長沙軌道交通工程建設(shè)中的幾個(gè)巖土工程問題探討

彭柏興

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410007)

長沙軌道交通工程建設(shè)中的幾個(gè)巖土工程問題探討

彭柏興*

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410007)

由于長沙地區(qū)工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性及軌道交通工程的特殊性,在長沙軌道交通①～⑥線工程建設(shè)過程中，大量的巖土工程問題日益凸現(xiàn)。主要巖土工程問題有：(1)周邊環(huán)境；(2)斷裂構(gòu)造；(3)巖溶；(4)地下水。文章根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探等手段對上述問題進(jìn)行了綜合分析與歸納，提出了預(yù)防途徑、措施、方法和建議，可為工程建設(shè)提供一定的參考。

長沙軌道交通；周邊環(huán)境；斷裂；巖溶；抗浮設(shè)防水位；巖土工程問題；隧道

1 引 言

隨著長沙軌道交通②號線一期工程、②號線一期西延線工程及①號線一期工程的營運(yùn)，長沙進(jìn)入地鐵“換乘時(shí)代”。目前，長沙軌道交通③、④、⑤號線一期工程、⑥號線文昌閣至東屯渡(中心城區(qū)段)地下配套工程正在緊張建設(shè)中。2017年底，長沙軌道交通⑦號線一期工程和①號線北延線工程亦將啟動(dòng)建設(shè)程序。根據(jù)長沙市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃，至2030年長沙將形成一個(gè)覆蓋全市的地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)(如圖1所示)。

圖1 長沙軌道交通線網(wǎng)遠(yuǎn)景圖

城市軌道交通工程由于其自身的系統(tǒng)性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、工法的多樣性、環(huán)境的嚴(yán)格性以及城市工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性等，使得城市軌道建設(shè)工程中的巖土工程問題尤為突出。近年來，筆者在參與長沙軌道交通勘察、設(shè)計(jì)評審、施工服務(wù)及咨詢論證過程中，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到環(huán)境調(diào)查、斷裂構(gòu)造、巖溶、地下水對長沙軌道交通建設(shè)影響越來越顯著[1]，深感對這幾個(gè)典型巖土工程問題進(jìn)行探討之必要。它既是對前一段工作的總結(jié)與歸納，也是對后續(xù)工作的前瞻與預(yù)測，對長沙軌道交通勘察、設(shè)計(jì)、施工具有實(shí)際意義。

2 工程周邊環(huán)境調(diào)查

城市軌道交通工程屬于高風(fēng)險(xiǎn)工程，多設(shè)置在都市繁華地段，周邊道路、橋涵、管線、地下室及建筑物基礎(chǔ)和使用狀態(tài)不僅影響工程選線、敷設(shè)方式和設(shè)計(jì)方案，對施工的安全風(fēng)險(xiǎn)評估與控制尤顯重要，而環(huán)境調(diào)查的缺失或不到位是引發(fā)事事故發(fā)生的重要原因之一[2，3]。為此，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2012年頒布了《城市軌道交通工程周邊環(huán)境調(diào)查指南》(建質(zhì)[2012]56號)。

長沙軌道交通②號線一期在金星路站—西湖公園站區(qū)間盾構(gòu)施工期間，由于對龍王港大堤重視不足，2012年元月，東岸河堤突然出現(xiàn)沉降加大(最大沉降 25 mm)、沉降趨勢增大的情況，同時(shí)在河堤頂部及兩側(cè)出現(xiàn)不規(guī)則裂隙，最大裂隙接近 10 mm[4]。其他如②號線盾構(gòu)下穿特殊學(xué)校開裂、①號線德雅路站施工降水引起的天主教堂墻體裂縫，③號線引起的金蘋果26號樓開裂等，均與對環(huán)境重視不足有關(guān)。相反，如未雨綢繆，做好預(yù)先處治，往往能做到防患于未然，如長沙軌道交通①號線下穿新中路立交橋就是一個(gè)成功的案例[5]。

隨著長沙軌道交通其他線路的建設(shè)，環(huán)境問題將會(huì)越來越突出，不僅體現(xiàn)于在建線路與相鄰建構(gòu)/筑物的相互影響，還體現(xiàn)在在建隧道工程與已建軌道交通的相互制約，而且相鄰線網(wǎng)間的彼此干擾亦露冰山一角(如圖2所示)。因此，在進(jìn)行城市軌道交通建設(shè)時(shí)，不僅要關(guān)注工程本身的安全，更要關(guān)注周邊環(huán)境的安全，對周邊環(huán)境的控制是重中之重。在勘察過程中有必要進(jìn)行工程環(huán)境調(diào)查，同時(shí)為了精密控制環(huán)境對象，對某些重要環(huán)境對象需要對其地基條件進(jìn)行專項(xiàng)勘察和預(yù)處理是十分必要的。

