地鐵建設遇土巖復合地層安全風險綜合管控技術

張晨光，徐耀德，盧 蓉，劉 丹，林 平，方 磊，張 颯

(1.北京市建設工程安全質量監(jiān)督總站，北京 101100； 2.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037)

0 引言

“十三五”以來，我國進入軌道交通建設飛速發(fā)展階段，北京市城市軌道交通建設強度、速度位于全國乃至世界前列。根據(jù)《北京市城市軌道交通建設規(guī)劃線網(wǎng)初步方案(2011—2020年)》，北京市地鐵要形成“中心城棋盤式+新城放射式”的線網(wǎng)格局，線網(wǎng)規(guī)模達到世界領先水平。以2020年為例，北京市城市軌道交通在建線路達16條(段)。隨著我國城市規(guī)模的不斷擴大，地鐵線路日趨增多、線路網(wǎng)絡不斷織密，地上、地下的復雜結構對城市地鐵建設技術提出了更高要求。

北京地鐵所涉地質條件或地層結構以第四系土質地層為主，但隨著北京地鐵建設線網(wǎng)的增加，不少線路已經(jīng)或將要往西、往北方向延伸，會遇到更多的土巖復合地層或基巖隆起情況，因其特殊的突變式地層結構、存在土巖界面且界面起伏較大、組合形式多變、地質突變頻繁和賦存基巖裂隙水等特點，給地鐵工程建設帶來特殊和嚴重的安全風險，應對此予以足夠重視。因此，在北京地鐵建設過程中對該類地層進行風險研究非常必要。

1 土巖復合地層(含基巖隆起)特征概述

1.1 土巖復合地層(含基巖隆起)定義

廣義的土巖復合地層包含基巖隆起現(xiàn)象，是指工程開挖深度范圍內(nèi)，上面為第四系土層、下面為第三系之前(含)巖體層的2種巖體工程特性相差懸殊的復合式地層結構或地質現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 某礦山法隧道穿越土巖復合地層或基巖隆起示意

基巖隆起是指工程開挖深度范圍內(nèi)，第四系地層為主、一定區(qū)域內(nèi)存在的凸起基巖層、巖面有一定起伏，且基巖局部隆起明細甚至出露地面的一種特殊土巖復合地層形式或特殊地質現(xiàn)象[1-3]，如圖1 及圖2所示。

圖2 基巖隆起示意

1.2 土巖復合地層(含基巖隆起)分布

北京地區(qū)地質條件或地層結構主要由廣大的北京平原區(qū)和西部、西北部局部分布的淺山區(qū)構成。其中主體平原區(qū)由五大水系(大清河、永定河、溫榆河、潮白河及薊運河)及其二級河流聯(lián)合沖洪積而成。

平原區(qū)地層主要由人工填土、局部分布的新近沉降土和廣泛分布的第四系黏性土、粉土、砂卵石地層組成，相應賦存有上層滯水(局部區(qū)段存在水囊)、階地或層間潛水、潛水或潛水～承壓水和承壓水等各種松散孔隙水類型，基巖埋深總體較大，局部區(qū)域基巖埋深較淺，形成土巖復合地層甚或基巖隆起的特殊地質現(xiàn)象，可能賦存第四系土巖界面水和基巖裂隙水。而京西、京西北的淺山地區(qū)及與平原區(qū)相結合的區(qū)段部位更易形成土巖復合地層甚或基巖隆起現(xiàn)象，土巖界面水和基巖裂隙水賦存相對更普遍[4-7]。

根據(jù)工程總結研究，土巖復合地層主要分布于北京地區(qū)山前沖洪積平原區(qū)域，西部和北部基巖頂面埋深較淺，南部和東部相對較深。基巖上覆第四系土層多以人工填土、新近沉積土、黏性土、卵礫石層和殘積土為主，基巖主要為礫巖、泥巖，局部為玄武巖。

基巖隆起多分布于北京市區(qū)西部平原區(qū)局部區(qū)段(公主墳、軍事博物館、北京西站、北宮等一帶較為突出)，向西基巖面逐漸抬升，向東基巖面逐漸向地層深部延伸。基巖巖性主要為礫巖和泥巖(相對偏軟)，局部砂巖(相對偏硬)，詳細分布如表1所示。

