福州地鐵二號線主要工程地質問題探討

柳文廣

（福建省地質調查研究院，福州 350013）

福州地鐵二號線主要工程地質問題探討

柳文廣

（福建省地質調查研究院，福州 350013）

福州市地鐵二號線是福州市軌道交通東西主軸線，沿線工程問題復雜，盾構施工條件困難，主要有孤石問題、過江的富水砂層及沖蝕深槽問題、過河的冒頂突水問題和軟硬接觸等。通過福州城市地質調查工作搜集的20余萬個鉆孔資料，標準化3000余個有效鉆孔，補充以專項調查及少許鉆探，總結孤石發育規律，分析孤石等主要工程地質問題的發育特征，推斷它們可能出現的路段，指出它們可能給施工造成的危害，提出初步處理建議。同時，針對福州地區特有的有害氣體、溫泉等進行了補充說明，對規劃線路優選具有重要的指導意義。同時，為詳勘、施工前勘察奠定了一定的工作基礎。

福州地鐵；二號線；工程地質問題；孤石；沖蝕深槽

根據2013年9月發布的《福州市城市軌道交通線網規劃（2012年修編）》，地鐵二號線是福州市軌道交通東西主軸線，全長28.10km，共設23座車站，2座車輛綜合基地，5座換乘站。起于上街蘇洋村，途經大學城、金山、鼓臺核心區、晉安組團，終點至下院，連接福州主要文教科研區、主要工業區、歷史文化發展中心、大型居住區。二號線延伸線全長約5.23km，設三座車站，起自蘇洋村站、向北延伸至竹岐片區。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌

沿線場地地貌類型主要為沖積、海積平原，地形平坦，湖沼、水系發達。閩江和烏龍江橫穿福州盆地，將場地分為江北平原、南臺島平原和上街平原3個區段。江北平原屬海積平原，烏山、于山等部分場地為剝蝕殘丘，南臺島平原、上街平原屬沖積平原，局部如福州大學一帶為剝蝕殘丘。

1.2 地質構造

圖1 福州地鐵二號線沿線場地工程地質略圖Fig.1 Engineering geological thumbnail of the fi eld along Fuzhou metro line two

沿線場地0～50m深度范圍內的地層主要有：更新統殘積層零星出露于地表，沿山麓坡腳呈裙狀分布，分布于烏山、于山一帶。上更新統上段與全新統下段厚約5.0～8.60m，頂板埋深約為11～22m，主要為沖（洪）積的粉質粘土、砂、（砂礫）卵石。全新統中段廣泛分布，海積淤泥、淤泥質土為主，兼有海陸交互相和陸相沖洪積的淤泥夾砂、粉質粘土等。全新統上段主要發育于沿岸河漫灘、心灘，沖積砂為主（圖1）。

以燕山晚期花崗巖類為主，廣泛分布于第四系松散層之下，部分呈孤島狀出露，構成了沿線場地的整個基巖底座，巖性主要為堿性花崗巖、鉀長花崗巖、二長花崗巖、閃長巖等。

影響沿線場地的主要斷裂有6條，分別為八一水庫—尚干斷裂（F1、圖1）、鼓山山前斷裂（F2）、桐口—洪山橋斷裂（F3）、閩侯—南嶼斷裂（F4）、于山—東山斷裂（F6）、飛鳳山—前嶼斷裂（F7）。

1.3 水文地質條件

第四系松散巖類孔隙水主要儲存于全新統、上更新統上段的砂、砂礫卵石層中，在閩江、烏龍江兩岸為潛水，水位多在2.70～7.20m，水量豐富，單孔涌水量可達3696m3/d，滲透系數多為9.50～30.02m/d，水化學類型以HCO3-Ca·Na為主。其他地段多為承壓水，水量中等—豐富，滲透系數多在2.65～14.97 m/d，水化學類型多為HCO3·Cl-Na·Ca型。

風化殘積層孔隙裂隙水和基巖裂隙水主要賦存于殘積粘性土、基巖風化帶及構造裂隙之中，一般水量貧乏，季節性變化大，水化學類型多為HCO3-Ca·Na型。

2 工程地質問題

根據地鐵二號線施工采用的站點場址明挖和隧道盾構施工等方法，結合1：2.5萬工程地質調查資料，沿線場地存在的主要工程地質問題歸結為3類：孤石問題、過江過河問題及軟硬接觸問題。

2.1 孤石問題

（1）工程危害

孤石的分布與工程選址布局、持力層判定、施工方法選擇、工期、造價等密切相關。基礎施工時導致持力層誤判、不均勻沉降、上部結構失穩、施工困難、延誤工期等問題，盾構施工時會導致刀盤受壓不均、姿態難以控制、掘進速度緩慢、擾動上覆土層等問題，使盾構機卡刀、斜刀、掉刀偏磨等（林生涼，2013），俗稱盾構施工的“癌癥”。

