青島市地鐵隧道施工常見不良地質問題及對策分析

馬利柱，竇衍光，王磊，崔繼升，林曦

（1.中國地質調查局青島海洋地質研究所，山東 青島266071；2.青島海洋地質工程勘察院，山東 青島266071；3.青島地質工程勘察院（青島地質勘查開發局），山東 青島266071）

1 引言

近年來，青島市被著力打造為中國東部沿海重要的中心城市，經濟水平及基礎建設均有了突飛猛進的發展，青島地鐵建設的規模和速度也日新月異。隨著青島地鐵建設工程規模越來越龐大、復雜，工程安全事故也逐年增加。近幾年，新聞報道過青島地鐵發生的多起事故，包括2011年7月17日3號線君西（君振）區間坍塌、2018年4月13日2號線海信橋站坍塌、2019年5月27日4號線靜沙區間坍塌、2019年7月4日1號線勝利橋坍塌等事故，均造成了很大的經濟損失并引發了極大的社會關注。經后期調查分析，青島地鐵所發生的事故大多與不良地質條件有直接或間接的聯系。不良地質條件是誘發青島地鐵工程事故發生的重要風險因素。因此，研究不良地質問題以及應對不良地質條件的風險控制措施非常迫切和必要。

不良地質條件的概念比較廣泛，包括不良地質作用、抗震不利地段、特殊性巖土和復雜水文地質條件等。不良地質作用指由地球內力或外力產生的對工程可能造成危害的地質作用，包括活動斷裂、地震、崩塌、滑坡、泥石流、巖溶、土洞、河流沖刷以及潛蝕等[1]；抗震不利地段包括軟弱土、液化土、條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、陡坡、陡坎、河岸和邊坡的邊緣，平面分布上成因、巖性、狀態明顯不均勻的土層（含故河道、疏松的斷層破碎帶、暗埋的塘浜溝谷和半填半挖地基），高含水量的可塑黃土，地表存在結構性裂縫等[2]；特殊性土是具有特殊成分、結構、構造和物理力學性質的土，如淤泥、黃土、紅黏土、膨脹土、人工填土、凍土等[3]，它們是在某些特殊地質環境中形成的。在建設地鐵工程時，隧道的穩定性，隧道底，隧道管涌隆起穩定都與地下水有重要的關系。

2 青島市地質概況

青島市地處山東半島的咽喉部位，瀕臨黃海，環繞膠州灣，山海形勝，腹地廣闊。青島主要位于丘陵地形上，地勢東高西低，南北兩側隆起，中間低凹，其中平原占37.7%，盆地占21.7%，丘陵占25.1%，山地占15.5%。青島地區大地構造單元位于華北地塊的東部，沂沭斷裂帶東側膠遼隆起區和膠南—威海隆起區內。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。構造以斷裂構造為主，斷裂構造主要為北東向、北北東向和近東西向（見圖1）。自第三紀以來，區內以整體性較穩定的斷塊隆起為主，上升幅度一般不大。青島市白堊系青山群火山巖層充分發育，廣泛出露。巖漿巖以元古代膠南期月季山式片麻狀花崗巖及中生代燕山晚期的艾山式花崗閃長巖和嶗山式花崗巖為主[4]。青島市第四系沉積層分布明顯受古地理控制，在沉積相上，中更新統—上更新統為殘積坡積層、沖洪積層，全新統為濱淺海相沉積層、沖積層和沖洪積層，主要分布于絕對標高20 m以下的各條河流中下游階地、沖洪積平原以及山麓溝谷、山間凹地等低凹開闊地段，第四系厚度一般小于30 m，區域上第四系厚度自南向北逐漸增厚[5]。

圖1 青島城市主要斷裂分布圖

膠州灣是山東省青島市境內的半封閉海灣，近似喇叭形，海灣面積397 km2（1985年海圖），其中，灘涂面積125 km2。灣口通過一條寬約3 km、深30~40 m的深水槽與黃海相通。青島市在建地鐵1號線、8號線均穿越膠州灣，擬建2號線西側延長段規劃穿越膠州灣。青島市在建的大部地鐵線路穿越大沽河及沿海諸河流。

