长沙轨道交通工程建设中的几个岩土工程问题探讨

彭柏兴

(长沙市规划勘测设计研究院，湖南 长沙 410007)

长沙轨道交通工程建设中的几个岩土工程问题探讨

彭柏兴*

(长沙市规划勘测设计研究院，湖南 长沙 410007)

由于长沙地区工程地质条件的复杂性及轨道交通工程的特殊性,在长沙轨道交通①～⑥线工程建设过程中，大量的岩土工程问题日益凸现。主要岩土工程问题有：(1)周边环境；(2)断裂构造；(3)岩溶；(4)地下水。文章根据地质调绘、钻探、物探等手段对上述问题进行了综合分析与归纳，提出了预防途径、措施、方法和建议，可为工程建设提供一定的参考。

长沙轨道交通；周边环境；断裂；岩溶；抗浮设防水位；岩土工程问题；隧道

1 引 言

随着长沙轨道交通②号线一期工程、②号线一期西延线工程及①号线一期工程的营运，长沙进入地铁“换乘时代”。目前，长沙轨道交通③、④、⑤号线一期工程、⑥号线文昌阁至东屯渡(中心城区段)地下配套工程正在紧张建设中。2017年底，长沙轨道交通⑦号线一期工程和①号线北延线工程亦将启动建设程序。根据长沙市轨道交通线网规划，至2030年长沙将形成一个覆盖全市的地下轨道交通网络(如图1所示)。

图1 长沙轨道交通线网远景图

城市轨道交通工程由于其自身的系统性、结构的复杂性、工法的多样性、环境的严格性以及城市工程地质、水文地质条件的复杂性等，使得城市轨道建设工程中的岩土工程问题尤为突出。近年来，笔者在参与长沙轨道交通勘察、设计评审、施工服务及咨询论证过程中，进一步认识到环境调查、断裂构造、岩溶、地下水对长沙轨道交通建设影响越来越显著[1]，深感对这几个典型岩土工程问题进行探讨之必要。它既是对前一段工作的总结与归纳，也是对后续工作的前瞻与预测，对长沙轨道交通勘察、设计、施工具有实际意义。

2 工程周边环境调查

城市轨道交通工程属于高风险工程，多设置在都市繁华地段，周边道路、桥涵、管线、地下室及建筑物基础和使用状态不仅影响工程选线、敷设方式和设计方案，对施工的安全风险评估与控制尤显重要，而环境调查的缺失或不到位是引发事事故发生的重要原因之一[2，3]。为此，住房和城乡建设部2012年颁布了《城市轨道交通工程周边环境调查指南》(建质[2012]56号)。

长沙轨道交通②号线一期在金星路站—西湖公园站区间盾构施工期间，由于对龙王港大堤重视不足，2012年元月，东岸河堤突然出现沉降加大(最大沉降 25 mm)、沉降趋势增大的情况，同时在河堤顶部及两侧出现不规则裂隙，最大裂隙接近 10 mm[4]。其他如②号线盾构下穿特殊学校开裂、①号线德雅路站施工降水引起的天主教堂墙体裂缝，③号线引起的金苹果26号楼开裂等，均与对环境重视不足有关。相反，如未雨绸缪，做好预先处治，往往能做到防患于未然，如长沙轨道交通①号线下穿新中路立交桥就是一个成功的案例[5]。

随着长沙轨道交通其他线路的建设，环境问题将会越来越突出，不仅体现于在建线路与相邻建构/筑物的相互影响，还体现在在建隧道工程与已建轨道交通的相互制约，而且相邻线网间的彼此干扰亦露冰山一角(如图2所示)。因此，在进行城市轨道交通建设时，不仅要关注工程本身的安全，更要关注周边环境的安全，对周边环境的控制是重中之重。在勘察过程中有必要进行工程环境调查，同时为了精密控制环境对象，对某些重要环境对象需要对其地基条件进行专项勘察和预处理是十分必要的。

