福州濱海新城海水入侵特征及對地鐵工程影響研究

宋開灼

(福建省華廈能源設計研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

海水入侵指海水通過濱海地帶多孔介質向內陸方向運移，致使帶內地下淡水達一定深度后，含鹽量超過水質標準而無法直接利用[1]。對于地鐵工程而言，當地下水含鹽量超過一定標準后，容易使混凝土結構中的鋼筋發生嚴重的腐蝕性問題。當腐蝕產物累計到一定程度后會導致混凝土膨脹、開裂，影響地鐵工程使用壽命。因此，研究濱海地區海水入侵特征，分析其對地鐵工程的影響變得十分關鍵。目前國內已有大量學者研究海水入侵特征及其地鐵工程影響相關研究。黃磊、郭占榮總結了1964年以來我國沿海城市海水入侵歷史與現狀，總結了海水入侵原因，提出防治對策[2]；孫金華、吳永祥對黃渤海沿海地區海水入侵現狀進行監測，分析總結了渤海海水入侵防治技術與方法，提出了適應性管理對策[3]；楊璐嘉通過實海試驗，觀察了海水環境下混凝土試件中鋼筋的腐蝕情況，提出了一種適用于對海水環境下混凝土結構中的鋼筋進行腐蝕防護的電化學方法[4]；朱禮廷以大連地鐵一號線試驗段南關嶺站工程為背景，從理論和數值分析兩方面分析了注漿圈滲透系數和厚度對隧道涌水量的影響規律,以及海水入侵對地鐵隧道結構的影響,并提出工程方案措施[5]。

上述的研究結果表明：海水入侵，一般是特定區域自然與人類社會經濟活動兩大因素疊加影響的結果。它將導致土壤鹽漬化，地下水水質惡化、地下水腐蝕性變強等問題，成為制約濱海地區經濟發展的重要因素[6]。地下結構應對海水腐蝕措施主要集中在加強隔離和減緩腐蝕進度兩個方面。本文通過地鐵6號線延伸線范圍內完成的多組水質測試，初步查明福州濱海新城區域海水入侵規律、腐蝕性特征，并提出針對性的防治措施，為該地區地鐵工程提供一定的借鑒。

1 福州濱海新城海水入侵特征

福州市作為地處閩江下游、臨近入海口的城市，建設濱海新城、發展海洋經濟是習近平總書記1992年任市委書記時提出“東擴南進、沿江向海”戰略構想的具體實施。2017年初，長樂濱海新城進入具體實施階段，規劃的濱海新城核心區面積86 km2(圖1)，其中軌道交通是濱海新城建設過程中重要的市政措施。目前規劃有地鐵6號線、6號線延伸線、7號線、12號線和機場快線F1。然而福州濱海新城緊鄰東海，海岸線直接與新城區相接，擬建的地鐵工程也多臨海，處于海水入侵范圍內。

圖1 濱海新城及地鐵6號線延伸段位置示意圖

以擬建的福州地鐵6號線東延伸線工程為例。其起于6號線一期終點萬壽站，沿道慶路、漳江路展布，終于國際學校站，線路全長約5.58km，均采用地下線敷設方式，設濱海北站S1、濱海新城站S2、沙尾站S3、金濱路站S4、國際學校站S5 5個站點，分別對應圖1中編號S1～S5所在位置。整個線位平行于海岸線布置，距離海岸0.82 km～2.12 km，正好處于長樂地區0.80 km～3.50 km海水入侵范圍內[7]。長樂濱海新城區域第四紀地貌單元主要為沖洪積、海積和風積地貌，地勢總體較為平坦，區內第四系地層厚度30 m～60 m，總體上厚度變化較小，僅局部基巖隆起區砂土層厚度較薄。第四系地層主要為淤泥、淤泥質土夾砂、風積粉細砂、中細砂、粉質黏土、砂礫石等組成，圖2為橫穿濱海新城核心區、垂直海岸線的典型地質縱斷面圖PM-PM’。該地質剖面圖表明，濱海新城區域內地層主要為淺部粉質黏土、風積粉細砂層，中部為中細砂、淤泥和淤泥質土透鏡體狀夾層，下部為淤泥質土夾砂、中細砂、砂礫石和花崗巖及其風化層。地下水由淺部～中部的潛水、中部的微承壓水、下部承壓水組成[8]。東海海水與淺部潛水和中部微承壓水為直接連通關系，正常情況下，地表水和地下含水層中的地下水補給海水。但當過量抽取地下水時，海水將入侵補給地下水，導致海水入侵現象發生。