圖2長沙軌道交通工程典型環(huán)境關(guān)系圖

3 斷裂構(gòu)造

3.1斷裂與軌道交通工程的空間關(guān)系

長沙經(jīng)歷了武陵—雪峰—加里東—印支—燕山—喜山等多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了北東向、北北東向、北西向、東西向褶斷構(gòu)造，構(gòu)成本區(qū)基本構(gòu)造骨架(如圖3所示)。斷裂活動(dòng)主要表現(xiàn)為老斷層在新構(gòu)造應(yīng)力場啟動(dòng)下的重新活動(dòng)，并引起中更新世地層的錯(cuò)動(dòng)，局部地段形成了深愈 60 m的“斷塞塘”[6，7]。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合長沙軌道交通工程①～⑥號線勘察、施工發(fā)現(xiàn)，與軌道工程密切相關(guān)的區(qū)域性斷裂主要有F85、F101、F106、F132，它們與長沙軌道交通線路的關(guān)系如表1所示：

圖3 長沙市區(qū)地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

長沙市軌道工程與斷裂構(gòu)造關(guān)系表 表1

圖4 地震反射剖面(五一廣場)

圖5 F106照片(南郊公園)

3.2斷裂的活動(dòng)性

地震的發(fā)生多是由于某一構(gòu)造帶全部或局部活動(dòng)，導(dǎo)致地殼巖石斷裂或原有斷裂發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而引起。資料表明我國80%的破壞地震同活動(dòng)斷裂，特別是第四紀(jì)以來有過活動(dòng)的斷裂有關(guān)。韓竹軍等對洞庭盆地周緣頻繁的中強(qiáng)地震活動(dòng)研究認(rèn)為，早-中更新世有過活動(dòng)的斷裂并不意味著它們完全停止活動(dòng)，只是這些斷裂活動(dòng)性較弱，不至于產(chǎn)生斷錯(cuò)地表的強(qiáng)震活動(dòng)，但可以發(fā)生中強(qiáng)地震。并提出“一條斷裂是否存在斷錯(cuò)早、中更新世地層的構(gòu)造現(xiàn)象，是判斷中強(qiáng)地震發(fā)震構(gòu)造的一個(gè)重要標(biāo)志”[8]。鑒于此，上述幾條區(qū)域性斷裂屬于中強(qiáng)地震發(fā)震構(gòu)造，其最大潛在地震震級為6級。

3.3斷層對工程的影響與措施

斷裂作用使巖體受到不同程度的切割，在圍巖中產(chǎn)生大量裂隙、導(dǎo)致巖體完整性差、滲透性增強(qiáng)，致使巖體物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生變異和嚴(yán)重不均勻性，影響圍巖的強(qiáng)度、變形能力和整體穩(wěn)定性。同時(shí)，也成為可溶巖區(qū)巖溶發(fā)育的必備條件之一。

地下工程施工時(shí)，受斷裂影響的圍巖易出現(xiàn)拱頂坍塌、側(cè)壁失穩(wěn)、突水、管涌等工程事故。其中，斷裂的導(dǎo)水性及其對圍巖穩(wěn)定性的影響對隧道施工威脅極大。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，通常采用“以地質(zhì)分析為主，長距離宏觀預(yù)報(bào)與短距離精準(zhǔn)預(yù)報(bào)相結(jié)合、超前探孔與物探結(jié)合，多種物探方法相驗(yàn)證，定性和定量相結(jié)合的超前預(yù)案”來進(jìn)行全線連續(xù)超前預(yù)報(bào)和圍巖評價(jià)，必要時(shí)采用全斷面帷幕注漿對隧道圍巖進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，注漿一段、開挖一段、段段推進(jìn)。