（2）發育特征

二號線沿線孤石母巖均為花崗巖類，直徑較大，多在2～5m，大者可達10余米。發育的微風化花崗巖類孤石約占60%，巖質堅硬，內部一般無裂隙，表面僅有數厘米厚的風化層薄殼；中風化孤石約占40%，其強度和完整性較微風化孤石稍差。

（3）分布規律

孤石發育在強風化層中的比例最高，在殘積層和全風化層中比例相當。其分布具有如下特點：①主要分布于殘積土、全風化和強風化帶中，離散性大、埋藏深度大、空間賦存特征不規則。②當風化程度增強時，體積會減少、數量會增多，在垂直風化剖面上具有“上多下少”、“上小下大”的特點（李國祥等，2012）。③大于5m的孤石多分布在強風化層中。④在殘積土、全風化層中多為中風化孤石，在強風化層多為微風化孤石。⑤孤石埋深主要集中在0～-40m之間。⑥與母巖成分和構造關系密切，據福州市現有勘察資料統計，母巖為閃長巖的地段孤石發育概率達100%，母巖為花崗閃長巖的地段孤石發育概率約為60%，母巖花崗斑巖、二長花崗巖的地段概率約為40%，福州平原NNW向斷裂帶發育孤石的概率較高，NE向發育孤石的概率較小。⑦基巖地形隆起發育多，低洼處發育少。

（4）分布范圍

在福州城市地質調查收集20余萬個鉆孔資料的基礎上，通過網絡化篩選出3000多個有效鉆孔，將其地層層序標準化，繪制了50條地質剖面，并建立了福州城市地質信息管理服務系統，實現了地層結構三維可視化。在此基礎上，借鑒廣州地鐵施工孤石揭露情況與勘察經驗，結合福州數十年來樁基礎及地下工程施工中已發現的孤石分布特征，尤其是近三年來福州地鐵1號線遇到的孤石分布情況，對地鐵二號線路可能存在的孤石分布范圍進行了推測，推測的分布范圍見圖2、表1。

圖2 福州地鐵二號線孤石分布范圍三維立體示意圖Fig.2 Three dimensional diagram of boulder distribution range in Fuzhou metro line two

表1 福州地鐵二號線沿線孤石可能分布位置一覽表Tab.1 Possible distribution list of boulder along Fuzhou metro line two

（5）處理建議

在施工前應對孤石可能分布的地段進行必要的專項勘察，考慮到孤石隱伏性較強，僅靠鉆孔識別難以查明，且成本較高，考慮到孤石與周邊相對軟弱巖土不均勻性、不連續性和離散性較強，可采用地質雷達、反射波法和跨孔超高密度電阻率法（李紅立等，2010）等物探方法作為主要的應用手段（王浩等，2011），進一步查清孤石的具體分布范圍和深度，先行采取工程措施爆破清除，以大幅度減少施工成本、縮短工期。如遇個別孤石，及時采取保持土壓平衡、控制掘進速度和出土量、采用膨潤土置換土倉石渣、嚴格控制同步注漿量和漿液質量等措施，能確保盾構機順利通過，并有效控制淺基礎建筑的變形（林生涼，2013）。

2.2 過江過河問題

地鐵二號線將穿越的河流主要有烏龍江、閩江兩條大江，洪灣河、晉安河等十條內河。其中，穿越烏龍江的線路長1370m，水深在1.80～10.30m，穿越閩江的線路長457m，水位受潮汐影響顯著，潮型為正規半日潮，解放大橋下潮位站潮位資料顯示，最高潮位為8.22m（1998年），最低潮位為0.44m（1996年）。隧道穿越江河產生的主要工程地質問題有：

（1）富水砂層

烏龍江河道及兩岸分布有厚層砂、卵石（圖3），尤其是閩江古河道一帶，表層粗中砂厚度多在15.75～30.50m之間，最大可達35.40m（金山花溪路附近），其下往往為厚層卵石，厚度多在15.70～26.0m，最大超過30m，最深處可達67m，烏龍江西部地段中間夾有厚度不等的淤泥層。厚層砂、卵石層中賦存有豐富的潛水，水位埋深3.40～5.66m，滲透能力強，富水性好，與烏龍江水有直接的水力聯系，主要接受側向徑流、大氣降水補給，向烏龍江排泄或以人工開采方式排泄，如橘園洲站的抽水試驗，中粗砂的滲透系數達107m/d，此外受烏龍江水位變化影響，與地表水時常發生補給、排泄的相互轉換。車站基坑明挖段主要在上部砂層中，施工過程中極易產生突水、流砂、管涌等現象，造成基坑側壁的失穩、坍塌；隧道盾構施工穿越上述3個地層，均易產生流動型滲透變形，威脅堤防工程及兩岸建筑，此外巨大的水頭壓力增加了換刀難度。