地鐵6號線延伸段勘察過程中，為了詳細查明海水入侵規律，每個工點均布置一定數量不同深度的取水試驗孔，分別采取分層和混合地下水水樣，并按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)、《地下水質檢驗方法》(DZ/T0064-1993)要求測試地下水中各離子的含量。表1為6號線延伸線各工點采取的48個混合地下水樣中的部分數據；圖3為各工點象征海水入侵特征的氯離子、硫酸根和礦化度分布曲線圖。從表1和圖1～圖3分析，可得出如下幾點結論：

圖3 地鐵6號線延伸線地下水各主要成分含量分布圖

表1 地鐵6號線延伸線各車站混合地下水主要成分試驗成果(節選部分)

(1)地下水中氯離子、硫酸根和礦化度與距離海岸線的距離具有正相關性。距離海岸線越近，濃度越高，越遠則越低。如濱海新城站距離海岸線最近，各離子濃度明顯高于其它工點。

(2)地下水中氯離子、硫酸根和礦化度與地下水抽排力度具有正相關相關性，如起點的濱海北站附近區域的周邊房地產地下室和地鐵，均在施工過程中，大量抽排地下水，導致各離子濃度明顯高于其它工點。

(3)沿著6號線延伸線前進方向，地下水中氯離子、硫酸根和礦化度整體呈逐漸下降趨勢。分析原因，為距離海岸線距離逐漸變大，另外一主要原因為地表淡水補給量增大。如金濱路站、國際學校站距離文武砂水庫距離變近，文武砂水庫作為一座淡水-微咸水水庫，其大量地表水體對周邊地下水補給量較大，總體上降低了地下水中各離子的含量。

(4)線路范圍內分布的河道、溝渠且與海水導通的地表水體對地下水中各離子存在一定的影響。6號線延伸段范圍內分布的多條河道、溝渠，具有明顯的漲落潮特征，海水可順著河道、溝渠直接進入地下水中。因此，從曲線中可以看出，有地表水分布的地方，地下水中離子濃度略高于其它區域，整體曲線呈鋸齒狀分布。

為了查明不同深度的海水入侵規律，在6號線延伸線各車站的不同深度采取水樣，分析代表海水入侵的氯離子、硫酸根和礦化度含量。如表2為沙尾站S3不同深度處采取的14組地下水樣；圖4為該工點各主要離子分布曲線圖。從該曲線可知，出場地地下水呈現出明顯的上淡下咸現象，淺部(0～13m)地下水氯離子濃度為179～386 mg/l，硫酸根濃度為52～134 mg/l，礦化度為944～1158 mg/l，屬于陸地淡水補給區特征；深部(30 m～45 m)地下水氯離子為3955～5795 mg/l，硫酸根濃度為427～507 mg/l，礦化度為7116～9424 mg/l，呈現出典型海水特征，為海水入侵楔狀體分布區域；中間深度13 m～30 m范圍為淡水與咸水過渡區域，屬于淡水和咸水離子相互混合區域，根據以上不同深度繪制的濱海新城區域海水入侵狀態,如圖5所示。

圖4 沙尾站不同深度地下水主要成分含量分布圖

圖5 濱海新城海水入侵過程示意圖

表2 沙尾站不同深度地下水主要成分試驗成果(mg/l)

2 地下水腐蝕性特征分析

福州地區屬濕潤區，結構范圍內分布有大厚度強透水層，按地層滲透性屬A類。場地內地下水水位較高，地下結構一般為一側暴露大氣中，一側與地下水接觸，根據《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001，2009年版)附錄G劃分場地環境類型，地鐵結構屬I類、樁基屬II類。濱海新城場地周邊存在較大規模建設開發(含地下室降水等施工等)，近20年場地地下水位標高的變化幅度約-3.00 m～5.60 m，車站和圍護結構在地下水位變動范圍內的部分處于干濕交替環境，-3.00 m以下的結構處于長期浸水狀態。因此，評價地下水對鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕性條件，按長期浸水和干濕交替考慮。

各工點抽取分層和混合地下水，并進行地下水腐蝕性判定。根據表3，表明地下水對混凝土結構和混凝土結構中的鋼筋均有不同程度的腐蝕性，超標離子主要為氯離子和硫酸根離子，腐蝕性強弱程度與前述章節中的海水入侵程度關聯性較強。即距離海岸線越近、受地表淡水補給越少和抽排地下水量大的區域腐蝕性越強，表現為中腐蝕-強腐蝕。如濱海北站-濱海新城區間為強腐蝕性；越遠、受地表淡水補給越多和抽排地下水量少的區域則越低，表現為弱腐蝕-中腐蝕，如金濱路站-國際學校站區間為弱腐蝕性。

