穿越暗河、溶洞修地铁,看完只能默默为工程师们点赞

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  贵阳在人们心中的印象一直是一个清爽的小山城,不过随着贵州经济的发展,贵阳的城市规模日益扩张,到2018年,贵阳市的常住人口超过500万人,并逐渐崛起成为西南地区的重要中心城市,曾经按照中小城市进行的规划已经不能满足贵阳市的发展需求,交通拥堵现象也日益严重。

  因此,贵阳市自2006年10月开始规划了地铁,并于2013年10月开工建设,2018年12月,贵阳轨道交通开通运营1号线,线路长度34.3千米,共有24座车站。

  我们都知道,云贵高原是典型的喀斯特地貌,在这种岩溶地貌如何修地铁?今天我们就来聊聊这个话题。

  

  (一)喀斯特地貌中修地铁,最大挑战是正在发生着溶蚀的溶洞

  一旦谈起修地铁,几乎可以说,没有任何一座城市是容易的,家家都有本难念的经。

  像北京、成都这样山脚下的平原,土质中有许多堆积物,如卵石、碎石等,质地非常坚硬,容易破坏施工机械;

  再比如上海、广州这样河流入海口处的城市,地下都是江水冲刷淤积出来的泥沙,结构强度约等于零,地铁修好之后就在不断地发生变形;

  再比如西安,地下有着数不尽的地裂缝,经常发生不均匀沉降,让穿过其中的地铁开裂;

  济南这样的城市则拥有极高的地下水位,让地铁施工根本无从下手……

  也正因为如此,在任何一座城市,地铁的造价都十分高昂,每公里动辄超过10亿。

  贵阳地铁最令人头疼的地方,就在于贵阳市,乃至整个贵州省都属于喀斯特地貌。

  具有溶蚀性的地下水对可溶性的岩石进行长时间冲刷,并通过地下水的流动将溶解的岩石持续不断地带走,就会形成这种岩溶地貌。岩石溶解后,往往会在岩层内部形成溶洞,随着溶洞的逐渐扩大,地表就会发生塌陷,地下的溶蚀和塌陷发育的最终形态,就是干谷和石林。

  

  (露出地表的喀斯特地貌)

  对于地铁施工危害最大的,不是这些已经溶蚀结束并且露出地面的石林,而是正在发生着溶蚀的溶洞。

  地铁通过岩溶地层存在着突泥突水施工风险,同时贵阳地铁穿越了城市道路、建筑物和城市管线,这些既有建筑物往往比较老旧,一旦发生突泥突水,会导致较大的地表沉降,影响道路、建筑物和管线的正常使用。

  在以往的区域岩溶调查中,针对工程建设影响范围内的岩溶发育规律研究较少,不能很好地反映建设场地的岩溶类型、蓄水构造、垂直渗流带、水平径流带的分布位置及特征,进而也就无法准确预测施工过程中可能遇到的涌水,往往只能等到事故发生后再采取善后措施,造成施工进度的严重滞后及建设成本增加。

  

  (贵阳复杂的地质环境,可见密集的红色断层带)

  在岩层相对薄软的部位,比如节理、裂隙、岩溶通道等,通常是地下水主要的流经通道,其中底层岩性对岩溶具体形态的影响最为突出。

  在这些位置中,地下水较为富集,会导致地层局部承受较高的水压力。当区域地层强度达不到抵抗高水压的强度要求时,就将导致基坑涌水灾害。

  这种地下薄弱区的水网十分复杂,而且分布不均匀,为了定位这些富含地下水的溶洞,工程师们利用地质资料、现场勘察、底板钻孔以及瑞雷波探测等多种方式来进行综合分析,尽可能避开这些地段,或在施工到达之前提供预告,为注浆止水的方案制定提供依据。

  

  (地下施工基坑典型剖面图)

  (二)用瑞雷波探测地形,相当于制造了一个“微型地震”

  在这些措施中,“考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测法”最为行之有效,它与工程开挖实际揭露的情况十分吻合,为基坑岩体突水部位判断以及工程止水方案制定提供了有效的技术支撑。

