杭州地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源分析

葉向前，田春凌

(1.杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310012； 2.杭州市拱墅區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中心，浙江杭州 310000)

杭州地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源分析

葉向前1?，田春凌2

(1.杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310012； 2.杭州市拱墅區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中心，浙江杭州 310000)

根據(jù)杭州地質(zhì)條件，結(jié)合盾構(gòu)施工工藝，系統(tǒng)地分析了杭州地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工過(guò)程中主要的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源，得出了對(duì)杭州地鐵建設(shè)影響較小的風(fēng)險(xiǎn)源的種類有區(qū)域斷裂構(gòu)造、特殊巖層、地下障礙物(拋石)；較大的風(fēng)險(xiǎn)源主要有特殊土層、不利復(fù)合地質(zhì)、有害氣體和地下障礙物(已有樁基)，并提出了防范措施。

地鐵；區(qū)間；盾構(gòu)施工；地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)地鐵區(qū)間隧道大量采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但盾構(gòu)施工事故還是時(shí)有發(fā)生。避免事故的核心是對(duì)可能風(fēng)險(xiǎn)源的進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)[1]，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果做出有效的防范，才能降低事故的發(fā)生概率。

盾構(gòu)區(qū)間深埋于地下，地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)施工和運(yùn)營(yíng)的影響是顯而易見(jiàn)的，其中最主要的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生在施工過(guò)程。地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源是盾構(gòu)施工首要風(fēng)險(xiǎn)源。

盾構(gòu)區(qū)間施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源通常可以包括:區(qū)域斷裂構(gòu)造、特殊土層、特殊巖層、不利復(fù)合地質(zhì)、有害氣體、地下水、地下障礙物等。目前杭州已開(kāi)工建設(shè)的地鐵1號(hào)線、2號(hào)線和4號(hào)線的區(qū)間均置于第四紀(jì)覆蓋層中，不需要破巖，可以不考慮特殊巖層風(fēng)險(xiǎn)。

1 區(qū)域斷裂構(gòu)造

經(jīng)杭州地鐵工程地震安全性評(píng)價(jià)專題研究[2]，地鐵工程近場(chǎng)區(qū)主要有北東向、北西向和近東西向3組區(qū)域斷裂。其中北東向的蕭山—球川斷裂最新一期活動(dòng)時(shí)代為晚更新世(Q3)晚期；北西向的孝豐—三門(mén)斷裂最新一期活動(dòng)時(shí)代為晚更新世(Q3)早中期；近東西向的昌化—普陀斷裂近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)其最新活動(dòng)年代為晚更新世(Q3)晚期。其余為上述主要斷裂的次一級(jí)斷裂，一般為不活動(dòng)斷裂。上述斷裂最新活動(dòng)年代為第四紀(jì)晚更新世(Q3)，全新世(Q4)無(wú)構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)，可以認(rèn)為是非活動(dòng)斷裂。研究成果認(rèn)為:“近場(chǎng)區(qū)不具備發(fā)生6級(jí)以上地震的構(gòu)造條件，但在蕭山—球川斷裂、孝豐—三門(mén)灣斷裂及昌化—普陀斷裂(杭州附近段落)的交匯處附近及蕭山—球川斷裂的活動(dòng)段存在發(fā)生5級(jí)～6級(jí)地震的構(gòu)造背景。”總體上，區(qū)域斷裂構(gòu)造總體較穩(wěn)定，發(fā)生構(gòu)造活動(dòng)和地震的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。

2 特殊土層

2.1 淤泥質(zhì)土

杭州市中西部有著名的西湖和西溪濕地國(guó)家公園(主要屬西湖區(qū))，西南部有湘湖(屬蕭山區(qū))。這些區(qū)域的地層中上部為巨厚層淤泥質(zhì)土(1號(hào)線濱康路站～湘湖站區(qū)間最大厚度可達(dá)25 m)，主要為海相沉積和湖沼相沉積層。杭州地區(qū)的淤泥質(zhì)土可細(xì)分為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土薄層等類型。這些土層的共同特征是高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低～極低強(qiáng)度。當(dāng)盾構(gòu)全部置于該土層中時(shí)，常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在如下方面:

(1)因其低強(qiáng)度和高壓縮性，故工后沉降可能性很大，且沉降完成時(shí)間長(zhǎng)，僅用螺栓緊固管片拼裝成的隧道自身穩(wěn)定性較差，可能造成線路縱坡的變化及管片的錯(cuò)臺(tái)和損壞等。

(2)盾構(gòu)機(jī)機(jī)體的重量在軸向不均勻，其前部的1/3(包括刀盤(pán)主軸承和螺旋輸送機(jī)等)大約占盾構(gòu)機(jī)總重的2/3以上。在這種流塑狀的淤泥質(zhì)地層推進(jìn)不容易掌握盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，尤其是出洞時(shí)，易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的“叩頭”現(xiàn)象，導(dǎo)致管片安裝困難，線路縱斷面超限。

(3)在隧道的橫通道施工時(shí)，主要問(wèn)題是如何保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及坑底隆起。

(4)當(dāng)隧道上方存在無(wú)樁淺基礎(chǔ)多層建筑物時(shí)，隧道下穿前需要進(jìn)行托換等加固措施。但往往托換施工難度大，沉降控制非常困難。

盾構(gòu)區(qū)間常位于鬧市區(qū)，提前加固軟土場(chǎng)地條件局限性很大。同時(shí)，因杭州軟土分布面積大，如果要處理則工程量非常大。在實(shí)際施工過(guò)程中，主要采用調(diào)整液壓千斤頂和增加配重來(lái)控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，避免出現(xiàn)隧道“蛇形”和盾構(gòu)機(jī)“叩頭”現(xiàn)象。對(duì)于少量無(wú)樁淺基礎(chǔ)多層建筑物主要采用拆除的辦法來(lái)確保安全，總體施工效果良好。

2.2 粉土砂土

杭州地區(qū)潛水位淺埋，淺層粉土因含水量大，沉積時(shí)間短，可能在動(dòng)力條件下產(chǎn)生砂土液化。特別在錢(qián)塘江兩岸的圍墾區(qū)，淺表松散回填粉土和淺部新近沉積的地層，沉積年代只有幾十年。這類粉砂土的砂土液化等級(jí)一般為輕微，局部可達(dá)中等。

通常情況下，粉土和砂土(統(tǒng)稱粉砂性土)并不看作為特殊土，但對(duì)于盾構(gòu)施工而言，粉砂性土因其粘聚力低而具有特殊性:易液化，易坍塌。

(1)砂土液化主要原因是地震。杭州市地鐵已開(kāi)工線路“近場(chǎng)區(qū)不具備發(fā)生6級(jí)以上地震的構(gòu)造條件”，所以砂土液化產(chǎn)生的可能性較小。但1號(hào)線下沙段洞身圍巖主要為沉積時(shí)間相對(duì)較短的粉砂性土，仍然不能排除地震液化的可能。

(2)盾構(gòu)隧道之間的橫通道施工和盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出工作井時(shí)，易坍塌的粉砂性土給施工帶來(lái)困難，必須做好地基加固和圍護(hù)工作。當(dāng)加固效果不理想時(shí)，可能會(huì)發(fā)生管涌、流砂并導(dǎo)致大面積塌方的嚴(yán)重后果。杭州地鐵隧道橫通道施工常采用冰凍法處理，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出工作井常采用冰凍法或高壓旋噴樁配合三重水泥攪拌樁處理方案。

2.3 圓礫

杭州地層中有2層～3層圓礫層，局部(錢(qián)塘江兩岸)連續(xù)分布，形成厚度達(dá)20 m以上的巨厚圓礫層，層面埋深30 m左右。總體上圓礫層中大于2 mm以上礫石顆粒占50%～65%，其中大于2 cm以上卵石顆粒占20%～30%左右。其中4號(hào)線富春路站以南區(qū)段范圍顆粒稍大，但還未達(dá)到卵石類別，且埋深達(dá)35 m以上。通常情況下，盾構(gòu)區(qū)間底板埋深小于25 m，但1號(hào)線和2號(hào)線下穿錢(qián)塘江段最大埋深大于30 m，其中1號(hào)線會(huì)揭露圓礫層。由此，會(huì)有兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn):圓礫層為最主要的承壓水含水層，盾構(gòu)機(jī)會(huì)面臨高水頭承壓水的威脅；盾構(gòu)會(huì)出越上軟(軟塑～可塑狀的粉質(zhì)粘土)下硬(圓礫)的不良地層組合(詳細(xì)分析參見(jiàn)第3節(jié))。該區(qū)間承壓水水位為 －4 m～0 m，承壓水頂板高程一般為－31.55 m～－33.97 m。圓礫層粘粒含量極少，滲透系數(shù)大，一般可達(dá)1 m/d，含水量極豐富。一旦土壓較大波動(dòng)，就可能會(huì)造成過(guò)量砂粒和粘粒涌入密封艙，可能導(dǎo)致密封艙的失壓，引發(fā)江底沉陷。

