厦门地铁3号线跨海段主要工程地质问题及地质选线

徐军政

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

厦门地铁3号线跨海段主要工程地质问题及地质选线

徐军政

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

厦门地铁3号线跨海段线路为其控制性工程、重难点工程。跨海地段地质情况极其复杂，基岩面波动起伏，风化深槽发育，海底地形起伏较大，如何在地质复杂地段进行方案比选，是跨海段地质勘察的工作重点。从地质条件、线路条件、风险、工期、造价等因素进行分析，对跨海段方案进行综合比选，确定出相对优化的推荐方案，为轨道交通跨海段的线位研究提供可借鉴的思路。

轨道交通；跨海段；工程地质；地质选线

1 工程概况[1]

厦门地铁3号线是连接厦门本岛与翔安东部副中心的西南—东北向骨干线，包含主线和支线两部分。主线起于厦门火车站，沿湖滨东路、长岸路、湖里大道、枋湖北二路、规划钟宅路、规划石厝路、翔安东路敷设，终至翔安机场，串联了厦门火车站及周边、湖里老城区、五缘湾片区、翔安海西商贸中心、翔安南部新城、翔安机场及空港经济区等重点区域。支线起于浦边站，沿规划石厝路、城场路、翔安南路敷设至厦大翔安校区。

3号线全长44.92 km，共设站30座。其中主线全长37.86 km，地下段长32.10 km，高架段长5.76 km，敞开段长0.45 km；共设车站 26座(换乘站12座)，其中地下站 23座，高架站3座；支线段全长7.06 km，地下段长1.35 km，高架段长5.57 km，敞开段长0.14 km；共设站4座，均为高架站。

五缘湾站—会展中心站区间长5.1 km，五缘湾站为2、3号线换乘车站，车站站位稳定，线路出五缘湾站后沿着现状枋湖北二路前行，线位稳定；线路下穿枋钟路后，进入地质情况复杂的海域地段；出海域后进入会展中心站与规划的会展中心及规划的道路下方，站位稳定。

跨海段位于主线五缘湾站—会展中心站区间，海域段长约3.68 km。如图1所示。

2 自然地理与地质环境

2.1 自然地理特征[2]

跨海段(五缘湾—翔安东界)属港湾，两侧为滩涂潮间带；翔安区段以坡残积台地为主，局部为冲海积阶地或海侵洼地。岛内段沿线主要顺延现状道路或穿越居民区等建筑密集区，场地及周边地下管线、地下构筑物及周边建(构)筑物繁多，岛外段沿线场地环境条件较为简单。

图1 厦门地铁3号线跨海段隧道工程位置示意

厦门属亚热带海洋性气候，月平均最低气温12.4 ℃(2月)；月平均最高气温28.5 ℃(7月)。本地区降水主要集中于4～8月，多年年平均降水量1183.4 mm，年最多降水量1 998.8 mm，日最大降水量239.7 mm(1973年4月23日)。多年平均雾日数22 d(能见度≤1 km)。年平均相对湿度78%。本地区春、夏两季以SE向风为主，秋、冬两季以NE向风为主，每年5～6月下午常有较强的NE或SW向风，平均风力3～4级，最大风力5～6级，瞬时极大风力可达7～8级。

沿线地表水主要分布在海域，厦门东海域水域面积较广，隧道轴线水域宽约3.8 km，近厦门岛内段存在小石虎礁，一般水深20 m，最深处25 m左右；翔安侧水下岸坡平缓，一般水深10 m，海底平坦。岛外无常年性河流水系分布，主要接受大气降水补给，沿线尚零星分布有鱼塘。

根据地下水含水层平面位置及性质，可分为陆域地下水和海域地下水两段。据其赋存形式分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水及基岩裂隙水。

2.2 地层岩性特征

根据地质调绘和钻探揭示，沿线场区地层主要为第四系覆盖层及燕山期侵入岩两大类。

沿线地层岩性分布及特征见表1[3-4]。

表1 沿线地层岩性分布及特征

2.3 场地地震效应与区域稳定性

厦门地区的大地构造处于大陆板块边缘活动带，在福建省构造单元划分中属于闽东火山断拗带和闽东南沿海变质带，主要是在原有断裂基础上的活动，都具有正反向、多期交替活动的特点。构造作用主要发生于中生代，构造形迹则表现为断裂构造为主。断裂构造主要发育北东、北北东断裂、东西向断裂和北西向断裂。分别受长乐-南澳区域深断裂带、厦门-南靖区域大断裂带和永安-晋江区域大断裂带控制。厦门大陆部分属于缓慢的不均匀上升区，相对应的海面属下降区。