表3 地鐵6號線延伸線各工點混合地下水腐蝕性評價及超標離子

具體到同一個車站，不同深度的地下水腐蝕性方面，濱海新城區域也表現出不同深度的腐蝕性存在強弱差異性，呈現出明顯的上弱下強的特征(表4)。如沙尾站在上部0～15 m所取水樣表現為微腐蝕-弱腐蝕性，中部15 m～30 m所取水樣表現為弱腐蝕-中腐蝕性，下部30 m～45 m所取水樣表現為中腐蝕-強腐蝕性。

表4 沙尾站不同深度地下水腐蝕性評價及超標離子(節選部分)

3 海水入侵對地鐵工程影響分析

據前述章節分析表明，福州地鐵6號線延伸線所有工點均處于海水入侵范圍內。不同位置和不同深度的海水入侵程度差異性較大，給地鐵工程施工和運營均構成了較大的不利影響。借鑒利用國內外和臨近工程經驗，應對措施主要集中在加強隔離和減緩腐蝕進度。具體表現在于以下幾個方面：

(2)入侵海水更能溶解混凝土中的鹽堿等物質，增大其孔隙率，導致海水滲入混凝土的內部，與混凝土中有關物質發生物理化學反應并析出，從而降低混凝土的密實度，或加劇電化學反應，使混凝土結構中的鋼筋銹蝕加速而逐步導致破壞[9]。因此，需要提高混凝土標號，外摻加粉煤灰、礦渣微粉、纖維類物質、橡膠粉、活性粉末等材料增加混凝的密實度，提高混凝土抗拉、抗折和抗裂性能，加大混凝土保護層厚度。此外，要具備預應力鋼筋混凝土結構的部件，盡量采用預應力鋼筋混凝土結構[10]。

(3)水下混凝土一旦開裂，水中大量游離態的 Cl-先滲透達到混凝土中的鋼筋破壞其鈍化膜，導致其生銹、混凝土保護層剝落、鋼筋外露等連鎖破壞反應。因此，為了減緩鋼筋混凝土中的鋼筋腐蝕速度，建議內摻鋼筋阻銹劑，鋼筋材料。在加工過程中，采用鍍層鋼筋或涂防腐漆等，使其符合結構耐久性要求。

(4)地下車站在不同深度表現出不同的腐蝕性，淺部腐蝕性較弱，以弱腐蝕為主，深部腐蝕性較強，以中腐蝕-強腐蝕為主。但在福州濱海新城開發過程中，在周邊地塊開挖地下室時，不斷抽取地下水的周邊環境，淡水與咸水的分界線可能會進一步上移，導致淺部地下水腐蝕性加強。因此，設計單位應按最不利影響考慮地下結構的防腐蝕措施。

(5)地鐵工程應遵循“以防為主，剛柔結合，多道設防，因地制宜，綜合治理”的原則，采取與其相適應的防水措施。設計宜考慮通過防水材料和構造措施等進行防水，確保地鐵工程防水和防腐的可靠性，提高結構的使用壽命。

4 結論

海水入侵，是自然與人類社會經濟活動兩大因素疊加影響的結果。它將導致土壤鹽漬化、地下水水質惡化、地下水腐蝕性變強等問題。本文借助福州地鐵6號線延伸段工程勘察，對沿線各工點采取了分層和混合地下水，并對所取水樣進行的水質全分析。分析表明：

(1)福州濱海新城區域海水入侵在在平面分布上，表現為距離海岸線越近、受地表淡水補給越少和抽排地下水量大的區域，海水入侵越嚴重，地下水的腐蝕性也越強。反之，距離海岸線越遠、受地表淡水補給越多、抽排地下水量少的區域，則海水入侵越越弱，地下水的腐蝕性也越弱。

(2)在濱海區域的同一位置垂直空間分布方面，地下水也具有上淡下咸、腐蝕性上弱下強的特征。當車站上下部結構腐蝕性程度存在差異時，建議按最不利影響考慮地下結構的防腐蝕措施。

(3)地下結構應對海水腐蝕措施方面，主要體現在：施工時應進行必要的泥漿配合比試驗，確認基槽開挖和泥漿配合的適用性。運營時應盡量提高混凝土標號，外摻加粉煤灰、礦渣微粉、纖維類物質等材料增加混凝的密實度，提高混凝土抗拉、抗折和抗裂性能，并加大混凝土保護層厚度。鋼筋材料在加工過程中，采用鍍層鋼筋或涂防腐漆等，減緩鋼筋的腐蝕速度，并內摻鋼筋阻銹劑。