圖3 厚庭站-洪灣站工程地質剖面圖Fig.3 Engineering geological prof i le of Houting-Hongwan station

閩江河道及兩岸上部分布厚層砂（圖4），厚度多在6.0～15.80m，賦存有豐富的潛水，水位埋深為4.06～4.11m，滲透能力強，富水性好，與閩江水有直接的水力聯系，水位受潮汐影響顯著；中部為厚層淤泥和粉質粘土組成的隔水層，下部為厚層卵石，卵石頂板標高在-42.80～-27.28m，厚度多在1.40～29.30m，局部粉細砂層，兩者地下水連通，賦存豐富的承壓水，據福州市勘測院資料，該層水位埋深約5.20m，承壓水頭為38.94m。車站基坑開挖主要在上部砂層及淤泥層頂部，其危害同烏龍江一致。而隧道穿越閩江時主要在上部砂層、中部淤泥、粘土層中，部分地段位于淤泥層底部，靠近下部粉細砂、卵石層，除上述危害外，還存在隧道低距承壓水頂板間距較小，承壓水頭易沖破隔水頂板而發生透水事故。

圖4 金祥站—祥坂站工程地質剖面圖Fig.4 Engineering geological prof i le of Jinxiang-Xiangban station

（2）沖蝕深槽

二號線閩江西側江底發育一處沖蝕深槽（圖4），據上海市地調院資料，該深槽寬約50m、深約8m，總體走向北西40°，最深處距隧道頂部僅12m左右，受河道走勢及人工丁字壩等影響，由江水沖刷下切而成。由于河床切割較深，隧道施工在上部覆土突然變薄時，易產生冒頂通透水和隧道上浮事故，導致管片破損、上浮、盾尾漏水等災害性事故；若沖蝕深槽繼續下切，將嚴重威脅地鐵安全。

（3）冒頂透水

隧道過河時頂板厚度較小時易導致冒頂透水，如晉安河底距隧道頂部僅5.50m左右，且均為淤泥，在高水頭壓力下，掌子面的土壓平衡難以建立，若盾構機密封失效，河水將從擾動土體的裂縫中進入，導致盾構機被淹沒、甚至隧道報廢的巨大風險。

（4）處理建議

①富水砂層：盡量避開雨季與洪水季節，施工前對潛水進行降水或隔水處理，對承壓含水層進行減壓處理，設置一定數量的減壓井以降低承壓水位，減少突涌危害。城市地面不具備布設降水井條件時，可采用水平降水井真空復合降水技術（劉伍等，2007）。基坑開挖時盡量避免進行基坑外降水，做好基坑的止水措施，最大限度的減少對周邊建筑及路面的影響。降水過程中，應加強對地下水位、周邊建筑及路面的沉降監測。

②沖蝕深槽：充分發揮水口電站的調度作用，必要時在河道修筑丁字壩等方式預處理，改變水流環境，加強堤岸保護，控制上游河砂開采量，禁止非法采砂。同時，選擇合適的盾構過江方案與參數，保證盾構機平穩、快速的通過，加強河床、堤壩及周邊水工建筑物的沉降監測。

③冒頂透水：盡量減少對隧道土層的擾動，選取合適的施工工藝及參數，防止涌砂、突水現象及“冒頂”突發事故發生；必要時修筑圍堰，截斷流水，保證盾構機平穩、快速的通過，嚴防設備帶病工作，加強河面河床監測，制定應急預案。

2.3 軟硬接觸問題

（1）工程危害

軟硬接觸面分為上下和左右兩種軟硬接觸。在閩江、烏龍江兩岸，上部為細砂，下部為中等風化花崗巖層。在覆蓋層下基巖隆起地帶一側為中風化花崗巖，另一側為軟土或砂層。巖層突變使得受力不均，軟巖研磨快，硬巖研磨慢，使得刀具磨損較快，可能產生盾構線路偏離、盾構上拋、卡殼、刀具磨損嚴重、江底塌方、發生突水等風險（圖5、圖6）。

（2）分布范圍

通過鉆孔信息化統計分析，并與系列地層厚度等值線圖進行比對，推測出巖層突變可能分布的位置（表2）：

（3）處理建議

圖5 盾構上拋示意圖Fig.5 Diagram of the shield upthrowing

圖6 盾構線路左右偏離示意圖Fig.6 Diagram of the left-right deviation of shield line

表2 軟硬接觸面可能分布的位置一覽表Tab.2 Possible distribution list of the soft-hard contact surface

