青岛市地铁隧道施工常见不良地质问题及对策分析

2021-10-09马利柱窦衍光王磊崔继升林曦

工程建设与设计 2021年14期

马利柱，窦衍光，王磊，崔继升，林曦

（1.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东青岛266071；2.青岛海洋地质工程勘察院，山东青岛266071；3.青岛地质工程勘察院（青岛地质勘查开发局），山东青岛266071）

1 引言

近年来，青岛市被着力打造为中国东部沿海重要的中心城市，经济水平及基础建设均有了突飞猛进的发展，青岛地铁建设的规模和速度也日新月异。随着青岛地铁建设工程规模越来越庞大、复杂，工程安全事故也逐年增加。近几年，新闻报道过青岛地铁发生的多起事故，包括2011年7月17日3号线君西（君振）区间坍塌、2018年4月13日2号线海信桥站坍塌、2019年5月27日4号线静沙区间坍塌、2019年7月4日1号线胜利桥坍塌等事故，均造成了很大的经济损失并引发了极大的社会关注。经后期调查分析，青岛地铁所发生的事故大多与不良地质条件有直接或间接的联系。不良地质条件是诱发青岛地铁工程事故发生的重要风险因素。因此，研究不良地质问题以及应对不良地质条件的风险控制措施非常迫切和必要。

不良地质条件的概念比较广泛，包括不良地质作用、抗震不利地段、特殊性岩土和复杂水文地质条件等。不良地质作用指由地球内力或外力产生的对工程可能造成危害的地质作用，包括活动断裂、地震、崩塌、滑坡、泥石流、岩溶、土洞、河流冲刷以及潜蚀等[1]；抗震不利地段包括软弱土、液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、陡坡、陡坎、河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（含故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基），高含水量的可塑黄土，地表存在结构性裂缝等[2]；特殊性土是具有特殊成分、结构、构造和物理力学性质的土，如淤泥、黄土、红黏土、膨胀土、人工填土、冻土等[3]，它们是在某些特殊地质环境中形成的。在建设地铁工程时，隧道的稳定性，隧道底，隧道管涌隆起稳定都与地下水有重要的关系。

2 青岛市地质概况

青岛市地处山东半岛的咽喉部位，濒临黄海，环绕胶州湾，山海形胜，腹地广阔。青岛主要位于丘陵地形上，地势东高西低，南北两侧隆起，中间低凹，其中平原占37.7%，盆地占21.7%，丘陵占25.1%，山地占15.5%。青岛地区大地构造单元位于华北地块的东部，沂沭断裂带东侧胶辽隆起区和胶南—威海隆起区内。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。构造以断裂构造为主，断裂构造主要为北东向、北北东向和近东西向（见图1）。自第三纪以来，区内以整体性较稳定的断块隆起为主，上升幅度一般不大。青岛市白垩系青山群火山岩层充分发育，广泛出露。岩浆岩以元古代胶南期月季山式片麻状花岗岩及中生代燕山晚期的艾山式花岗闪长岩和崂山式花岗岩为主[4]。青岛市第四系沉积层分布明显受古地理控制，在沉积相上，中更新统—上更新统为残积坡积层、冲洪积层，全新统为滨浅海相沉积层、冲积层和冲洪积层，主要分布于绝对标高20 m以下的各条河流中下游阶地、冲洪积平原以及山麓沟谷、山间凹地等低凹开阔地段，第四系厚度一般小于30 m，区域上第四系厚度自南向北逐渐增厚[5]。

图1 青岛城市主要断裂分布图

胶州湾是山东省青岛市境内的半封闭海湾，近似喇叭形，海湾面积397 km2（1985年海图），其中，滩涂面积125 km2。湾口通过一条宽约3 km、深30~40 m的深水槽与黄海相通。青岛市在建地铁1号线、8号线均穿越胶州湾，拟建2号线西侧延长段规划穿越胶州湾。青岛市在建的大部地铁线路穿越大沽河及沿海诸河流。