3 不利復(fù)合地層

本文所述不利復(fù)合地層(上軟下硬組合)是針對(duì)盾構(gòu)施工工藝而言的，當(dāng)采用礦山法施工時(shí)卻很可能屬于常規(guī)地層組合。主要考慮淤泥質(zhì)土或軟塑的粘性土與其他力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好的地層組成不良地層組合，地層的軟硬是相對(duì)的，如可塑以上粘性土、粉砂性土、礫石層、基巖等均可以看作相對(duì)于淤泥質(zhì)土的硬土層。

典型的上軟下硬不利復(fù)合地層如1號(hào)線某區(qū)間中深埋的區(qū)段[3]，盾構(gòu)上部2/3左右為軟塑～可塑狀的含砂粉質(zhì)粘土，下中部1/3為細(xì)砂或圓礫層。圓礫層呈中密～密實(shí)狀。本地層組合的區(qū)間長(zhǎng)度約330 m，占整個(gè)區(qū)間總長(zhǎng)度的11.8%，主要分布在江中埋深最深的部分。盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)上下所受阻力不同，會(huì)造成控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)困難，刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。

圖1 地鐵1號(hào)線某區(qū)間不良地層組合

為了避免在江底進(jìn)行更換刀盤(pán)的復(fù)雜施工工藝，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化并經(jīng)專家論證，最終將江底部分隧道底板適當(dāng)上調(diào)約2 m，以避開(kāi)圓礫層。實(shí)際施工過(guò)程中盾構(gòu)推進(jìn)順利，既降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，且節(jié)約了工期和工程投資。

4 有害氣體

杭州地鐵1號(hào)線江南段(錢(qián)塘江南岸～湘湖區(qū)段)多處存在淺層天然氣。2007年8月18日某區(qū)間及其相鄰站點(diǎn)的勘探過(guò)程中，有數(shù)個(gè)孔出現(xiàn)嚴(yán)重的噴水、氣、砂混合物的現(xiàn)象，其中噴出的最大高度達(dá)8 m，噴出時(shí)間最長(zhǎng)持續(xù)18 h，點(diǎn)燃火焰高度3 m～4 m[4]。且出現(xiàn)反復(fù)噴發(fā)現(xiàn)象，當(dāng)?shù)谝淮螄姵龇€(wěn)定后，臨近1 m左右再打靜探沼氣探測(cè)孔，又會(huì)出現(xiàn)沼氣的噴出，如圖2所示。

本地區(qū)淺層天然氣屬甲烷型生物成因氣，因江南地區(qū)屬于蕭紹平原地貌單元，由于錢(qián)塘江近代頻繁改道，形成分布不均的牛軛湖及內(nèi)河道；牛軛湖及內(nèi)河道大量生物繁殖，這些生物由于地質(zhì)環(huán)境的改變?cè)跓o(wú)氧狀態(tài)下，經(jīng)細(xì)菌分解為甲烷和二氧化碳。甲烷生成后，以溶存于地下水的溶存氣體及存在于土顆粒空隙中的游離氣體兩種形式存在于地層中。根據(jù)國(guó)家天然氣總公司上世紀(jì)50年代在濱江區(qū)和蕭山區(qū)探測(cè)，土層中氣體的主要成分為甲烷，呈蜂窩狀、透鏡體狀不連續(xù)分布，埋深在10 m～35 m之間，最大壓力根據(jù)噴出水柱高度估算為400 kPa。結(jié)合本場(chǎng)地地層情況分析，氣源層為淺海相的⑥1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和湖沼相的⑧2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂層，主要儲(chǔ)集層為⑧2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂和○121層粉砂，上述土層具有較好的透水透氣性，加上覆蓋層淤泥質(zhì)粘土層穩(wěn)定分布，形成氣水同層，具有面積大、分布廣等特點(diǎn)。在后續(xù)的勘探過(guò)程中，1號(hào)線富春路站～濱江站區(qū)間、濱江站～西興站區(qū)間、西興站～濱和路站區(qū)間、九堡東站～下沙西站區(qū)間、下沙西站～下沙中心站區(qū)間、下沙中心站～下沙東站區(qū)間等區(qū)間，及相鄰車站均發(fā)現(xiàn)了有害氣體。