適當放慢掘進速度，使盾構刀盤能正面對堅硬巖層進行充分破碎；優化選取合適的施工參數，提高盾構掘進過程中的軸線控制能力，控制好盾構軸線位置和隧道坡度，對下部或左右部硬巖部分適量擴挖以避免盾構上拋。

3 其他問題

沿線局部地段分布有厚層雜填土，下伏第四系沖海積砂層，具備甲烷等有害氣體的產生與賦存條件，如五一廣場、于山東側等地，可能存在的有害氣體威脅施工人員健康和安全。據福建省海岸帶地質地貌綜合調查資料，天然氣埋深4.50～13.60m，氣層層數1～3層，氣層厚0.02～5.60m，成分以甲烷為主（75.75%～92.75%）。20世紀90年代末在基礎施工時由于有害氣體中毒曾經發生過多起人員傷亡，應加強監測與通風。

此外，臺風帶來的強降雨使城市內澇時有發生，南門站—五里亭站之間穿越溫泉區，地下管線、深基礎、地下洞室及文物墓穴均對隧道施工造成影響。局部地段分布有較多采用淺基礎的低矮民居及其它建筑物，土層擾動易造成負面社會效應。

處理上可綜合采用隧道多媒體監測技術進行實時監測，按照應急預案及時處理。如用GPS、攝像機、三維掃描儀、測量機器人、電子水準儀等現代測量儀器監測地表、隧道內及沿線建筑物的三維變形信息（李祥瑞等，2012），采用傾斜儀、溫度氣壓傳感器、氣體濃度測量儀及應變傳感器等監測其他環境信息。

4 建議

建議針對孤石問題、過江過河、軟硬接觸等重大問題進行專項研究，達到施工精度要求，對其他工程地質問題應在施工前勘察中重點查明。

建議加強外部地質環境與施工監測，如閩江下切、有害氣體濃度、隧道沉降、管片變形、50m紅線內施工影響等，運營期建立系統科學的永久性動態監測，建立健全預警預報系統，編制應急預案。

本文在完成過程中得到了福建省地質調查研究院周國華高級工程師及福建省地質礦產勘查開發局余德林工程師的大力支持，在此一并表示感謝！

劉伍，趙云峰，程劍，2007. 北京地鐵工程中復合降水技術的開發應用[J]. 城市地質，2(3)：43-47.

李紅立，張華，汪傳斌，2010. 跨孔超高密度電阻率法在花崗巖球狀風化體勘探中的試驗研究[J].工程勘察，39(8)：88-92.

李國祥，杜坤乾，楊勇，等，2012. 花崗巖風化地層中“孤石含量百分比”的確定方法[J]. 地質與勘探，48(3)：629-636.

李祥瑞，王若堯，王志武，2012. 多媒體技術在地鐵隧道變形監測中的應用[J]. 城市地質，7(2)：45-47.

林生涼，2013. 地鐵盾構施工穿越淺基建筑時遇到孤石的技術控制[J]. 福建建筑，32(11)：96-97.

王浩，劉成禹，陳志波，2011. 閩東南花崗巖球狀風化不良地質發育特征及其工程地質問題[J]. 工程地質學報，19(4)：564-569.

Discussion on the Main Engineering Geological Problems of the Fuzhou Metro Line 2

LIU Wenguang

(Fujian Institute of Geology Survey and Research, Fuzhou,350013)

Fuzhou Metro Line 2 as the main axis of East-West in Fuzhou track traffics is full of complex engineering problems along the line. The construction conditions for shield is hard, the key problems consist of boulder, the sand layers crossing the river is rich aqueous and the deep groove due to erosion, as well as the roof falling, water inrush problem and the contact surface between the hard layer and soft layer, etc. According to the data of more than 200 thousand drill holes that through Fuzhou geological survey, among which no less than 3000 drill hole is standardized and supplement exploration with special engineering geological survey along with a little supplementary drill investigation, come up with the sections of the line which the main engineering geological problems may appear. It summarizes the development rules of the boulder, analyzes the development characteristics of main engineering geological problems such as the boulder, and infers the possible road sections. It also points out the construction damage from the boulder and puts forward the preliminary proposal. At the same time, some further explanations are done aiming at the special harmful gas, hot springs, etc in Fuzhou. It has important guiding signif i cance to the planning of optimal route selection and lays a foundation for the detailed exploration and pre construction survey work at the same time.

Fuzhou metro line 2; The main engineering geological problems; Boulder; Deep groove due to erosion

P 642；U412.22

A

1007-1903（2017）01-0050-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.008

閩江口地區地質環境調查（福州城市地質調查）資助。

柳文廣（1984- ），男，工程師，從事水工環、第四紀地質調查。