表1 已建地鐵發(fā)現(xiàn)土巖復合地層或基巖隆起分布范圍初步統(tǒng)計

1.3 土巖復合地層(含基巖隆起)巖土特性

土巖復合地層的巖石力學特性主要表現(xiàn)為“上軟下硬”，其地層上部為土層，下部為巖層。土巖復合地層在工程上既有土層的相對軟弱性，又具備基巖的高強度性。

土巖復合地層存在巖土交界面，巖土特性表現(xiàn)為典型的上軟(土)下硬(巖)地層；工程開挖范圍內(nèi)土巖界面起伏大，地質突變較頻繁，巖體風化程度不一；可能同時存在第四系孔隙水和基巖裂隙水現(xiàn)象，部分地段的基巖與土層的交界面地下水水量較大，局部具有承壓性。

基巖隆起區(qū)周圍地層與基巖的巖土力學性能差異明顯，“周軟中硬”特征突出，即巖石強度顯著高于周圍地層，力學差異明顯。同時，巖面有一定起伏，凹槽處易存留第四系孔隙水，基巖隆起區(qū)段地下水常有“水丘”現(xiàn)象。

2 地鐵建設遇土巖復合地層(含基巖隆起)易引發(fā)安全風險

2.1 明挖法工程

明挖法在土巖復合(含基巖隆起)地層中施工，主要存在的風險為明挖基坑在基巖面起伏較大的情況下，易產(chǎn)生圍護結構變形及圍護樁嵌固深度不足而造成的基坑失穩(wěn)坍塌，且?guī)r層界面會向坑內(nèi)發(fā)生傾斜，存在土巖界面滑動風險。基巖隆起的地層還會發(fā)生基坑開挖過程中圍護樁滲漏風險，如圖3所示。

圖3 基坑樁間土滲流水

2.2 礦山法工程

礦山法施工遇到土巖復合(含基巖隆起)地層易引起開挖面的失穩(wěn)坍塌、初支結構的突然變形、隧道或掌子面的坍塌、泥沙倒灌及地表沉陷等風險，如圖4所示。除此之外，基巖隆起結合地下水的影響，由松散地層向基巖隆起開挖的過渡帶，易形成軟弱滑動面，出現(xiàn)土體坍塌風險。地下水易在土巖分界面(巖體表面)匯集成水流，易引發(fā)隧道滲漏、涌水涌砂風險。

圖4 導洞滲漏水并導致拱頂及右側拱腰處出現(xiàn)局部土體松動與滑塌

2.3 盾構法工程

盾構法施工中盾構機穿越土巖復合地層時，上部軟弱地層較易被刀盤切削進入土倉，但下部堅硬巖層不易被刀盤破碎，易出現(xiàn)盾構轉速難以控制、盾構偏移軸線、刀盤開裂、刀具卡死、盾構損壞、隧道變形難以控制、前方土體反復過大擾動導致地層坍陷風險，并易引發(fā)地面沉陷、管線破裂、滲水、周邊建(構)筑物破壞等施工風險，如圖5所示。遇到基巖隆起情況，會造成盾構穿越區(qū)土層性質不均勻，造成始發(fā)接收加固不佳、盾構姿態(tài)難以控制及裂隙水突涌滲漏等。

圖5 盾構管片滲水

3 地鐵建設遇土巖復合地層(含基巖隆起)安全風險控制關鍵技術

3.1 勘察要求及技術要點

不論采用何種工作進行施工作業(yè)，土巖復合(含基巖隆起)地層在進行勘察時要查明建設工程范圍內(nèi)的土巖分界面，土層與基巖隆起的過渡段若對工程影響較大，則應加密勘探點。還需探明巖石產(chǎn)狀、風化帶特性、抗壓強度、裂隙發(fā)育情況及富水特性等。土巖分界面是地下水的匯集界面，也需查明基巖界面水的分布。

