摘要：广州地铁有区间隧道、车站、枢纽,有明挖、盖挖与暗挖(矿山法与盾构法施工)等不同的施工方法。本文提出地铁地质勘察的任务;并提出,地铁地质工作应当从地铁的施工和设计需要出发;勘察、设计、施工的负责人应主动去作学科交叉式的互相熟悉对方的工作。

Part1 问题的提出

地铁的地质勘察既包含了铁路及公路隧道勘察的某些特点,又包含了城市高层建筑物地基、深基坑地质勘察的特点,又因地下水影响大而包含了地下水探查的内容。目前地铁的地质勘察内容、程序与方法本身还不够成熟。其实,在一些大型建筑勘查中存着勘察、设计、施工脱节的情况,即勘察者不了解设计,更不了解施工;设计者对地质和勘察不熟悉,也没有施工的实践经验;施工者往往没有地质意识,不了解勘察方法与技术。

例如,隧道和地铁勘察给出的地质资料从定量上往往是概略的,它给出的岩体分级界线也是概略的,而一些设计或施工者往往认为地质图上的里程是很准确的,施工时揭露出的情况与地质纵剖面图里程差了若干,就抓住不放;设计者常不愿去变更设计;设计规范中规定,围岩较差地段的衬砌应向围岩较好地段延伸5~10m,这更易导致对地质图定量数据的误解。

又如,许多勘察者不了解地铁设计和施工中的要害,勘察重点不明,地铁施工中有些必须搞清的情况在勘查中不一定注意(作者查阅过一些地铁的勘察设计文件,发现有时设计者也未注意)。

再如,目前许多参与地铁工作的人员并不认识施工地质及施工地质预报的重要性,因此需要从地铁的施工、设计的角度对地铁的勘察及施工地质进行总结、研究、发展。

近年来为解决广州地铁某些施工中的问题以及为深圳地铁某些问题作咨询,作者研阅了有关的勘察、设计资料,看到了其中的一些问题和失误。本文将根据作者多年从事隧道和地下工程的科研、设计和施工以及地质勘察和物探工作的经验教训,以广州地铁为例来讨论地铁勘察的几个问题,以作抛砖引玉,使地铁的地质与勘察工作更上一层楼。作者认为,在讨论地铁勘察的时候,应当从地铁设计与施工的需要出发来提出勘察的任务、重点与各种手段的配合。

Part2 广州地铁地质勘察的内容

1广州地铁的特点

广州地铁有区间隧道、车站、枢纽,有明挖、盖挖与暗挖(矿山法与盾构法施工)等不同的施工方法。地铁区间隧道和车站有的全部穿过第四系层,有的分在第四系、部分在基岩之中通过。

地铁施工时要特别注意的是:

1)在许多地段要防止地面过大的下沉,特别是区间隧道通过居民楼或重要建筑物下时,深基坑旁有重要建筑物时,地面较大的不均匀下沉将使地面建筑物遭受破坏;

2)要防止施工时出现重大的地质灾害或较大的坍方,这些事故不仅影响施工,而且有可能危害地面建筑或交通;

3)地表下有时有密集的管线,施工破坏了电力或通讯电缆其危害不言而喻,破坏了上下水道将影响施工安全并会导致地面下沉。

地铁施工时主要的不良地质体为:

1)暗挖隧道穿过淤泥、软土段时易出现坍方;建于淤泥、软土上的地面建筑物若承载力不足,隧道施工对土体的扰动将使地面沉陷量大而破坏地面建筑;

2)未固结的砂层:特别是出现在隧道拱部时,施工时若采取措施不力将导致坍方;深基坑壁及基坑底的砂层则常含地下水;

3)较大的出水:在深基坑开挖和区间隧道施工时需考虑采用排水或采用堵止水的措施,有时1~2m3..h的排水就能引起不可容许的地面下沉量。

4)基岩中的断层破碎带:如果暗挖的区间隧道或车站穿过断层破碎带,则这些区段将是设计和施工的重点段,不仅开挖和支护要采取防止坍方的措施,而且断层破碎带中(尤其其上盘)常富水,并且地下水的连通性好,若施工时以排水为主,有可能使周围地层失水过多而发生局部地陷;它们若出现在深基坑底部,如深基坑旁有住宅楼或其它重要建筑,则需注浆止水,避免施工排水引起周围地面过大下沉;

