广州市轨道交通三号线地质灾害评估

2010-08-15蒋军军

隧道建设(中英文) 2010年1期

蒋军军

(广州市地下铁道设计研究院，广州 510010)

0 引言

作为地铁工程可审查的基础资料的重要组成部分的地质灾害评估，目前国内对此所作的研究不多。本文就广州市轨道交通三号线地质灾害评估报告中的评估工作的方法、地质灾害危险性现状评估、预测评估及防治措施等主要内容及结论进行概述。由于本报告为广东省市政工程的第一份地质灾害评估报告，难免在水平上有所欠缺，仅供有关地铁及国土资源等部门的专家参考，并指正。

1 工程概况

广州市轨道交通三号线工程，属重要建设项目。该工程线路全长36．25km，全部为地下线路，其中区间均为双管圆形隧道，洞径净空约6 m。拟设车站18座，隧道区间16段，车辆段及综合基地1处，主变电所2座，制冷站1座。在本工程中，我院承担设计总体及地质总体工作［1］。

根据国土资源部颁发的《关于实行建设用地地质灾害危险性评估的通知》［2］和广东省国土资源厅颁发的《广东省建设用地地质灾害危险性评估暂行规定》［3］等文件要求，需进行广州市轨道交通三号线工程建设用地地质灾害危险性评估工作。本次评估的目的是对广州市轨道交通三号线工程建设用地的适宜性进行评估，为该工程建设用地审批提供依据。

2 评估工作的方法

广州市轨道交通三号线工程线路3次穿越珠江，多次穿越大型断裂，岩性岩相变化大，工程地质水文地质条件不良，地质环境条件复杂;因此，确定该工程建设用地地质灾害危险性评估等级为一级，并采用以下方法进行评估。

1)收集、分析场地既有地质资料及相邻、相关工程地质资料。

2) 对测区进行现场踏勘和调查访问。调查以线路中线为中心，采用“S”型穿越法，对地质灾害分布地段进行重点调查。观测点主要布置在地质灾害分布地段以及地质构造线、露头良好的山头、建筑物基坑、江河堤岸等部位。调查内容包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、岩土工程地质等地质环境条件，并重点对本区存在的地面沉降、地面变形、边坡坍塌、河水冲刷、风暴潮水害、地下水污染、水的腐蚀性、砂土液化、突水等地质灾害的类型;分布范围;规模;成灾历史;稳定状态;危害程度和损失情况进行调查。

3) 对人类工程活动对场地稳定性的影响，包括人工洞穴、地下采空、深挖高填、抽水排水、建筑物变形等进行调查。观测点的定位采用罗盘定向交汇法，同时结合线路桩位、皮尺量距或根据线路附近的微地形、地物目测等方法确定。地质灾害现状和环境地质调查。

4) 在分析既有资料和现场调查的基础上，对地质环境条件基本特征和建设项目工程进行分析，对地质灾害进行现状评估和预测评估，进而进行综合评估，并提出防治措施。

3 地质灾害危险性现状评估

评估区内已发生的地质灾害较少，灾害类型主要有边坡失稳、基坑变形、水质污染、江水对堤岸冲刷及水土流失，但总体上造成的危害较小。

1) 边坡失稳。评估区内边坡失稳主要发生在低丘地带以及平原内的残丘地带。区内低丘和残丘表层主要为坡残积的黏性土类或全—强风化的岩石，在河流冲刷、风化，水的侵蚀以及工程施工等作用下，造成边坡失稳。边坡失稳变形的形式有开裂、倾倒、崩塌、坠落和滑坡等。但区内低丘和残丘相对标高一般较小，分布规模不大，坡度较缓，且植被茂盛，边坡大多处于稳定状态，仅少数几处边坡，由于边坡物质松散、岩石风化严重，坡面受冲刷或人类活动的影响，产生溜坍垮塌。

在评估区内，共调查了自然边坡5处，人工边坡8处，其中发现4处人工开挖引起的中小型坍塌。

2)基坑变形。本次沿线路及附近调查了6个大型基坑，仅珠江新城站坑壁有轻微变形，坑壁混凝土脱落，基坑顶部有6～10 m长裂缝，宽3～5 mm，由于该坑壁上有流水，基坑的变形是由水压较大引起的，基坑深约16 m，基坑壁上部11 m为黏性土，下部为中—强风化粉细砂岩，含砾砂岩，地下水位埋深约4 m。据调查，珠江新城站基坑的轻微变形未造成严重损失，目前，工人正在坑壁上打孔排水。

