張慶林 詹晨曦 陳曄翔

(1.福州大學(xué)，福州，350008；2.福州市建筑設(shè)計院，福州，350002；3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京，211100)

福州地鐵1號線是福建城市地鐵建設(shè)的第1條地下交通軌道。因此，福建省尤其是福州地區(qū)對城市地鐵建設(shè)的地質(zhì)風(fēng)險研究較少。在地鐵建設(shè)中，地質(zhì)風(fēng)險由于其客觀性、不確定性、可變性和復(fù)雜性等而成為地鐵建設(shè)風(fēng)險中關(guān)鍵風(fēng)險源，因此，準確預(yù)測地鐵路線上的地質(zhì)風(fēng)險源就等于掌握了控制風(fēng)險的主動權(quán)。為了盡可能地避免施工中發(fā)生重大的地質(zhì)災(zāi)害，合理利用地下空間和有效利用資源。筆者根據(jù)福州地區(qū)特有的地質(zhì)條件，主要從地鐵的主體工程部分車站和區(qū)間隧道出發(fā),通過研究車站開挖時、盾構(gòu)穿越時所面對不良工程地質(zhì)地層、斷裂帶、富水砂層，分析探討福州地鐵施工中可能面對的風(fēng)險事故，并提出應(yīng)對策略。期望該研究能對近期的福州地鐵1號線的順利建設(shè)有所幫助，對福建省乃至沿海地區(qū)的地鐵建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 途經(jīng)路線

福州地鐵1號線全長約29.2 km，為地下線，共包含2個停車場、2段連接線、24個車站、23個區(qū)間。車站基坑主要采用明挖法施工,區(qū)間主要采用盾構(gòu)法(個別結(jié)合礦山法)施工。路線北起于新店北部秀峰路的象峰站，經(jīng)秀峰路，穿羅漢山，過規(guī)劃西園路，途經(jīng)福州鐵路北站，沿華林路,轉(zhuǎn)鼓屏路、八一七路、廣達路、達江路,跨過閩江,往上藤路、六一南路、則徐大道、福峽路、城門規(guī)劃站前大道,經(jīng)福州鐵路南站、規(guī)劃南湖北側(cè)的規(guī)劃螺城路到達規(guī)劃海峽文化藝術(shù)中心，最后抵達規(guī)劃東部新城。

1.2 地層特征

路線自北向南穿越的地層北段和南段為硬巖(花崗巖、花崗斑巖、流紋質(zhì)凝灰熔巖等)，分布廣泛的風(fēng)化巖層、孤石發(fā)育的花崗巖殘積層；中部主要為沖淤積平原，其間夾雜著山前剝蝕丘陵。區(qū)間隧道自北向南要多次穿越雜填土(素填土，填土與砂礫或混凝土等混合)，淤泥或淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土或粘土、含泥細砂或粉砂、淤泥夾粉細砂、粉砂、細砂、中砂、卵石、殘積土、殘積砂質(zhì)、礫質(zhì)土、散體狀強風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化至微風(fēng)化花崗巖、花崗斑巖、凝灰熔巖等軟硬不均，上軟下硬的復(fù)雜地層。

1.3 水文條件

路線經(jīng)過的場地地下水按貯存條件主要有地表水、潛水、上層滯水和基巖裂隙水。車站和隧道穿越的區(qū)間地下水埋藏淺(地下水初見水位埋深在0.4～1.1 m，穩(wěn)定水位埋深在0.5～3.8 m), 車站和隧道與地下水水位高差超過15 m。福州市屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，在臺風(fēng)和潮汐影響(高潮位為8.22 m，最低潮位為0.44 m)等復(fù)雜的水文地質(zhì)環(huán)境施工，地鐵1號線建設(shè)客觀上存在較大的地質(zhì)施工難度和風(fēng)險。

2 施工的地質(zhì)風(fēng)險與對策

2.1 車站

地鐵1號線的車站建設(shè)均為超長、超大深基坑(表1)，絕大部分采用明挖法，圍護結(jié)構(gòu)采用多種形式，如地下連續(xù)墻加多道內(nèi)支撐、挖孔樁加多道內(nèi)支撐、挖孔樁加預(yù)應(yīng)力錨桿、噴錨等。地鐵1號線明挖基坑遇到的風(fēng)險有巨厚淤泥層、富水砂層和花崗巖殘積土層等不良地質(zhì)體。

