摘要：本文分析了三号线盾构工程沿线的工程地质与水文地质概况、地质构造情况、主要地质特征，并对沿线的主要不良地质情况进行了探讨，且提出了施工对策。
关键字：三号线，地质特征，不良地质，施工对策
1引言
广州地铁三号线盾构工程沿线的工程地质、水文地质非常复杂，其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差，物理力学特性差异大。沿线地层很多属于不良地质，例如：断裂带、上软下硬地层、全断面硬岩、花岗岩球状风化地层、富水砂层等，这给施工带来极大困难。但经过参建各方的共同努力，管理上精心组织，技术上不断创新，多次成功采用了新的工法、新的工艺，确保了2006年底全线顺利开通。
2地质概述
三号线沿线的基岩地层主要是白垩系，侏罗系和震旦系的地层亦有分布，基岩上部广泛分布第四系，基岩与第四系之间缺乏第三系。三号线盾构隧道穿过的地层在岩性、结构、变质程度等方面存在巨大差异。
1）第四系
该层顶部主要是人工填土层，上部为冲积、淤积砂层、土层，中部是冲、洪积粘性土层，底部是残积层、冲洪积粉土、粉质粘土、淤泥质砂。三号线所有盾构区间隧道都穿过该层。
2）白垩系
白垩系上统岩性主要为棕红色砂岩、含砾砂岩、砾岩、泥质粉砂岩、泥灰岩等，钙质、泥质胶结。包括：大朗山组三元里段，三水组西壕段、东湖段、康乐段。白垩系下统岩性主要为紫红色泥质粉岩，粉砂质泥岩，粉砂岩，粉细砂岩。包括：白鹤洞组广钢段、猴岗段。穿过该岩系的盾构区间有：珠江新城站～客村站、五山站～华师站、客村站～大塘站、大塘站～沥滘站、沥滘站～大石站、大石站～汉溪站。
3）侏罗系
该岩系是杂色岩系，主要为紫红色，灰白色砂岩，粉砂岩，泥岩组成，见黑色炭质页岩。汉溪站～市桥站盾构区间穿越该地层。
4）震旦系
该岩系以深变质海相岩石为主，主要由各类混合岩，绢云母千枚岩，片岩，石英岩，石英片麻岩组成，部分地方为残变质砂岩，长石石英砂岩及含石英粉砂质泥岩等。大石站～汉溪站、汉溪站～市桥站盾构区间穿越该地层。
5）燕山期花岗岩
燕山三期的粗粒黑云母花岗岩分布于市桥附近，岩性一般为肉红色，具中、粗粒花岗结构。燕山四期黑云母二长花岗岩分布于瘦狗岭断裂以北，岩性为灰色，肉红色，细－粗粒结构。市桥站～番禺广场站、天河客运站～华师站盾构区间穿越该地层。
3地质构造
在区域构造上，三号线北端（瘦狗岭断层以北）属于增城凸起的白云山～罗岗断隆区,其南端（礼村断裂以南）属于新造～化龙断隆区。线路中段的白垩系沉积岩隶属于三水断陷中的广州断陷区。如图1所示。
1）褶皱
沿线通过的主要褶皱有天河向斜、大塘背斜、珠江向斜和顺德向斜。
2）断裂
线路穿过的断层主要有：瘦狗岭断裂、广三断裂、礼村断裂、里仁洞断裂、市桥断裂等。
4地质特征
三号线盾构工程沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂，隧道通过了沉积岩、岩浆岩（火成岩）、变质岩三大类地层，其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差，物理力学特性差异大。
1）水文地质条件复杂
三号线沿线沟渠密布，江河纵横，隧道多次横穿珠江主水道，珠江新城站～客村站区间两次穿越北珠江干流和支流，沥滘站～大石站区间穿越了312m宽的三枝香水道和505m宽的南珠江。沿线第四系砂层发育，地表水对地下水有直接补给关系，因此富水性强，水文地质条件十分复杂。
