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深隧工程岩土工程勘察方法

2020/09/12 阅读:

摘要:大东湖核心区污水传输系统工程为武汉市第一个深隧污水传输项目,主要采用盾构法施工。以大东湖核心区污水传输系统工程为例,探讨武汉岩溶地区深隧工程勘察方法。通过资料收集及工程地质测绘和调查工作,初步了解区域地质、水文地质条件。结合项目特点,采用工程钻探结合原位测试手段开展勘察工作,查明场地地层分布情况及水文地质条件。为保证施工安全,在岩溶分布地段,通过岩溶专项勘察工作进一步查明场地岩溶分布情况。勘察方法采用工程地质钻探辅以电磁波CT、孔内彩色电视、水文地质试验、水文观测、室内岩土水试验等综合岩土工程勘察手段,为设计和施工提供指导和依据。

关键词:岩溶;深隧;岩土工程勘察

1前言

伴随着中部崛起,武汉市的发展日新月异,城市用地日趋紧张。武汉市从北至南分布有7条灰岩条带,很多项目必然会经过灰岩条带。本文以大东湖核心区污水传输系统工程为例,探讨武汉市岩溶地区深隧工程岩土工程勘察方法。

2工程概况

为建设“生态文明、美丽中国”的宏伟目标,提升城市发展品质,缓和城市污水处理厂用地布局与城市发展格局之间的矛盾,优化城市污水设施布局,武汉市投资兴建了大东湖核心区污水传输系统工程(图1)。该工程包括污水深隧系统和地表完善系统两部分,污水深隧系统工程包括:二郎庙预处理站至北湖污水处理厂总共约17.6km主隧工程,直径3000~3400mm;落步咀预处理站至三环线支隧工程,直径1500mm,长度1.7km,以及沿线15座施工竖井;隧道埋深30~50m,隧道外径为4.3m。本工程为武汉市第一个深隧污水传输项目。全线隧道施工工法包括盾构法、顶管法、矿山法,施工竖井采用明挖法,围护结构形式包括地下连续墙和钻孔灌注桩两种。本文探讨重点为污水深隧系统。

3主要岩土工程勘察方法

深隧污水传输项目不同于一般的污水管道工程,不能按一般污水管道项目来选择勘察方法。因深隧污水传输项目埋深较深,施工方法主要采用盾构法,因此可借鉴地铁项目勘察方法。

3.1资料搜集及工程地质测绘和调查

为选择合适的勘察手段,可通过资料收集和现场工程地质测绘和调查工作,了解区域地质、水文地质条件。对线路区开展的地质测绘工作精度一般采用1∶2000比例尺。调查范围按线路方案中线向两侧扩展宽度不少于50m。(1)研究地貌的基本特征,划分地貌基本成因类型和成因形态类型,分析其与基底岩性和新构造运动的关系。(2)调查可液化土层及新、老堆积土、特殊性岩土工程地质特征。(3)调查隧道通过地段的含水层、隔水层分布规律,岩层厚度、岩性、结构、构造特征。(4)根据地震动参数区划资料,调查历史地震活动情况,划分对工程建设抗震有利、不利或危险的地段。(5)调查古河道分布、演变规律以及岩溶发育特征及对本工程的影响。本工程通过资料收集和工程地质调查与测绘,了解拟建大东湖核心区污水传输系统工程场地地势略有起伏,地貌单元为剥蚀堆积岗状平原区,沿线零星分布有一些水塘、水沟、湖泊。拟建工程位于汉口—新界复式背斜的次级白浒山向斜北翼(图2),向斜轴向为北西西—近东西,核部为二叠系孤峰组,两翼为泥盆-石炭系,产状均向北倾斜、倾角50°~70°。北翼受严西湖压扭性断层影响,石炭系灰岩逆冲于泥盆系云台观组砂岩之上。经调查,这些构造均为古老地质构造,无第四纪全新世活动迹象,对本工程建设没有影响。下伏基岩非常复杂,有泥岩、砂岩、灰岩、石英砂岩等,埋深6~50m不等。

