青島地鐵M1號線工程地質條件分析

閆強剛,何壽迎,于波

(1．青島市勘察測繪研究院,山東青島 266032; 2．青島巖土工程技術中心,山東青島 266032)

青島地鐵M1號線工程地質條件分析

閆強剛1,2?,何壽迎1,2,于波1,2

(1．青島市勘察測繪研究院,山東青島 266032; 2．青島巖土工程技術中心,山東青島 266032)

結合青島地鐵M1號線線路規劃特點,分析了M1線穿越區特殊的巖土條件;重點圍繞地下工程圍巖穩定性,探討了巖土工程勘察工作中應特別注意的兩個重點問題;并結合勘察工作的重點,對設計、施工過程中應注意的問題進行了分析和評價,提出了一些有益的建議;對于青島地區后續進行的地鐵線路勘察、設計以及施工等具有一定的指導意義。

地鐵勘察;工程地質條件;地下水;地質構造

1　引 言

青島作為中國的副省級城市、計劃單列市和區域中心城市、山東省最大城市、國家歷史文化名城和風景旅游勝地,是中國東部沿海重要的經濟中心和港口城市。青島市城市軌道交通線網規劃M線由10條線路組成,總長度達353．20 km,其中青島地鐵M1號線工程南端起始為黃島峨眉山路,穿越膠州灣海底,北端終點為城陽區東郭莊。途徑黃島區、市南區、市北區、李滄區、城陽區,形成近南北走向的快速軌道交通走廊,共設地下車站39座,全線路總長60．10 km,如圖1所示。

圖1　青島地鐵M1號線站位示意圖

青島地形東高西低,中間凹陷。地貌類型為侵蝕剝蝕低山、丘陵、平原,主體為膠萊平原,平均海拔50 m左右。南、北為低山丘陵區,海拔在200 m～500 m之間,最高峰為東南部的嶗山,嶗頂主峰海拔1 132．7 m。膠州灣是山東半島東南沿海的一個深入內陸的半封閉海灣,東西寬27．8 km,南北長33．3 km,岸線長210 km,平均水深7 m左右,最大水深65 m。灣口朝向東南,通過一條寬約3 km、深30 m～40 m的深水槽與黃海相通。水系為外流水系,發源于北部、東北部的低山丘陵區,向南匯入黃海,分為大沽河、北膠萊河以及沿海諸河流三大水系。斷裂構造主要為近東西向、北北東向和北東走向,構成沂沭斷裂右側入字形構造。五蓮-青島斷裂、牟平-即墨斷裂位于中朝陸塊與中央造山帶邊界,是控制青島市構造格架的主干斷裂[1],如圖2所示。

圖2　青島市構造綱要圖

青島地鐵M1號線工程線路受到膠州灣、白沙河以及滄口斷裂等多條斷裂和河流的影響,穿越的地貌成因類型多、形態類型復雜、巖土種類多、變化大,M1號線工程包含了青島地區最主要的幾個巖土工程問題。本文通過對M1號線沿線的工程地質和水文地質條件進行分析,針對青島地鐵的巖土工程勘察、設計以及施工提出一些建議。

2　工程地質概況分析

2．1工程地質條件

圖3　青島地鐵M1號線地層剖面圖

2．2水文地質條件

地表水體:膠州灣的地形,從總的形式看,水深西北淺、東南深,海底地勢自北向南傾斜,腹大口小。其西北部有7 km～8 km寬的潮間灘地和寬闊的淺水區。5 m水深以內的面積占總面積的66．44%,分布在西北和北部。灣口一條深30 m～40 m的深水槽呈北北西向伸入灣內。膠州灣灣的海流主要為潮流,表層為順時針旋轉流,底層為往復流。潮汐類型屬正規半日潮,最高潮位(大港高程)5．30 m,最低潮位-0．57 m,平均高潮位3．85 m,平均低潮位1．08 m,平均潮差2．78 m,最大潮差4．61 m。地鐵1號線區域河流屬沿海近緣水系,注入膠州灣中。所有河流流量明顯受降水控制,季節性變化明顯。主要河流有海泊河、張村河、李村河、及大村河,張村河、大村河分別在曲哥莊及勝利橋匯入李村河后流入膠州灣。