2）粘土成分较高
室内试验表明，无论是红层，还是花岗岩和变质岩，它们的残积层和全风化层中的粉粒和粘粒的含量一般都在42%～51%。
3）风化壳和残积土层发育
由于广州气候炎热，雨量充沛，岩石的风化作用强烈，残积土全风化岩和强风化岩普遍存在。花岗岩类的风化剖面发育较完全，但花岗岩类的风化层中常出现孤石，尤其以碱性花岗岩风化残积土中的的居多。质纯灰岩常常只有中微风化岩，在岩面常有一层软塑甚至流塑状的炭质淤泥层，但当泥质炭质灰岩或灰岩中有碎屑岩夹层时，残积土和全、强风化岩也常达一定厚度。由于红层中胶结物不同，岩石性质成份、岩石的强度变化较大；又因地下水作用的强弱不同，构造裂隙的差异，在红层的风化带中常具有软硬相间的特点。
4）岩层成分、结构和构造的差异性大
广州地区岩层成分、结构和构造的差异非常大，即使是同一类的岩石，其岩性特征也不尽相同，这导致盾构施工特征也不一样。
5）地层岩石多样，不同地层的岩土工程特征显著
岩土工程特征差异与岩石种类密切相关。一般说来，在50m深度内，花岗岩、灰岩、混合岩多属硬质岩；碎屑岩、红层多属软质岩，而胶结物为钙铁硅质的也可属硬质岩。不同成因类型的岩体，其特征也不相同
5主要不良地质及施工对策
1）断裂带
三号线盾构区间多次穿越断裂带，断裂带最大的问题是岩体破碎，相对周边完整的基岩属于软弱夹层，在隧道施工时容易造成涌水、坍塌等工程事故。为保证施工安全，需采取必要措施，如：（1）在地层不稳地段应采用土压平衡模式掘进，确保工作面的稳定；（2）在富水地段，盾构掘进过程中向土仓内和掘进面及螺旋输送机内注入添加材料，改善碴土性能，提高碴土的流动性和止水性，以防失水。总体上看，三号线过断裂带是比较成功的。
图1广州地区活动断裂分布图
2）上软下硬地层
三号线天河客运站～华师站区间、市桥站～番禺广场站区间、珠江新城站～客村站区间都遇到上软下硬地层，在这种地层中掘进非常困难。上软下硬地层是上部为残积土、坡积土、淤泥质土以及砂层等软弱地层，下部为坚硬的岩石微风化带。此类地层下部坚硬的岩石对滚刀破坏严重，而开挖扰动，上部软弱地层难以自稳，这对刀具更换和地面建筑物的保护都带来极大困难。主要施工对策有：（1）加强地质补勘，摸清上软下硬地层的地层特性以及岩石分界线；对周边建（构）筑物进行详细调查和鉴定，若有必要可采取注浆加固或基础托换等措施。（2）盾构机施工进入上软下硬地层前，在具备条件的地段停机进行盾构机设备检查、修复，同时对损坏的刀具进行更换。（3）刀具布置应采用全断面滚刀的刀具配置形式。（4）在工程施工前，应根据工程地质条件，提前安排刀具更换计划，对于换刀困难的地段，可进行预加固，以增加换刀时的安全性，预加固地点应合理；或采用压气作业进行换刀。（5）掘进时，如发生掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩等发生突变或不在正常的范围，应立即分析原因，检查刀具情况，不可盲目掘进。（6）对于隧道下部坚硬岩石，若盾构机无法破除，可采用辅助措施进行处理，例如采用冲孔桩冲孔破除，或采用火工爆破的方法进行处理，然后盾构机掘进通过。（7）应合理选择、控制掘进参数，例如盾构机推力、刀盘扭矩等，减少对地层的扰动，避免造成上部软弱地层沉降塌陷。
3）全断面硬岩
