青岛地铁R3线地质条件评价研究

张 强， 顾朝杰， 宋仕兵， 王忠胜， 孙鸣雷

(1. 青岛地矿岩土工程有限公司， 山东青岛 266100； 2. 中国海洋大学， 山东青岛 266100)

青岛地铁R3线地质条件评价研究

张 强1，2， 顾朝杰1， 宋仕兵1， 王忠胜1， 孙鸣雷1

(1. 青岛地矿岩土工程有限公司， 山东青岛 266100； 2. 中国海洋大学， 山东青岛 266100)

利用青岛地铁R3线井冈山路站—嘉年华站区间的地铁勘察资料，综合钻探、取样、物探、水文、地震、岩石试验等多方面的资料，提出了研究区工程地质评价因子，建立了青岛地铁地质条件评价的三级层次分析模型，通过评价因子量化分级和权重，对青岛地铁地质条件进行了综合评价。通过综合研究区地质条件评价结果，将研究区分为地质条件良好区、中等区、较差区和差区，同时对各区提出了工程风险控制措施。

青岛地铁； 地质条件； 层次分析法； 评价

1 研究背景及研究现状

1.1 研究背景

青岛地区浅部岩层主要以花岗岩为主，多期花岗岩及脉岩的侵入使基岩的结构差异较大，自然地理、地质构造条件等因素导致基岩的风化速度不同，岩体的完整程度和岩石的坚硬程度差异较大，各类基岩面起伏大，风化岩石的工程性质差异大，地质条件十分复杂，而且有不同厚度的第四系土层覆盖，地铁隧道穿越地层条件呈上软下硬土、岩组合地层。因此有必要开展青岛地铁线路沿线的地质条件评估是保证地铁百年工程的重要举措，对地铁施工过程、运行过程的安全问题及早防范。

1.2 国内外研究现状

欧树召等[1-2]以广州地铁2号线、8号线为例进行地铁地质风险分析，提出6大评价要素，包括工程地质条件、水文地质条件、构造地质条件、地形地貌条件、气候条件及工程施工条件。邓亚虹等[3]通过对西安市地铁1号线的研究，提出综合评估定量方法，确定了评价因子确定原则、评价因子权重分配原则、危险等级适宜性原则，采用了定量方法进行地质危险性分析。周宗青等[4]通过对湖北省段家屋场隧道采用静态风险评估的方法，建立了塌方灾害风险的模糊层次评估模型，划分了塌方地质风险的风险等级，预测了隧道施工过程中的风险，调整施工措施，将潜在地质风险范围缩小，保证了隧道施工安全。徐善初等针对椿树垭隧道施工中遇到问题，采用德尔菲法确定椿树垭隧道的评价指标，运用模糊层次分析法对隧道地质灾害进行评价，认为最可能发生的地质灾害是岩溶和岩爆，其次是塌方和涌水，针对评价结果，制定了相应的应急方案，降低了施工风险[5]。

2 研究区概况及评估方法

2.1 研究区概况

本文所研究的井冈山路站—嘉年华站区间,起点位于井冈山路与长江路路口，向南沿井冈山路敷设，至滨海大道向西敷设，至峨眉山路与滨海大道路口，区间设计里程YCK7+809.3～YCK11+565.3，长约3 756.0 m。

该区间勘察范围主要为隧道、施工斜井、联络通道及施工竖井。工程大概位置详见拟建场地交通位置图(见图1)。

图1 研究区场地位置Fig.1 Location of the research area

2.2 评价方法

地质条件是一个复杂的系统，受诸多因素的影响，地质风险和环境地质问题时有发生，对地质条件的影响程度，很难用肯定的“非此即彼”的结论来表达。近几年来,许多学者对各种经典的评估方法进行了改进，吸取了各种方法的优点。如Adam和Markowski通过对传统矩阵方法的研究,引入了模糊逻辑的概念进而克服传统方法的不精确和不确定性[6]；Chin等通过对数据包络分析法进行大量分析,进一步改进了传统方法的风险优先数(RPN)[7]。

由于地铁工程具有隐蔽性和不确定性，本文采用层次分析法(APH)将各类风险因子进行分层分析，确定其权重，同时，针对地铁工程地质条件的不确定性、模糊性的特点，利用综合指数分析法以期得到更为接近实际情况且更为精确的评价[8]。

3 评价模型的建立

3.1 评价体系建立

本文所进行的青岛地铁地质条件评价体系由3层构成，从顶层到底层分别由系统目标层(O，object)、属性层(A，attribute)和要素指标层(F，factor)3级层次组成。O层是系统的总目标，即研究区地质条件综合评价；A是属性指标层，由自然地理条件、工程地质条件、水文地质条件、研究区地震效应、岩土工程施工分级和人类工程活动等6项指标组成；F是要素指标层，选择降水量、隧道与河流距离、第四系厚度等14项指标作为要素指标层，建立层次结构模型(见图2)，进行综合评价指标计算，在此基础上进行地质条件综合评价分区。