地下水:根據含水介質的特征及其埋藏與分布規律,可將沿線地下水劃分為三種類型:松散巖類孔隙水、碎屑巖類空隙裂隙水和基巖裂隙水。[2]補給來源主要為大氣降水及河流、濱海地表水和地下水側向補給。地下水總體流向與地形坡向基本一致。地下水位隨季節變幅為1．5 m～2．0 m。在臨海地段,地下水因潮汐影響,地下水位隨漲潮、落潮具同相的有規律的變化。

2．3地質構造條件

地鐵M1號線經過區的斷裂均為北東向斷裂,其中與線路交叉對線路影響比較大的斷裂為夏莊～滄口斷裂及其的派生斷裂李村斷裂、青島山斷裂以及它們派生的次級斷裂。滄口斷裂主斷面北西傾,傾角50°～80°,西北部以萊陽群、青山群及第四系為主的平原,東南部以嶗山花崗巖為主的低-中山區。在滄口公園一帶,滄口斷裂出露寬達100 m,斷裂帶內巖石呈強烈擠壓破碎狀態。[3]沿線的構造巖均屬動力變質成因,原巖為花崗巖,巖體破碎,強度較低,詳見表1。根據其變質程度可以分為:糜棱巖(ml)和碎裂巖(sl),散體狀～泥狀～碎裂結構,條帶狀～條紋狀構造,巖塊干時較堅硬,濕時易軟化,多具塑性,如圖4所示。

圖4　青島地鐵M1號線綜合地質圖

3　地鐵勘察中應注意的問題

地鐵勘察的目的是查明場地的工程地質和水文地質條件,分析評價地基、圍巖及邊坡穩定性,預測可能出現的巖土工程問題,提供設計、施工所需的巖土參數。[4]因此,對于復雜的地鐵1號線,勘察工作部署應體現重點突出、兼顧一般的原則,除了應滿足一般要求外,對于地下水豐富、巖體結構差～很差、構造發育以及軟弱土發育等施工中易出現不良地質作用的地段,應圍繞地鐵硐室圍巖的穩定性、透水性評定,加大技術工作布置,提高勘察工作的精度。

根據M1號線穿越巖土層的工程地質和水文地質特點,重點對特殊地段的勘察重點和鉆探要求進行分析。

3．1特殊地段的工作布置

總體來看,青島地鐵M1號線特殊地段包括:穿越膠州灣地段、穿越以白沙河和李村河為代表的河流地段以及滄口斷裂及其派生次級斷裂地段。

(1)穿越膠州灣以及河流地段

海域段第四系地層厚度較小,場區基巖主要由白堊紀下統火山巖和燕山晚期侵入巖為主,屬硬質巖類,抗風化能力大多較強,表部強風化帶不甚發育,基巖中等風化、微風化巖面埋深較淺,但小型斷裂破碎帶發育[5]。

由于地下水直接受海水或地表河水的補給,補給量極大,地下水對地鐵工程的影響最為顯著。巖體的完整性和滲透性,尤其是構造破碎和節理發育地段的工程地質及水文地質特征應該是勘察工作的重中之重。

建議首先采用物探方法查明破碎帶、節理很發育～發育帶的范圍和產狀,在此基礎上有針對性的按照復雜場地要求加密鉆孔布置,再通過電視測井和抽(壓)水試驗的方式對圍巖的完整性和滲透性進行詳細調查,對圍巖的節理產狀、張開度,充填物質進行統計分析。