三号线地质钻探资料显示，在天河客运站～华师站区间、市桥站～番禺广场站区间部分围岩为IV、V类以上围岩，抗压强度最大达161MPa的硬岩。目前，盾构在长距离花岗岩、混合岩等全断面硬岩段掘进困难，刀具损坏严重，施工速度非常缓慢。根据三号线经验，对于长距离岩石抗压强度很高的全断面硬岩，宜采用矿山法开挖初支，然后盾构通过的方式，市桥站～番禺广场站区间和大石站～汉溪站区间都采用这种方法通过全断面硬岩段。
4）花岗岩球状风化地层
三号线天河客运站～华师站区间、市桥站～番禺广场站区间多处通过俗称“孤石”的花岗岩球状风化地层，“孤石”的单轴抗压强度高达160MPa左右，其四周岩土层主要为花岗岩强、全风化层，两者强度差异较大，且四周岩土层稳定性差，多属Ⅱ、Ⅲ类围岩。这给刀具破除“孤石”带来极大困难，甚至无法破除，因此，盾构施工非常艰难。例如：天河客运站～五山站区间盾构机过348米球状风化体区，历时8个月，先后进行气压法换刀15次，更换各类刀具251把。盾构通过花岗岩球状风化体区的关键是如何破除“孤石”，目前主要方法有：（1）对孤石周边风化土层进行地面或洞内预加固，然后再盾构机破岩或人工破岩；（2）洞内静态爆破或火药爆破；（3）地面钻孔爆破或冲孔破除孤石；（4）压气作业条件下人工破除孤石，破除时可采用岩石分裂机等设备。
5）富水砂层
由于砂层含水量丰富，渗透性好，且受扰动后易液化，因此土压平衡盾构在砂层中掘进很容易出现喷涌现象，一方面，需用大量时间进行盾尾清理，严重影响盾构施工进度，另外，大量泥沙喷出或砂遇水液化，均易引起地层沉降，从而最终导致地面建筑物建（构）筑物沉降，甚至破坏。为了减少地面沉降，保证建筑物安全，需采取相应措施，主要有：（1）在过砂层之前，对盾构机进行全面检查及维修保养。一方面，防止泥水、砂浆从盾尾密封冒出，一旦泥水大量从盾尾冒出，易造成失水沉降，而砂浆从盾尾冒出，将无法及时对管片背后进行填充，亦导致沉降难以控制；另一方面，防止因故障长时间停机，而导致土仓大量积水，且盾体外壳与开挖隧道之间的空隙无法及时填充。（2）进行土体改良。主要是采用聚合物添加剂、膨润土等来改良渣土，以改善渣土的和易性，增加止水效果，避免喷涌的发生。（3）做好同步注浆和二次注浆工作。一方面，防止隧道后方的水流入土仓；另一方面，及时填充管片背后空隙，防止沉降进一步扩大。（4）合理选择掘进模式和掘进参数。一般采用土压平衡模式，根据地下水位、地层条件、隧道埋深等合理选择土仓压力。合理选择掘进参数，例如：螺旋输送器的转速、闸门开度，刀盘转速，推进千斤顶的推力等。（5）控制好盾构机的姿态。若盾构机姿态不好，需要纠偏，这对控制沉降及其不利。（6）合理确定渣土的松散系数，严格控制出土量。要做到既不能多出，也不能少出。若少出，会造成土仓压力增大，掘进速度减慢；若多出，会造成地面沉降增大，甚至地面塌方。（7）尽量做到快速通过。应该尽量提高掘进速度，避免刀盘转动对地层扰动时间过长，造成上部砂层松动，同时掘进速度加快能够及早为管片背后注浆创造条件，有利于隧道稳定和控制地表沉降。
6结语
广州地铁三号线地质条件非常复杂，施工中碰到了众多难题，如穿越花岗岩上软下硬地层、穿越花岗岩球状风化地层，在解决难题过程中也积累了丰富的宝贵经验。经过参建各方的共同努力，管理上精心组织，技术上不断创新，多次成功采用了新的工法、新的工艺，确保了8个盾构标段顺利贯通。
参考文献：
[1]广州市轨道交通三号线土建施工技术研究最终成果（内部资料）.
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