3 青島市常見不良地質問題與對策分析

根據目前青島地鐵工程建設資料，青島地區廣泛存在的不良地質類型主要包括富水砂層、承壓水、上軟下硬地層、斷層破碎圍巖和特殊土（填土及軟土）等。以青島地鐵8號線（見圖2）為例，青島地鐵8號線（目前國內最長跨海地鐵）起自膠州北站，終至五四廣場站，途經市南區、市北區、李滄區、城陽區、膠州市，串聯起青島主城區、紅島經濟區和膠州市，全長60.7 km（海域段5.4 km）。地鐵8號線沿途的不良地質主要有盾構穿越膠州灣東北部富水砂層、膠州灣高承壓水、青島北站附近厚層填土及軟土、穿越4條大型構造破碎帶（膠州斷裂、即墨斷裂、滄口斷裂和劈石口斷裂）和下穿已運營的地鐵2號及3號線等超淺埋地質環境（見圖3）。

圖2 青島市地鐵8號線線路示意圖

圖3 青島市地鐵8號線地質縱斷面示意圖

3.1 富水砂層

青島地區在沿海、沿河地區常遇到地下水量豐富且透水強的砂層，其中，大沽河、膠萊河以及沿海諸河流3大水系河床為厚層的中粗砂、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210~250 kPa。

3.1.1 富水砂層危害性及典型事故案例分析

在富水砂層地段，礦山法隧道開挖時極易發生涌砂、塌頂，導致地面下沉，隧道變形、失穩，造成嚴重后果；在此類地層中進行盾構隧道開挖，將會引起砂層孔隙水快速滲透，地層受擾動而發生液化流沙，使開挖面支護壓力難以控制，嚴重時會導致地表沉降過大甚至塌陷等較多風險。特別是青島市沿海諸河流水系砂層多直接跟基巖接觸，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“塌陷洞”，引起上覆全新統洪沖積粗礫砂層形成“塌陷漏斗”和流沙，當頂板進入上述砂層時，會發生突涌、涌沙，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，局部塌陷，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影響[6]。近年來，國內城市地鐵隧道建設中發生的重大安全事故有多起與富水砂層有關，富水砂層常見且危害性強。

青島市發生坍塌事故的地鐵3號線君振區間隧道采用礦山法穿越李村河支流大村河故河道富水砂層（厚4 m），隧道埋深約14 m，拱頂覆巖埋深2.8 m；地鐵1號線開封路至勝利橋區間（見圖4）采用礦山法穿越李村河故河道富水砂層（厚13.4 m），隧道埋深約16 m，拱頂覆巖埋深僅1.9 m（見圖5中M1Z2-SSLQ-01鉆孔附近）；地鐵4號線靜沙區間采用礦山法穿越漢河（南九水河）故河道富水砂層（厚7.1 m），隧道埋深約21 m，拱頂覆巖埋深2.4 m。上述發生坍塌事故的共同點是：（1）隧道上覆故河道厚層富水砂層（厚度均＞4 m，青島地區標準地層第⑨層）；（2）拱頂覆巖埋深小，均＜3.0 m；（3）富水砂層一般直接與風化巖接觸或存在薄層殘坡積地層；（4）事故發生在青島5~8月汛期；（5）均采用礦山法施工。

圖4 青島地鐵1號線勝利橋站附近開勝區間塌陷位置示意圖

圖5 青島地鐵1號線勝利橋站附近開勝區間地質斷面示意圖

發生事故的原因綜合分析：（1）施工單位對施工安全麻痹大意，對河流故道（河流侵蝕堆積一級階地）地質風險特別是富水砂層認識不足，并且對隧道內發生透水、涌水所帶來的次生災害認識不足，導致塌陷隧道上方車輛及人員陷落造成傷害；（2）青島地區沿海諸河流發育在花崗巖巖體之上，受基巖抗風化能力不同，河流侵蝕基巖深度變化大，地質復雜，地質剖面上的拱頂覆巖厚度不一定是最小值；（3）對汛期造成地下水位上漲，地下水壓力增大對地下洞室水土壓力增大未加強超前地質預報工作和采取必要加固措施。