3)水质污染。本次沿线路及附近调查了10条河涌和5个池塘，水质污染均严重。河涌和池塘水相对较静，流动性差，再加上接近城镇或村庄，易被生活废水污染，个别还被工业废水污染，时间一长，还会波及到地下水和土壤。

全线穿过最大的3条河流北为珠江、南珠江和三支香水道，由于江面宽、水深、远离城镇、村庄、水流动性好，污染轻微。

4)江水对堤岸冲刷。地铁三号线穿越北珠江、南珠江和三支香水道等珠江干流，以及赤岗涌、淋沙涌、上涌、后滘涌、东沙涌等数条河涌。珠江三角洲河网地区的河道为洪潮混合型河道，除容纳径流外，还容纳来自南海的潮水。涨潮时，潮水可以上溯到整个河道，每天的2次涨落潮，再加上洪水期，对河床和河岸有一定的冲刷作用，部分未防护的河涌堤岸有垮塌现象。但河道两岸植被较好，平原地区的河流流速较慢，且上游地区带来的大量泥砂，使淤积略大于冲刷，河势比较稳定，河床演变缓慢，其整体呈淤积趋势。本区河道大部分已渠化，两岸建有石质或混凝土防洪堤。

5)水土流失。线路穿过低丘地带以及平原内的残丘地带，区内植被保护较好，水土流失现象不严重，为轻度流失区。但部分地段，由于修筑道路、开取土场、建民房或厂房，使地表裸露，致水土流失加重。部分人工取土场、人工切坡及建筑场地等的开挖，造成面状水土流失。总体来说，评估区水土保持状况良好，已发生的水土流失危害小，其潜在的危险性也小。

综合以上，评估区内已发生的地质灾害较少，造成的危害较小，危险性小。

4 地质灾害危险性预测评估

根据三号线沿线的地质环境条件，结合工程的具体类型、规模等，预测工程建设可能诱发或加剧的地质灾害类型主要有:软土地基沉降，砂土液化，隧道塌方、突水、突泥、涌砂，基坑变形、基坑边坡失稳和突涌，地下水的腐蚀性，水土流失。

1)软土地基沉降。沿线软土在大部分地区分布，特别在珠江水网地带分布广泛，且厚度大(最厚达16．5 m)，但埋深不大，一般埋深0～5 m。软土在天然状态下处于相对稳定状态，并随着时间慢慢进行固结，地面也随之缓慢沉降。但在填方、不均匀荷载以及动荷载的作用下，易产生不均匀沉降和滑动破坏。从地下工程来看，地铁的区间隧道和车站的设计底板大都位于软土以下，不存在软土地基沉降的问题。但部分区间及车站结构底板在软土之上，如不整治，在动载及地震的作用下，存在软土地基沉降的可能。预测软基稳定性差，灾害发育程度中等，危害程度中等，评定其危险性中等。洛溪车辆段位于软土较厚地段，其分布面积大(长约940 m，宽约285 m)，段内各种建筑、设备多(有地面线路、厂房、车库、低层生产生活用房、材料堆放场、各种起吊设备等)，荷载大小不均，动载静载相结合，地基易产生不均匀沉降和滑动破坏，存在软土地基沉降的可能。预测软基稳定性差，灾害发育程度中等，危害程度中等，评定其危险性中等。

2)砂土液化。评估区位于地震烈度Ⅶ度区，动峰值加速度为0．10 g。区内地下水位埋藏浅，一般为0～4 m，平原区大多在2 m以内。平原区饱和的中、粉细砂(珠江地段为淤泥质砂)广泛分布，大多成层性好、埋藏浅、厚度大、质地较纯，一般呈松散—中密状态，在外力作用下，松散砂层易产生液化现象，降低地基承载力，造成地基失稳。预测砂基稳定性差，灾害发育程度中等，危害程度中等，评定其危险性中等。