图2 青岛地铁地质条件综合评价层次指标Fig.2 Hierarchy of the comprehensive evaluationindex for geological conditions of Qingdao Metro

3.2 评价因子量化

根据研究区地质环境特点，将青岛地铁地质条件二级评价因子分为4级，即优等、良好、中等、差(见表1)。

表1 青岛地铁地质条件评价打分标准

各个评价因子的量化分级，在量化过程中既要考虑地质条件现状对青岛地铁建设的适宜性，又要考虑青岛地铁建设对地质条件的影响程度(见表2)。

表2 青岛地铁地质条件评价因子量化分级[9-11]

续表

3.3 评价因子权重确定

本次评价因子权重确定方法：首先组织青岛轨道交通及相关专业的专家根据工作经验对各因子进行打分，按照打分情况进行异常值的剔除，取几率大的分值；然后根据建立的青岛地铁地质条件综合评价体系，利用层次分析法计算出影响地质条件综合评价的各评价因子的权重，2个要素重要性之比采用1～9标度法(见表3、4)[12]。

表3 层次分析法计算结果

续表

表4 评价因子权重

4 研究区综合地质评价

本文将研究区初步勘察阶段和详细勘察阶段的所有钻孔进行分类整理，结合野外钻探的一手资料对评价体系中的各个评价因子进行统计打分，得到研究区的地质条件评价结果，然后根据实际调查情况进行必要的修正[13-14]，具体评分分级标准见表5。

表5 研究区地质条件评价分级标准

根据研究区地质条件评价结果，研究区分为4个区(见图3)：地质条件良好区、中等区、较差区和差区。

图3 青岛地铁地质条件综合评价结果Fig.3 Comprehensive evaluation of geological conditions of Qingdao metro

4.1 良好区(Ⅱ)

研究区共有2段区域为地质环境质量良好区，总长度为651 m，占研究区总长度的17.2%，详述如下：

YCK7+789～YCK8+000：该区域位于井冈山路站出站端，距离河流、海湾较远，第四系厚度较薄，隧道穿越地层以坚硬岩、较硬岩为主，水、土腐蚀性微—弱，含水层富水性中等，无液化土层发育，地铁在井冈山路下方穿行，综合判定该段为地质环境质量良好区。

YCK8+160～YCK8+600：该区域位于珠江路以南、滨海大道以北，第四系厚度较薄，隧道穿越地层以较坚硬岩、坚硬岩为主，水、土腐蚀性微—弱，该区域无液化土层发育且距离唐岛湾较远，地铁在井冈山路下方穿行，周边建筑物较少，综合判定该段为地质环境质量良好区。

4.2 中等区(Ⅲ)

研究区共有2段区域为地质环境质量中等区，总长度为1 750 m，占研究区总长度的46.4%，详述如下。

YCK9+270～YCK10+720：该区域位于滨海大道南侧绿化带中，钻孔揭示隧道穿越地层以较坚硬岩、坚硬岩为主，含水层富水性中等，该区域距离唐岛湾较远，水土腐蚀性微—弱，液化土层发育，综合判定该段为地质环境质量中等区。

YCK10+920～YCK11+220：该区域位于辛庄北河以西、滨海大道以南，钻孔揭示隧道穿越地层以较坚硬岩、坚硬岩为主，含水层富水性弱，该区域无液化土层发育且距离唐岛湾较远，地铁侧穿嘉年华地下停车场，环境条件差，综合判定该段为地质环境质量中等区。

4.3 较差区(Ⅳ)

研究区共有4段区域为地质环境质量良好区，总长度为1 270 m，占研究区总长度的33.6%，详述如下。

YCK8+000～YCK8+160：该区域位于井冈山路，该区域碎裂岩较发育，隧道穿越地层以软岩、较软岩为主，工程地质条件较差，综合判定该段为地质环境质量较差区。

YCK8+600～YCK9+270：该区域位于井冈山路向滨海大道拐弯的位置，该区域距离唐岛湾较近，最近处为12 m，第四系厚度较厚，隧道穿越地层软硬布局，局部为软岩、较软岩，局部发育液化土层，综合判定该段为地质环境质量较差区。

YCK10+720～YCK10+920：隧道在该区域下穿辛庄北河，虽然隧道穿越地层以较坚硬岩、坚硬岩为主，但辛庄北河长年有水，而且水位不断变化，一旦水压过大或者裂隙特别发育，极易引起地铁隧道出现涌水、坍塌等地质灾害，综合判定该段为地质环境质量较差区。

YCK11+220～YCK11+460：该区域位于研究区的大里程端，第四系厚度较厚，隧道穿越地层以软岩、较软岩为主，工程地质条件较差，含水层富水性强，局部含有液化土层，综合判定该段为地质环境质量较差区。

4.4 差区(Ⅴ)