3.1.2 富水砂層對策分析

針對富水砂層，穿越海域和河流（包括河流故道）勘察時應采用鉆探和工程物探綜合手段，確保地質剖面的連續性和準確性；設計時隧道埋深應適當加大及增強加固措施；施工加強超前支護和堵水，注意施工振動控制、超前地質預報及施工監測工作。施工單位應設置隧道內施工人員與地上人員聯動應急處置機制，隧道內發生透水或涌水時應及時通知地上施工人員立即對可能造成影響的區域進行封閉，避免再次出現因隧道塌陷導致隧道上方車輛及人員陷落造成傷害的工程事故。

3.2 承壓水

地鐵隧道一般位于地下，常處在有壓地下水的環境中，容易受到承壓水的不利影響。青島地區以孔隙潛水為主，局部存在弱承壓水，當地鐵隧道下穿大型河流（白沙河、墨水河、大沽河、洋河等）、湖泊（水庫）、膠州灣時易遭遇汛期增水、潮汐漲落、承壓水層等，會導致水下隧道施工面臨高水頭壓力環境，最高的接近0.6 MPa。斷裂破碎帶局部有脈狀承壓水，其中，在地鐵8號線過海隧道勘察時在即墨斷裂中埋深66 m處揭露約0.6 MPa構造基巖裂隙水（裂隙水總礦化度為M=7.8～8.6 g/L，屬咸水，不同于海水水質，青島附近海水總礦化度為M≥19.5 g/L）。

高地下水壓對地鐵施工來說,具有突發性強,破壞力大,搶修困難等特點,對施工安全和后續的結構防水帶來了較大的挑戰[7]。因此，勘察時應重點查明地下水類型及賦存狀態，特別是應評價歷史最高水位和飽和土孔隙水壓力；設計時應以堵水為主，盡量減少采用降水方式，避免造成地面沉降、地面塌陷及地面裂縫等地質問題，甚至造成水源枯竭或水質惡化等環境問題，不同程度上損害建筑物及巖土體自身的穩定性。

對于盾構隧道而言，在承壓水砂質地層中可能發生一系列不良災害，特別是穿越富水粉細砂層時風險極高。盾構安全掘進的技術對策包括：制定針對盾構機結構本身的防水和防噴涌措施，以及盾構隧道管片接縫的防水措施；地下水豐富時，易發生噴涌，應及時進行渣土改良、合理控制盾構機掘進參數和有效控制土壓平衡。對于礦山法隧道穿越富水砂層要特別加強超前支護和堵水，因此，礦山法地質預報揭露承壓水時需依據涌水量進行全斷面或半段面注漿止水加固。發生涌水、涌砂時應及時封堵，必要時回填土體，穩定險情，以便進一步采取有效措施。

這場中心城市新辦大學運動具有三個明顯的特征：第一，在辦學體制上實行省、市共建的政策，無論是以市為主或以省為主，還是雙方共同管理，這種辦學體制在很大程度上都調動了省、市兩級政府的辦學積極性；第二，服務地方的“直接性”，學科與專業建設以地方的需求為依托，雖然有些學校一開始就樹立了創辦高水平綜合性大學的目標，但在實際的辦學過程中體現更多的還是直接服務地方的特點；第三，服務地方的“間接性”，中心城市大學往往成為當地的科技、教育、文化的中心，對間接提高城市人口素質、改善地區投資環境做出了貢獻。

3.3 上軟下硬地層

盾構法施工面臨的最大問題是“上軟下硬”帶來的一系列問題：盾構機姿態難控制、易噴涌、刀具快速磨損（滾刀偏磨）和地面變形大甚至塌陷。“上軟下硬”是針對盾構法而提出的一個概念，指在盾構掘進斷面上強度相差較大的地層組合，最主要的特點是隧道斷面地質的不均一性、多變性與突變性[8]。