圖2 靜探孔中噴發(fā)氣、水，氣、砂混合物

甲烷是無(wú)色無(wú)味的氣體，對(duì)人基本無(wú)毒，但在通風(fēng)不良的情況下，濃度過(guò)高時(shí)，可使人窒息死亡。其濃度達(dá)到5%時(shí)，遇高溫或明火時(shí)，具有氣爆性。由于設(shè)計(jì)線路隧道底埋深為14 m～20 m，正好位于富存甲烷氣體土層，因此在區(qū)間施工過(guò)程中存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

1號(hào)線下沙段某車站在施工過(guò)程中出現(xiàn)底板翻砂翻水和冒氣的現(xiàn)象，危及地下連續(xù)墻的穩(wěn)定性。在馬上采取應(yīng)急措施后，進(jìn)行了系統(tǒng)的處理排氣措施。排氣主要采取了豎向隔斷和水平隔斷有力措施[5]，有效地解決了沼氣對(duì)車站施工的危害。豎向隔斷是指采用高壓旋噴樁隔斷車站外側(cè)與內(nèi)側(cè)的儲(chǔ)氣層，使外側(cè)氣流不能進(jìn)入內(nèi)側(cè)，孤立基坑內(nèi)氣層。水平隔斷是采取對(duì)底板下部土體進(jìn)行旋噴樁加固或者注漿加固，同時(shí)也起到加基底土層的效果，有效控制了有害氣體冒出時(shí)帶出水、泥沙現(xiàn)象。

應(yīng)該要注意的是雖隔斷法的功效較為明顯，但并不能保證完全隔斷儲(chǔ)氣層，所以還要進(jìn)行有效地排氣，并設(shè)坑外有害氣體釋放孔，將基坑內(nèi)氣壓力控制在0.1 MPa下。同時(shí)，基坑內(nèi)氣壓力減小后，水位會(huì)上升，所以應(yīng)加強(qiáng)基坑內(nèi)降水。

盾構(gòu)區(qū)間施工前的處理措施與車站不同，一般主要為放氣。當(dāng)初始?xì)鈮捍笥?.2 MPa時(shí)，排氣孔間距一般小于20 m；小于0.2 MPa時(shí)，排氣孔間距一般小于20 m～30 m左右。排氣孔呈網(wǎng)格狀布置，以靜探孔排氣為主。其中富春路站～濱江站區(qū)間為過(guò)錢(qián)塘江區(qū)間，每天有潮水的涌退，加上過(guò)往船只的影響，如采用靜探孔排氣，探桿極易折斷，考慮采用鉆探排氣。一般排氣最終壓力控制在0.05 MPa(或0.1 MPa)以下。還需注意的是，必須緩慢均衡放氣，以不帶出泥沙、泥水為控制標(biāo)準(zhǔn)。1號(hào)線排氣過(guò)程中曾出現(xiàn)過(guò)因排氣過(guò)快，帶出較多泥沙和泥水，導(dǎo)致臨近堤壩局部變形，最后只得對(duì)堤采取加固措施。