3.2工程钻探及取样

常规勘察手段有工程钻探及取样、坑探、槽探、静力触探试验、标准贯入试验、重型贯入试验、钻孔波速测试、室内岩土试验等,用以查明工程地质条件、水文地质条件。针对本项目,由于隧道埋深较深、上部地层强度较高、下伏基岩埋深不等,因此主要采用工程钻探及取样的勘察手段,原位测试作为辅助勘察手段。(1)勘探孔布置原则本着经济合理的原则,建议按初勘、详勘一次性布孔,做到详勘勘探点尽量利用初勘勘探点资料,以减少勘察工作量和缩短施工工期。勘探孔布置及孔深控制宜参考地铁项目勘察方案。①对于隧道工程,勘探孔间距为30~50m,勘探点布置在隧道边线外3~5m,勘探点交错布置;对于施工竖井,勘探孔在竖井角点和中心点布置,并沿竖井外轮廓外扩1~2倍基坑深度布置基坑边线孔;对于施工竖井与隧道连接处,布置控制性钻孔以方便确定端头所处地层及加固方法。②对于隧道工程,在松散型地层,一般性勘探孔进入隧道底板以下不少于1.5倍隧道高度,控制性勘探孔进入隧道底板以下不少于2.5倍隧道高度,在微风化和中风化岩石中勘探孔深度进入隧道底板以下1倍隧道高度且不小于5m;对竖井工程,控制性勘探孔深度进入竖井基坑底以下不小于一倍基坑深度,一般性勘探孔深度进入基坑底以下不应小于5m或者进入底板以下中风化或微风化岩层不小于3m;当预定深度范围内有软弱土层、岩溶、暗河等不良地质时,勘探孔适当加深。(2)主要勘察成果①本工程通过初详勘工作,查明场地覆盖层主要为第四系上更新统冲洪积(Qal+pl3)层,场地下伏基岩为二叠系中统栖霞组(P2q)灰岩、石炭系上统黄龙组(C2h)灰岩及石炭系下统大埔组、和州组(C1d+h)白云质灰岩等可溶岩,此外还分布有石炭系和州组、高骊山组(C1h)石英砂岩、粉砂质泥岩等非可溶岩。其中二叠系及石炭系可溶性灰岩,溶蚀现象较为发育,局部地段溶洞、溶槽发育,是影响隧道工程施工与运营安全的主要工程地质问题。②场地地下水按赋存条件,可分为上层滞水、碎屑岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水三种类型。