除以上勘察要點外，針對礦山法與盾構法施工情況，還需對隧道拱頂存在的砂土、粉土等地層的分布特點及黏粒含量等進行重點探測。尤其在土巖結合面附近進行施工時，應加強超前地質預報，關注地層突變，地層變化較大時應進行補充勘察。必要時結合設計、施工等進行動態(tài)勘察，及時調整相關參數(shù)。

3.2 風險控制設計技術措施

3.2.1明挖法工程

明挖法設計措施包含適當加長圍護樁的嵌固深度，或加長錨桿(索)長度。對土巖交界面及下部的界面水和基巖裂隙水進行基坑內(nèi)徑向注漿止水。若一個基坑采用不同支護形式，在支護體系轉換處應采取加固措施，減小樁間距、增加嵌固深度。

3.2.2礦山法工程

礦山法工程遇土巖復合(含基巖隆起)地層，應采取合理布置槽眼、合理選用炸藥品種及其用量、盡量防止欠挖等設計措施。采用半斷面深孔注漿時，應對上覆散粒砂卵石層進行加固。當基巖存在裂隙水，設計時應當做好相應計算，并進行應急設計。

3.2.3盾構法工程

盾構法工程遇土巖復合(含基巖隆起)地層應加強基巖裂隙水處理，必要時在加固前采用止水、降水綜合治理方式。盾構機宜采用復合式刀盤，盾構機采用主動鉸接形式，根據(jù)地層強度特性選擇匹配的刀具，配備超挖刀，并根據(jù)地層情況進行設計。合理布置滾刀與先行刀的比例，制定合理的刀具更換計劃，在進入特殊地層前進行刀具更換。當?shù)貙铀畨哼^大時，宜采用泥水平衡盾構機，并具備泥漿/泡沫功能。在地表沉降控制較困難地區(qū)，設置試驗段，用以調整盾構掘進設計參數(shù)。

3.3 現(xiàn)場施工風險管控及技術措施

3.3.1明挖法施工

明挖法施工措施包含進行地質條件核查時，應對該類型復合地層情況進行重點核查；施工前應進行超前地質預報，對該復合地層及其界面裂隙水提前采取應對措施。編制試樁方案進行試樁，確定相關施工參數(shù)。對于硬度較高的基巖隆起，主要有旋挖鉆+合金筒鉆取芯處理法與全套管全回轉鉆機取芯處理法。采取圍護結構外側深孔注漿止水、止水帷幕和降水等措施進行地下水控制。土方開挖前應對影響基坑穩(wěn)定性的基巖隆起上覆不良地層，尤其是富水砂層提前加固，必要時采用物探、鉆探取樣等方法對加固效果進行檢測。

3.3.2礦山法施工

礦山法在土巖復合(含基巖隆起)地層中所采取的施工措施有通過探孔對基巖風化程度和強度突變及地下水情況進行等超前探測，同時對掌子面進行地質素描，對前方塌方的可能性進行預判，并提前采取應對措施。對影響隧道穩(wěn)定性的基巖隆起上覆不良地層尤其是富水砂層提前進行加固，必要時可采用物探、鉆探取樣等方法對加固效果進行檢測。制訂分部爆破方案解決臨時豎撐掘進過程中吊腳的通病。

3.3.3盾構法施工

盾構法施工在遇到土巖復合(含基巖隆起)地層時掘進施工前可采用超聲波障礙物探測手段，進一步詳細探明土巖結合面和基巖隆起的具體情況。可采用主動破除突出基巖的方式，提高始發(fā)接收范圍內(nèi)土層、巖層的地層參數(shù)均勻性。盾構始發(fā)及接收時提前對隧道周邊軟弱土層進行加固改良，減少軟硬差異，防止盾構機偏離軸線。防止盾構機抬頭，在始發(fā)掘進時將盾構中心線適當調低。采用豎直抽芯和水平探孔相結合的檢測方式檢查洞門加固效果。對于出現(xiàn)超挖超排的位置，做好記錄，盾尾到達時，有針對性增加漿液注入量。根據(jù)周邊圍巖選擇合適的同步注漿材料，掘進過程中及時進行足量注漿；根據(jù)測量數(shù)據(jù)及時進行二次注漿。掘進過程中注意觀察盾構機掘進的異常情況及掘進參數(shù)的異常變化(如速度突然變慢、推力及扭矩突然增大、刀盤振動、盾構機有異響聲等)，判斷是否碰到基巖凸起，掘進過程中隨時監(jiān)測刀具和刀盤的受力狀態(tài)，確保其不超載并觀測刀盤是否受力不均，以防刀盤產(chǎn)生變形等。

