广州地铁3号线北延段线路选择和工法建议

　　

摘　要:广州地铁3号线北延段线路经过不同地质单元,地质条件复杂。根据各地质单元的岩土特征,讨论了地铁不同线路和工法将遇到的工程问题,建议了最佳线路形式和工法选择。

关键词:广州地铁3号线;岩土特征;岩溶;高架线;地下线;盾构法

广州地铁3号线北延段自燕塘向北延伸至新白云国际机场,沿线经过城市道路、国道、郊区城镇,所经地层年代众多,岩性复杂,线路全长约30.84ｋｍ,新建车站10座,最大站间距5700ｍ,最小站间距880ｍ,平均站间距2490ｍ,其中机场线试验段(长1732ｍ)已完成土建施工。根据阶段岩土工程勘察资料,探讨地铁3号线北延段线路形式选择和工法建议。
1岩土分区及其特点
按岩土工程地质条件和地貌的不同特点,将轨道交通3号线北延段为划分为2个地质单元,即燕塘至磨刀坑段和磨刀坑至新机场段,现将上述2个地质单元的主要特征说明如下:
1.1 燕塘至磨刀坑段(里程ＹＡＫ0+000+ＹＡＫ8+350)
1.1.1 地貌特征
本段为低山丘陵地貌,沿线经过剥蚀残丘和山间小盆地,地形起伏较大,地面高差88.97ｍ,线路沿线多为密集民居,办公楼和城市道路等。
1.1.2 岩土分层特征
(1)第四系土层特征:主要有人工填土、冲积—洪积砂层、土层及淤泥质土层、残积土层,厚度变化较大,层厚4.30～36.00ｍ,软土零星分布,厚度较小,冲积—洪积砂层在南方医院至同和一带较发育,地下水较丰富。
(2)下伏基岩特征:①在里程ＹＡＫ0+250～ＹＡＫ1+550和ＹＡＫ3+600～ＹＡＫ7+250为燕山期花岗岩分布地段,岩面起伏较大,全风化和强风化带厚度较大,风化强烈,个别地段存在球状风化孤石,裂隙局部发育,地下水不丰富。②在里程ＹＡＫ0+00～ＹＡＫ250、ＹＡＫ1+550～ＹＡＫ3+600和ＹＡＫ7+250～ＹＡＫ8+350为震旦系变质岩分布范围,岩性主要为花岗片麻岩,部分地段为混合花岗岩、变质石英砂岩、石英岩等。岩石风化强烈,全风化和强风化带厚度较大,节理、裂隙稍发育,中微风化岩岩面大部分地段埋藏较深,且起伏较大,在瘦狗岭,岩面凸起。
1.1.3 地下水特征
(1)松散岩类孔隙水:主要赋存在冲积—洪积砂层,砂层分布范围较广,地下水较丰富,砂层综合渗透系数为5～10ｍ/ｄ。
(2)块状基岩裂隙水:主要赋存在花岗岩和变质岩强风化带和中风化带之中,地下水富水性不强,在山沟谷口处,地下水相对较丰富,渗透系数为0.1～0.5ｍ/ｄ。
(3)地下水腐蚀性特征:根据水质分析结果,按《岩土工程勘察规范》(ＧＢ50021-2001)的有关规定判定地下水对混凝土结构无腐蚀性,对混凝土质结构中的钢筋有弱腐蚀性,对钢结构有弱腐蚀性。
1.1.4 断裂特征
在里程ＹＡＫ8+350和ＹＡＫ8+650分别为广从断裂束,断裂两侧岩性为震旦系变质岩、三叠系小坪组砂页及石炭系石灰岩,线路经过广从断裂地段若采用高架线,断裂对工程影响不大。若采用地下线,隧道经过断裂破碎带时,按Ⅰ类围岩支护,并增加止水措施。
1.2磨刀坑至新机场(里程ＹＡＫ8+350～ＹＡＫ30+842.27)
1.2.1 地貌特征
　　为广花冲积平原,地形较平坦,开阔,地面高程7.78～23.85ｍ,沿线地表多为公路、农田及民居,在里程ＹＡＫ22+180～ＹＡＫ22+366线路跨越流溪河。
1.2.2　岩土分层特征
(1)第四系土层特征:本段第四系土层主要有人工填土、耕植土、冲积—洪积土层和砂层,厚度变化较大,层厚6.00～44.60ｍ,其中砂层厚度较大(厚度0.50～20.55ｍ),分布范围广。砂层含水丰富且补给来源充沛。