4 巖溶

4.1巖溶形成條件

巖溶形成的基本條件主要包括三大因素：可溶性巖石、具有溶解能力(含CO2)和足夠流量的水。

4.2巖溶分布特征

長沙市區(qū)的巖溶主要分布于以下五大塊：河西的洋湖垸片區(qū)、桃子湖片、望月湖片，河?xùn)|的中山路以南、勞動(dòng)路以北，省政府二院以西范圍內(nèi)及南二環(huán)附近的新開鋪小學(xué)—芙蓉路立交橋一帶。其次為沙灣公園附近、月湖公園至萬家路瀏陽橋之間的白堊系鈣質(zhì)礫巖中[9，10]。

影響長沙市軌道交通工程的巖溶發(fā)育區(qū)有：①號線南門口站至五一廣場站區(qū)域；②號線的迎賓路站至五一廣場站、溁灣鎮(zhèn)站、沙灣公園站；③號線的洋湖公園站、后湖路、漁灣市-靈官渡區(qū)間、烈士公園東站、月湖公園站；④號的望月湖站至溁灣鎮(zhèn)站區(qū)間、湖南大學(xué)站及阜埠河-碧沙湖區(qū)間；⑤號線巖溶以鈣質(zhì)礫巖為主，次為灰?guī)r，主要集中沿萬家麗路段晚報(bào)大道站到湘龍路站之間。⑥號線巖溶不甚發(fā)育，潛在區(qū)為迎賓路至烈士公園段。

圖6 五一廣場站巖溶見洞率

以②號線一期工程五一廣場站及五芙區(qū)間以例，該區(qū)間位于區(qū)域性斷裂F85與F101之間，且為白堊系神皇山組(KS)紫紅色泥質(zhì)砂巖類與泥盤系佘田橋組(D3S)灰?guī)r類的不整合接觸帶。灰?guī)r中方解石含量>90%、以泥晶為主，緊密鑲嵌狀，粒度 0.001 mm～0.02 mm，有利于巖溶發(fā)育。第四系富水卵石層覆蓋其上，地下水豐富，具有較好的徑流條件；斷層構(gòu)造帶則為地表水下滲提供了條件。該區(qū)間巖溶見洞率達(dá)28.9%(如圖6所示)，表現(xiàn)為溶溝、溶槽、溶隙、溶洞等巖溶形態(tài)，規(guī)模不一，揭示洞體高度 0.70 m～3.2 m，巖面起伏很大，溶蝕底板埋深介于 17.20 m～63.20 m，為埋藏型巖溶。

湘江河床中，巖溶發(fā)育主要與區(qū)域性斷裂密切相關(guān)(如圖7所示)。

圖7 ③號線湘江段斷裂及巖溶示意圖

4.3巖溶對工程的影響及措施

巖溶區(qū)工程建設(shè)常遇到如下風(fēng)險(xiǎn)[11]：①巖溶或土洞坍落形成地表塌陷；②巖體洞穴頂板變形造成地基和圍巖支護(hù)體系的失穩(wěn)；③巖溶水的動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生突泥、突水，給施工和建筑物帶來的危害；④溶蝕作用導(dǎo)致巖體滲透性變異，給工程治水帶來難題；⑤巖溶形成的孤石可能對卡住盾構(gòu)刀盤。

隧道巖溶處治應(yīng)遵循“先探測，再處治”的原則。

(1)巖溶勘察手段以“物探+鉆探”為常用方法。以地質(zhì)分析為主，長距離宏觀預(yù)報(bào)與短距離精準(zhǔn)預(yù)報(bào)相結(jié)合、超前探孔與物探結(jié)合，多種物探方法相驗(yàn)證，定性和定量相結(jié)合的超前預(yù)報(bào)。

(2)通過查明溶洞大小、走向、充填物情況，適當(dāng)調(diào)整隧道穿越溶洞區(qū)的埋深或走向，最大限度地避開溶洞。當(dāng)無法回避時(shí)，對已探明的溶洞，可有針對性地實(shí)施全斷面超前帷幕注漿或補(bǔ)強(qiáng)。

5 地下水

5.1地下水的類型

長沙地區(qū)的地下水類型分為孔隙水、巖溶水及基巖裂隙水。其中，孔隙水多表現(xiàn)為潛水或微承壓水，分布于湘江與瀏陽河階地上，據(jù)其特性，可分為四個(gè)區(qū)(如表2所示)。一般地，Ⅰ、Ⅱ級階地的富水性相對于Ⅲ、Ⅳ級較好，Ⅲ、Ⅳ級階地中的地下水之間存在一定的聯(lián)系。巖溶水賦存于石炭紀(jì)與泥盆系地層中，富水性中等，單井流量 100 m3/d～1 000 m3/d。碎屑巖裂隙水賦存于白堊系與古近系地層中，水量一般較少。淺變質(zhì)巖裂隙水見于震旦系地層中，水量貧乏。