3.4 施工監(jiān)控量測及應急措施

3.4.1監(jiān)控量測

針對土巖復合(含基巖隆起)地層施工中需對地表水、裂隙水等地下水進行監(jiān)測，對于地質突變區(qū)段，須進行地質超前探測，加強包括爆破振動、噪聲和地表沉降等監(jiān)測工作。開挖過程中，應做好支護結構、地表及周邊環(huán)境監(jiān)測，以監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)指導施工。根據(jù)設計圖紙中的監(jiān)測項目、頻率和預警控制值做好地面、洞內(nèi)及圍巖壓力等各項監(jiān)測及其預警、反饋及控制工作。在施工影響范圍內(nèi)有重要建(構)筑物、重要管線或管道和密集住宅小區(qū)等，需設置深層監(jiān)測點，加強對路面沉降的監(jiān)測。

3.4.2應急管理

現(xiàn)場應準備必要的應急物資和設備，在開挖面樁間出現(xiàn)失穩(wěn)或滲漏征兆時，應及時采取補強加固等措施。礦山法施工時若出現(xiàn)坍塌，則應先封閉掌子面，再進行回填、注漿。如發(fā)生涌水、涌砂，無補給的涌水、涌砂以疏排為主，有補給的涌水、涌砂優(yōu)先考慮截斷水源。

險情發(fā)生后及時按應急預案程序向有關單位報告險情并及時組織搶險，避免事態(tài)擴大，避免事故次生災害和衍生災害發(fā)生。

4 案例分析

4.1 工程概況

某地鐵車站C出入口由敞口段和通道段2部分組成，其中敞口段長26.5m、寬7.2m、深度最大為14m，采用明挖分倉倒掛井壁法施工；通道段長58m、寬6m、高4.6m，采用CRD暗挖法施工，導洞采用臺階法施工(見圖6)，標準段及人防段采用拱頂直墻結構形式(其中人防段通道寬7.5m、高5.3m)，標準段下穿熱力管線段為平頂直墻結構形式，高3.9m。對埋深較大的2，4號導洞開挖，遇巖層時采用鉆爆法施工。

圖6 C出入口及開挖工法分段示意

該附屬結構施工存在暗挖通道下穿5 000mm×3 000mm熱力管溝(通道頂距離熱力管溝底板垂直豎向距離最近為0.64m)、下穿1 800mm×1 500mm雨水蓋板、下穿DN1 200雨水管和下穿DN300污水管等地下管線或設施(見圖7)，為加強對這些環(huán)境風險源的保護，分別在C出入口車站方向與明挖豎井方向馬頭門處施工前采取φ108管棚超前支護措施(見圖8)，管棚采用頂進法施工。

圖7 C出入口所涉環(huán)境風險源示意

圖8 管棚剖面

圖9 C出入口地層及結構剖面

工程區(qū)域內(nèi)巖性主要為玄武巖，上覆以黏性土、黏性土與碎石混合土為主的第四紀地層，向南碎石混合土層有層厚變大趨勢，上覆黏性土層相應變薄；基巖埋深變化較大，由幾米變至五六十米，為典型的土巖復合地層結構，且開挖面范圍內(nèi)(平縱剖面)地層變化和巖土界面起伏大，上覆土體較松散、穩(wěn)定性差。