图2长沙轨道交通工程典型环境关系图

3 断裂构造

3.1断裂与轨道交通工程的空间关系

长沙经历了武陵—雪峰—加里东—印支—燕山—喜山等多次构造运动，形成了北东向、北北东向、北西向、东西向褶断构造，构成本区基本构造骨架(如图3所示)。断裂活动主要表现为老断层在新构造应力场启动下的重新活动，并引起中更新世地层的错动，局部地段形成了深愈 60 m的“断塞塘”[6，7]。

根据区域地质资料，结合长沙轨道交通工程①～⑥号线勘察、施工发现，与轨道工程密切相关的区域性断裂主要有F85、F101、F106、F132，它们与长沙轨道交通线路的关系如表1所示：

图3 长沙市区地质构造纲要图

长沙市轨道工程与断裂构造关系表 表1

图4 地震反射剖面(五一广场)

图5 F106照片(南郊公园)

3.2断裂的活动性

地震的发生多是由于某一构造带全部或局部活动，导致地壳岩石断裂或原有断裂发生错动而引起。资料表明我国80%的破坏地震同活动断裂，特别是第四纪以来有过活动的断裂有关。韩竹军等对洞庭盆地周缘频繁的中强地震活动研究认为，早-中更新世有过活动的断裂并不意味着它们完全停止活动，只是这些断裂活动性较弱，不至于产生断错地表的强震活动，但可以发生中强地震。并提出“一条断裂是否存在断错早、中更新世地层的构造现象，是判断中强地震发震构造的一个重要标志”[8]。鉴于此，上述几条区域性断裂属于中强地震发震构造，其最大潜在地震震级为6级。

3.3断层对工程的影响与措施

断裂作用使岩体受到不同程度的切割，在围岩中产生大量裂隙、导致岩体完整性差、渗透性增强，致使岩体物理力学性质产生变异和严重不均匀性，影响围岩的强度、变形能力和整体稳定性。同时，也成为可溶岩区岩溶发育的必备条件之一。

地下工程施工时，受断裂影响的围岩易出现拱顶坍塌、侧壁失稳、突水、管涌等工程事故。其中，断裂的导水性及其对围岩稳定性的影响对隧道施工威胁极大。为避免上述现象发生，通常采用“以地质分析为主，长距离宏观预报与短距离精准预报相结合、超前探孔与物探结合，多种物探方法相验证，定性和定量相结合的超前预案”来进行全线连续超前预报和围岩评价，必要时采用全断面帷幕注浆对隧道围岩进行加固补强，注浆一段、开挖一段、段段推进。

4 岩溶

4.1岩溶形成条件

岩溶形成的基本条件主要包括三大因素：可溶性岩石、具有溶解能力(含CO2)和足够流量的水。

4.2岩溶分布特征

长沙市区的岩溶主要分布于以下五大块：河西的洋湖垸片区、桃子湖片、望月湖片，河东的中山路以南、劳动路以北，省政府二院以西范围内及南二环附近的新开铺小学—芙蓉路立交桥一带。其次为沙湾公园附近、月湖公园至万家路浏阳桥之间的白垩系钙质砾岩中[9，10]。

影响长沙市轨道交通工程的岩溶发育区有：①号线南门口站至五一广场站区域；②号线的迎宾路站至五一广场站、溁湾镇站、沙湾公园站；③号线的洋湖公园站、后湖路、渔湾市-灵官渡区间、烈士公园东站、月湖公园站；④号的望月湖站至溁湾镇站区间、湖南大学站及阜埠河-碧沙湖区间；⑤号线岩溶以钙质砾岩为主，次为灰岩，主要集中沿万家丽路段晚报大道站到湘龙路站之间。⑥号线岩溶不甚发育，潜在区为迎宾路至烈士公园段。

