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摘要：廣州地鐵有區(qū)間隧道、車站、樞紐,有明挖、蓋挖與暗挖(礦山法與盾構(gòu)法施工)等不同的施工方法。本文提出地鐵地質(zhì)勘察的任務(wù);并提出,地鐵地質(zhì)工作應(yīng)當(dāng)從地鐵的施工和設(shè)計(jì)需要出發(fā);勘察、設(shè)計(jì)、施工的負(fù)責(zé)人應(yīng)主動(dòng)去作學(xué)科交叉式的互相熟悉對(duì)方的工作。

Part1 問(wèn)題的提出

地鐵的地質(zhì)勘察既包含了鐵路及公路隧道勘察的某些特點(diǎn),又包含了城市高層建筑物地基、深基坑地質(zhì)勘察的特點(diǎn),又因地下水影響大而包含了地下水探查的內(nèi)容。目前地鐵的地質(zhì)勘察內(nèi)容、程序與方法本身還不夠成熟。其實(shí),在一些大型建筑勘查中存著勘察、設(shè)計(jì)、施工脫節(jié)的情況,即勘察者不了解設(shè)計(jì),更不了解施工;設(shè)計(jì)者對(duì)地質(zhì)和勘察不熟悉,也沒(méi)有施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);施工者往往沒(méi)有地質(zhì)意識(shí),不了解勘察方法與技術(shù)。

例如,隧道和地鐵勘察給出的地質(zhì)資料從定量上往往是概略的,它給出的巖體分級(jí)界線也是概略的,而一些設(shè)計(jì)或施工者往往認(rèn)為地質(zhì)圖上的里程是很準(zhǔn)確的,施工時(shí)揭露出的情況與地質(zhì)縱剖面圖里程差了若干,就抓住不放;設(shè)計(jì)者常不愿去變更設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定,圍巖較差地段的襯砌應(yīng)向圍巖較好地段延伸5~10m,這更易導(dǎo)致對(duì)地質(zhì)圖定量數(shù)據(jù)的誤解。

又如,許多勘察者不了解地鐵設(shè)計(jì)和施工中的要害,勘察重點(diǎn)不明,地鐵施工中有些必須搞清的情況在勘查中不一定注意(作者查閱過(guò)一些地鐵的勘察設(shè)計(jì)文件,發(fā)現(xiàn)有時(shí)設(shè)計(jì)者也未注意)。

再如,目前許多參與地鐵工作的人員并不認(rèn)識(shí)施工地質(zhì)及施工地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要性,因此需要從地鐵的施工、設(shè)計(jì)的角度對(duì)地鐵的勘察及施工地質(zhì)進(jìn)行總結(jié)、研究、發(fā)展。

近年來(lái)為解決廣州地鐵某些施工中的問(wèn)題以及為深圳地鐵某些問(wèn)題作咨詢,作者研閱了有關(guān)的勘察、設(shè)計(jì)資料,看到了其中的一些問(wèn)題和失誤。本文將根據(jù)作者多年從事隧道和地下工程的科研、設(shè)計(jì)和施工以及地質(zhì)勘察和物探工作的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),以廣州地鐵為例來(lái)討論地鐵勘察的幾個(gè)問(wèn)題,以作拋磚引玉,使地鐵的地質(zhì)與勘察工作更上一層樓。作者認(rèn)為,在討論地鐵勘察的時(shí)候,應(yīng)當(dāng)從地鐵設(shè)計(jì)與施工的需要出發(fā)來(lái)提出勘察的任務(wù)、重點(diǎn)與各種手段的配合。

Part2 廣州地鐵地質(zhì)勘察的內(nèi)容

1廣州地鐵的特點(diǎn)

廣州地鐵有區(qū)間隧道、車站、樞紐,有明挖、蓋挖與暗挖(礦山法與盾構(gòu)法施工)等不同的施工方法。地鐵區(qū)間隧道和車站有的全部穿過(guò)第四系層,有的分在第四系、部分在基巖之中通過(guò)。

地鐵施工時(shí)要特別注意的是:

1)在許多地段要防止地面過(guò)大的下沉,特別是區(qū)間隧道通過(guò)居民樓或重要建筑物下時(shí),深基坑旁有重要建筑物時(shí),地面較大的不均勻下沉將使地面建筑物遭受破壞;

2)要防止施工時(shí)出現(xiàn)重大的地質(zhì)災(zāi)害或較大的坍方,這些事故不僅影響施工,而且有可能危害地面建筑或交通;