長沙市淺層地下水分區(qū)一覽表 表2

5.2地下水的補(bǔ)、排、徑流特性及動(dòng)態(tài)特征

補(bǔ)給：水平方向上由南往北、高階地向低階地；垂向上，下伏砂卵石接受大氣降雨穿越上覆土層越流補(bǔ)給；

徑流或越流：地下水向低階地徑流，低階地的地下水向河谷徑流。徑流方向大體與河流方向垂直。

排泄：主要為泉、蒸發(fā)和人工開采。

孔隙水具有埋藏淺、變幅小，季節(jié)性變化明顯等特征，主要受大氣降水及江河水位的影響。主城區(qū)地下水受大氣降水影響較弱，水位動(dòng)態(tài)變幅較小 1 m～3 m，外圍地下水變幅一般 5 m～8 m。

5.3抗浮設(shè)防水位的取值

抗浮水位的確定是一個(gè)復(fù)雜問題，抗浮水位高低與地形地貌、地下水類型、土質(zhì)、環(huán)境情況等因素相關(guān)，特別是環(huán)境及上層滯水的變化更是難以預(yù)測。一般地，可按以下執(zhí)行[12]：

Ⅰ級階地：抗浮設(shè)防水位通常可取設(shè)計(jì)室外地坪或道路標(biāo)高。

Ⅱ級階地：抗浮設(shè)防水位一般可取設(shè)計(jì)室外地坪標(biāo)高以下1m。

Ⅲ級階地：當(dāng)場地地形較平坦，且場地外圍地形標(biāo)高與場內(nèi)標(biāo)高相近或略低，其抗浮設(shè)防水位可取勘察期間的穩(wěn)定水位。

Ⅳ-Ⅴ級階地：一般取勘察期間的最高水位并結(jié)合場地及其外圍地形取值。當(dāng)場地外圍地面標(biāo)高低于場地內(nèi)標(biāo)高時(shí)，取場地內(nèi)設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高以下 2 m～ 3 m或場外地坪標(biāo)高。

坡地(丘陵/山地)：應(yīng)考慮坡地地下水滲流的復(fù)雜性，根據(jù)改進(jìn)阻力系在無動(dòng)水壓力及承壓水時(shí)，計(jì)算浮力的最高水位不宜超過地下室頂板面標(biāo)高。

5.4地下水的處治措施

一般地，長沙軌道交通工程各線路的地下水含水量水層相對穩(wěn)定，多在 3 m～10 m間，多可采用獨(dú)立的旋噴樁(雙管或三管)，或結(jié)合支護(hù)樁間采取樁間止水(或咬合樁)或地下連續(xù)墻形成封閉式止水帷幕。

但是，受地質(zhì)構(gòu)造及巖溶的影響，不少地段含水層厚度巨大，如①號線之省政府站、②號線五一廣場站、③號線之洋湖垸站、④號線號線之普瑞大道站、③與⑤號線之月湖公園站(圖10)、②號線與④號線之溁灣鎮(zhèn)站等均存在止水帷幕無法落地問題，需要采取特殊封底措施[13]。

6 結(jié) 語

(1)工程周邊環(huán)境的詳細(xì)調(diào)查是城市地下工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。城市軌道工程建設(shè)中應(yīng)賦予環(huán)境調(diào)查與巖土工程勘察同樣重要的地位，只有把二者緊密結(jié)合起來，才能減少施工過程中因環(huán)境條件改變而引發(fā)的工程事故。同時(shí)，如何利用海量地下空間信息數(shù)據(jù)，加快城市地下空間規(guī)劃與基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)建設(shè)，對城市地下空間的開發(fā)、建設(shè)、管理尤顯緊迫。

(2)長沙軌道交通①～⑥號線的勘察、設(shè)計(jì)、施工，進(jìn)一步證明了長沙地區(qū)巖土工程條件的復(fù)雜性與不確定性。加強(qiáng)對區(qū)域地質(zhì)，特別是斷裂構(gòu)造的總結(jié)與分析，對前人研究成果進(jìn)行修正與完善，有助于重大工程的選址與建設(shè)。以下幾個(gè)問題值得進(jìn)一步探討：湘江斷裂系在長沙是否存在？施家沖-新開鋪磊石塘斷裂的東界在何處?常德-益陽-長沙斷裂帶是否東延？