2.1.1 巨厚淤泥層與富水砂層

淤泥層具有含水量高、孔隙比大、強度低、靈敏度高、易擾動等特點，基坑開挖時易產(chǎn)生流變現(xiàn)象，導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，坑底易產(chǎn)生隆起。富水砂層由于滲透性強，與周圍場地存在著對基坑影響的微承壓水、承壓水聯(lián)系密切，同時由于砂層粘粒含量極低容易發(fā)生振動液化，在基坑開挖過程中對基坑底部存在流砂及突涌的風(fēng)險。巨厚淤泥層和富水砂層還易導(dǎo)致基坑導(dǎo)墻施工時難以成孔、易塌孔，連續(xù)墻因成槽困難易發(fā)生偏差和塌孔，導(dǎo)致周圍環(huán)境破壞、設(shè)備損壞、人員傷亡等風(fēng)險，進而導(dǎo)致地基沉陷，甚至是失穩(wěn)。地下連續(xù)墻接頭容易發(fā)生滲漏從而導(dǎo)致涌水涌砂,以及地下連續(xù)墻因變大形引起的侵限。此外,還可能因侵限造成地下連續(xù)墻拆除困難引發(fā)新的風(fēng)險。對于明挖基坑風(fēng)險可采取如下策略。

(1)針對基坑圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻接頭處易發(fā)生滲水進一步發(fā)展為涌水、砂、泥風(fēng)險，施工時可先通過注漿加固淤泥止水措施，利用堆積編織土袋進行反壓護墻等，同時可在地表通過袖閥管注漿加固基坑周圍土體，在導(dǎo)墻施工前預(yù)先增設(shè)一排或多排的咬合攪拌樁；在導(dǎo)墻拆模時沿其縱向每1 m增設(shè)雙向臨時支撐，嚴禁重型機械在其側(cè)面附近行駛，調(diào)整原內(nèi)墻厚度，調(diào)整部分鋼筋級別，通過注漿對墻體外部土體進行加固，加大導(dǎo)墻的外放值，在確保完全止水前提下分段鑿除已發(fā)生侵限的墻體。

(2)對基坑連續(xù)墻變形進行嚴密的施工監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括地基變形、臨近建筑物的變形等。有任何異常情況出現(xiàn)時應(yīng)及時上報，并對周邊環(huán)境仔細觀察以防地面塌陷。制定應(yīng)急措施，在鑿除侵限墻體前進行注漿止水措施，同時準備好搶險加固的各類物資(如沙袋、木頭、棉被和抽水設(shè)備等)。

表1 福州地鐵1號線車站情況統(tǒng)計

2.1.2 花崗巖殘積土層

花崗巖殘積土兼具粘性土和砂土的工程特性，在天然狀態(tài)下具有較低的壓縮性、較高的承載力和較大的抗剪強度，但遇水后力學(xué)性質(zhì)顯著降低?；◢弾r的全風(fēng)化層及殘積土中均勻分布殘留的球狀風(fēng)化巖塊(孤石)，對樁基及地下連續(xù)墻等的施工造成極大的困難。福州地下水豐富且埋藏淺，易導(dǎo)致花崗巖殘積土層遇水發(fā)生軟化崩解，從而導(dǎo)致機械陷入已開挖的土石方形成的泥潭中；基底亦容易形成積水坑，導(dǎo)致開挖困難甚至基坑四周塌陷；花崗巖殘積層透水性好，易導(dǎo)致基底冒水或開挖面匯流積水成泥石流，造成基底軟化，承載力下降，難以滿足設(shè)計要求；花崗巖殘積土層的石英含量高，易導(dǎo)致地下連續(xù)墻接頭滲水、連續(xù)墻水平位移以及周邊地基沉陷及周圍構(gòu)建物的破壞等風(fēng)險。對于明挖基坑風(fēng)險可采取如下措施[1]。

(1)做好地質(zhì)勘察分析，加強加密花崗巖殘積層的地質(zhì)補充勘察，通過對地質(zhì)資料的全面認真分析并結(jié)合工程特點，通過基坑設(shè)計和施工進行改善；采取機械和人工相結(jié)合的施工方法，為防止殘積層軟化崩解成泥潭或形成泥石流，在開挖面橫向設(shè)置擋土墻、排水溝和集水井進行抽排水；進行實時監(jiān)測與反饋，及時調(diào)整設(shè)計和施工方案，重點監(jiān)測基坑和周圍重要構(gòu)筑物。做好應(yīng)急預(yù)案和物資材料的準備工作。