青島地區花崗巖分布較廣，球狀風化核及細粒正長花崗巖巖脈是花崗巖體風化過程中殘留的較難風化的微風化或中等風化巖塊，巖性堅硬，多呈球狀及墻體，即“球狀風化孤石及脈狀巖墻”。青島地區沿海諸河流底部受河流侵蝕作用常發育中風化或微風化基巖（單軸抗壓強度大于15 MPa），其上多為全新統松散河床富水砂層，較為典型的是青島地鐵6號線峨富區間辛莊北河段地質斷面（見圖6），對于設計隧道位于上述區段形成典型上軟下硬斷面。因此，對于此類地層，勘察時首先要查明以下幾種上軟下硬的硬地層界面和層面：（1）不同程度的巖石風化界面；（2）砂土地層和風化巖層界面；（3）軟土層和風化巖層界面。對于孤石及脈狀巖墻可采用跨孔CT法和微動法探測。設計時盡量調整隧道埋深避免過長區段穿越上軟下硬地層。

圖6 青島地鐵6號線峨富區間辛莊北河段典型不良地質斷面

對于上軟下硬典型斷面，泥水盾構采用滾刀較為適宜、土壓盾構選用復合式刀盤，掘進時，合理控制盾構機掘進參數、建立有效的土壓平衡，合理采用輔助措施（更換刀具、渣土改良或地基加固等），同時保證同步注漿的質量，如參數出現異常或變化幅度較大時，應及時停止推進并及時上報，商討下一步處理措施，防止刀具損壞及渣土超方量過大導致地面沉陷。

3.4 斷層破碎圍巖

青島地區斷裂構造比較發育，主要為北東30°~60°及北北東20°的壓扭性斷裂以及與其伴生共軛的北西向張扭性斷裂。具一定規模的共有8條（見圖1），多為北東向，少數為北西向，其中以北東向斷裂最為發育，其規模大，并有多期活動特征，控制了區域構造格局乃至近代地貌特征。青島市西北向斷裂具有張性、張扭性構造特征,具有很強的透水性,因此,在膠州灣隧道等開挖工程中,務必加強對隧道垮塌、涌水等方面突發事故的防范[9]。

地鐵在建設過程中可能會穿越這些斷裂帶，斷層破碎帶是常見的不良地質段，斷層帶內巖體破碎，呈塊石、破碎或角礫狀，甚至呈斷層泥，巖體強度低，圍巖自穩能力差，施工中易發生坍塌，施工困難。其中，青島地鐵8號線跨海大青區間和青滄區間穿越的牟平~即墨斷裂束中的即墨斷裂和滄口斷裂及其次級斷裂影響寬度都大于500 m（見圖3）。斷裂帶及兩側影響帶巖體破碎，節理裂隙發育，對隧道圍巖的類別影響較大。因此，上述區域是勘察的重點，勘察時應在鉆探基礎上采用綜合物探手段探明斷裂特征及富水性；設計時隧道軸線盡量垂直大規模斷裂構造線并加強抗震設計和增加排水系統設計。

礦山法隧道穿過斷層破碎帶是設計和施工的重點段，不僅開挖和支護要采取措施防止塌方，而且由于斷裂破碎帶有一定的富水性和透水性，水文地質條件較為復雜，尤其是斷層的上盤常富水，這些地下水的連通性好，還應考慮隧道涌水問題，加強相應的支護和排水、止水措施。盾構穿越構造破碎帶，應充分考慮巖石軟弱不均和地下水噴涌等問題；當盾構由軟至硬的過程中，易造成盾構掘進緩慢而出渣量不少，從而導致隧道塌陷的風險；當盾構由硬至軟的過程中易結泥餅，造成掘進困難。