(3)巖溶問題是地下工程建設(shè)中的難題，除重視發(fā)育于泥盆系、石炭系的碳酸鹽巖中的溶洞外，對紅層巖溶的影響也不能忽視。眾所周知，利用常規(guī)勘察手段徹底查明既不現(xiàn)實(shí)也不可能。加強(qiáng)不良地質(zhì)作用的規(guī)律性研究，加強(qiáng)城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)有助于線網(wǎng)規(guī)劃與勘察設(shè)計(jì)針對性。

(4)長沙地區(qū)的淺層地下水對地下工程建設(shè)的影響尤為突出。一方面，需要重視地下水的分布規(guī)律與變化幅度研究，建立長期有效的地下水位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為長沙地區(qū)抗浮設(shè)防水位的取值提供技術(shù)支撐；另一方面，需要重視深厚含水層(往往與斷裂構(gòu)造及巖溶密切相關(guān))的處治措施，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；其三，如何在工程建設(shè)中重視對地下水環(huán)境的保護(hù)與利用，特別對長沙古井文化的保護(hù)值得業(yè)界深思[14]。

[1] 劉穎炯，彭柏興，李軍雄等. 長沙隧道工程不良地質(zhì)作用及其風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 城市勘測，2010(5)：158～162.

[2] GB 50652-2011. 城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范[S].

[3] 彭柏興. 對城市軌道交通勘察幾個(gè)問題的思考[J]. 城市勘測，2012(3)：169～174.

[4] 王林，楊世東，李攀. 盾構(gòu)隧道穿越河堤引發(fā)異常沉降分析及治理[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2013，26(S)：204～211.

[5] 陳江，陳思明，傅金陽等. 盾構(gòu)側(cè)穿鄰近橋樁施工影響及加固措施研究[J]. 公路交通科技，2016(7)：97～102.

[6] 湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 長沙地區(qū)1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1989.

[7] 彭柏興，曾建華. 長沙地區(qū)地震地質(zhì)環(huán)境與地震效應(yīng)研究[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2013，24(S)：86～91.

[8] 韓竹軍，向宏發(fā)，姬計(jì)發(fā). 洞庭盆地南緣常德-益陽-長沙斷裂中段活動(dòng)性研究[J]. 地震地質(zhì)，2011，33(4)：839～852.

[9] 彭柏興，雷金山，程斌. 湘江隧道巖溶發(fā)育規(guī)律及其風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(SUPPL)：428～434.

[10] 彭柏興，劉穎炯，劉毅. 紅層溶蝕風(fēng)化特征及其工程影響[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(S)：141～146.

[11] 黎新亮. 盾構(gòu)隧道穿越湘江溶洞區(qū)工程風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對措施探討[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，Vol.58(2)：64～69.

[12] 彭柏興. 長沙地區(qū)水文地質(zhì)特征與抗浮設(shè)防水位的確定[J]. 城市勘測，2013(1)：161～166.

[13] 樊玲，陳俊，尹小波等. 強(qiáng)富水厚層砂卵石深基坑突水三道防線技術(shù)研究[J]. 交通科學(xué)與工程，2012(6)：1～7.

[14] 彭柏興，湯淼文. 長沙地鐵1號線對白沙井的影響及預(yù)防措施探討[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012(4)：884～888.

GeotechnicalEngineeringProblemsinChangshaRailTransitConstruction

Peng Baixing

(Institute of Investigation & Design，Changsha 410007，China)

Due to the fact that the engineering geological conditions and particularity of rail transit in Changsha are complicated，the corresponding geotechnical problems are emerged in the process of construction for ①～⑥ line projects of Changsha rail transit.The main geotechnical engineering problems are：(1)surroundings around projects；(2)faults；(3)karst；(4)groundwater。Such problems are analyzes in this paper by the means of field survey，drilling and physical exploration. Some effective and pertinent measures，techniques,approaches or suggestions to sovle these kinds of trouble were put forward，which could offer some valuable reference for its construction.

Changsha rail transit；surroundings；karst；fault；water level for prevention of up-floating；Geotechnical engineering problems，Tunnel

1672-8262(2017)05-148-06

P642.4

A

2017—07—11

彭柏興(1968—)，男，博士，正高職高級工程師，注冊土木工程師(巖土)，主要從事城市水、工、環(huán)地質(zhì)等技術(shù)管理工作。