杭州地铁盾构隧道的地层组合结构及主要岩土工程问题

杭州地铁盾构隧道的地层组合结构及主要岩⼟⼯程问题
杭州地铁盾构隧道的地层组合结构及主要岩
⼟⼯程问题
⼘令⽅1,2,汪明元1,⾦忠良2
(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州 311122；2.浙江华东建设⼯程有限公
司,浙江杭州 310014)
要：杭州地铁隧道采⽤⼟压平衡盾构法施⼯,沿线地质条件变化较⼤,潜在的岩⼟⼯程问题也
摘要：
各具特⾊。

通过对杭州地铁隧道勘察资料的分析,结合盾构施⼯⼯艺,按横断⾯的地层组合将盾构
隧道归纳为14类,涵盖了杭州地铁隧道可能穿越的所有地层组合类型。

针对各地层组合结构,对盾
构隧道在施⼯期和运营期可能遇到的主要岩⼟⼯程问题进⾏了分析。

通过分类能够对杭州地铁
盾构隧道的地质条件和岩⼟⼯程问题有系统性的认识,⽽且这些地层组合结构类型还可作为今后
杭州地铁⼯程地质信息化⼯作中数字化建模的基础。

关键词：杭州地铁；盾构隧道；地层组合结构；岩⼟⼯程问题；地质信息化
关键词：
近年来,杭州市轨道交通⼯程发展迅速。

初期规划13条线路,总长375.6 km,⾃2007年开⼯建设以
来,⽬前已开通82 km。

远期规划有12条城际铁路连接周边城市,已进⼊建设阶段的有杭州⾄富
阳、临安的杭富线和杭临线。

除局部区间为⾼架或地⾯线外,⼤部分地铁线路均位于地下,区间隧
道采⽤⼟压平衡盾构法施⼯。

杭州地质条件复杂,地铁隧道主要穿越粉⼟、粉砂、淤泥质⼟、黏性⼟等⼯程地质层,部分区间穿
越深部的砂砾⽯层甚⾄基岩[1-3]。

地铁隧道是地下隐蔽⼯程,⼯程地质层的⽔平向展布和垂直向
组合以及线路起伏造成的埋深变化,共同导致各区段隧道穿越的地层不同。

横断⾯地层组合结构
的不同从根本上决定了盾构隧道在施⼯期和运营期⾯临的岩⼟⼯程问题也不同[4]。

本⽂通过对杭州地铁勘察、施⼯资料的分析,按横断⾯的地层组合对盾构隧道进⾏分类。

然后结
合各地层组合结构的特点,对盾构隧道在施⼯期和运营期的潜在岩⼟⼯程问题进⾏了分析。

1 基本地质条件
1.1 概况
杭州位于杭州湾西端,京杭⼤运河南端,是杭嘉湖平原和浙西丘陵的过渡地带。

市郊区主要为平原
地貌,海拔约3～8 m(1985国家⾼程基准),仅局部有基岩出露。

总体⽽⾔,本区域构造活动微弱,地
震震级⼩。

第四系地层从中更新世到全新世均有发育,基岩埋深的⾼程从-20～-75 m不等,以-40
～-55 m居多。

1.2 ⼯程地质条件
杭州市平原区的第四系地层在沉积过程中受到古⽓候冷暖变化导致的三次海侵、海退的影响,经
历了多次堆积和侵蚀交替作⽤,具有相变多⽽复杂和垂直⽅向上⼟层软硬交替的特点。

《杭州地
铁岩⼟⼯程勘察地层编号规定(试⾏稿)》[5]对杭州地层进⾏了标准⼯程地质层的划分,杭州地铁
⼯程勘察的分层均按照该规定执⾏。

其中,①层为填⼟层；②层为硬壳层,主要岩性为黏性⼟和粉
⼟；③层为钱塘江冲积沉积层,主要岩性为粉⼟、粉砂,状态为稍密或中密；④、⑥、⑧、⑩层依次
为第⼀～第四软⼟层,主要岩性为流塑状的淤泥质黏性⼟或软塑状的黏性⼟；⑤、⑦、⑨依次为第
⼀～第四硬⼟层,主要岩性为可塑或硬塑状的黏性⼟；层为古钱塘江及古苕溪河床冲洪积层,主要
岩性为砂⼟和圆砾,状态为中密或密实；层为基岩,主要岩性有泥质粉砂岩、凝灰岩、⽯英砂岩、
安⼭玢岩和灰岩等。

