施工技术CONSTRUCTION三号线盾构区间主要不良地质及其施工对策许少辉鞠世健朱六兵广州市地下铁道总公司建设事业总部广州510380摘要：本文分析了三号线盾构工程沿线的工程地质与水文地质概况、地质构造情况、主要地质特征，并对沿线的主要不良地质情况进行了探讨，且提出了施工对策。关键词：三号线，地质特征，不良地质，施工对策1引言在区域构造上，三号线北端（瘦狗岭断层以北）属于增城凸起的广州地铁三号线盾构工程沿线的工程地质、水文地质非常复杂，白云山～罗岗断隆区,其南端（礼村断裂以南）属于新造～化龙断隆其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差，物理力学特性差异区。线路中段的白垩系沉积岩隶属于三水断陷中的广州断陷区。如图大。沿线地层很多属于不良地质，例如：断裂带、上软下硬地层、全断面1所示。硬岩、花岗岩球状风化地层、富水砂层等，这给施工带来极大困难。但1）褶皱经过参建各方的共同努力，管理上精心组织，技术上不断创新，多次成沿线通过的主要褶皱有天河向斜、大塘背斜、珠江向斜和顺德功采用了新的工法、新的工艺，确保了2006年底全线顺利开通。向斜。2地质概述2）断裂三号线沿线的基岩地层主要是白垩系，侏罗系和震旦系的地层线路穿过的断层主要有：瘦狗岭断裂、广三断裂、礼村断裂、里仁亦有分布，基岩上部广泛分布第四系，基岩与第四系之间缺乏第三洞断裂、市桥断裂等。系。三号线盾构隧道穿过的地层在岩性、结构、变质程度等方面存在4地质特征巨大差异。三号线盾构工程沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂，隧道1）第四系通过了沉积岩、岩浆岩（火成岩）、变质岩三大类地层，其中最重要的该层顶部主要是人工填土层，上部为冲积、淤积砂层、土层，中部特点是工程范围内的岩土均一性差，物理力学特性差异大。是冲、洪积粘性土层，底部是残积层、冲洪积粉土、粉质粘土、淤泥质1）水文地质条件复杂砂。三号线所有盾构区间隧道都穿过该层。三号线沿线沟渠密布，江河纵横，隧道多次横穿珠江主水道，珠2）白垩系江新城站～客村站区间两次穿越北珠江干流和支流，沥 蛘尽 笫 白垩系上统岩性主要为棕红色砂岩、含砾砂岩、砾岩、泥质粉砂厩劻浯┰搅?12m宽的三枝香水道和505m宽的南珠江。沿线第四岩、泥灰岩等，钙质、泥质胶结。包括：大朗山组三元里段，三水组西壕系砂层发育，地表水对地下水有直接补给关系，因此富水性强，水文段、东湖段、康乐段。白垩系下统岩性主要为紫红色泥质粉岩，粉砂质地质条件十分复杂。泥岩，粉砂岩，粉细砂岩。包括：白鹤洞组广钢段、猴岗段。穿过该岩系2）粘土成分较高的盾构区间有：珠江新城站～客村站、五山站～华师站、客村站～大室内试验表明，无论是红层，还是花岗岩和变质岩，它们的残积塘站、大塘站～沥滘站、沥滘站～大石站、大石站～汉溪站。 层和全风化层中的粉粒和粘粒的含量一般都在42%～51%。3）侏罗系3）风化壳和残积土层发育该岩系是杂色岩系，主要为紫红色，灰白色砂岩，粉砂岩，泥岩组由于广州气候炎热，雨量充沛，岩石的风化作用强烈，残积土全成，见黑色炭质页岩。汉溪站～市桥站盾构区间穿越该地层。风化岩和强风化岩普遍存在。花岗岩类的风化剖面发育较完全，但花4）震旦系岗岩类的风化层中常出现孤石，尤其以碱性花岗岩风化残积土中的该岩系以深变质海相岩石为主，主要由各类混合岩，绢云母千枚的居多。质纯灰岩常常只有中微风化岩，在岩面常有一层软塑甚至流岩，片岩，石英岩，石英片麻岩组成，部分地方为残变质砂岩，长石石塑状的炭质淤泥层，但当泥质炭质灰岩或灰岩中有碎屑岩夹层时，残英砂岩及含石英粉砂质泥岩等。大石站～汉溪站、汉溪站～市桥站盾积土和全、强风化岩也常达一定厚度。由于红层中胶结物不同，岩石构区间穿越该地层。