3)地表下有時(shí)有密集的管線,施工破壞了電力或通訊電纜其危害不言而喻,破壞了上下水道將影響施工安全并會(huì)導(dǎo)致地面下沉。

地鐵施工時(shí)主要的不良地質(zhì)體為:

1)暗挖隧道穿過(guò)淤泥、軟土段時(shí)易出現(xiàn)坍方;建于淤泥、軟土上的地面建筑物若承載力不足,隧道施工對(duì)土體的擾動(dòng)將使地面沉陷量大而破壞地面建筑;

2)未固結(jié)的砂層:特別是出現(xiàn)在隧道拱部時(shí),施工時(shí)若采取措施不力將導(dǎo)致坍方;深基坑壁及基坑底的砂層則常含地下水;

3)較大的出水:在深基坑開挖和區(qū)間隧道施工時(shí)需考慮采用排水或采用堵止水的措施,有時(shí)1~2m3..h的排水就能引起不可容許的地面下沉量。

4)基巖中的斷層破碎帶:如果暗挖的區(qū)間隧道或車站穿過(guò)斷層破碎帶,則這些區(qū)段將是設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)段,不僅開挖和支護(hù)要采取防止坍方的措施,而且斷層破碎帶中(尤其其上盤)常富水,并且地下水的連通性好,若施工時(shí)以排水為主,有可能使周圍地層失水過(guò)多而發(fā)生局部地陷;它們?nèi)舫霈F(xiàn)在深基坑底部,如深基坑旁有住宅樓或其它重要建筑,則需注漿止水,避免施工排水引起周圍地面過(guò)大下沉;

5)巖溶(包括溶洞及巖溶水):在暗挖工程中的溶洞中若充填了地下水或松散物,將是施工時(shí)的重大威脅;對(duì)地鐵來(lái)說(shuō),更危險(xiǎn)的還是到處連通的地下水,若不采取堵水措施,可能因排水引起周圍地陷。

綜上所述,可以知道:

1)相對(duì)于山嶺隧道,地下水對(duì)地鐵有更大的危害,有更多需要考慮的問(wèn)題;

2)地鐵設(shè)計(jì)和施工中有更多的環(huán)境問(wèn)題要考慮;

3)地鐵勘察中還需查明許多人工設(shè)建的物體,如地下管線、早期的木基樁、古碼頭的石砌物等等。

這就使得地鐵的勘察內(nèi)容更豐富,要求更高,需要采用的手段更多,并使地球理探查的手段不可或缺。

2地鐵地質(zhì)勘察的階段

由于初步設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)和施工階段對(duì)地質(zhì)資料要求的詳簡(jiǎn)不同,而且時(shí)間也有一定的間隔,同時(shí),人們對(duì)地質(zhì)情況的認(rèn)識(shí)也需要一個(gè)由淺及深,認(rèn)識(shí)-實(shí)踐-再認(rèn)識(shí)的過(guò)程,因此有必要將地鐵的地質(zhì)勘察劃分階段。當(dāng)然各階段勘察內(nèi)容是可以合并或調(diào)整的。

可以劃分為3個(gè)階段:

1)初步設(shè)計(jì)階段。主要勘察資料應(yīng)服務(wù)于定線及確定各車站、豎井的位置,定各標(biāo)段工程基本方案(地鐵站式,區(qū)間隧道基本埋深)和施工方法(明挖、蓋挖順作、蓋挖逆作、礦山法暗挖或盾構(gòu))及基本參數(shù),以及編制概算,框定工期等。

2)施工設(shè)計(jì)階段。主要勘察資料應(yīng)服務(wù)于確定工程設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、施工及支護(hù)方式及參數(shù)調(diào)整(包括襯砌及初期支護(hù)參數(shù)、樁基及基坑防護(hù)的參數(shù)、堵水或排水方案、防止地面下沉措施、不良地質(zhì)地段的施工及防護(hù)措施等),以及編制預(yù)算,確定工期,并準(zhǔn)備施工投標(biāo)的各項(xiàng)資料。

3)施工階段。應(yīng)當(dāng)十分重視施工地質(zhì)及施工階段的地質(zhì)勘察。這個(gè)階段的地質(zhì)工作一是對(duì)一些重點(diǎn)段或重點(diǎn)問(wèn)題作詳細(xì)勘察,二是配合施工的地質(zhì)工作,以便于及時(shí)作信息反饋,并能過(guò)施工地質(zhì)工作優(yōu)化設(shè)計(jì),防止出現(xiàn)坍方、地面較大下沉及漏水等事故。這個(gè)階段的地質(zhì)工作應(yīng)當(dāng)分作兩部分,一部分仍屬地質(zhì)勘察范疇,一部分則要求施工單位自己進(jìn)行,后者可列入標(biāo)書中。