另外,层黏性⼟层黏性⼟和层残坡积层黏性⼟分布范围较⼩。

各⼯程地质层
可按岩性或物理⼒学性质的不同⽽划分亚层。

按沉积环境的不同,杭州市平原区可分为冲湖积平原区和冲海积平原区(图1)。

在冲湖积平原区,表
层⼀般为硬壳层②,其下分布有深厚的淤泥质软⼟层④和⑥,再往下为硬⼟层⑦、⑨和砂砾⽯层。

在
冲海积平原区,表层为厚度达10～30 m的粉⼟、粉砂层③,其下为厚层的软⼟层⑥,再往下为软硬相
间的⑦、⑧、⑨、⑩层以及砂砾⽯层
注：A: 冲湖积平原区；B: 冲海积平原区。

图1 杭州城区地形地貌
1.3 ⽔⽂地质条件
杭州市区地表⽔系发达,主要河流有钱塘江、京杭运河、备塘河、余杭塘河等。

地下⽔主要有潜⽔和承压⽔两类,潜⽔主要赋存于③层中,⽔位埋深⼀般为0.5～2.0 m。

主要的承压⽔层为层,含⽔量极丰富,⽔压较⼤,渗透系数可达1 m/d。

局部地区在⑧层或⑨层底部存在粉⼟、砂⼟、圆砾承压⽔层,含⽔层厚度⼩,为微承压⽔。

2 地层组合结构及岩⼟⼯程问题
杭州地铁隧道采⽤⼟压平衡盾构法施⼯。

⼟压平衡盾构施⼯的基本原理是,通过⼑盘旋转切削⼟体,切削下来的⼟体通过⼑盘开⼝进⼊⼟舱,在⼟舱中建⽴⼟压以平衡掘进⾯前⽅的⼟、⽔压⼒,通过螺旋机将⼟舱中的⼟体排出,每顶进⼀环即进⾏管⽚拼装及在盾尾的空隙中注浆。

⼟压平衡盾构能够实现全机械化作业,并可减少甚⾄避免对地⾯的影响,因此获得了⼴泛应⽤。

各⼯程地质层的⽔平向展布和垂直向组合以及线路起伏造成的埋深变化,共同导致各区段隧道穿越的地层组合不同。

当掘进⾯⼟性不同时,盾构隧道在施⼯期及运营期可能遇到的岩⼟⼯程问题也不同。

通过对杭州地铁勘察资料及施⼯资料的分析总结,按穿越的地层组合结构的不同将盾构隧道分为14种类型。

下⾯依序对各地层组合结构类型及相应的岩⼟⼯程问题进⾏介绍。

Ⅰ型地层组合结构的特征是盾构隧道的全断⾯都是③粉⼟、粉砂层(图2),是冲海积平原区地铁隧道最常见的类型。

盾构施⼯中应注意的主要岩⼟⼯程问题有：1)粉⼟、粉砂层透⽔性好,易产⽣管涌或流砂,在排⼟⼝出现喷涌现象,盾尾易发⽣漏⽔、漏砂等情况；2)粉⼟、粉砂层⾃稳能⼒差,沉降反应迅速,若⼟舱⽀护压⼒设置不当或盾尾注浆不及时,⼟体易坍塌,甚⾄导致地表塌陷；3)掘进⾯粉⼟、粉砂层可能包含⼏个密实度不同的亚层,若千⽄顶推⼒设置不当,易造成较松散的⼟层排⼟过多,产⽣盾构⽅向失控；4)盾构施⼯振动可能会引起砂⼟液化问题。

在地铁运营期应注意的主要岩⼟⼯程问题有:1)若发⽣管⽚渗⽔、漏砂,易加剧隧道变形；2)抽降地下潜⽔易导致隧道产⽣附加沉降；3)当隧道下卧⼟层的密实度不同时,将产⽣纵向不均匀沉降。

图2 Ⅰ型地层组合结构
Ⅱ型地层组合结构的特征是盾构隧道的全断⾯都是淤泥、淤泥质⼟等软⼟层(图3),主要地层组合有④、⑥、④⑥,局部区段为⑧、⑥⑧。

隧道断⾯⼟层的状态以流塑为主,局部软塑。

Ⅱ型地层组合结构在冲海积平原区和冲湖积平原区均较常见。

盾构施⼯中应注意的主要岩⼟⼯程问题有：1)软⼟层透⽔性差,易产⽣超孔隙⽔压⼒,管⽚受浮⼒⼤；2)软⼟具有⾼灵敏度、触变性和流动性,⾃稳能⼒差,在盾构掘进作⽤下易发⽣顶板坍塌及掘进⾯失稳；3)软⼟黏性⼤,温度过⾼时可能在⼑盘中⼼和⼟舱中结“泥饼”,产⽣堵舱现象,影响掘进。