研究区共有1段区域为地质环境质量差区，总长度为105 m，占研究区总长度的2.8%，详述如下。

YCK11+460～YCK11+565：该区域位于嘉年华站的进站段，第四系厚度较厚，由于隧道埋深较浅，局部进入第四系土层，工程地质条件差，含水层富水性强，综合判定该段为地质环境质量差区。

5 结论与建议

5.1 结论及风险控制

综合研究区地质条件评价结果，研究区分为地质条件良好区、中等区、较差区和差区。

地质条件良好区特点为距离河流、海湾较远，第四系厚度较薄，隧道穿越地层以坚硬岩、较硬岩为主，水、土腐蚀性微—弱，含水层富水性中等，无液化土层发育。

地质条件良好区风险控制建议：建议隧道采用复合式衬砌，在施工过程初期支护时，建议拱部采用锚杆+挂钢筋网喷混凝土支护方式，侧壁稳定时可考虑采用素喷混凝土支护即可。

地质条件中等区特点为隧道穿越地层以较坚硬岩、坚硬岩为主，含水层富水性中等，距离河流、海湾较远，水土腐蚀性微—弱，液化土层发育，局部穿越建、构筑物。

地质条件中等区风险控制建议：隧道采用复合式衬砌，在施工过程初期支护时，建议拱部及边墙均采用锚杆+挂钢筋网喷混凝土+格栅钢架支护方式，局部可考虑采用三角形格栅钢架。

研究区地质条件较差区特点为碎裂岩较发育，隧道穿越地层以软岩、较软岩为主，工程地质条件较差，局部距离河流、海湾较近。

地质条件较差区风险控制建议：隧道采用复合式衬砌，在施工过程初期支护时，建议拱部及边墙均采用锚杆+挂钢筋网喷混凝土+格栅钢架支护方式，局部可考虑采用格栅钢架，遇局部围岩破碎、稳定性差的情况应考虑采取加强支护措施，可考虑采用增加超前锚杆或超前小导管注浆支护等辅助措施来进行支护。

研究区地质条件差区特点为第四系厚度较厚，由于隧道埋深较浅，局部进入第四系土层，工程地质条件差，含水层富水性强，局部下穿建构筑物。

地质条件差区风险控制建议：隧道采用复合式衬砌，隧道施工时采用全断面水平旋喷法超前帷幕注浆进行围岩加固和地下水封堵，并采用长管棚超前加固支护岩土层，开挖施工时严禁放大炮、减少开挖进尺，开挖后及时进行初期支护，初期支护时适当增加锚杆长度、喷射混凝土厚度，加密支护钢拱架、锚杆间距，在隧道开挖施工过程中，如遇地下水流失严重、地面沉降过大、孔内注浆加固效果不佳时，可考虑采用深孔注浆等方案对地面或建筑物地基进行加固处理，必要时在地面条件允许的情况下可采用地面高压旋喷注浆方案加固地层。

5.2 建议

1) 本文数据来源主要为地铁勘察阶段的地质资料，建议能综合勘察、设计、施工、运行等各个阶段的资料，增加评价因子，进一步完善青岛地铁地质条件评价体系。

2) 由于地铁为线性工程，钻孔多分布于地铁线路周边，使本文的评价结果为带状成果，建议对高风险地段增加采样范围，更全面、更准确地反映青岛地铁的地质条件。

3) 本文的研究区为土、岩混合区域，评价过程基本适用于青岛地区及地质相似地区，对于单一的第四系土层地区或基岩地区同样可以采用该方法进行分析评价，但应结合具体的地质条件对评价因子的选取及量化分级、权重分配进行相应调整。

4) 在本文的评价结论中，“优等”、“良好”的多为硬质岩石，其评价对象也主要是针对地质条件而言，该类区域修建地铁隧道的稳定性较好，但开挖难度大、施工时间长、造价高，综合社会效益一般。

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TheGeologyEvaluationontheLineR3ofQingdaoMetro

ZHANGQiang1,2,GUZhaojie1,SONGShibing1,WANGZhongsheng1,SUNMinglei1

(1. Qingdao Geotechnical Engineering Co., Ltd., Qingdao Shandong 266100;2. Ocean University of China, Qingdao Shandong 266100)

By using the geological exploration data of the Jinggangshan-Jianianhua section of Qingdao metro line R3, and combining the data of drilling, sampling, geophysical prospecting, hydrology, earthquake, and rock testing, the geological evaluation indexes are put forward, and the Analytic Hierarchy Process model is constructed. Through quantitative classification and weight of the evaluation indexes, the geology of Qingdao Metro Line R3 is comprehensively evaluated. Based on the comprehensive analysis of the evaluation results, the geology of the studied area is divided into four grades: good, moderate, slightly poor and poor, and the risk control measures for each grade area are put forward.

Qingdao metro; geological condition; Analytic Hierarchy Process; evaluation

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.013

U231

A

1672-6073(2017)06-0074-05

2017-01-16

2017-02-06

张强，男，硕士，工程师，专业方向为工程地质，qddkzq@163.com

(编辑：郝京红)