性质成份、岩石的强度变化较大；又因地下水作用的强弱不同，构造5）燕山期花岗岩裂隙的差异，在红层的风化带中常具有软硬相间的特点。燕山三期的粗粒黑云母花岗岩分布于市桥附近，岩性一般为肉4）岩层成分、结构和构造的差异性大红色，具中、粗粒花岗结构。燕山四期黑云母二长花岗岩分布于瘦狗广州地区岩层成分、结构和构造的差异非常大，即使是同一类的岭断裂以北，岩性为灰色，肉红色，细－粗粒结构。市桥站～番禺广场岩石，其岩性特征也不尽相同，这导致盾构施工特征也不一样。站、天河客运站～华师站盾构区间穿越该地层。5）地层岩石多样，不同地层的岩土工程特征显著3地质构造岩土工程特征差异与岩石种类密切相关。一般说来，在50m深2）做好降水措施，采用直径φ800的降水井，做好对降水井的保量测及信息化施工，保证基坑开挖安全。护措施及基坑两侧的排水沟槽，确保基坑开挖时开挖面不被软化。5）科学合理的制定基坑开挖方案，严格按照设计要求进行土方3）对于基底5H-2、6H地层较薄的地层可沿基坑周围采取止水开挖及支撑架设。帷幕的措施，确保7H、8H地层内的承压水不对基底造成反涌。6）对基坑底部采取相应的加固措施,避免地基软化造成的结构4）基坑开挖从“挡、堵、排、测”四个方面采取合理有效的施工措沉降。施，把“治土必先治水”作为指导思想，严格控制地面沉降，坚持监控城市建设3412010年总第63期
施工技术CONSTRUCTION度内，花岗岩、灰岩、混合岩多属硬质岩；碎屑岩、红层多属软质岩，而（1）对孤石周边风化土层进行地面或洞内预加固，然后再盾构机破岩胶结物为钙铁硅质的也可属硬质岩。不同成因类型的岩体，其特征也或人工破岩；（2）洞内静态爆破或火药爆破；（3）地面钻孔爆破或冲孔不相同破除孤石；（4）压气作业条件下人工破除孤石，破除时可采用岩石分5主要不良地质及施工对策裂机等设备。1）断裂带5）富水砂层三号线盾构区间多次穿越断裂带，断裂带最大的问题是岩体破由于砂层含水量丰富，渗透性好，且受扰动后易液化，因此土压碎，相对周边完整的基岩属于软弱夹层，在隧道施工时容易造成涌平衡盾构在砂层中掘进很容易出现喷涌现象，一方面，需用大量时间水、坍塌等工程事故。为保证施工安全，需采取必要措施，如：（1）在地进行盾尾清理，严重影响盾构施工进度，另外，大量泥沙喷出或砂遇层不稳地段应采用土压平衡模式掘进，确保工作面的稳定；（2）在富水液化，均易引起地层沉降，从而最终导致地面建筑物建（构）筑物沉水地段，盾构掘进过程中向土仓内和掘进面及螺旋输送机内注入添降，甚至破坏。为了减少地面沉降，保证建筑物安全，需采取相应措加材料，改善碴土性能，提高碴土的流动性和止水性，以防失水。总体施，主要有：（1）在过砂层之前，对盾构机进行全面检查及维修保养。上看，三号线过断裂带是比较成功的。一方面，防止泥水、砂浆从盾尾密封冒出，一旦泥水大量从盾尾冒出，2）上软下硬地层易造成失水沉降，而砂浆从盾尾冒出，将无法及时对管片背后进行填三号线天河客运站～华师站区间、市桥站～番禺广场站区间、珠充，亦导致沉降难以控制；另一方面，防止因故障长时间停机，而导致江新城站～客村站区间都遇到上软下硬地层，在这种地层中掘进非土仓大量积水，且盾体外壳与开挖隧道之间的空隙无法及时填充。常困难。上软下硬地层是上部为残积土、坡积土、淤泥质土以及砂层（2）进行土体改良。主要是采用聚合物添加剂、膨润土等来改良渣土，等软弱地层，下部为坚硬的岩石微风化带。此类地层下部坚硬的岩石以改善渣土的和易性，增加止水效果，避免喷涌的发生。（3）做好同步对滚刀破坏严重，而开挖扰动，上部软弱地层难以自稳，这对刀具更注浆和二次注浆工作。一方面，防止隧道后方的水流入土仓；另一方换和地面建筑物的保护都带来极大困难。主要施工对策有：（1）加强面，及时填充管片背后空隙，防止沉降进一步扩大。（4）合理选择掘进地质补勘，摸清上软下硬地层的地层特性以及岩石分界线；对周边建模式和掘进参数。