場地主要賦存3層地下水：潛水(分布于埋深較淺的碎石類土層中，水位變化較大)、承壓水或土巖界面水(分布于埋深約25m以上的碎石類土層和混合土中，承壓性強且承壓水頭變化較大)和基巖裂隙水(賦存于深部的玄武巖中，具有一定承壓性)。總體上工程區(qū)域地下水較豐富，尤其近幾年來受地表水生態(tài)放水補償?shù)叵滤徒邓肯鄬ζ蟮扔绊懀┕て陂g地下水位變化且抬升較大的概率較大。地下水控制方案為洞內(nèi)深孔注漿阻水+洞內(nèi)集水抽排措施。

4.2 工程安全風險概況

C出入口敞口段明挖豎井施工開挖期，豎井附近地表監(jiān)測點累計值最大-6.58mm，速率最大測點為0.61mm/d，遠低于變形控制值(見圖10)，地表和豎井圍護結構安全風險可控。但明挖豎井曾出現(xiàn)坑底積水隱患，經(jīng)加強集水坑明排后及時消除。

圖10 C出入口明挖豎井及附近監(jiān)測點分布

但C出入口暗挖通道1號導洞下穿DN300污水管施工中，曾出現(xiàn)2次監(jiān)測橙色預警情況：一次是因拱頂覆土淺、污水管線滲漏水可能導致地層疏松或水囊，深孔注漿控制不合理，導致注漿堆積，使地面發(fā)生局部隆起而發(fā)生地表隆起累計值和速率橙色預警；另一次是受開挖施工反復擾動和開挖位置上方道路社會車輛多的影響，且深孔注漿漿液凝固產(chǎn)生一定空隙，使地面發(fā)生局部收縮沉降，發(fā)生地表沉降速率橙色預警，如圖11與表2所示。

圖11 C出入口暗挖通道部分監(jiān)測點分布

表2 1號導洞引起部分測點監(jiān)測預警

同時，1號導洞開挖過程中，因下臺階地層為碎石土含卵石地層，含水量較大，拱腳位置滲水、積水較嚴重，但掌子面和初支結構相對穩(wěn)定，3號導洞基本未發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。因此，總體研判為1號導洞暗挖施工存在一定風險。

4.3 風險管控及效果分析

基于上述情況，經(jīng)四方會商和專家論證，項目部立即加強了引流、積水抽排等洞內(nèi)抽排措施，及時進行初支背后回填注漿和補充注漿，深孔注漿時嚴格控制注漿壓力和注漿量，并根據(jù)監(jiān)測和注漿效果優(yōu)化注漿參數(shù)。

后續(xù)施工中，2，4號井將進入巖層施工，要求正式鉆爆施工前應進行試爆，并按實施方案裝藥量的80%，90%，100%逐步進行控制；針對開挖面前方可能的地質變化，加強地層超前探測預報工作，以制訂合理的深孔注漿方案和地下水控制方案；對即將由標準段進入人防段施工和下穿通過DN1 200污水管風險源的區(qū)段，應強化超前加固措施，斷面轉換處采取逐步擴挖、挑高過渡施工措施。

另外，鑒于深層承壓水和近期地下水位可能抬升的影響，在C出入口地表一定范圍內(nèi)增設了7口減壓井和1口觀測井，進行管井降水抽排，以有效降低區(qū)域性地下水位，進一步降低開挖施工時的地下水殘留及滲漏影響，提高施工期的結構和開挖面安全度。

經(jīng)采取上述綜合處理措施后，后續(xù)施工期間，各項監(jiān)測值趨于穩(wěn)定且未再發(fā)現(xiàn)監(jiān)測預警，洞內(nèi)滲漏水現(xiàn)象大為緩解。截至2022年7月底，C出入口通道已與車站站臺層結構貫通，安全風險管控取得明顯效果。

5 結語

本文集中介紹了北京地區(qū)典型地層即土巖復合地層(含基巖隆起)對地鐵工程建設的風險。通過分析其巖土地層特性并結合具體施工工法，總結出不同工法遇到土巖復合地層(含基巖隆起)時易產(chǎn)生的安全風險，并結合現(xiàn)場經(jīng)驗從勘察、設計、施工、監(jiān)測以及應急5個方面提出相應的風險管控措施，給出具體工程風險管控案例，為后期再遇該類特殊地層的地鐵工程安全建設提供依據(jù)。