在地铁运营期应注意的主要岩⼟⼯程问题是,由于软⼟的⾼压缩性及次固结变形,隧道沉降量较⼤且达到稳定状态所需时间很长。

图3 Ⅱ型地层组合结构
Ⅲ型地层组合结构的特征是盾构隧道的全断⾯都是硬⼟层(图4),主要地层组合有⑤、⑦、⑤⑦、⑦⑨和⑤⑦⑨,隧道断⾯⼟层的塑性状态有软可塑、硬可塑和硬塑。

Ⅲ型地层组合结构仅见于冲湖积平原区。

盾构施⼯中应注意的主要岩⼟⼯程问题有：1)硬⼟层黏性⼤,在⼑盘中⼼和⼟舱中易结“泥饼”,产⽣堵舱现象,影响掘进；2)盾构掘进时硬⼟层易黏着盾构机外壳产⽣“背⼟”现象,使盾构机外壳与⼟体空隙加⼤,增加了注浆量；3)当掘进⾯各⼟层软硬程度不同时,若千⽄顶推⼒设置不当,易造成较软的⼟层排⼟过多,产⽣盾构⽅向失控。

在地铁运营期应注意的主要岩⼟⼯程问题是当隧道下卧⼟层的压缩性不同时,将产⽣纵向不均匀沉降。

图4 Ⅲ型地层组合结构
Ⅳ～Ⅶ型地层组合结构的特征是盾构隧道断⾯的最上部为③粉⼟、粉砂层,下部为软⼟层和(或)硬⼟层(图5)。

需要说明的是,图中各⼟层厚度的占⽐仅⽤于⽰意,⽽⾮实际情况。

Ⅳ型的主要地层组合有③④、③⑥和③④⑥。

Ⅴ型的主要地层组合有③⑤、③⑦,局部区段为③+基岩全风化形成的黏性⼟。

Ⅵ型的主要地层组合有③④⑦、③⑥⑦。

Ⅶ型的主要地层组合为③⑦⑧。

Ⅳ～Ⅶ型地层组合结构在冲海积平原区较常见。

盾构施⼯中应注意的主要岩⼟⼯程问题有：1)粉⼟、粉砂层(I 型)应注意的问题；2)软⼟层(Ⅱ型)和(或)硬⼟层(Ⅲ型)应注意的问题；3)掘进⾯各⼟层的软硬程度不同,若千⽄顶推⼒设置不当,易造成较软层排⼟过多,产⽣盾构⽅向失控。

在地铁运营期应注意的岩⼟⼯程问题是,当隧道下卧层为软⼟层时(Ⅳ、Ⅶ型),由于软⼟的⾼压缩性及次固结变形,隧道沉
降量较⼤且达到稳定状态所需时间很长。

图5 Ⅳ～Ⅶ型地层组合结构
Ⅷ～Ⅺ型地层组合结构的特征是盾构隧道断⾯为软⼟层和硬⼟层(图6)。

Ⅷ型的主要地层组合有④⑤、④⑦、⑥⑦、⑥⑨、④⑤⑦、④⑥⑦、⑥⑧⑨和④⑥⑨。

Ⅸ型的主要地层组合有⑤⑥、
⑦⑧。

Ⅹ型的主要地层组合有⑤⑥⑦、⑦⑧⑨。

Ⅺ型的主要地层组合有④⑤⑥、⑥⑦⑧。

Ⅷ～Ⅺ型地层组合结构在冲海积平原区和冲湖积平原区都较常见。

盾构施⼯中应注意的主要岩⼟⼯程问题有：1)软⼟层(Ⅱ型)应注意的问题；2)硬⼟层(Ⅲ型)应注意的问题；3)掘进⾯各⼟层的软硬程度不同,若千⽄顶推⼒设置不当,易造成较软层排⼟过多,产⽣盾构⽅向失控。