盾構(gòu)區(qū)間施工中應(yīng)采取有效防范措施:配備瓦斯報(bào)警儀、加大通風(fēng)、禁止使用明火等。

通過(guò)排氣后，總體處理效果良好，各區(qū)段和車站施工過(guò)程中未出現(xiàn)過(guò)有害氣體對(duì)工程的明顯危害。

5 地下障礙物

5.1 拋石

在錢(qián)塘江北岸，由于錢(qián)塘江的歷史變遷及長(zhǎng)期人類活動(dòng)攔洪筑堤，圍墾筑田等原因，在上部粉土、砂土地層中，存在拋石，鉆孔可見(jiàn)直徑10 cm～30 cm不等，甚至更大，拋埋雜亂無(wú)規(guī)律。拋石層底板高程在 0.00 m～－3.6 m。但是，根據(jù)在1號(hào)線、2號(hào)線過(guò)江區(qū)間的鉆探和物探中未發(fā)現(xiàn)拋石等地下障礙物，且障礙物可能存在的埋深淺于盾構(gòu)施工范圍，對(duì)盾構(gòu)施工一般不會(huì)產(chǎn)生影響。

5.2 已有樁基

在盾構(gòu)地下區(qū)間遇已建橋梁時(shí)，需在盾構(gòu)推進(jìn)之前采取措施清理樁基礎(chǔ)。2號(hào)線內(nèi)外環(huán)站～錢(qián)江世紀(jì)城站區(qū)間已建豐北橋，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑Φ800～Φ1 200，樁長(zhǎng) 25.5 m～35.97 m，樁底高程－23 m～－33 m[6]。大部分的樁是能拔除的，對(duì)于不能拔的樁，采用沖錘擊碎的施工方案清理了這些障礙，并新建橋梁，布置樁基礎(chǔ)避開(kāi)區(qū)間隧道。

6 結(jié) 語(yǔ)

由上分析可知，在常見(jiàn)的區(qū)間盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)源中，特殊巖層、區(qū)域斷裂構(gòu)造、地下障礙物(錢(qián)塘江北岸拋石)對(duì)杭州地鐵1號(hào)線、2號(hào)線和4號(hào)線的工程建設(shè)的影響較小，影響比較大的風(fēng)險(xiǎn)源主要有特殊土層、不利復(fù)合地質(zhì)、有害氣體、地下障礙物(已有樁基)等，應(yīng)采取有效防范措施加以防范和解決。

[1] 竺維彬，鞠世健.地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)源及典型事故的研究[M].廣州:暨南大學(xué)出版社，2009

[2] 浙江省工程地震研究所.杭州地鐵2號(hào)線一期工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)(地震危險(xiǎn)性分析部分)報(bào)告[R].杭州:2006

[3] 杭州華東建設(shè)工程公司.杭州地鐵1號(hào)線杭州地鐵1號(hào)線富春江路站～濱江路站區(qū)間巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告[R].杭州:2007

[4] 浙江省地礦勘察院.杭州地鐵1號(hào)線杭州地鐵1號(hào)線湘湖站～濱康路站區(qū)間巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告[R].杭州:2007

[5] 荀亮亮.杭州地鐵下沙東站有害氣體處理[J].山西建設(shè)，2009，35(30):119～120

[6] 杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.杭州地鐵2號(hào)線一期沿線橋梁(涵)及部分聯(lián)絡(luò)線區(qū)段建(構(gòu))筑物調(diào)查報(bào)告[R].杭州:2005

Geological Risk－Source Analysis of Metro Section Shield Construction in Hangzhou Metro

Ye Xiangqian1，Tian Chunling2
(1.Hangzhou Geotechnical Engineering and Surverying Research Institute，Hangzhou 310012，China；2.Hangzhou Gongshu Construction Centre of Infrastructure，Hangzhou 3100000，China)

According to geological conditions in Hangzhou，combined with the shield construction technology，systemically analyzes the major geological risk source proceeding from construction process of metro shield section in Hangzhou，it comes to a conclusion that risk－sources which have small influences on metro construction in Hangzhou include regional fracture structure，Special Strata，underground obstruction(riprap)；while what have large influences mainly include special soil，unfavorable complex geological structure，harmful gases and underground obstruction(existing pile).Then the author proposes some protective measures.

metro；section；shield construction；geological risk－source

2012—01—12

葉向前(1973—)，男，高級(jí)工程師，注冊(cè)巖土工程師，注冊(cè)咨詢(投資)工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)及地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估工作。

1672－8262(2012)02－173－04

P642.5

A