(2)下伏基岩特征:①在里程ＹＡＫ8+350～700下伏基岩为三叠系炭质页岩、泥岩及砂岩,风化强烈,挟持与广从断裂与震旦系变质岩之间。②在里程ＹＡＫ8+700～ＹＡＫ12+550和ＹＡＫ25+650～ＹＡＫ30+800,为石炭系地层分布范围,岩性主要为灰岩,次为炭质灰岩、炭质页岩、泥岩等。岩面起伏较大,岩溶较发育,地下水丰富,补给来源充沛。③在里程ＹＡＫ12+550～ＹＡＫ25+650为龙归沉积盆地范围,下伏基岩为第三系地层分布地段,岩性较复杂,为一套下粗上细的海陆河湖交互相沉积岩,主要岩性有粉砂质泥岩、钙质泥岩、泥灰岩、石灰岩、砾岩和粗砂岩等。风化程度较强,岩质较软。石灰岩一般呈夹层出现,并发育有溶洞,地下水丰富。
1.2.3 地下水特征
(1)松散岩类孔隙水:主要赋存在冲积—洪积砂层之中,砂层厚度较大,分布范围广,补给条件较好,地下水丰富,砂层综合渗透系数可达10～50ｍ/ｄ。
(2)层状基岩裂隙水:主要赋存在碎屑岩类强风化和中风化带,由于风化裂隙大部分被泥质充填,故其富水性和透水性较弱。
(3)碳酸盐岩类裂隙溶洞水:主要赋存在石炭系石灰岩和第三系石灰岩中,工程勘察有27个钻孔揭露有溶洞,经抽水试验证实,富水性和渗水性均较好。渗透系数为6.16～36.46ｍ/ｄ,建议渗透系数采用20～30ｍ/ｄ。
(4)地下水腐蚀性特征:根据水质分析结果,按《岩土工程勘察规范》(ＧＢ50021-2001)的有关规定制定,地下水对混凝土结构大部分地段无腐蚀性,局部地段有弱腐蚀性,对混凝土结构有弱腐蚀性,对钢结构有弱—中等腐蚀性。
1.2.4 断裂特征
在里程ＹＡＫ8+650为广从断裂分布范围,断裂的上盘为石炭系地层,下盘为三叠系地层。
1.2.5 溶洞特征
主要发育在石炭系和第三系石灰岩地层中,工程勘察阶段有27个钻孔揭露到溶洞,洞高0.20～10.91ｍ,溶洞层数1～6层,大部分溶洞无充物或半充填,地下水丰富。溶洞在宏观上有一定的的规律性,在局部地方是无规律的,工程勘察溶洞大部分发育深度较浅,对地铁地下线开挖有较大的影响。
2岩土工程条件评价
2.1燕塘至磨刀坑段
(1)人工填土层分布广泛,主要为杂填土和素填土,欠压实—稍压实,局部可能存在土层滞水。本段轨道交通拟采用地下线,人工填土对区间隧道施工影响甚微,站址采用明挖施工,影响亦较小。
(2)冲积—洪积砂层,本层在南方医院至同和一带较发育, 其它地段零星分布,地下水富水程度中等,砂层对站址基坑施工有较大影响,基坑开挖时,排水可导致基坑周围地面沉降,引起建筑物开裂变形等,对区间隧道矿山法施工影响亦较大,隧道开挖掘进时,可能导致突水、涌砂或坍塌,严重时可坍塌至地表,若采用盾构法施工则影响较小。
(3)冲积—洪积土层,分布较广泛,呈可塑状为主,属弱—微透水层,有一定的承载能力和自稳能力,对隧道和站址基坑施工,影响较小。
(4)冲积—洪积淤泥质土层,零星分布,层度不大,透水性差,易压缩变形,强度较低,自稳能力差。对站址基坑开挖有一定影响,失水时可导致地面沉降。
(5)坡残积层,本层为变质岩和花岗岩风化残积土,厚度大,分布范围广,透水性弱,具遇水易软化、崩解特点,对区间隧道矿山法开挖和站址明挖基坑有较大影响,施工时注意采取排水、防水措施。防止土层泡水、渗水降低土层的强度。
(6)基岩,本段基岩为震旦系变质岩及燕山期花岗岩,全风化带和强风化带已风化成呈土状或半岩半土状,含少量地下水,亦具有遇水软化、崩解特点,对隧道开挖和基坑施工有较大影响,岩石中风化带和微风化带,岩质坚硬,局部裂隙发育,对盾构施工主要考虑是岩石强度对盾构掘进的影响。对矿山法施工,则需进行爆破开挖。
2.2磨刀坑至新机场段