在地铁运营期应注意的主要岩⼟⼯程问题是,当隧道下卧层为软⼟层时(Ⅸ、Ⅺ型),由于软⼟的⾼压缩性及次固结变形,隧道沉降量较⼤且达到稳定状态所需时间很长。

图6 Ⅷ～Ⅺ型地层组合结构
图7 Ⅻ型地层组合结构
Ⅻ型地层组合结构的特征是盾构隧道断⾯的上部为砂性⼟和(或)黏性⼟,下部为层砂、圆砾(图7),主要地层组合有⑧、③⑧和⑥⑨。

Ⅻ型地层组合结构⼀般见于地铁隧道穿越钱塘江的区段,因为钱塘江的最⼤冲刷深度达16 m,为满⾜隧道抗冲刷和抗浮的要求,需保证隧道顶板以上⾄少有1倍洞径厚度的⼟层,所以越江段的隧道埋深较⼤,部分区段将穿越层。

盾构施⼯中应注意的主要岩⼟⼯程问题有:1)砂性⼟层(Ⅰ型)和(或)黏性⼟层(Ⅱ型、Ⅲ型)应注意的问题；层以中密—密实状态为主,掘进阻⼒⼤,有些区段圆砾、卵⽯的粒径较⼤,并且硬度⼤、强度⾼,因此，需安装砾⽯破碎装置和排砾装置,选择合适的⼑盘；3)切削下来的⼟体易堆积在⼟舱下部⽽难以充满整个⼟舱,因此，不易维持稳定的⼟压平衡状态；层⽔量丰富且具有承压性,应注意涌⽔、流砂问题；5)掘进⾯⼟层的软硬程度不同,若千⽄顶推⼒设置不当,易造成横断⾯上部较软层排⼟过多,产⽣盾构⽅向失控。

在地铁运营期应注意的主要岩⼟⼯程问题有层富含承压⽔,若发⽣管⽚渗⽔、漏砂易加剧隧道变形；2)抽降承压⽔易导致隧道产⽣附加沉降。

型地层组合结构的特征是盾构隧道断⾯为复合地层,上部为第四系地层,下部为基岩(图8),涉及的岩性有⽯英砂岩和安⼭玢岩等。

型在杭州市区的地铁隧道中不常见,主要见于基岩埋深不⼤或者基岩⾯起伏较⼤的区段,如4号线⽔澄桥站—复兴路站区间、5号线的江城路站—候潮路站区间。

盾构施⼯中应注意的岩⼟⼯程问题有：1)砂性⼟层(Ⅰ型)和(或)黏性⼟层(Ⅱ型、Ⅲ型)应注意的问题；2)岩⽯硬度⼤、强度⾼,会导致⼑具磨损严重,应选择合适的⼑盘、⼑具；3)掘进⾯各地层的软硬程度差别很⼤,⼟层易被切削,⽽岩⽯较难破碎,盾构机姿态不易控制；4)由于盾构机姿态控制和⼑具磨损导致开挖⾯过⼩或直径不均匀,易将盾构机卡住；5)掘进⾯上部⼟体不稳定时易坍塌。

因为基岩的压缩性很⼩,所以在地铁运营期基本不存在沉降量⼤或不均匀沉降的问题。

图8 型地层组合结构
型地层组合结构的特征是盾构隧道全断⾯均为岩⽯(图9),涉及的岩性有安⼭玢岩、泥质粉砂岩和凝灰岩等。

型在杭州市区的地铁隧道中不常见,主要见于基岩埋深不⼤或者基岩⾯起伏较⼤的区段,如4号线⽔澄桥站—复兴路站区间,但在城际铁路杭临线、杭富线较为常见。

盾构施⼯中应注意的岩⼟⼯程问题有：1)岩⽯硬度⼤、强度⾼,会导致⼑具磨损严重,应根据岩⽯的软硬程度及矿物成分等条件选择合适的⼑盘、⼑具；2)⼑具切削岩⽯的贯⼊度应根据⼑具强度和岩⽯强度实时控制,防⽌⼑盘卡死。

在地铁运营期基本不存在沉降量⼤或不均匀沉降的问题。

图9 型地层组合结构
3 讨论
上述14类地层组合结构涵盖了杭州地铁盾构隧道可能遇到的所有地层组合类型,能够使杭州地铁⼯程的建设者对盾构隧道的地质条件和岩⼟⼯程问题有系统性的认识。

