青岛地铁M1号线工程地质条件分析

闫强刚,何寿迎,于波

(1．青岛市勘察测绘研究院,山东青岛 266032; 2．青岛岩土工程技术中心,山东青岛 266032)

青岛地铁M1号线工程地质条件分析

闫强刚1,2∗,何寿迎1,2,于波1,2

(1．青岛市勘察测绘研究院,山东青岛 266032; 2．青岛岩土工程技术中心,山东青岛 266032)

结合青岛地铁M1号线线路规划特点,分析了M1线穿越区特殊的岩土条件;重点围绕地下工程围岩稳定性,探讨了岩土工程勘察工作中应特别注意的两个重点问题;并结合勘察工作的重点,对设计、施工过程中应注意的问题进行了分析和评价,提出了一些有益的建议;对于青岛地区后续进行的地铁线路勘察、设计以及施工等具有一定的指导意义。

地铁勘察;工程地质条件;地下水;地质构造

1　引 言

青岛作为中国的副省级城市、计划单列市和区域中心城市、山东省最大城市、国家历史文化名城和风景旅游胜地,是中国东部沿海重要的经济中心和港口城市。青岛市城市轨道交通线网规划M线由10条线路组成,总长度达353．20 km,其中青岛地铁M1号线工程南端起始为黄岛峨眉山路,穿越胶州湾海底,北端终点为城阳区东郭庄。途径黄岛区、市南区、市北区、李沧区、城阳区,形成近南北走向的快速轨道交通走廊,共设地下车站39座,全线路总长60．10 km,如图1所示。

图1　青岛地铁M1号线站位示意图

青岛地形东高西低,中间凹陷。地貌类型为侵蚀剥蚀低山、丘陵、平原,主体为胶莱平原,平均海拔50 m左右。南、北为低山丘陵区,海拔在200 m～500 m之间,最高峰为东南部的崂山,崂顶主峰海拔1 132．7 m。胶州湾是山东半岛东南沿海的一个深入内陆的半封闭海湾,东西宽27．8 km,南北长33．3 km,岸线长210 km,平均水深7 m左右,最大水深65 m。湾口朝向东南,通过一条宽约3 km、深30 m～40 m的深水槽与黄海相通。水系为外流水系,发源于北部、东北部的低山丘陵区,向南汇入黄海,分为大沽河、北胶莱河以及沿海诸河流三大水系。断裂构造主要为近东西向、北北东向和北东走向,构成沂沭断裂右侧入字形构造。五莲-青岛断裂、牟平-即墨断裂位于中朝陆块与中央造山带边界,是控制青岛市构造格架的主干断裂[1],如图2所示。

图2　青岛市构造纲要图

青岛地铁M1号线工程线路受到胶州湾、白沙河以及沧口断裂等多条断裂和河流的影响,穿越的地貌成因类型多、形态类型复杂、岩土种类多、变化大,M1号线工程包含了青岛地区最主要的几个岩土工程问题。本文通过对M1号线沿线的工程地质和水文地质条件进行分析,针对青岛地铁的岩土工程勘察、设计以及施工提出一些建议。

2　工程地质概况分析

2．1工程地质条件

图3　青岛地铁M1号线地层剖面图

2．2水文地质条件

地表水体:胶州湾的地形,从总的形式看,水深西北浅、东南深,海底地势自北向南倾斜,腹大口小。其西北部有7 km～8 km宽的潮间滩地和宽阔的浅水区。5 m水深以内的面积占总面积的66．44%,分布在西北和北部。湾口一条深30 m～40 m的深水槽呈北北西向伸入湾内。胶州湾湾的海流主要为潮流,表层为顺时针旋转流,底层为往复流。潮汐类型属正规半日潮,最高潮位(大港高程)5．30 m,最低潮位-0．57 m,平均高潮位3．85 m,平均低潮位1．08 m,平均潮差2．78 m,最大潮差4．61 m。地铁1号线区域河流属沿海近缘水系,注入胶州湾中。所有河流流量明显受降水控制,季节性变化明显。主要河流有海泊河、张村河、李村河、及大村河,张村河、大村河分别在曲哥庄及胜利桥汇入李村河后流入胶州湾。

地下水:根据含水介质的特征及其埋藏与分布规律,可将沿线地下水划分为三种类型:松散岩类孔隙水、碎屑岩类空隙裂隙水和基岩裂隙水。[2]补给来源主要为大气降水及河流、滨海地表水和地下水侧向补给。地下水总体流向与地形坡向基本一致。地下水位随季节变幅为1．5 m～2．0 m。在临海地段,地下水因潮汐影响,地下水位随涨潮、落潮具同相的有规律的变化。