对隧址区地质构造具有控制意义的断裂构造为长乐-诏安断裂带和九龙江断裂带。近场区断裂主要有北东向钟宅断层组(F11穆厝断层、F12五通断层、F13官浔断层等组成，并与 F16尚中断层交汇)，东排山断层组(由F27东排山断层、F28宋洋断层等组成)。

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，厦门市地震动峰值加速度为0.15g(相当于抗震设防烈度7度区)，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组属第二组。

3 主要工程地质问题

3.1 断裂

地震物探解译显示场区存在3个基岩断裂破碎带，断裂破碎带岩体风化严重，基岩面埋藏深，其中 F1断裂带基岩面高程(1985国家高程基准)小于-50 m，F2断裂带基岩面高程(1985国家高程基准)小于-55 m，F3断裂带基岩面高程(1985国家高程基准)小于-60 m[2]。

3.2 砂土液化

场区分布在翔安侧海域的4-3层饱和粉细砂、4-4层饱和中、粗、砾砂在地震烈度为7度时会发生液化。

3.3 残积土、深厚全～强风化层、风化囊

场区基岩为燕山晚期花岗岩，残积土一般呈灰黄与灰白相杂的花斑色，除石英颗粒外，其他矿物基本风化为高岭土(属亲水矿物)；土体孔隙率高，干燥状态颗粒间有一定结合力，遇水后由于亲水矿物迅速与水相结合，形成泥状物，导致强度急剧降低；地下水位以下的0.5 mm以下细粒土多呈软塑～流塑状态。在动水压力作用下，细粒土易流失，使渗透系数不断增大，从而产生涌泥和塌坍现象。

岩体风化分带比较明显，一般随着深度的增加，自上而下岩体的风化程度由全风化带向中微风化带呈渐变过渡。本次钻探深度范围内主要为全风化带及散体状强风化带。除石英外其他矿物基本风化为黏土矿物(主要为高岭土)，岩石结构仍可辨，颗粒间结合力完全丧失，岩体呈砾质黏性土或砂质黏性土状，水稳性差，遇水即崩解，地下水位以下细粒土呈软塑～流塑状[4-5]。

花岗岩风化带的另一个显著特点是差异风化特别明显，残积层及全～强有强风化岩体囊状风化特征，风化带的均匀性差，风化界面复杂，增加了岩土工程勘察和施工的难度。风化带中普遍存在中等～微风化残余体(球状风化特征)，中等风化带中也会有强风化岩体囊状风化特征，风化带的均匀性差，风化界面复杂，增加了岩土工程勘察和施工的难度。

图3 线位1方案纵剖面

本段共有8处揭示风化残余体，其中水域段5孔，陆域段3孔；残余体揭示块径在0.6～6.6 m，大部分为中等风化残余体，少量为微风化残余体。

4 地质选线

4.1 概述

跨海地段地质情况极其复杂，基岩面波动起伏，风化深槽发育，海底地形起伏较大，在对水文、地质进行详细勘察的基础上，如何在既定的工期内，在确保施工及运营期结构安全的前提下，选择最优的跨海线位、适合的线路埋深及安全可靠的跨海施工方案是专题研究的重难点[6]。

根据该海域地质情况综合分析得出，适合该工程的施工方法为盾构法及矿山法，同时结合区域物探成果，确立了地质及施工方法确定线位的原则。分析该片海域的物探成果可得出，北侧区域基岩、风花槽呈“岛”状分布，南侧区域基岩呈现“条带”状分布[7]。西侧基岩面较高，局部深槽发育；东侧基岩面较低，局部基岩突起，该片海域物探成果详见图2。

注：图中蓝色越深代表中等风化基岩面埋深越大图2 海域段物探成果

矿山法选线尽量让隧道洞身在中、微风化地层中穿越，避开风化深槽、软弱地层；盾构法选线尽量让隧道洞身穿越软弱地层，避开基岩突起地段[8]。按依据上述原则，分别选定了5条平面线位。现将5条线位分述如下。