(2)穿越滄口斷裂等地段

地鐵M1號線所穿越的滄口斷裂、李村斷裂以及青島山斷裂等均屬于華夏構造體系,具有多期活動特點,以左行壓扭性活動為主,控制了青山群火山巖體的形態與分布,斷裂帶中糜棱巖、斷層泥、構造透鏡體發育。

上述的幾條斷裂尤其是滄口斷裂是青島地區最具代表性的斷裂,對于構造巖的物理力學性質研究,應該作為勘察工作的重點。①勘探孔距應依據復雜場地,隧道區間勘探孔距不大于30 m,車站勘探孔距不大于20 m。②室內試驗除了常規物理力學試驗外,尤其要注意研究構造巖是否具有可軟化性、膨脹性、崩解性等特殊性質,這對于地下工程的設計、施工的指導意義重大。③原位測試除了進行常規的原位測試手段外,建議多結合自鉆式旁壓試驗,進行變形參數和原位水平應力、靜止側壓力系數以及不排水抗剪強度的研究。

3．2鉆探的要求

巖芯采取率是獲得工程地質信息的重要指標,對于構造破碎帶的巖芯采取率指標,國內常用的幾本技術標準有著不同的要求,一般在40%～65%之間:《工程地質鉆探規程》DZ/T0017-91要求＞50%,《鐵路工程地質鉆探規程》TB10014-2012和《建筑工程地質勘探與取樣技術規程》JGJ/T87-2012均要求回次進尺采取率≥65%。[6]

對于地鐵等地下工程來說,構造、節理破碎帶等結構面的發育是造成地下水滲透、圍巖失穩的關鍵因素。查明構造破碎帶范圍及性質主要通過物探及鉆探,鉆探揭露仍然是最直接、最為有效的第一手段,因此,筆者認為對于地鐵等地下類工程,應該嚴格控制對構造破碎類巖體的采取率控制要求,建議提高標準至75%～85%,對于地下水豐富地段按≥85%控制,一般地段按≥75%控制。鉆探過程中應控制回次進尺長度,在構造等破碎巖體的地段,回次進尺不應宜為0．5 m。應采用雙層巖芯管鉆頭或無泵反循環鉆進,終孔直徑不宜小于91 mm。

4　設計、施工中應注意的問題

地鐵隧道施工中的安全問題,是涉及人命關天的核心問題,尤其是處在工程地質條件、水文地質條件、和工程環境條件十分復雜的地段,提早進行影響隧道施工安全因素的專項分析與研究,并提出預防措施的意見與建議,具有重要的現實意義。

根據對M1號線巖土工程條件的分析,在設計、施工地下水豐富地段和構造發育地段中,應引起重視的問題進行分析。

4．1地下水豐富地段

M1號線過海段最深處在海平面80 m以下,水壓力巨大,隧道圍巖級別為Ⅱ～Ⅵ級,由于場區巖石種類繁多、地質條件復雜,現有勘察技術無法完全探明各級圍巖的分布位置及滲透性,因此隧道海域段設計、施工中應特別重視多點水平超前鉆探揭露的信息,先通過超前鉆探查清掌子面前方的圍巖級別和滲水特征,再采取相應設計和施工方案。

M1號線穿越的白沙河和李村河屬于區域性河流,河床為厚層的礫砂、卵石層,透水性強含水量豐富,且具有一定的承壓性,水壓力大,可達210 kPa～250 kPa。由于直接跟基巖接觸,在地下水的滲透、侵蝕、潤滑作用下,更加劇了隧道圍巖的不穩定性,當隧道頂板距基巖面較近時,可能會出現冒頂或者“塌陷洞”并引起上覆全新統洪沖積粗礫砂層(第9層)形成“塌陷漏斗”和流砂,當頂板進入第9層時會發生突涌、涌砂,使掌子面失穩,洞室形狀改變,給施工安全帶來嚴重危害,甚至有可能導致地面不均勻沉降,影響房屋、道路、地下管線等的正常使用,對工程環境造成不良的影響。因此,過河段設計時隧道埋深應適當加大,施工時注意施工振動控制及超前地質預報工作,避免再次出現類似的工程事故。