(2)進行基底土層拋石換填處理和綜合排水措施。及時把拋石擠壓出來的泥土清除，清底厚度要比基底深60 cm,在墊層混凝土后不能有滲水和冒漿。排水溝要分別設(shè)置在基坑雙側(cè)和中部，并在拋石前鋪設(shè)直徑不小于10 cm的PVC排水管。

(3)采用及時架設(shè)或局部增設(shè)鋼支撐控制地下連續(xù)墻的變形，在基坑內(nèi)側(cè)墻通過注漿止水，通過袖閥管在地表沉陷處注漿加固地層和封堵措施。在集水坑四周采用咬合為10 cm的雙排50 cm單管旋噴樁進行護壁，以減低失穩(wěn)的風(fēng)險。

3 隧道

福州盆地的基底由花崗巖、巖脈、部分凝灰?guī)r、凝灰熔巖及其風(fēng)化形成的殘積土等組成, 覆蓋其上是第四紀河-海相沉積層。在地鐵1號線路各區(qū)間范圍內(nèi)，上覆的第四紀沉積物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土層種類多, 路線經(jīng)過的不良工程地質(zhì)體分述如下。

(1)淤泥層。該土層具有含水量高、孔隙比大、強度低、靈敏度高、易擾動的特點，有明顯的觸變、流變特性，穩(wěn)定性差。

(2)軟硬不均地層。福州地區(qū)由于閩江沖積和海侵淤積的相互作用，地層厚度變化大，軟硬不均現(xiàn)象明顯。

(3)孤石。福州地區(qū)是花崗巖和火山巖分布廣泛的區(qū)域，花崗巖有著球狀風(fēng)化的特性，而火山巖類中流紋巖、凝灰熔巖等風(fēng)化各向異性極大，均易形成各種孤石。

(4)斷裂帶。福州地鐵1號線經(jīng)過的區(qū)域分布有北北西向和北東東向構(gòu)造帶，巖石斷裂、節(jié)理裂隙發(fā)育。

(5)富水砂層。在盾構(gòu)穿越的閩江段，盾構(gòu)機通過的巖土層是以第四系河-海相沖淤積層的飽和砂土為主，該土層容易振動液化。

3.1 軟硬不均地層

軟硬不均勻地層以淤泥、粉質(zhì)粘土、中砂、卵石、殘積土及風(fēng)化巖為主，部分地段上部土層為粉質(zhì)粘土，下部土層為風(fēng)化巖[2]。淤泥在動力作用下土體結(jié)構(gòu)易破壞，造成土層流動以致開挖面失穩(wěn)；同時因軟弱土層的排土量較多，有可能會引起地層不均勻沉降；在軟硬不均地層中，由于上下巖土體性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致盾構(gòu)機受到的上下阻力不均勻，易引起盾構(gòu)在路線方向上的偏離，導(dǎo)致盾構(gòu)機姿態(tài)難以控制，易發(fā)生叩頭或隧道軸線向上偏移等事故；花崗巖殘積土層因石英含量高，硬度大，長石的高嶺土化使其力學(xué)性能極不穩(wěn)定，遇水易發(fā)生軟化崩解。在盾構(gòu)過程中，由于刀具接觸的是軟硬程度相差懸殊的巖土體，使得刀具、刀盤發(fā)生偏磨,甚至崩裂損壞。應(yīng)對這些風(fēng)險可以采用如下措施加以防范。

(1)參照各地同類巖土體的施工經(jīng)驗，設(shè)計出適合福州地區(qū)上軟下硬地層的盾構(gòu)機類型和刀具配置模式(如采用全斷面滾刀)。

(2)補充、加密勘察布孔點，分層分段徹底查明隧道內(nèi)淤泥、粘土、花崗巖殘積層、全風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖的埋深位置和分布范圍。在路線設(shè)計時盡量避免在這些地層中掘進，若無選擇的余地，應(yīng)盡可能在盾構(gòu)機到達前，通過地面豎井或沖孔樁或火工爆破來清除或解體隧道下部硬質(zhì)巖。

(3)對不良巖土體實行加固，根據(jù)掘進的難度和速度及時調(diào)整刀具更換計劃，保證盾構(gòu)的掘進質(zhì)量與效率、減少換刀的風(fēng)險與時間。