3各階段地質(zhì)工作的主要任務(wù)

初步設(shè)計(jì)階段

要查明基巖和強(qiáng)風(fēng)化基巖的埋深、厚度,查明軟土、淤泥層的分布及埋深、厚度,查明第四系巖層中主要含水層分布、埋深、厚度;若基巖面在隧道底之上或車站結(jié)構(gòu)底板之上,則應(yīng)查明基巖中主要斷層破碎帶的位置及傾向、基巖中巖溶發(fā)育區(qū)分布范圍。應(yīng)注意,斷層破碎帶的位置及傾向有可能決定車站和豎井的位置,基巖的埋深有可能左右區(qū)間隧道的標(biāo)高;隧道如半在第四系層半在基巖中穿過(guò),則基巖強(qiáng)風(fēng)化帶的狀況可能影響施工方法的確定,極嚴(yán)重風(fēng)化的基巖可以采用機(jī)械人工開挖,風(fēng)化巖尚較堅(jiān)硬時(shí)則需用鉆爆法開挖。

施工設(shè)計(jì)階段

a對(duì)初步設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)資料在已定線及已定方案的情況下細(xì)化,加密測(cè)網(wǎng);

b針對(duì)已定的不同的工程進(jìn)一步進(jìn)行不良地質(zhì)體等的勘察:

對(duì)暗挖法工程。要查明處于暗挖隧道拱部的砂層及其它固結(jié)差的地層的厚度、埋深,并確定其含水情況,對(duì)穿過(guò)的基巖中強(qiáng)風(fēng)化層的含水情況進(jìn)行調(diào)查,對(duì)穿過(guò)的基巖中斷層的傾向、傾角及其在工程中的出露位置以及破碎帶的位置給出較準(zhǔn)確的定量資料,并查明其含水情況。要特別注意斷層的上盤,因斷層上盤巖體往往比下盤破碎,地下水也較發(fā)育。應(yīng)對(duì)基巖中的巖溶進(jìn)行較詳細(xì)的勘察,要查找出大洞穴(包括在工程四周的大洞穴),查明巖溶發(fā)育區(qū)段。對(duì)地下水應(yīng)估計(jì)其含水量,以便確定施工時(shí)采用以排為主還是堵水方案。

對(duì)明挖基坑及蓋挖法施工工程段。要重點(diǎn)勘察含水層的分布及水量;確定底板的承載能力;確定樁底土層的隔水性能,承載能力。底部若為基巖,則要調(diào)查基巖中的巖溶洞穴、是否有高承壓水、基巖中斷層破碎帶的位置。

施工階段

a補(bǔ)充重點(diǎn)的不良地質(zhì)的勘察,主要是巖溶水連通情況、承壓情況;

b地下管線的探查,要注意查找沒(méi)有記載的古老排水管道;

c施工地質(zhì)工作。施工地質(zhì)工作應(yīng)包括兩個(gè)方面:

隨時(shí)注意地質(zhì)情況的變化,防止出現(xiàn)坍方及其它事故,必要時(shí)要采用地質(zhì)預(yù)報(bào)手段,準(zhǔn)確掌握不良地質(zhì)在掌子面前方的位置;

注意地質(zhì)情況變化,據(jù)此及時(shí)變更設(shè)計(jì),作設(shè)計(jì)和施工的信息反饋。

施工地質(zhì)工作,包括不良地質(zhì)預(yù)報(bào),已得到越來(lái)越多的地質(zhì)和隧道工作者的重視,但是還應(yīng)采取各種措施,使之成為隧道設(shè)計(jì)、施工的一個(gè)必需的完整的環(huán)節(jié)。要知道,由于施工地質(zhì)工作而避免一次較大坍方,就可能節(jié)省幾十萬(wàn)元,這還不算社會(huì)效益;由于地質(zhì)原因產(chǎn)生地面的大下沉,對(duì)于其上的重要建筑物的損失也是數(shù)以十萬(wàn)、百萬(wàn)計(jì)。施工地質(zhì)工作作到家,對(duì)及時(shí)的變更設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)也很重要。

Part3 各種勘探手段的合理應(yīng)用

各種勘探手段,包括鉆探、物探、觸探等應(yīng)是互相配合補(bǔ)充的。

在初步設(shè)計(jì)階段,應(yīng)將物探作為主要手段,鉆探和觸探用來(lái)作為控制點(diǎn)及驗(yàn)證、校核物探結(jié)果。物探有多種方法,根據(jù)勘察任務(wù)選擇合適的方法是很關(guān)鍵的,其中:

1)地震勘探：地震勘探在查明基巖埋深方面是可靠的,精度可達(dá)5%左右,但地震勘探受機(jī)械振動(dòng)(包括汽車、行人)干優(yōu)大,在城市中常僅能在夜間工作。

2) 激發(fā)極化法：地表為非瀝青路面或有綠化帶的情況下,電阻率法是可滿足多種需要的方法,可用于查找基巖埋深,確定強(qiáng)風(fēng)化層上下界、砂層埋深及厚度,查找斷層及破碎帶。可以用激發(fā)極化法判明含水層。

3) 陸地聲納法：在地表為瀝青路面情況下,一般的地震勘探要探察0~30m范圍內(nèi)的砂層厚度、較薄淤泥層厚度,探察巖溶等是不可能滿足要求的,這就需要采用陸地聲納法、橫波勘探等方法,它們的勘探精度可在5%左右。陸地聲納法可避開機(jī)械振動(dòng)干擾,可在城市全天工作。

4)瑞雷面波法：瑞雷面波法在不用爆炸震源時(shí),在探察0~15m深的高分辨率勘探時(shí)有好的效果,但它也受機(jī)械振動(dòng)干擾。

5)探地雷達(dá)：探地雷達(dá)在探查0~15m深的高分辨率勘探時(shí)有好的效果。

因此,要根據(jù)勘察任務(wù)的需要、條件和每種物探方法的能力與特點(diǎn)慎重選擇物探方法,其中高分辨率的彈性波反射法、陸地聲納法、橫波地震反射法、電阻率法、激發(fā)極化法應(yīng)是首選的一套方法。應(yīng)多采用靜力觸探,在對(duì)士、砂層的勘察中,靜力觸探要優(yōu)于鉆探,它可給出土、砂層的承載力的資料。

在施工設(shè)計(jì)階段,鉆探量應(yīng)適當(dāng)加大,而靜力觸探是比鉆探更應(yīng)重視的方法。物探也應(yīng)作為重點(diǎn)方法之一,它在查明不良地質(zhì)、斷層、大溶洞及圈定巖溶發(fā)育區(qū)方面可充分發(fā)揮作用。但在了解巖溶水的連通、涌水量等方面,則必須依靠鉆孔,在鉆孔中作水的流速、流量、連通情況的測(cè)量。

在一些地質(zhì)構(gòu)造的細(xì)部的詳細(xì)查勘中,鉆探和觸探孔距不可能過(guò)密,這時(shí)物探可以加密測(cè)點(diǎn),補(bǔ)充鉆孔間的資料。物探是應(yīng)用體積性的物理場(chǎng)的勘探方法,在探查巖溶洞穴時(shí)有不可替代的優(yōu)點(diǎn),不會(huì)出現(xiàn)一孔之間的現(xiàn)象。隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)是物探的主要工作之一。

探查地下管線、包括老的下水道是物探的主要特長(zhǎng)和工作之一。

Part4 小結(jié)

1)地鐵的地質(zhì)勘查內(nèi)容應(yīng)由設(shè)計(jì)、施工方面的專家及勘察方面的專家根據(jù)設(shè)計(jì)、施工的要求及勘查的可能提出。

2)要綜合各種勘查手段,合理應(yīng)用,合理配合,達(dá)到既能最大限度地得到希望的地質(zhì)資料又節(jié)省資金。

3)地質(zhì)勘查有很多部類,有石油天然氣勘探,有礦產(chǎn)勘探,有煤田勘探,有海洋勘探,有鐵路、公路勘察、有水電工程勘察,有水資源勘察,有城市建筑物勘察等等,從事勘察的單位各有側(cè)重,從事物探的單位也有所側(cè)重。地鐵的地質(zhì)勘察介乎于鐵路、公路勘察、地下水的勘察和城市建筑物基礎(chǔ)的勘察之間,有其特殊性和特殊要求。

4)物探是一種重要的勘查手段,對(duì)它使用得合理可以取得很好的效果。但目前國(guó)內(nèi)勘察單位的地質(zhì)負(fù)責(zé)人對(duì)物探的應(yīng)用大多不一定掌握,而物探的負(fù)責(zé)人一般并不是地質(zhì)專家,雙方的溝通和交流是不夠的。

5)物探是不可少的手段,但物探用于地鐵的勘查往往需要擁有特殊技術(shù),應(yīng)當(dāng)通過(guò)單位間的聯(lián)合,使之充分發(fā)揮作用。

 

注：本文整理自《關(guān)于地鐵地質(zhì)勘察的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)》，作者鐘世航，公開發(fā)表于《勘查科學(xué)技術(shù)》。