一般采用土压平衡模式，根据地下水位、地层条件、（构）筑物进行详细调查和鉴定，若有必要可采取注浆加固或基础托隧道埋深等合理选择土仓压力。合理选择掘进参数，例如：螺旋输送换等措施。（2）盾构机施工进入上软下硬地层前，在具备条件的地段器的转速、闸门开度，刀盘转速，推进千斤顶的推力等。（5）控制好盾停机进行盾构机设备检查、修复，同时对损坏的刀具进行更换。（3）刀构机的姿态。若盾构机姿态不好，需要纠偏，这对控制沉降及其不利。具布置应采用全断面滚刀的刀具配置形式。（4）在工程施工前，应根（6）合理确定渣土的松散系数，严格控制出土量。要做到既不能多出，据工程地质条件，提前安排刀具更换计划，对于换刀困难的地段，可也不能少出。若少出，会造成土仓压力增大，掘进速度减慢；若多出，进行预加固，以增加换刀时的安全性，预加固地点应合理；或采用压会造成地面沉降增大，甚至地面塌方。（7）尽量做到快速通过。应该尽气作业进行换刀。（5）掘进时，如发生掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩量提高掘进速度，避免刀盘转动对地层扰动时间过长，造成上部砂层等发生突变或不在正常的范围，应立即分析原因，检查刀具情况，不松动，同时掘进速度加快能够及早为管片背后注浆创造条件，有利于可盲目掘进。（6）对于隧道下部坚硬岩石，若盾构机无法破除，可采用隧道稳定和控制地表沉降。辅助措施进行处理，例如采用冲孔桩冲孔破除，或采用火工爆破的方6结语法进行处理，然后盾构机掘进通过。（7）应合理选择、控制掘进参数，广州地铁三号线地质条件非常复杂，施工中碰到了众多难题，如例如盾构机推力、刀盘扭矩等，减少对地层的扰动，避免造成上部软穿越花岗岩上软下硬地层、穿越花岗岩球状风化地层，在解决难题过弱地层沉降塌陷。程中也积累了丰富的宝贵经验。经过参建各方的共同努力，管理上精3）全断面硬岩心组织，技术上不断创新，多次成功采用了新的工法、新的工艺，确保三号线地质钻探资料显示，在天河客运站～华师站区间、市桥了8个盾构标段顺利贯通。站～番禺广场站区间部分围岩为IV、V类以上围岩，抗压强度最大达161MPa的硬岩。目前，盾构在长距离花岗岩、混合岩等全断面硬参考文献：岩段掘进困难，刀具损坏严重，施工速度非常缓慢。根据三号线经验，[1]广州市轨道交通三号线土建施工技术研究最终成果（内部对于长距离岩石抗压强度很高的全断面硬岩，宜采用矿山法开挖初资料）.支，然后盾构通过的方式，市桥站～番禺广场站区间和大石站～汉溪[2]竺维彬,鞠世键,史海欧.广州地铁三号线盾构隧道工程施工站区间都采用这种方法通过全断面硬岩段。技术研究.广州：暨南大学出版社，）花岗岩球状风化地层[3]竺维彬,鞠世键.复合地层中的盾构施工技术.北京：中国科三号线天河客运站～华师站区间、市桥站～番禺广场站区间多学技术出版社，2006.处通过俗称“孤石”的花岗岩球状风化地层，“孤石”的单轴抗压强度[4]林本海.广东岩土地层特点与地层归一性划分方法.建筑监高达160MPa左右，其四周岩土层主要为花岗岩强、全风化层，两者督检测与造价，2009，2（1）：1-11.强度差异较大，且四周岩土层稳定性差，多属Ⅱ、Ⅲ类围岩。这给刀具[5]彭卫平,容穗红.广州市水文地质特征分析.城市勘察，破除“孤石”带来极大困难，甚至无法破除，因此，盾构施工非常艰难。2006，3：59-63例如：天河客运站～五山站区间盾构机过348米球状风化体区，历时[6]谢明.广州地铁沿线岩土分层系统的建立和特征以及在地8个月，先后进行气压法换刀15次，更换各类刀具251把。盾构通过铁、轻轨勘察规范中增设岩土分层规定的必要性和可行性.地铁与轻花岗岩球状风化体区的关键是如何破除“孤石”，目前主要方法有：轨，2000，1：城市建设2010年总第63期