2．3地质构造条件

地铁M1号线经过区的断裂均为北东向断裂,其中与线路交叉对线路影响比较大的断裂为夏庄～沧口断裂及其的派生断裂李村断裂、青岛山断裂以及它们派生的次级断裂。沧口断裂主断面北西倾,倾角50°～80°,西北部以莱阳群、青山群及第四系为主的平原,东南部以崂山花岗岩为主的低-中山区。在沧口公园一带,沧口断裂出露宽达100 m,断裂带内岩石呈强烈挤压破碎状态。[3]沿线的构造岩均属动力变质成因,原岩为花岗岩,岩体破碎,强度较低,详见表1。根据其变质程度可以分为:糜棱岩(ml)和碎裂岩(sl),散体状～泥状～碎裂结构,条带状～条纹状构造,岩块干时较坚硬,湿时易软化,多具塑性,如图4所示。

图4　青岛地铁M1号线综合地质图

3　地铁勘察中应注意的问题

地铁勘察的目的是查明场地的工程地质和水文地质条件,分析评价地基、围岩及边坡稳定性,预测可能出现的岩土工程问题,提供设计、施工所需的岩土参数。[4]因此,对于复杂的地铁1号线,勘察工作部署应体现重点突出、兼顾一般的原则,除了应满足一般要求外,对于地下水丰富、岩体结构差～很差、构造发育以及软弱土发育等施工中易出现不良地质作用的地段,应围绕地铁硐室围岩的稳定性、透水性评定,加大技术工作布置,提高勘察工作的精度。

根据M1号线穿越岩土层的工程地质和水文地质特点,重点对特殊地段的勘察重点和钻探要求进行分析。

3．1特殊地段的工作布置

总体来看,青岛地铁M1号线特殊地段包括:穿越胶州湾地段、穿越以白沙河和李村河为代表的河流地段以及沧口断裂及其派生次级断裂地段。

(1)穿越胶州湾以及河流地段

海域段第四系地层厚度较小,场区基岩主要由白垩纪下统火山岩和燕山晚期侵入岩为主,属硬质岩类,抗风化能力大多较强,表部强风化带不甚发育,基岩中等风化、微风化岩面埋深较浅,但小型断裂破碎带发育[5]。

由于地下水直接受海水或地表河水的补给,补给量极大,地下水对地铁工程的影响最为显著。岩体的完整性和渗透性,尤其是构造破碎和节理发育地段的工程地质及水文地质特征应该是勘察工作的重中之重。

建议首先采用物探方法查明破碎带、节理很发育～发育带的范围和产状,在此基础上有针对性的按照复杂场地要求加密钻孔布置,再通过电视测井和抽(压)水试验的方式对围岩的完整性和渗透性进行详细调查,对围岩的节理产状、张开度,充填物质进行统计分析。

(2)穿越沧口断裂等地段

地铁M1号线所穿越的沧口断裂、李村断裂以及青岛山断裂等均属于华夏构造体系,具有多期活动特点,以左行压扭性活动为主,控制了青山群火山岩体的形态与分布,断裂带中糜棱岩、断层泥、构造透镜体发育。

上述的几条断裂尤其是沧口断裂是青岛地区最具代表性的断裂,对于构造岩的物理力学性质研究,应该作为勘察工作的重点。①勘探孔距应依据复杂场地,隧道区间勘探孔距不大于30 m,车站勘探孔距不大于20 m。②室内试验除了常规物理力学试验外,尤其要注意研究构造岩是否具有可软化性、膨胀性、崩解性等特殊性质,这对于地下工程的设计、施工的指导意义重大。③原位测试除了进行常规的原位测试手段外,建议多结合自钻式旁压试验,进行变形参数和原位水平应力、静止侧压力系数以及不排水抗剪强度的研究。

3．2钻探的要求

岩芯采取率是获得工程地质信息的重要指标,对于构造破碎带的岩芯采取率指标,国内常用的几本技术标准有着不同的要求,一般在40%～65%之间:《工程地质钻探规程》DZ/T0017-91要求＞50%,《铁路工程地质钻探规程》TB10014-2012和《建筑工程地质勘探与取样技术规程》JGJ/T87-2012均要求回次进尺采取率≥65%。[6]

对于地铁等地下工程来说,构造、节理破碎带等结构面的发育是造成地下水渗透、围岩失稳的关键因素。查明构造破碎带范围及性质主要通过物探及钻探,钻探揭露仍然是最直接、最为有效的第一手段,因此,笔者认为对于地铁等地下类工程,应该严格控制对构造破碎类岩体的采取率控制要求,建议提高标准至75%～85%,对于地下水丰富地段按≥85%控制,一般地段按≥75%控制。钻探过程中应控制回次进尺长度,在构造等破碎岩体的地段,回次进尺不应宜为0．5 m。应采用双层岩芯管钻头或无泵反循环钻进,终孔直径不宜小于91 mm。

4　设计、施工中应注意的问题

地铁隧道施工中的安全问题,是涉及人命关天的核心问题,尤其是处在工程地质条件、水文地质条件、和工程环境条件十分复杂的地段,提早进行影响隧道施工安全因素的专项分析与研究,并提出预防措施的意见与建议,具有重要的现实意义。