(4)配備盾構(gòu)機扭矩、推力的上限自動報警裝置，減少因扭矩或推力過大造成上部巖土體的坍塌事故。

(5)土層加固時盡量不采用會形成有壓力的泥漿“膿包”的鉆孔樁方式，多采用旋噴樁或袖閥管注漿加固措施。

3.2 孤石地段

據(jù)勘察盾構(gòu)的象峰站—秀山站—羅漢山站、樹兜站—屏山站、達道路站—上藤路站—三叉街站、三角埕站—火車南站等區(qū)間均有孤石出現(xiàn)。孤石大小不均勻，稍有不慎就會導(dǎo)致盾構(gòu)機刀盤損壞、偏離軸線，甚至是長時間停機事故。而花崗巖球狀風(fēng)化的難破碎、易滾動的特點將導(dǎo)致刀具刀盤損壞，盾構(gòu)機姿態(tài)難控制、掘進速度減緩，殘積層擾動沉降加大，也可能帶來塌方事故；花崗巖殘積土，全風(fēng)化巖遇水極易崩解、泥化帶來換刀風(fēng)險。應(yīng)對風(fēng)險可采用如下措施。

(1)選用配置能專門破碎花崗巖孤石的盾構(gòu)機；加密地質(zhì)勘探鉆孔，有針對性的查明花崗巖孤石的分布范圍。

(2)在花崗巖球狀風(fēng)化地段，對盾構(gòu)機的刀具刀盤要求做到勤檢查、勤更換，檢查要徹底要全面；采用壓氣作業(yè)，快速更換刀具，降低因花崗巖殘積土及全風(fēng)化巖遇水崩解泥化帶來的換刀風(fēng)險。

(3)實時監(jiān)控土倉溫度、掘進速度、刀盤扭矩轉(zhuǎn)速和貫入度，減少施工中因刀具偏磨與崩斷造成的風(fēng)險。

3.3 穿越斷裂帶

福州盆地為閩江下游斷陷區(qū)，后期斷裂發(fā)育，褶皺不顯著。北北東和北東向長樂—詔安斷裂構(gòu)造帶、北西向南平—福州斷裂構(gòu)造帶和近東西向閩清—連江斷裂構(gòu)造帶，3組方向的區(qū)域性大斷裂形成了福州盆地的基本構(gòu)造格局，再加上次一級北東東—北北西向2組共軛斷裂大量發(fā)育，最后形成了福州“棋盤式”的構(gòu)造骨架[3]。

路線經(jīng)過的北北西向斷裂構(gòu)造主要有八一水庫—尚干斷裂，斷裂具張扭性特征；北東東向構(gòu)造主要為桐口—八一苗圃斷裂帶、大鳳山—烏山—于山斷層，斷裂具壓扭性和脈巖貫入。斷裂帶處和節(jié)理裂隙發(fā)育地段容易成為富水層，滲透性極強易成為水源通道，增加噴涌的概率。斷裂帶圍巖軟硬程度在物理力學(xué)和化學(xué)作用下發(fā)生了突變，易導(dǎo)致盾構(gòu)機姿態(tài)失控，刀盤刀具等損壞。斷裂帶是穩(wěn)定性極差的地質(zhì)體，易導(dǎo)致掌子面坍塌。為降低斷裂帶施工風(fēng)險可以采用如下策略。