这些地层组合结构类型今后可⽤于杭州地铁⼯程的勘察、设计、施⼯和杭州地铁⼯程地质信息化⼯作中。

⽬前，杭州地铁⼯程勘察已基本实现地层编号的标准化,今后在杭州地铁⼯程的勘察、设计和施⼯⽅⾯,可采⽤本⽂的地层组合结构分类对盾构隧道穿越的地质条件进⾏标准化。

在勘察阶段可根据上述地层组合结构类型对盾构隧道沿⾥程⽅向进⾏分段,这样，设计⼈员和施⼯⼈员可依据各段的地层组合结构类型抓住主要⽭盾,并采取相应的措施以保证地铁隧道在施⼯期和运营期的安全。

如今,信息化技术在岩⼟及地下⼯程中逐渐受到重视。

地铁⼯程属于隐蔽的地下⼯程,⼜是线性⼯程,沿线地质条件通常变化较⼤,⽽不同的地质条件下潜在的岩⼟⼯程问题也不同。

数字化技术能够使隐蔽的地下空间所处的地质环境透明化,可⽤于辅助⼯程分析与决策,保证⼯程建设与运营过程的可控化[6]。

⽬前上海市已建⽴“上海轨道交通地质信息管理与分析系统”,即通过对沿线的地层资料整理和统⼀后,按不同的⼯程地质结构类型对沿线进⾏⼯程地质分区,对各区可能出现的岩⼟⼯程风险问题进⾏梳理,便于管理部门使⽤[4]。

本⽂的地层组合结构可⽤于对地铁线路进⾏分区分段,作为今后杭州地铁⼯程地质信息化⼯作中的基本数字化模型。

需要说明的是,本⽂的地层组合结构类型仅考虑了隧道断⾯的地层组合,未考虑盾构隧道与周边建构筑物的相互影响,也未考虑杭州地层的⼀些特殊情况,例如浅层⽓、钱塘江两岸的抛⽯、沉船等障碍物[1-2]。

在具体应⽤时,若存在这些特殊情况,可进⼀步对各段隧道的地层组合结构类型划分亚类。

4 结语
1)通过对杭州地铁隧道勘察资料和施⼯资料的分析,将盾构隧道穿越的地层划分为14种地层组合结构,涵盖了杭州地铁隧道可能穿越的所有地层组合类型。

并对各地层组合结构情况下盾构隧道在施⼯期和运营期的主要岩⼟⼯程问题进⾏了分析。

通过分类能够使杭州地铁⼯程的建设者对盾构隧道的地质条件和岩⼟⼯程问题有系统性的认识。

2)本⽂的地层组合结构可⽤于对地铁线路进⾏分区分段,使得设计、施⼯⼈员能够根据各区段的地层组合结构类型明确要考虑的主要岩⼟⼯程问题。

3)本⽂的地层组合结构可作为今后杭州地铁⼯程地质信息化⼯作中的基本数字化模型。

参考⽂献：
[1] 王松平,陈勇华.杭州地铁1号线地质条件及主要岩⼟⼯程问题[J].浙江建筑,2010,27(2): 12-15．
[2] 叶向前,⽥春凌.杭州地铁区间盾构施⼯地质风险源分析[J].城市勘测,2012(2):173-176．
[3] ⾦兴平,杨迎晓,李辉煌.杭州地铁1#线岩⼟⼯程问题探讨[J].岩⽯⼒学与⼯程学报,2005,24(增刊2): 5680-5685．
[4] 朱建纲. 轨道交通⼯程勘察设计风险控制指南[M].北京：中国建筑⼯业出版社,2014．
[5] 杭州地铁集团有限责任公司. 杭州地铁岩⼟⼯程勘察地层编号规定(试⾏稿)[R]. 杭州：杭州地铁集团有限责任公司,2011.
[6] 李晓军,朱合华,郑路.盾构隧道数字化研究与应⽤[J].岩⼟⼯程学报,2009,31(9): 1456-1461．Stratum Combination Structure and Major Geotechnical Engineering Problems of the Shield Tunnel of Hangzhou Metro
BU Lingfang1,2, WANG Mingyuan1, JIN Zhongliang2
收稿⽇期：2016-09-23
基⾦项⽬：浙江华东建设⼯程有限公司科研项⽬(HDJS-KY-2015(6))
基⾦项⽬：
作者简介：⼘令⽅(1987—)，男，⼭东巨野⼈，博⼠，从事岩⼟⼯程勘察设计⼯作。

作者简介：
中图分类号：P64；U231
⽂献标志码：B
⽂章编号：1008-3707(2016)12-0016-05。