3.5 人工填土

人類活動的地方均分布有素填土、雜填土、吹填土等，青島市區亦廣泛分布。膠州灣東岸及北岸沿海一帶、膠州上合示范區和黃島區的濱海區域土層厚度較大，一般為5~8 m，部分超過10 m；其中，吹填土主要分布于膠州灣東岸歡樂濱海城、海信地塊（地鐵8號線大青區間東段）和膠州灣東北角伊甸園地塊及部分港口碼頭后方區域。未經處理的人工填土具高壓縮性、低承載力。人工填土工程性狀取決于填料成分和堆積年限。素填土：當堆積年限久時，工程性狀稍好；雜填土：土性不均，密度變化大、壓縮性高、強度低、有時具濕陷性；吹填土：以中粗砂為主，常不均勻，因夾泥沙，有機質含量較高，一般具有透水性差，含水量高，靈敏度很高，沉降速度慢等特點，因其特定的形成機理，極易成為場地地下水與海水構成水力聯系的通道。區間隧道線穿行于人工填土地層中極易產生壓縮變形、坍塌、地面沉降等現象。其中，青島地鐵8號線大青區間近青島北站附近最大填土厚度達到14 m且富含地下水Ⅵ級圍巖段，設計采用灌注樁+止水帷幕明挖施工，效果良好。

3.6 軟土

青島地區軟土分布較局限，主要分布在膠州灣內、環膠州灣的濱海淺灘和部分河流的中下游，在膠州灣北部、黃島前灣一帶厚度較大，一般為6~10 m。青島軟土特點:含水率較高(一般為35%~45%)，含粉土、粉細砂，塑性較差，觸變性明顯。環膠州灣周邊、河流入海口地段粒度成分相對較粗，膠州灣內中部粒度較細。以灰色~灰黑色含淤泥（質）粉砂、含淤泥（質）中粗砂、淤泥、淤泥質粉質黏土為主，濕~飽和，軟塑~流塑，以軟塑為主，部分軟可塑。青島地區軟土同樣具有孔隙比大、壓縮性高、強度低、靈敏度高和易觸變、流變的特性。與南方地區代表性軟土物理力學特性進行對比，膠州灣地區軟土相對密度高，而孔隙比、含水率、液性指數等均低于南方地區軟土；土體壓縮系數α1-2≥0.1 MPa-1，屬于中、高壓縮性土；其液性指數IL大部分在0.25~1.0，處于可塑狀態，軟土的抗剪強度指標的摩阻力c分布范圍為2.7~15 kPa，均值約為9 kPa；內摩擦角φ為1°~8°，均值約為5°，與c值相比，φ值受含水率影響較大，區域軟土的抗剪強度指標分布具有離散性[10]。

區間隧道線穿行于軟土地層中極易產生壓縮變形、坍塌、地面沉降等現象，從而造成地面建（構）筑物遭破壞。因此，軟土勘察時，要探明其分布，施工時，應避免擾動，抗剪指標采用多種方法且利用大數據進行統計；設計選取參數時，需要充分考慮不同工況進行合理設計。

軟土隧道施工運用“新奧法”基本原理，采用多種輔助施工措施加固圍巖，充分利用圍巖的自承能力以保證隧道的施工安全。針對富水軟弱圍巖工況的暗挖隧道開挖方法有許多，如冷凍法、盾構法、水平旋噴樁超前支護、洞內水平袖閥管注漿加固等，工程施工中應根據地質條件、斷面大小、所處環境條件等因素進行綜合考慮后選擇合理的開挖方法。

4 結語

1）對于地鐵工程建設而言，“不良地質條件”的概念包括比較廣泛，包括不良地質作用、抗震不利地段、特殊性巖土和復雜水文地質條件；

2）根據目前青島地鐵工程建設的數據資料，存在的主要不良地質問題包括富水砂層、承壓水、上軟下硬地層、斷層破碎圍巖和特殊土（填土及軟土）等，不良地質條件是誘發青島地鐵工程事故發生的重要風險因素；

3）青島地區在沿海、沿河地區常遇到地下水量豐富且透水強的砂層（青島地區標準地層第⑨層），極易引發青島地鐵安全事故，應特別引起注意；

4）不良地質問題的勘察、設計及施工應具有針對性，且采取正確的解決辦法。