(1)盾構(gòu)前應(yīng)補充加密勘察鉆探，以查明斷裂帶的走向、傾向、傾角以及分布寬度，周圍地下水埋藏情況，評估其影響。

(2)增加注入盾尾的密封油脂量，嚴密監(jiān)視密封刷損毀和鉸接處的密封情況，減少密封失效風(fēng)險。

(3)調(diào)整注漿漿液配合比、增強注漿量、延長膠凝時間，預(yù)備充足泥漿、加大人工造漿比重、粘結(jié)度來減少泥漿的流失風(fēng)險。

(4)實施地面建筑物傾斜、地表沉降與地下水位變化等多點面相結(jié)合的監(jiān)測方式，及時給施工提供有效的信息。

3.4 富水砂層

地鐵1號線過閩江區(qū)間段(CK12+408.436～ CK12+632.00，CK12+835.00～ CK13+525.00)的盾構(gòu)埋深為24.00～39.00 m，經(jīng)過的地層有淤泥夾粉砂、淤泥質(zhì)土夾粉砂、中砂、細砂；圍巖地層主要由透水性強的中砂、細砂、卵石和薄層的粉土組成*浙江省工程勘察院, 福州市建筑設(shè)計院，福州市軌道交通1號線工程(二標段)達道站—上藤站區(qū)間巖土工程詳勘報告，2010。。依據(jù)鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范及建筑抗震設(shè)計規(guī)范對場地內(nèi)地層進行判別，得出其局部為可液化土，抗液化指數(shù)平均值為0.82。這些以飽和砂土及粘性土為主的第四系河-海相沖淤積層，圍巖基本分級為Ⅵ級，隧道圍巖多為承壓含水層，地下水豐富，滲透性好，隧道施工中易發(fā)生滲水。在水力作用下極易產(chǎn)生流砂、坍塌等現(xiàn)象，導(dǎo)致掘進面不穩(wěn)定，尤其是砂土層突發(fā)性的涌水和流砂會引起地面沉降，嚴重時會隨著地層空洞的擴大引起地面的突然塌陷[4]。應(yīng)對風(fēng)險可以采用如下策略*上海同濟大學(xué)，上海市崇明越江通道工程風(fēng)險分析研究總報告，2003。。

(1)對砂層進行注漿加固；挑選狀態(tài)優(yōu)良、性能先進的與隧道地層相適應(yīng)的盾構(gòu)機；盾構(gòu)過江前根據(jù)地質(zhì)勘察資料選取某一穩(wěn)定性相對好的地層里程處，暫停盾構(gòu)機所有的工作，打開機艙全面檢查刀盤刀具磨損狀態(tài)、各傳感器、注漿系統(tǒng)和盾尾鉸接處等的密封情況，對可能影響施工的刀具、傳感器進行更換，對可能發(fā)生滲漏部位加固或更換密封圈進行高壓密封抗?jié)B測試。一旦盾構(gòu)機掘進過程出現(xiàn)偏差，應(yīng)循序漸進地進行糾偏。

(2)嚴格挑選管片的型號使之與盾構(gòu)機中心軸線保持一致，以減少因盾尾間隙的均衡性不夠?qū)е碌穆┧?、漏漿風(fēng)險事故發(fā)生的概率。出現(xiàn)噴涌時應(yīng)先分析判斷水的來源部位，通過二次注漿等手段截斷來自盾構(gòu)后方的水源，再通過放水降壓、調(diào)整掘進模式和補充添加劑等辦法來控制。

4 結(jié)語

(1)福州地鐵1號線的車站開挖施工中，巨厚淤泥層、富水砂層和花崗巖殘積土層是主要不良工程地質(zhì)體?？赡軐?dǎo)致坑底土體軟化和隆起、基坑底部流砂和突涌、泥石流、連續(xù)墻侵限和滲水等地質(zhì)風(fēng)險事故。施工時可先通過注漿加固淤泥和富水砂層，導(dǎo)墻施工前預(yù)先增設(shè)咬合攪拌樁；在殘積層開挖面設(shè)置橫向擋土墻，基底土層拋石換填，并設(shè)置排水溝和集水井等措施。

(2)在隧道施工中，不良工程地質(zhì)體廣泛分布。巖土體軟硬程度不均和孤石無規(guī)律性易導(dǎo)致盾構(gòu)機的失控并導(dǎo)致塌方、坍塌等；斷裂帶與富水砂層的存在，施工不慎易引起噴涌、突水、地面沉降，甚至是地面突然塌陷等不良地質(zhì)體引起的風(fēng)險事故。在施工前要預(yù)先做好地質(zhì)工程補充勘察與資料分析，盾構(gòu)機選型、密封情況的檢查和刀具的及時更換，隧道下部硬巖的預(yù)先解體，軟弱土層的導(dǎo)管注漿加固等措施。

(3)為了降低施工風(fēng)險，除了采用上述具體措施外，還要做好施工中的開挖面變形和盾構(gòu)機的動態(tài)監(jiān)測與反饋控制，將風(fēng)險損害消除在萌芽中。

1 林志元,孔少波,陳喬松,等. 廣州市軌道交通三號線土建施工技術(shù)研究. 廣州:暨南大學(xué)出版社,2010.

2 陳晨,肖武芳,周偉波.福州市軌道交通1號線南門兜站巖土工程勘察探討.中華建設(shè),2012, (1).

3 林晨.福州盆地工程地質(zhì)特征及其勘察與施工. 礦產(chǎn)保護與利用. 2002, (5).

4 劉鳳華,季軍,梁真,等.國產(chǎn)863土壓平衡式盾構(gòu)機在砂性土中長距離推進的施工優(yōu)化. 建筑施工,2010,32(9).