3.3岩溶专项勘察

对于可溶岩分布地段,为指导设计及保证隧道施工安全,进行了岩溶专项勘察,以进一步详细查明岩溶分布情况。岩溶专项勘察若仅采用工程钻探,难以查清岩溶的空间分布,且费时、费力、费钱。本着经济合理的原则,可采用工程钻探结合地球物理探测、水文地质试验、地下水位观测、室内岩土水试验等综合勘察手段。(1)工程钻探专项勘察布置的钻孔主要用于揭示地质结构、红黏土及溶洞发育及其充填物情况,配合物探测试工作(如进行钻孔间电磁波CT扫描等),并验证钻孔间电磁波CT推测岩溶异常点异常区,以及进行地下水水位观测。钻孔布置原则如下:①根据区间隧道方案在隧道两侧交叉布置勘探孔,钻孔间距15~25m左右。②区间勘察的钻孔一般布置在盾构结构外边缘外侧0.5~1倍洞径的位置。③区间隧道可溶岩段钻孔深度一般进入隧道底板以下中风化完整基岩不小于10m,对于孔间电磁波CT测试钻孔孔深同时满足CT测试要求。④所有钻孔均与相邻钻孔组成垮孔电磁波CT剖面。⑤对于电磁波CT测试推测溶洞,采用工程钻探进行一定数量的验证工作。⑥当电磁波CT测试推测溶洞大小大于0.5~1倍洞径,进行探边工作,查明溶洞边界。本工程通过工程钻探揭露查明可溶岩中岩溶形态以溶隙型溶洞为主(表1),多较短小,局部为溶蚀型溶洞,洞径较大且不规则;另溶洞整体规模由大到小依次为:二叠系中统栖霞组(P2q)灰岩—石炭系上统黄龙组(C2h)灰岩—石炭系下统大埔组、和州组(C1d+h)白云质灰岩。(2)地球物理探测灰岩一般强度较高,坚硬完整,对电磁波吸收低;当岩体受裂隙、断层、破碎带、软弱夹层、岩溶等破坏时,对电磁波吸收高。综合武汉市轨道交通已通车或在建线路岩溶探测经验,电磁波CT对岩溶、破碎带等高吸收不良地质体具有分辨率强、精度高、空间位置准确等特点。为了解岩溶裂隙发育形态,可采用孔内彩色电视对钻孔进行摄像。本工程结合钻探、物探CT探测结果分析(表2),场地内溶洞及物探CT推测岩溶异常点铅垂高度多大于0.5倍的隧道洞径;其中,铅垂高度大于0.5倍的隧道洞径占总数的50%以上。经工程钻探验证,电磁波CT推测岩溶异常点准确率较高。(3)水文地质试验为了解各岩组的渗透性与富水性,布置了适量抽水试验。本工程通过水文地质试验,查明二叠系栖霞组(P2q)灰岩靠近向斜核部,核部应力作用较翼部强烈,且线路所经过的二叠系栖霞组灰岩更靠近严西湖压扭性断裂,岩石成分纯,厚度大,多为生物碎屑微晶碳酸盐岩和粒屑灰岩,故该岩层裂隙及溶蚀现象更为发育,地下水的径流条件较好,其透水性中等;石炭系黄龙组(C2h)灰岩因处于向斜的翼部,岩石纯度也低于二叠系栖霞组灰岩,溶蚀现象弱于前者,但岩溶依然较发育,其透水性中等~弱。(4)地下水位观测通过地下水位长期观测,了解地下水位动态变化规律及水力联系。本工程通过地表水与地下水观测(图3),总结出地表水与岩溶裂隙水具有以下特征:①岩溶裂隙水水位与严西湖湖水无明显水力联系。②各地层年代中的岩溶裂隙水无明显水力联系。③K13+920段石炭系下统大埔组(C1d)岩溶裂隙水由于两侧被相对隔水层阻隔,其水位埋深大、地下水贫乏,与长江水及其他水文单元无直接水力联系。

4结论

(1)对于深隧工程,首先通过资料收集及工程地质测绘和调查工作,初步了解区域地质、水文地质条件,为采用合理的勘察方案奠定基础。(2)通过前期收集资料和现场调绘资料,结合项目特点,选择合适的勘察手段,查明场地地层分布情况及水文地质条件。本工程采用了工程钻探结合原位测试手段开展勘察工作。(3)为保证施工安全,在岩溶分布地段,通过岩溶专项勘察工作可进一步查明了场地岩溶分布情况。勘察方法采用工程地质钻探辅以电磁波CT、孔内彩色电视、水文地质试验、水文观测、室内岩土水试验等综合岩土工程勘察手段,为设计和施工提供指导和依据。(4)大东湖污水传输系统工程即将竣工,施工过程顺利,证明本项目所采用的的勘察手段合理可行。

参考文献

[1]岩土工程勘察规范(GB50021-2001,2009年版)[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]城市轨道交通岩土工程勘察规范(GB50307-2012)[S].北京:中国计划出版社,2012.

[3]龙治国.武汉市岩溶地区高层建筑岩土工程分析与评价实例[J].城市勘测,2015(1).

[4]罗小杰.武汉地区表层岩溶带发育特征[J].中国岩溶,2018(5).

[5]侯国伦.武汉岩溶地区工程地质勘察与评价实例[J].资源环境与工程,2010(4).

作者:龙治国 彭华中 胡帅 单位:武汉市勘察设计有限公司

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