4.2 矿山+盾构方案[9-10]

4.2.1 线位1(矿山+盾构方案)

分析物探成果：近本岛侧海域基岩面较高适合矿山法施工，近翔安侧海域基岩面较低适宜盾构法施工，因此无论单纯采用盾构法还是矿山法均无法很好适宜该类地层的施工，依据全国海底隧道施工的经验，创新性提出了“矿山+盾构”的施工方案。

线位1按矿山法选线原则确定线位平面，平面选线尽可能避开物探成果平面图中深色区域，线路全长5 068 m，线路纵剖面详见图3。五缘湾站—本岛岸边陆域段长1 204 m，隧道洞身穿越地层主要为全、强风化花岗岩，该段地层适宜采用盾构法施工；海域段K15+303.756～K17+785.767段，洞身穿越中、微风化花岗岩，适宜采用矿山法施工，该段采用矿山法施工需要穿越风化深槽、软弱地层段为1 098 m；海域段K17+785.767 0～会展中心段长1 538 m，洞身穿越全、强风化花岗岩，适宜采用盾构法穿越该段地层，该方案工期为49个月。该方案平面区间5个，其中反向区间2个，线路最大坡度为28‰，线路全长5 068 m，曲线长度为1 783 m，曲线占35.18%。

4.2.2 线位2(矿山+盾构方案)

在选定线位1的基础上，尝试向北尽可能多地避开风化深槽、软弱地层等不良地质，按矿山+盾构方案的选线思路确定线位2。线路全长5 203 m，线路纵剖面，见图4。

图4 线位2方案纵剖面

五缘湾站～本岛岸边陆域段长1 204 m，隧道洞身穿越地层主要为全、强风化花岗岩，该段地层适宜采用盾构法施工；海域段K15+304.624～K17+535.954段，洞身穿越中、微风化花岗岩，适宜采用矿山法施工，该段采用矿山法施工需要穿越风化深槽、软弱地层段为1 098 m；海域段K17+535.954～会展中心段长1 921 m，洞身穿越全、强风化花岗岩，适宜采用盾构法穿越该段地层，该方案工期为63个月。

该方案平面区间5个，其中反向区间2个，线路最大坡度为28‰，线路全长5 203 m，曲线长度为1 250 m，曲线占24.02%。

4.3 全盾构方案

复合式盾构是近年来软硬不均等复杂地质条件催生而出的一种盾构工法形式。该类型盾构最大优点是能够同时开挖软硬不均地层，能够更好地适应地质条件的变化。广深港客运专线深港隧道、狮子洋隧道都是国内采用复合式盾构的成功案例[11]。

该方案平面选线依次通过控制点1、2、3，控制点 1为避开基岩面较高地段，控制点2～5为风化深槽发育地段，该方案线路平面详见图5。

图6 线位3方案纵剖面

图5 线路平面控制点示意

线路出五缘湾站后，隧道洞身穿越地层主要为全、强风化花岗岩，适合盾构法施工，因此在该段区间采用盾构法施工，因五缘湾站仅预留盾构接收条件，因此盾构机需在区间风井始发，在五缘湾站接收，该段区间长1 100.989 m。区间风井～会展中心站长4 000 m，该段区间隧道洞身穿越全、强风化花岗岩，局部基岩面突起，地层适宜采用盾构法施工，采用2台泥水平衡盾构从会展中心站始发，在海中与矿山法区间对接。

经过分析后，海中泥水盾构管片直径可选择11 m单洞双线大盾构、8.5 m双洞中盾构方案、6.7 m三洞小盾构方案及7.7 m双洞中盾构方案。该段地铁区间需多次穿越上软下硬地层，盾构推进过程中，盾构机姿态难以控制。相对于直径6.7 m小盾构方案，该方案线路纵断面需下压8.8 m，且会展中心站为侧式车站，影响车站使用。因此该方案不适合本区间。

4.3.1 线位3(全盾构方案)

线位3按盾构法选线原则确定线位平面，平面选线尽可能避开物探成果平面图中浅色区域，线路全长5 083 m，线路纵剖面详见图6。隧道洞身穿越地层主要为全、强风化花岗岩、中、微风化花岗岩，隧道穿越中微风化花岗岩长度为759 m，该方案工期为43个月。