4．2斷裂構造發育地段

M1號線斷裂構造型式多表現為破碎帶、碎裂巖帶、糜棱巖帶、節理很發育帶和節理發育帶等,寬度由幾米～幾十米。施工中,應密切結合超前地質鉆探,進一步查明斷層的傾角、走向、寬度,巖體的破碎程度以及地下水活動等條件,做到有的放矢。設計施工應嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支撐、早成環、勤量測”的原則。

另外,青島地鐵M1號線貫穿以滄口斷裂為界的膠南隆起和膠萊盆地,與M1線路相交的滄口斷裂位置基本處于盆地的邊緣附近,沉降比較敏感的地帶,故應考慮地鐵線路在長期運行過程中,因差異沉降對行車安全產生的不利影響。

5　結 論

(1)影響地鐵建設的安全因素非常多,應著重從構造體系、巖體特征、地下水與地表水水力聯系等方面,分析影響隧道施工安全的地質因素。

(2)青島地鐵M1號線受膠州灣、白沙河、滄口斷裂等特殊地質環境的影響,沿線穿越的地貌成因類型多、形態類型復雜、巖土種類多、變化大,工程地質條件和水文地質條件特別復雜。青島地鐵M1號線的勘察工作,應重點圍繞圍巖的穩定性、透水性開展工作,尤其在穿越膠州灣、沿海諸河流以及滄口斷裂等構造地段,加大技術工作布置,提高勘察工作的精度。

(3)在穿越膠州灣、斷裂構造以及河流地段,飽水砂層、構造巖的物理力學性質、構造破碎(節理發育)地段的工程地質及水文地質特征研究,是勘察工作的重中之重。對于構造破碎類巖體的采取率控制要求,應提高標準至75%～85%。設計時隧道埋深應適當加大,施工時注意施工振動控制,應特別重視多點水平超前鉆探揭露的信息,優化設計和施工方案。

(4)由于青島地鐵M1號線涵蓋了青島市主要的工程地質現象和青島地區最主要的巖土工程問題,建議對其勘察成果資料進行認真總結分析整理,有針對性地開展一些相關課題研究工作,這對青島市后續的地鐵線路的勘察、設計和施工都有極大的指導意義。

[1] 宋春明．山東省地質礦產圖集[M]．濟南:山東省地圖出版社,2012．

[2] 賈永剛,譚長偉．青島城市工程地質[M]．青島:青島海洋大學出版社,1995．

[3] 丁峰等．中華人民共和國地質圖說明(滄口幅)比例尺1∶50 000[M]．濟南,山東省地質礦產勘查開發局, 1999．

[4] GB50307-2012．城市軌道交通巖土工程勘察規范[S]．

[5] JGJ/T87-2012．建筑工程地質勘探與取樣技術規程[S]．

Study on Engineering Geology Conditions of Qingdao Metro Line M1

Yan Qianggang1,2,He Shouying1,2,Yu Bo1,2

(1．Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute,Qingdao 266032,China; 2．Qingdao Geotechnical Engineering Center,Qingdao 266032,China)

Analyzing the engineering geology and hydrogeological conditions of qingdao,and combining with the characteristics of the qingdao subway,special engineering geology conditions and geological engineering investigation methods and relevant matters of Metro line M1 were discussed．Based on investigation importances,evaluation and analysis on key technics on design and construction of Metro is discussed,meanwhile some beneficial suggestions is issued, which is of certain guiding significance for geological investigation,design and construction on metro of Qingdao．

subway exploration;engineering geology conditions;underground water;geology structure

1672-8262(2016)01-154-04

P642

A

?2015—10—25

閆強剛(1970—),男,工程技術應用研究員,博士,主要從事巖土工程勘察、設計技術研究。

青島市建設科技計劃項目基金(JK2014-9)