5)岩溶(包括溶洞及岩溶水):在暗挖工程中的溶洞中若充填了地下水或松散物,将是施工时的重大威胁;对地铁来说,更危险的还是到处连通的地下水,若不采取堵水措施,可能因排水引起周围地陷。

综上所述,可以知道:

1)相对于山岭隧道,地下水对地铁有更大的危害,有更多需要考虑的问题;

2)地铁设计和施工中有更多的环境问题要考虑;

3)地铁勘察中还需查明许多人工设建的物体,如地下管线、早期的木基桩、古码头的石砌物等等。

这就使得地铁的勘察内容更丰富,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地铁地质勘察的阶段

由于初步设计、施工设计和施工阶段对地质资料要求的详简不同,而且时间也有一定的间隔,同时,人们对地质情况的认识也需要一个由浅及深,认识-实践-再认识的过程,因此有必要将地铁的地质勘察划分阶段。当然各阶段勘察内容是可以合并或调整的。

可以划分为3个阶段:

1)初步设计阶段。主要勘察资料应服务于定线及确定各车站、竖井的位置,定各标段工程基本方案(地铁站式,区间隧道基本埋深)和施工方法(明挖、盖挖顺作、盖挖逆作、矿山法暗挖或盾构)及基本参数,以及编制概算,框定工期等。

2)施工设计阶段。主要勘察资料应服务于确定工程设计细节、施工及支护方式及参数调整(包括衬砌及初期支护参数、桩基及基坑防护的参数、堵水或排水方案、防止地面下沉措施、不良地质地段的施工及防护措施等),以及编制预算,确定工期,并准备施工投标的各项资料。

3)施工阶段。应当十分重视施工地质及施工阶段的地质勘察。这个阶段的地质工作一是对一些重点段或重点问题作详细勘察,二是配合施工的地质工作,以便于及时作信息反馈,并能过施工地质工作优化设计,防止出现坍方、地面较大下沉及漏水等事故。这个阶段的地质工作应当分作两部分,一部分仍属地质勘察范畴,一部分则要求施工单位自己进行,后者可列入标书中。

3各阶段地质工作的主要任务

初步设计阶段

要查明基岩和强风化基岩的埋深、厚度,查明软土、淤泥层的分布及埋深、厚度,查明第四系岩层中主要含水层分布、埋深、厚度;若基岩面在隧道底之上或车站结构底板之上,则应查明基岩中主要断层破碎带的位置及倾向、基岩中岩溶发育区分布范围。应注意,断层破碎带的位置及倾向有可能决定车站和竖井的位置,基岩的埋深有可能左右区间隧道的标高;隧道如半在第四系层半在基岩中穿过,则基岩强风化带的状况可能影响施工方法的确定,极严重风化的基岩可以采用机械人工开挖,风化岩尚较坚硬时则需用钻爆法开挖。

施工设计阶段

a对初步设计阶段的地质资料在已定线及已定方案的情况下细化,加密测网;

b针对已定的不同的工程进一步进行不良地质体等的勘察:

对暗挖法工程。要查明处于暗挖隧道拱部的砂层及其它固结差的地层的厚度、埋深,并确定其含水情况,对穿过的基岩中强风化层的含水情况进行调查,对穿过的基岩中断层的倾向、倾角及其在工程中的出露位置以及破碎带的位置给出较准确的定量资料,并查明其含水情况。要特别注意断层的上盘,因断层上盘岩体往往比下盘破碎,地下水也较发育。应对基岩中的岩溶进行较详细的勘察,要查找出大洞穴(包括在工程四周的大洞穴),查明岩溶发育区段。对地下水应估计其含水量,以便确定施工时采用以排为主还是堵水方案。

对明挖基坑及盖挖法施工工程段。要重点勘察含水层的分布及水量;确定底板的承载能力;确定桩底土层的隔水性能,承载能力。底部若为基岩,则要调查基岩中的岩溶洞穴、是否有高承压水、基岩中断层破碎带的位置。

施工阶段

a补充重点的不良地质的勘察,主要是岩溶水连通情况、承压情况;

b地下管线的探查,要注意查找没有记载的古老排水管道;

c施工地质工作。施工地质工作应包括两个方面:

随时注意地质情况的变化,防止出现坍方及其它事故,必要时要采用地质预报手段,准确掌握不良地质在掌子面前方的位置;

注意地质情况变化,据此及时变更设计,作设计和施工的信息反馈。

施工地质工作,包括不良地质预报,已得到越来越多的地质和隧道工作者的重视,但是还应采取各种措施,使之成为隧道设计、施工的一个必需的完整的环节。要知道,由于施工地质工作而避免一次较大坍方,就可能节省几十万元,这还不算社会效益;由于地质原因产生地面的大下沉,对于其上的重要建筑物的损失也是数以十万、百万计。施工地质工作作到家,对及时的变更设计和优化设计也很重要。

Part3 各种勘探手段的合理应用

各种勘探手段,包括钻探、物探、触探等应是互相配合补充的。

在初步设计阶段,应将物探作为主要手段,钻探和触探用来作为控制点及验证、校核物探结果。物探有多种方法,根据勘察任务选择合适的方法是很关键的,其中:

1)地震勘探：地震勘探在查明基岩埋深方面是可靠的,精度可达5%左右,但地震勘探受机械振动(包括汽车、行人)干优大,在城市中常仅能在夜间工作。

2) 激发极化法：地表为非沥青路面或有绿化带的情况下,电阻率法是可满足多种需要的方法,可用于查找基岩埋深,确定强风化层上下界、砂层埋深及厚度,查找断层及破碎带。可以用激发极化法判明含水层。

3) 陆地声纳法：在地表为沥青路面情况下,一般的地震勘探要探察0~30m范围内的砂层厚度、较薄淤泥层厚度,探察岩溶等是不可能满足要求的,这就需要采用陆地声纳法、横波勘探等方法,它们的勘探精度可在5%左右。陆地声纳法可避开机械振动干扰,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时,在探察0~15m深的高分辨率勘探时有好的效果,但它也受机械振动干扰。

5)探地雷达：探地雷达在探查0~15m深的高分辨率勘探时有好的效果。

因此,要根据勘察任务的需要、条件和每种物探方法的能力与特点慎重选择物探方法,其中高分辨率的弹性波反射法、陆地声纳法、横波地震反射法、电阻率法、激发极化法应是首选的一套方法。应多采用静力触探,在对士、砂层的勘察中,静力触探要优于钻探,它可给出土、砂层的承载力的资料。

在施工设计阶段,钻探量应适当加大,而静力触探是比钻探更应重视的方法。物探也应作为重点方法之一,它在查明不良地质、断层、大溶洞及圈定岩溶发育区方面可充分发挥作用。但在了解岩溶水的连通、涌水量等方面,则必须依靠钻孔,在钻孔中作水的流速、流量、连通情况的测量。

在一些地质构造的细部的详细查勘中,钻探和触探孔距不可能过密,这时物探可以加密测点,补充钻孔间的资料。物探是应用体积性的物理场的勘探方法,在探查岩溶洞穴时有不可替代的优点,不会出现一孔之间的现象。隧道施工地质预报应是物探的主要工作之一。

探查地下管线、包括老的下水道是物探的主要特长和工作之一。

Part4 小结

1)地铁的地质勘查内容应由设计、施工方面的专家及勘察方面的专家根据设计、施工的要求及勘查的可能提出。

2)要综合各种勘查手段,合理应用,合理配合,达到既能最大限度地得到希望的地质资料又节省资金。

3)地质勘查有很多部类,有石油天然气勘探,有矿产勘探,有煤田勘探,有海洋勘探,有铁路、公路勘察、有水电工程勘察,有水资源勘察,有城市建筑物勘察等等,从事勘察的单位各有侧重,从事物探的单位也有所侧重。地铁的地质勘察介乎于铁路、公路勘察、地下水的勘察和城市建筑物基础的勘察之间,有其特殊性和特殊要求。

4)物探是一种重要的勘查手段,对它使用得合理可以取得很好的效果。但目前国内勘察单位的地质负责人对物探的应用大多不一定掌握,而物探的负责人一般并不是地质专家,双方的沟通和交流是不够的。

5)物探是不可少的手段,但物探用于地铁的勘查往往需要拥有特殊技术,应当通过单位间的联合,使之充分发挥作用。

 

注：本文整理自《关于地铁地质勘察的几点认识》，作者钟世航，公开发表于《勘查科学技术》。