图6 五一广场站岩溶见洞率

以②号线一期工程五一广场站及五芙区间以例，该区间位于区域性断裂F85与F101之间，且为白垩系神皇山组(KS)紫红色泥质砂岩类与泥盘系佘田桥组(D3S)灰岩类的不整合接触带。灰岩中方解石含量>90%、以泥晶为主，紧密镶嵌状，粒度 0.001 mm～0.02 mm，有利于岩溶发育。第四系富水卵石层覆盖其上，地下水丰富，具有较好的径流条件；断层构造带则为地表水下渗提供了条件。该区间岩溶见洞率达28.9%(如图6所示)，表现为溶沟、溶槽、溶隙、溶洞等岩溶形态，规模不一，揭示洞体高度 0.70 m～3.2 m，岩面起伏很大，溶蚀底板埋深介于 17.20 m～63.20 m，为埋藏型岩溶。

湘江河床中，岩溶发育主要与区域性断裂密切相关(如图7所示)。

图7 ③号线湘江段断裂及岩溶示意图

4.3岩溶对工程的影响及措施

岩溶区工程建设常遇到如下风险[11]：①岩溶或土洞坍落形成地表塌陷；②岩体洞穴顶板变形造成地基和围岩支护体系的失稳；③岩溶水的动态变化产生突泥、突水，给施工和建筑物带来的危害；④溶蚀作用导致岩体渗透性变异，给工程治水带来难题；⑤岩溶形成的孤石可能对卡住盾构刀盘。

隧道岩溶处治应遵循“先探测，再处治”的原则。

(1)岩溶勘察手段以“物探+钻探”为常用方法。以地质分析为主，长距离宏观预报与短距离精准预报相结合、超前探孔与物探结合，多种物探方法相验证，定性和定量相结合的超前预报。

(2)通过查明溶洞大小、走向、充填物情况，适当调整隧道穿越溶洞区的埋深或走向，最大限度地避开溶洞。当无法回避时，对已探明的溶洞，可有针对性地实施全断面超前帷幕注浆或补强。

5 地下水

5.1地下水的类型

长沙地区的地下水类型分为孔隙水、岩溶水及基岩裂隙水。其中，孔隙水多表现为潜水或微承压水，分布于湘江与浏阳河阶地上，据其特性，可分为四个区(如表2所示)。一般地，Ⅰ、Ⅱ级阶地的富水性相对于Ⅲ、Ⅳ级较好，Ⅲ、Ⅳ级阶地中的地下水之间存在一定的联系。岩溶水赋存于石炭纪与泥盆系地层中，富水性中等，单井流量 100 m3/d～1 000 m3/d。碎屑岩裂隙水赋存于白垩系与古近系地层中，水量一般较少。浅变质岩裂隙水见于震旦系地层中，水量贫乏。

长沙市浅层地下水分区一览表 表2

5.2地下水的补、排、径流特性及动态特征

补给：水平方向上由南往北、高阶地向低阶地；垂向上，下伏砂卵石接受大气降雨穿越上覆土层越流补给；

径流或越流：地下水向低阶地径流，低阶地的地下水向河谷径流。径流方向大体与河流方向垂直。

排泄：主要为泉、蒸发和人工开采。

孔隙水具有埋藏浅、变幅小，季节性变化明显等特征，主要受大气降水及江河水位的影响。主城区地下水受大气降水影响较弱，水位动态变幅较小 1 m～3 m，外围地下水变幅一般 5 m～8 m。

5.3抗浮设防水位的取值

抗浮水位的确定是一个复杂问题，抗浮水位高低与地形地貌、地下水类型、土质、环境情况等因素相关，特别是环境及上层滞水的变化更是难以预测。一般地，可按以下执行[12]：

