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, 要采取必要的工程结构防范措施。 断层通常由几条断裂面构成, 因此除对地质报告中述及的断层破碎带发育部位着重制定施工预案, 还应考虑整个断裂带的可能范围, 并及时支护、超前支护。明挖基坑围护可采用排桩 ( 加止水措施) 或连续墙加内支撑方案; 暗挖隧道常借助地层注浆、管棚等加固措施进行初砌支护。若采用盾构法施工, 还应查阅地质报告中带内岩石抗压强度极值和地层软硬不均情况等内容, 以便指导施工; 施工中应常查刀具磨损情况以便及时更换, 另外从地面或盾构机内对前方破碎地层进行适当的加固是必要的。此外对于高架段冲孔成桩施工中应控制偏锤、漏浆、偏桩, 可扔泥球或加片石甚至采用钢护筒支护等措施。 工程降水方案应坚持堵排结合的原则, 并重视围护结构的止水对工程防水的效果。这里强调三点: ( 1) 应充分考虑残积土和全、强