(1)人工填土层:分布广泛,主要为杂填土、素填土,部分地段为耕植土,欠压实—稍压实,局部可能存在土层滞水。本段轨道交通不论采用地面线或地下线,人工填土层对轨道交通施工影响甚微。

(2)冲积—洪积砂层:分布广泛,厚度较大,地下水丰富,补给条件较好,若轨道交通采用地下线,则对隧道矿山法施工影响甚大,可导致隧道突水、涌砂和坍塌,严重时可坍塌至地表,对盾构法则影响较小,在施工采用注浆加固即可。在明挖段围护结构则应采取止水措施。
(3)冲积—洪积土层:分布广泛,层厚变化较大,为弱—微透水层,有一定的承载能力和自稳能力。对隧道和站址开挖影响较小,若采用高架线,则影响甚微。
(4)冲积—洪积淤泥质土层:零星分布,厚度较薄,透水性差,易压缩变形,强度低,自稳能力差。轨道交通若采用地下线,则对隧道和站址施工有一定影响,失水时可导致地面沉降,若采用高架线,则影响较小。
(5)残积土层:残积土层为碎屑岩风化而成。局部为石灰岩风化而成。厚度变化较大,具有遇水软化、崩解特点,轨道交通若采用地下线,隧道和站址开挖时,应采取排水和防水措施。若采用高架线,则影响较小。
(6)碎屑岩:碎屑岩岩性较为复杂,为石炭系、二叠系、三叠系和第三系地层,岩性主要为泥岩,粉砂质泥岩、钙质泥岩、泥灰岩、炭质页岩、粗砂岩、砾岩等。风化裂隙,节理较发育,在强风化带和中风化带,含地下水,但富水程度较差,软硬夹层较多,为软质岩。本段若采用地下线,不论采用矿山法或盾构法施工,碎屑岩对开挖掘进影响较小,盾构法施工时应注意岩面起伏和软硬夹层变化,防止掘进左右或上下偏离,若采用高架线,则根据桩型要求,桩端座落在连续稳定岩层上即可。
(7)石灰岩:在磨刀坑至太和庄,矮岗至新机场北,石灰岩分布广泛,其中岩溶较发育,地下水丰富,在岩溶发育地段,轨道交通若采用深埋方案,不管是矿山法还是盾构法施工,都存在较大的安全隐患,可导致突水,突泥和盾构机具陷落等事故,若采用高架线,则影响程度较小,可根据桩型要求,桩端座落在连续稳定岩层上即可。
3主要不良地质作用对工程的影响
3.1燕塘至磨刀坑段
(1)本段软土零星分布,厚度不大,埋藏较浅,对深埋隧道施工影响较小,对站址明挖施工有一定影响,可能产生基坑侧壁变形,易产生压缩变形和地面沉降及引起地面建筑物变形。
(2)本段在南方医院至同和一带,冲积—洪积砂层分布较广,富水性、透水性较好,对暗挖隧道施工、明挖基坑支护和止水有一定的不利影响。
(3)花岗岩、花岗岩片麻残积土层及其全风化带和强风化带,具遇水易软化、崩解特点,对暗挖隧道和明挖基坑均有一定的不利影响,设计施工时应予注意。
(4)在里程ＹＡＫ6+460范围残积土层中存在球状风化孤石,对桩基施工、盾构隧道施工有较大影响,设计、施工时应予注意。
(5)花岗岩和花岗片麻岩的中风化带和微风化带,岩石强度较高(最大值为147.3ＭＰａ),盾构机掘进时应选择好机型。
3.2磨刀坑至新机场段
(1)本段软土零星分布,厚度不大,若轨道交通采用高架线路,则软土对工程影响甚微,若采用地下线,则软土会引起基坑侧壁变形、地面沉降和建筑物变形。
(2)本段冲积—洪积砂层厚度较大,分布范围广,地下水丰富,若轨道交通采用高架线,则砂层对工程影响较小,若采用地下线,砂层对暗挖隧道、明挖基坑的稳定会产生较大的不利影响,必须做好止水和支护工作。线路选线和工法选择时应予注意。
(3)碎屑岩中的泥岩、粉砂质泥岩、泥炭质页岩、泥质粉砂岩及其风化残积土,具遇水易软化、开挖暴露后易干裂收缩特点,若采用地下线,隧道围岩和基坑边坡容易产生失稳,若采用高架线,则对工程影响较小。
(4)在线路经过石灰岩分布地段,岩溶较为发育,地下水丰富,若采用地下线,不管采用何种工法,均对隧道施工影响较大,设计时应予重视,若采用高架线,则岩溶发育仅对桩基施工有不利影响,但容易处理。