Ⅰ级阶地：抗浮设防水位通常可取设计室外地坪或道路标高。

Ⅱ级阶地：抗浮设防水位一般可取设计室外地坪标高以下1m。

Ⅲ级阶地：当场地地形较平坦，且场地外围地形标高与场内标高相近或略低，其抗浮设防水位可取勘察期间的稳定水位。

Ⅳ-Ⅴ级阶地：一般取勘察期间的最高水位并结合场地及其外围地形取值。当场地外围地面标高低于场地内标高时，取场地内设计地坪标高以下 2 m～ 3 m或场外地坪标高。

坡地(丘陵/山地)：应考虑坡地地下水渗流的复杂性，根据改进阻力系在无动水压力及承压水时，计算浮力的最高水位不宜超过地下室顶板面标高。

5.4地下水的处治措施

一般地，长沙轨道交通工程各线路的地下水含水量水层相对稳定，多在 3 m～10 m间，多可采用独立的旋喷桩(双管或三管)，或结合支护桩间采取桩间止水(或咬合桩)或地下连续墙形成封闭式止水帷幕。

但是，受地质构造及岩溶的影响，不少地段含水层厚度巨大，如①号线之省政府站、②号线五一广场站、③号线之洋湖垸站、④号线号线之普瑞大道站、③与⑤号线之月湖公园站(图10)、②号线与④号线之溁湾镇站等均存在止水帷幕无法落地问题，需要采取特殊封底措施[13]。

6 结 语

(1)工程周边环境的详细调查是城市地下工程建设的重要环节。城市轨道工程建设中应赋予环境调查与岩土工程勘察同样重要的地位，只有把二者紧密结合起来，才能减少施工过程中因环境条件改变而引发的工程事故。同时，如何利用海量地下空间信息数据，加快城市地下空间规划与基础地理信息系统建设，对城市地下空间的开发、建设、管理尤显紧迫。

(2)长沙轨道交通①～⑥号线的勘察、设计、施工，进一步证明了长沙地区岩土工程条件的复杂性与不确定性。加强对区域地质，特别是断裂构造的总结与分析，对前人研究成果进行修正与完善，有助于重大工程的选址与建设。以下几个问题值得进一步探讨：湘江断裂系在长沙是否存在？施家冲-新开铺磊石塘断裂的东界在何处?常德-益阳-长沙断裂带是否东延？

(3)岩溶问题是地下工程建设中的难题，除重视发育于泥盆系、石炭系的碳酸盐岩中的溶洞外，对红层岩溶的影响也不能忽视。众所周知，利用常规勘察手段彻底查明既不现实也不可能。加强不良地质作用的规律性研究，加强城市基础地理信息系统有助于线网规划与勘察设计针对性。

(4)长沙地区的浅层地下水对地下工程建设的影响尤为突出。一方面，需要重视地下水的分布规律与变化幅度研究，建立长期有效的地下水位监测网络，为长沙地区抗浮设防水位的取值提供技术支撑；另一方面，需要重视深厚含水层(往往与断裂构造及岩溶密切相关)的处治措施，优化设计方案；其三，如何在工程建设中重视对地下水环境的保护与利用，特别对长沙古井文化的保护值得业界深思[14]。

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GeotechnicalEngineeringProblemsinChangshaRailTransitConstruction

Peng Baixing

(Institute of Investigation & Design，Changsha 410007，China)

Due to the fact that the engineering geological conditions and particularity of rail transit in Changsha are complicated，the corresponding geotechnical problems are emerged in the process of construction for ①～⑥ line projects of Changsha rail transit.The main geotechnical engineering problems are：(1)surroundings around projects；(2)faults；(3)karst；(4)groundwater。Such problems are analyzes in this paper by the means of field survey，drilling and physical exploration. Some effective and pertinent measures，techniques,approaches or suggestions to sovle these kinds of trouble were put forward，which could offer some valuable reference for its construction.

Changsha rail transit；surroundings；karst；fault；water level for prevention of up-floating；Geotechnical engineering problems，Tunnel

1672-8262(2017)05-148-06

P642.4

A

2017—07—11

彭柏兴(1968—)，男，博士，正高职高级工程师，注册土木工程师(岩土)，主要从事城市水、工、环地质等技术管理工作。