根据对M1号线岩土工程条件的分析,在设计、施工地下水丰富地段和构造发育地段中,应引起重视的问题进行分析。

4．1地下水丰富地段

M1号线过海段最深处在海平面80 m以下,水压力巨大,隧道围岩级别为Ⅱ～Ⅵ级,由于场区岩石种类繁多、地质条件复杂,现有勘察技术无法完全探明各级围岩的分布位置及渗透性,因此隧道海域段设计、施工中应特别重视多点水平超前钻探揭露的信息,先通过超前钻探查清掌子面前方的围岩级别和渗水特征,再采取相应设计和施工方案。

M1号线穿越的白沙河和李村河属于区域性河流,河床为厚层的砾砂、卵石层,透水性强含水量丰富,且具有一定的承压性,水压力大,可达210 kPa～250 kPa。由于直接跟基岩接触,在地下水的渗透、侵蚀、润滑作用下,更加剧了隧道围岩的不稳定性,当隧道顶板距基岩面较近时,可能会出现冒顶或者“塌陷洞”并引起上覆全新统洪冲积粗砾砂层(第9层)形成“塌陷漏斗”和流砂,当顶板进入第9层时会发生突涌、涌砂,使掌子面失稳,洞室形状改变,给施工安全带来严重危害,甚至有可能导致地面不均匀沉降,影响房屋、道路、地下管线等的正常使用,对工程环境造成不良的影响。因此,过河段设计时隧道埋深应适当加大,施工时注意施工振动控制及超前地质预报工作,避免再次出现类似的工程事故。

4．2断裂构造发育地段

M1号线断裂构造型式多表现为破碎带、碎裂岩带、糜棱岩带、节理很发育带和节理发育带等,宽度由几米～几十米。施工中,应密切结合超前地质钻探,进一步查明断层的倾角、走向、宽度,岩体的破碎程度以及地下水活动等条件,做到有的放矢。设计施工应严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支撑、早成环、勤量测”的原则。

另外,青岛地铁M1号线贯穿以沧口断裂为界的胶南隆起和胶莱盆地,与M1线路相交的沧口断裂位置基本处于盆地的边缘附近,沉降比较敏感的地带,故应考虑地铁线路在长期运行过程中,因差异沉降对行车安全产生的不利影响。

5　结 论

(1)影响地铁建设的安全因素非常多,应着重从构造体系、岩体特征、地下水与地表水水力联系等方面,分析影响隧道施工安全的地质因素。

(2)青岛地铁M1号线受胶州湾、白沙河、沧口断裂等特殊地质环境的影响,沿线穿越的地貌成因类型多、形态类型复杂、岩土种类多、变化大,工程地质条件和水文地质条件特别复杂。青岛地铁M1号线的勘察工作,应重点围绕围岩的稳定性、透水性开展工作,尤其在穿越胶州湾、沿海诸河流以及沧口断裂等构造地段,加大技术工作布置,提高勘察工作的精度。

(3)在穿越胶州湾、断裂构造以及河流地段,饱水砂层、构造岩的物理力学性质、构造破碎(节理发育)地段的工程地质及水文地质特征研究,是勘察工作的重中之重。对于构造破碎类岩体的采取率控制要求,应提高标准至75%～85%。设计时隧道埋深应适当加大,施工时注意施工振动控制,应特别重视多点水平超前钻探揭露的信息,优化设计和施工方案。

(4)由于青岛地铁M1号线涵盖了青岛市主要的工程地质现象和青岛地区最主要的岩土工程问题,建议对其勘察成果资料进行认真总结分析整理,有针对性地开展一些相关课题研究工作,这对青岛市后续的地铁线路的勘察、设计和施工都有极大的指导意义。

[1] 宋春明．山东省地质矿产图集[M]．济南:山东省地图出版社,2012．

[2] 贾永刚,谭长伟．青岛城市工程地质[M]．青岛:青岛海洋大学出版社,1995．

[3] 丁峰等．中华人民共和国地质图说明(沧口幅)比例尺1∶50 000[M]．济南,山东省地质矿产勘查开发局, 1999．

[4] GB50307-2012．城市轨道交通岩土工程勘察规范[S]．

[5] JGJ/T87-2012．建筑工程地质勘探与取样技术规程[S]．

Study on Engineering Geology Conditions of Qingdao Metro Line M1

Yan Qianggang1,2,He Shouying1,2,Yu Bo1,2

(1．Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute,Qingdao 266032,China; 2．Qingdao Geotechnical Engineering Center,Qingdao 266032,China)

Analyzing the engineering geology and hydrogeological conditions of qingdao,and combining with the characteristics of the qingdao subway,special engineering geology conditions and geological engineering investigation methods and relevant matters of Metro line M1 were discussed．Based on investigation importances,evaluation and analysis on key technics on design and construction of Metro is discussed,meanwhile some beneficial suggestions is issued, which is of certain guiding significance for geological investigation,design and construction on metro of Qingdao．

subway exploration;engineering geology conditions;underground water;geology structure

1672-8262(2016)01-154-04

P642

A

∗2015—10—25

闫强刚(1970—),男,工程技术应用研究员,博士,主要从事岩土工程勘察、设计技术研究。

青岛市建设科技计划项目基金(JK2014-9)