3)隧道塌方、突水、突泥、涌砂。三号线均为地下线路，除车站外，均为区间隧道。区间隧道洞身大部分在第四系的黏性土、砂土、软土、残积土和基岩的全—强风化层中通过，部分地段还在断层破碎带中通过，围岩岩性软弱，极易在隧道施工时发生洞顶或掌子面的塌方，造成地面沉降，在隧道顶板薄的地段，还容易引起冒顶。地层中含有较厚流塑状淤泥、淤泥质土和饱和松散砂层地段，在地下水的作用下，易形成隧道突水、突泥、涌砂。在全线14段暗挖隧道及车站中，预测灾害发育程度强，危害程度大，评定其危险性大的占9段;预测围岩稳定性中等，灾害发育程度中等，危害程度中等，评定其危险性中等的占4段;预测围岩稳定性好，灾害发育程度弱，危害程度小，评定其危险性小的占1段［4］。

4)基坑变形、基坑边坡失稳和突涌。全线18个车站均为地下站，均需进行大面积、大深度开挖，而基坑开挖基本上在强度较低的第四系黏性土、砂土、软土、残积土以及基岩的全—强风化层中，基坑壁承受极大的土压力，基坑支护不好，易造成基坑变形、边坡失稳和突涌。在全线21个基坑开挖工点中，预测基坑稳定性差，灾害发育程度强，危害程度强，评定其危险性大的占3段;预测基坑稳定性中等，灾害发育程度差，危害程度中等，评定其危险性中等的占7段;预测基坑稳定性中等，灾害发育程度弱，危害程度小，评定其危险性小的占11段。

5)地下水的腐蚀性。全线收集154件地下水试验资料，经统计分析，大部分水样对混凝土结构或混凝土中的钢筋具有弱—中等腐蚀性，局部对混凝土结构无腐蚀性，个别水样具有强腐蚀性。其腐蚀性主要由于PH值低，侵蚀CO2或硫酸盐含量高所致［5］。预测其危害性和危险性小。

6)水土流失。地铁车站和隧道区间是大挖方工程，挖出的大量弃土在置于临时弃土场或永久渣场时，若保护不好易受到雨水或地表水的冲刷，引发水土流失，阻塞道路、河道和毁坏农田。但这种水土流失一般是一种面状缓发性灾害，且规模一般较小，发育程度较弱，预测其危害小，危险性小。

总体来说，地铁的修建将大规模地改变地质环境，可能引发地质灾害，给地铁工程和城市环境带来很大的危害;但如果设计合理，施工措施得当，就可以防止地质灾害的发生或减少其发生的可能和降低其危害性。

5 地质灾害危险性综合评估

5．1 地质灾害危险性分区依据

根据地质环境条件，已发生和预测地质灾害类型、分布、规模、稳定状态、危害对象和危害程度进行研究，结合地铁的布局，将评估区地质灾害危险性划分为3区:地质灾害危险性大区、地质灾害危险性中等区和地质灾害危险性小区。

1)危险性大区。在工程及工程影响范围内，岩土工程地质条件极差，断层发育，岩性变化大，软土、砂层厚度大，土体工程性质不良，含水丰富，施工影响大，地质环境条件复杂。灾害危害的对象为区间隧道和车站。预测地质灾害至少有1种达到危险性大级别。

2)危险性中等区。在工程及工程影响范围内，岩土工程地质条件较差，岩性变化较大，无厚层软土和砂层，土体工程性质不良，含水较少，地质环境条件复杂程度为中等。灾害危害的对象为区间隧道、车站和车辆段。预测地质灾害至少有1种达到危险性中等级别，但没有达到危险性大级别。

3)危险性小区。在工程及工程影响范围内，岩土工程地质条件较好，岩性变化小，岩、土体工程性质较好，含水较少，地质环境条件复杂程度为简单。灾害危害的对象为区间隧道。预测地质灾害危险性均为小。

5．2 地质灾害危险性分区评述

1)地质灾害危险性大区。预测地质灾害主要为基坑变形、边坡失稳和突涌，危险性中等。已发生的地质灾害有边坡失稳、地表水污染、水土流失，由于其均位于地表，规模小，对地铁没有直接威胁，危险性小。综合评估，本段地质灾害危险性大。采取一定的工程措施后，修建地铁基本适宜。

2)地质灾害危险性中等区。预测地质灾害主要为突水、涌砂、塌方，地质灾害危险性中等。车站坑壁有饱和砂层和流塑—软塑状软土，预测的地质灾害主要为基坑变形、边坡失稳、突涌，危险性小。本段没有发现地面地质灾害。综合评估，本段地质灾害危险性中等。采取一定的工程措施后，适宜修建地铁。