4线路选择和工法建议
4.1燕塘至磨刀坑段
(1)为花岗岩及变质岩分布地段,沿线地面建筑密集,由于受城市规划控制,本段不宜采用高架线路方案,鉴于沿线建筑物情况和城市道路现状,建议采用深埋线路方案,工法采用盾构法。由于中微风化岩面起伏较大和岩石强度较大(最大值为147.3ＭＰａ),盾构施工时应予注意。如果设计采用矿山法施工,则要注意花岗岩及变质岩的残积土层、全风化带及强风化带具遇水软化、崩解特点,做好止水、排水措施。在南方医院至同和一带,冲积—洪积砂层发育,对矿山法施工影响较大,施工时应做好止水及支护措施。选择矿山法施工应充分考虑上述不利条件。
综合考虑本段沿线建筑物密度大,桩基和地下设施较多的情况,建议采用深埋线路方案,工法采用盾构法施工方案。
4.2磨刀坑至新机场段
(1)在里程ＹＡＫ8+350～ＹＡＫ16+800,地面建筑物较少,大部分地段为农田,为石炭系石灰岩和第三系石灰岩分布地段,下伏基岩岩溶较为发育,溶洞发育部位大部分埋藏较深,第四系冲积—洪积砂层厚度较大,分布范围广,地下水丰富,从地质角度出发,若采用地下线,矿山法施工不利因素较多,深埋将遇到岩溶问题,浅埋将遇到砂层富水程度好、稳定性差的问题。若采用盾构法施工,深埋将遇到溶洞,对施工有不利影响。
由于沿线建筑物较少,地下线施工工法亦可考虑浅埋明挖方案。若采用高架线,则不利地质因素较少,只有岩溶对桩基施工有一定影响,但影响程度较小。综合上述分析,建议采用高架方案。
(2)在里程ＹＡＫ16+800～ＹＡＫ25+400,沿线地面为106国道,经过龙归和人和镇,在里程ＹＡＫ22+180～ＹＡＫ22+366跨越流溪河。本段为第三系碎屑岩分布地段。主要不良地质问题为砂层较厚及富水程度较好。轨道交通若采用地面线或高架线将影响龙归镇和人和镇的城市化发展。建议采用地下线,工法采用盾构法,线路可采用中埋或深埋方案。如果采用高架线,桩型可采用钻冲孔桩或预应力管桩,持力层为强—微风化岩。地面线地基可采用天然地基或换填处理。综合上述分析,建议采用地下线,工法采用盾构法。
(3)在里程ＹＡＫ25+400～ＹＡＫ30+842(即矮岗至新机场),轨道交通为地下线,其中ＹＡＫ28+074至ＹＡＫ29+806为已完成土建的机场线试验段。本段矮岗至机场试验起点为机场高速公路,在试验终点至新机场北为机场大道。本段为石炭系石灰岩分布地段,下伏基岩岩溶较发育,尤其在机场北一带,发育多层较大的溶洞,岩面标高约-3.77～-0.35,埋深18.40～20.00ｍ,第四系冲积—洪积砂层厚度较大,地下水丰富,砂层与岩面直接接触,砂层孔隙水与岩溶水相互有密切的水力联系。本段设计和规划只能采用地下线,鉴于本段的地质情况和周边环境,隧道开挖宜采用明挖法,隧道浅埋,基坑围护结构采用搅拌桩或旋喷桩止水,并结合井点降水,亦可考虑采用地下连续墙方案。
5结束语
地铁线路工法选择涉及城市交通、商业环境、城市规划发展及地质环境等因素,从岩土工程角度考虑选择地铁的线路和工法,只是其中一种因素,但在地质条件复杂地段,可能是决定因素。所以,在地铁线路及工法选择问题上,首先是要把线路的岩土工程条件查清楚,再结合城市规划等因素进行线路和工法建议。

参考文献:
[1] 岩土工程勘察规范(ＧＢ50021-2001)[Ｓ].
[2] 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范(ＧＢ50307-1999)[Ｓ].
[3] 广州市轨道交通三号线北延段工可阶段岩土工程勘察报告[Ｒ].广东省地质物探工程勘察院,2005.