  瑞雷波是一种弹性波,可以在岩土介质中传播,相对于完整岩体,岩体中发育的岩溶裂隙洞穴及断层破碎带为软弱带,瑞雷波在这些区域的传播速度低,反射到探测器上的时间短。这样一来,就可以利用岩体瑞雷波相速度的分布,揭示岩体中岩溶裂隙洞穴和破碎带的空间位置和规模。

  

  (瑞雷波勘探形成的图像)

  瑞雷波方法在工程岩土体表面布置检波器排列,利用瑞雷波的频散特性探测岩土体弹性的空间变化,不受施工电磁场环境干扰,在工程尺度范围内,施工所产生的振动对瑞雷波信号信噪比的影响不大。因此,瑞雷波很适合于进行工程岩体岩溶探测。

  现场采用128千克的圆柱形重锤自由落下冲击地面的方式激发瞬态瑞雷波,相当于制造了一个“微型地震”,然后沿着测线布置多个测点观测记录波的传播。综合这些测点的数据进行分析处理,就可以得到基岩破碎带及岩溶裂隙和溶洞的空间分布。

  

  (借由瑞雷波分析得到的地铁基坑内地质断面与实际断面对比。颜色越绿,证明岩层的结构强度越高)

  针对贵阳地铁2号线延安路站基坑岩溶进行的多道瞬态瑞雷波探测成像结果,在后续的工程施工过程中得到了很好的验证。

  基坑开挖由西向东推进,开挖揭露的地质断面、基坑突水位置以及注浆体分布等情况与瑞雷波相速度成像结果所指示的岩溶发育情况十分吻合。

  (三)地铁线路下穿老旧建筑,悬臂式掘进机来帮忙

  贵阳地铁是在既有城区中修建,因此涉及到要下穿许多既有建筑物。

  这些建筑物通常颇为老旧,对施工产生的震动非常敏感,这在其它城市不算太大的问题,但在贵阳,由于岩溶使得岩层硬度变化多端,极硬的石灰岩与高度风化的软弱土层相互交杂,采用传统盾构法施工不仅伤害盾构机械,而且会经常产生剧烈震动,破坏既有建筑物。

  

  (悬臂式掘进机)

  考虑到这一点,贵阳地铁项目采用EBZ260悬臂式挖掘机进行隧道掘进施工,不仅能够加快施工速度,满足既定工期目标,而且能够保证隧道掘进施工中地表建筑物安全稳定。

  悬臂式挖掘机的使用不像盾构机那么“傻瓜”,可以像地鼠打洞一样一路平A过去。悬臂式挖掘机就位后,需要在施工平面底部水平切削出一条槽,然后向前移动掘进机,随后自上而下、左右循环切削,同时铲板部耙爪将切削下来的渣土装入运输机,再接力运出洞外。

  当遇到岩层硬度不一时,悬臂式掘进机的优势就会体现出来。

  局部遇有硬岩时,就先挖掘周围软岩,大块硬岩坠落,采用改炮方式另行处理,以降低掘进难度及截齿消耗量。

  针对不同硬度的岩石,工程师们可定制不同的截齿与科学合理的截齿螺旋线排布,确保机器有更好的掘削能力,并具有自洁功能,可根据实际工况条件为用户选择最佳截割头,提高施工效率。当局部遇有硬岩时,可以选用小直径切割头,切割力大,破岩能力强,以降低掘进难度及截齿消耗量。

  

  (施工中的悬臂式掘进机)

  地铁一号线的成功修建为后续的地铁建设积累了宝贵经验,探索出了一条应对贵阳地质条件的高效方案,提高了工程速度,降低了造价。贵阳地铁的远景规划由9条线组成,总规模466.9千米,共设车站258座。

  

  (贵阳地铁长期规划)

  结语

  贵阳地铁开通后,贵阳市地面交通车速提高了27%,早晚高峰缩短了20分钟,地铁的建成对缓解城市拥堵起到了明显作用。

  如今,贵阳地铁日均发运旅客11.53万人次,既解决了与贵安新区的互联互通、同城化协调发展轨道交通的问题,又为市民提供了快速便捷的出行服务,缓解了中心城区日益严重的交通拥堵,拉大了贵阳的城市格局。

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