3)地质灾害危险性小区。隧道大部分在白垩系泥质粉砂岩夹泥岩、细砂岩、砂砾岩的全—强风化层及中等风化层中通过，只有部分地段在残积层中通过，围岩稳定性较好。但残积层、全风化层，遇水易发生软化，强风化岩层风化裂隙发育，地下水较丰富，预测地质灾害主要为围岩失稳、塌方，危险性小。采取一定的工程措施后，适宜修建地铁。

地铁三号线全线，危险性大区共分7 段，总长度18．755 km，占线路总长的51．7%(包括2个车站);危险性中等区共分7段，总长度15．878 3km，占线路总长的43．8%(包括1个制冷站、2个主变电站、1个车辆段);危险性小区1段，总长度1．619km，占线路总长的4．5%。

总体来说，评估区预测的地质灾害，均可采取工程措施予以防治，线路基本适宜于修建地铁。

6 地质灾害防治措施

6．1 软土地基沉降的防治

三号线存在软土地基沉降的问题，可以采取以下防治措施:

1)该段内的淤泥、淤泥质土层，含水量高、孔隙比大、压缩性高、中灵敏—高灵敏，力学性质差等特点，不能作为建筑物和构筑物的天然地基［6］。

2)车辆段地基应以排水固结法为主，局部可采用复合地基。线路路基、道路、堆积场、涵洞基底等可采用塑料排水板、砂井、粉体搅拌桩、碎石桩等加固措施，软土较薄地带可采用换填砂垫层加固处理，应充分排水、压实，以免出现土体蠕动而导致地面变形。

3)中低层建筑可采用预制管桩或沉管灌注桩作为基础形式，以红层硬塑状残积土层、红层全风化岩带、红层强风化岩带作为基础持力层。

4)水塔、重型动力车间及其它重要建筑物，宜采用桩基，穿透软土层，嵌入中—微风化带内一定深度。

6．2 砂土液化的防治

在施工和运营时，可能产生震动液化现象。可以采取以下防治措施:

1)避免用未经加固处理的可液化土层作为天然地基。

2)对于埋深浅、厚度薄的可液化土可挖除。此区间隧道底板下的饱和砂层一般厚约2m，可在隧道施工前按深层液化土整治，也可在隧道成型后再挖出。

3)对于埋藏较深、，厚度较大的可液化土，可以采用加密法(如振冲、振动加密、砂桩挤密、强夯等)处理。此区段，可以结合软土整治，采用振冲碎石桩或挤密砂桩。

4)对于重载或高层建筑物，应采用桩基，穿过可液化土层，以基岩作为持力层。

6．3 隧道塌方、突水、突泥、涌砂的防治

1)松软围岩变形破坏的防治。可采用新奥法施工作为主要对策，即采用弱爆破开挖，喷锚支护加金属网或钢拱，及时对开挖面进行全封闭，然后根据监测结果，再适时作永久支护。

2)破碎松散围岩变形破坏的防治。破碎松散围岩的自稳能力极低，特别是富含地下水时，几乎不具自稳能力。为防止其变形破坏，或控制其破坏规模，可采用预注浆加固和排水降压等措施。做到“先排水、短开挖、弱爆破、强支撑、快衬砌”，尽量减少对围岩的扰动。支撑的方法有喷锚支护、挂网、管棚、钢拱支护等。

3)块状围岩滑移和坠落的防治。这类变形破坏主要受结构面的控制，一般可采用喷混凝土加锚杆的支护形式。

4)地面沉降变形的防治。尽量少的抽排地下水，防止隧道开挖时围岩大面积的坍塌。

5)隧道围岩较差、地下水丰富，对地面沉降和地下水的抽排控制严格的地段，可以采用密闭型盾构法施工，以减少对围岩的扰动和地下水的排放。

6)在隧道围岩顶板特别薄的地段，可采用明挖法施工。

7)软土、砂土以及其它软弱土层(破碎岩层)可采用预注浆加固和排水降压等措施，固本清源。

8)对于地下水补给量大。位于江、河下的隧道工程涌水应以堵为主。对于水的来源清楚的应采取截的办法，截堵于洞身之外;对无补给或补给量小的涌水点则以排为主;对隧底应以排降为主。