该方案平面区间7个，其中反向区间2个，线路最大坡度为28‰，线路全长5 083 m，曲线长度为2 155 m，曲线占42.04%。

4.3.2 线位4(全盾构方案)

线位四按盾构法选线原则确定线位平面，平面选线尽可能避开物探成果平面图中浅色区域，线路全长5 119 m，线路纵剖面详见图7。隧道洞身穿越地层主要为全、强风化花岗岩、中、微风化花岗岩，隧道穿越中微风化花岗岩长度为1 027 m，该方案工期为46个月。

图7 线位4方案纵剖面

4.4 线位5(矿山+盾构方案、全盾构方案)

线位5按盾构法选线原则确定线位平面，平面选线尽可能避开物探成果平面图中浅色区域，线路全长5 077 m，线路纵剖面详见图8。隧道洞身穿越地层主要为全、强风化花岗岩及中、微风化花岗岩，隧道穿越中微风化花岗岩长度为1 411 m，该方案工期为56个月。

图8 线位5方案纵剖面

4.5 方案比选

综合分析地质条件、线路条件、风险、工期、造价等因素(表2)，线位1线路平面顺直、工期及不良地段的长度均较优，因此推荐线位1(矿山+盾构)方案。

表2 方案比较

5 结论

目前，厦门地铁3号线过海隧道工程专题研究报告专家咨询会推荐线位1(矿山+盾构)方案作为初步设计阶段工作的依据。

跨海段属滨海堆积区，通过主要地层为黏性土、全强风化花岗闪长岩、中微风化花岗闪长岩，局部为中风化辉绿岩岩脉，场地复杂程度属中等复杂，沿线环境条件复杂程度属中等复杂。通过对跨海段5个方案进行综合比较，从地质条件、线路条件、风险、工期、造价等因素进行分析，综合考虑缩短跨海段线路长度，降低工程风险，缩短工期等因素，确定出相对优化的推荐方案[12]。可以看出，地质条件优略对跨海段工程的风险、投资、可实施性等有着不同程度的影响，前期线位选择中需要考虑场区的地质条件。

[1] 铁道第三勘察设计院集团有限公司.厦门市轨道交通 3 号线工程可行性研究报告[R].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2014.

[2] 铁道第三勘察设计院集团有限公司.厦门市轨道交通 3 号线过海隧道工程专题研究报告[R].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2014.

[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S].北京:中国铁道出版社，2007.

[4] 常士骠，张苏民.工程地质手册[M].4版.北京:中国建筑工业出版社，2006.

[5] 楚涌池.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社，1999.

[6] 何振宁.区域工程地质与铁路选线[M].北京:中国铁道出版社，2004.

[7] 韩毅，李隽蓬.铁路工程地质[M].北京:中国铁道出版社，1988.

[8] 龚彦峰，胡威东，梅江兵.郑州轨道交通1号线盾构法区间隧道技术总结[J].铁道标准设计，2013(11)：88-91.

[9] 彭万利.通灌铁路选线设计[J].铁道标准设计，2009(9)：29-32.

[10]李剑明.盾构空推过矿山法隧道新工艺[J].铁道标准设计，2011(11)：93-96.

[11]李洪祺.复合式盾构在重庆地区复合地层的适应性分析[J].建筑与工程，2011(9)：678-683.

[12]马辉.厦门轨道交通2 号线跨海段线路方案比选研究[J].铁道勘测与设计，2013(5)：46-53.

Major Problems in Geological Engineering and Alignment of Xiamen Metro Line 3 Cross-sea Section

XU Jun-zheng

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an710043， China)

The cross-see section is a critical part of Xiamen metro line 3 with extremely complex geological conditions and fluctuated bedrock surface wave， weathered deep groove and big submarine topography fluctuation. How to fulfill scheme comparison remains a key issue in geological investigation of the cross-sea section. Cost and other factors are analyzed with respect to geological conditions， line conditions， risks， progress schedule of the project， and comprehensive comparison is conducted to determine relatively optimized scheme and provide concepts to study the alignment of rail transit line cross-sea section.

Rail transit; Cross-sea section; Engineering geology; Geological alignment

2015-03-04；

2015-03-13

徐军政(1983—)，男，工程师，2006年毕业于长安大学地质工程专业，工学学士，E-mail：13993764@qq.com。

1004-2954(2015)11-0018-05

U231+.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.005