9)可采用密闭型盾构法施工，防止泥砂、地下水的的大量涌入。

6．4 基坑变形、边坡失稳和突涌的防治

1)当地质条件简单，锚杆的锚固段有较好的土层时，可采用排桩加锚杆支护;当地质条件复杂，坑壁有软土、松散砂层等软弱土层时，可采用排桩加内支撑支护。排桩包括人工挖孔桩、冲钻孔灌注桩等。由于地下水位高，在进行挖孔桩之前，应先用高压喷射注浆止水，同时还应进行基坑内降水;密排的钻孔灌注桩，止水效果往往不理想，若在相邻的钻孔桩之间增设止水桩，则可形成即挡水又止水的简单连续墙。

2)当地质条件复杂，坑壁有厚层软土、松散砂层等软弱土层，地下水丰富，可采用地下连续墙加内支撑支护，该方法止水效果好，并可作为永久结构的一部分;当地质条件简单，锚杆的锚固段有较好的土层时，也可采用地下连续墙加锚杆支护。

3)应查明基坑范围内不透水层的厚度、岩性、强度极其承压水水头的高度，承压水含水层顶板的埋深等，验算基坑开挖到预计深度时基底是否会发生突涌。若会发生突涌，应在基坑位置的外围先设置抽水孔(井)，采用人工方法局部降低承压水水位，直到达到某一许可值。

6．5 地下水腐蚀性的防治

1)弱腐蚀。一级防护，采用普通硅酸盐水泥、矿碴硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥，水灰比0．60，最少水泥用量340～360 kg/m3，C3A＜8%。

2)中等腐蚀。二级防护，采用普通硅酸盐水泥、矿碴硅酸盐水泥，水灰比0．50，最少水泥用量360～380 kg/m3，C3A＜8%，防护层厚度30 mm。当采用抗硫酸盐水泥时，C3A＜5%，余者与前同。

3)强腐蚀。三级防护，采用抗硫酸盐水泥，水灰比0．40，最少水泥用量380 ～ 420kg/m3，C3A ＜ 3%，防护层厚度40 mm。

6．6 水土流失的防治

地铁施工弃土量大，弃土处理不当易造成水土流失，污染环境。

1)在工地临时和指定的永久弃土场周围，设立围堤，防止弃土四处扩散。

2)弃土周边建排水沟和沉淀池，防止泥水横溢，堵塞城市下水道和沟渠，并防止污水直接排入河道。4)使用专门散装车辆运输弃土，车厢应设围盖。5)工地设洗车槽，运土车辆开出工地前应清洗车轮。

上述对地质灾害的防治方法是目前在国内广泛采用的处理地质灾害的方法，在广州地区的地下工程或地面工程施工中也广泛采用，已有成熟的经验。

7 结论与建议

7．1 评估结论

广州市轨道交通三号线是广州市的重点建设项目，属重要建设项目。评估区内已发地质灾害发育程度弱，地形地貌较简单，地质构造较复杂，岩性岩相变化大，岩土体工程性质不良，部分地段岩土体稳定性较差，水文地质条件复杂，破坏地质环境的人类工程活动强烈，据此判定评估区地质环境条件复杂。建设用地地质灾害危险性评估等级为一级。

通过调查发现:广州市轨道交通三号线沿线已发生的的地质灾害主要有边坡失稳、基坑变形、水质污染、江水对堤岸冲刷及水土流失。边坡失稳、水土流失主要发生在广九铁路以北，南大路和易兴工业村之间的低丘地带以及平原内的残丘地带，规模一般不大，主要为人为活动造成，且部分已经过治理，危害性很小，特别对地下工程的地铁几乎无影响。基坑变形、水质污染、江水对堤岸冲刷主要发生在三角洲平原，除水质污染比较严重、分布较广外，其余3种灾害规模较小，但基坑变形对地铁的施工有较大的危害，而水质污染、江水对堤岸冲刷对地铁的直接危害较小。总体来说，评估区内已发生的地质灾害较少，已造成的危害较小，预测危险性小。

根据地质环境条件，结合建设工程的类型和规模，预测地铁建设可能诱发、加剧的地质灾害类型和工程项目本身可能遭受的地质灾害主要有软土地基沉降，砂土液化，隧道塌方、突水、突泥、涌砂，基坑变形，边坡失稳和突涌，地下水的腐蚀，水土流失等，潜在的危险性小—大。如果设计合理，施工措施得当，地质灾害发生的可能性和危害性会大大降低［7］。