3 青岛市常见不良地质问题与对策分析

根据目前青岛地铁工程建设资料，青岛地区广泛存在的不良地质类型主要包括富水砂层、承压水、上软下硬地层、断层破碎围岩和特殊土（填土及软土）等。以青岛地铁8号线（见图2）为例，青岛地铁8号线（目前国内最长跨海地铁）起自胶州北站，终至五四广场站，途经市南区、市北区、李沧区、城阳区、胶州市，串联起青岛主城区、红岛经济区和胶州市，全长60.7 km（海域段5.4 km）。地铁8号线沿途的不良地质主要有盾构穿越胶州湾东北部富水砂层、胶州湾高承压水、青岛北站附近厚层填土及软土、穿越4条大型构造破碎带（胶州断裂、即墨断裂、沧口断裂和劈石口断裂）和下穿已运营的地铁2号及3号线等超浅埋地质环境（见图3）。

图2 青岛市地铁8号线线路示意图

图3 青岛市地铁8号线地质纵断面示意图

3.1 富水砂层

青岛地区在沿海、沿河地区常遇到地下水量丰富且透水强的砂层，其中，大沽河、胶莱河以及沿海诸河流3大水系河床为厚层的中粗砂、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210~250 kPa。

3.1.1 富水砂层危害性及典型事故案例分析

在富水砂层地段，矿山法隧道开挖时极易发生涌砂、塌顶，导致地面下沉，隧道变形、失稳，造成严重后果；在此类地层中进行盾构隧道开挖，将会引起砂层孔隙水快速渗透，地层受扰动而发生液化流沙，使开挖面支护压力难以控制，严重时会导致地表沉降过大甚至塌陷等较多风险。特别是青岛市沿海诸河流水系砂层多直接跟基岩接触，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“塌陷洞”，引起上覆全新统洪冲积粗砾砂层形成“塌陷漏斗”和流沙，当顶板进入上述砂层时，会发生突涌、涌沙，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，局部塌陷，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影响[6]。近年来，国内城市地铁隧道建设中发生的重大安全事故有多起与富水砂层有关，富水砂层常见且危害性强。

青岛市发生坍塌事故的地铁3号线君振区间隧道采用矿山法穿越李村河支流大村河故河道富水砂层（厚4 m），隧道埋深约14 m，拱顶覆岩埋深2.8 m；地铁1号线开封路至胜利桥区间（见图4）采用矿山法穿越李村河故河道富水砂层（厚13.4 m），隧道埋深约16 m，拱顶覆岩埋深仅1.9 m（见图5中M1Z2-SSLQ-01钻孔附近）；地铁4号线静沙区间采用矿山法穿越汉河（南九水河）故河道富水砂层（厚7.1 m），隧道埋深约21 m，拱顶覆岩埋深2.4 m。上述发生坍塌事故的共同点是：（1）隧道上覆故河道厚层富水砂层（厚度均＞4 m，青岛地区标准地层第⑨层）；（2）拱顶覆岩埋深小，均＜3.0 m；（3）富水砂层一般直接与风化岩接触或存在薄层残坡积地层；（4）事故发生在青岛5~8月汛期；（5）均采用矿山法施工。

图4 青岛地铁1号线胜利桥站附近开胜区间塌陷位置示意图

图5 青岛地铁1号线胜利桥站附近开胜区间地质断面示意图

发生事故的原因综合分析：（1）施工单位对施工安全麻痹大意，对河流故道（河流侵蚀堆积一级阶地）地质风险特别是富水砂层认识不足，并且对隧道内发生透水、涌水所带来的次生灾害认识不足，导致塌陷隧道上方车辆及人员陷落造成伤害；（2）青岛地区沿海诸河流发育在花岗岩岩体之上，受基岩抗风化能力不同，河流侵蚀基岩深度变化大，地质复杂，地质剖面上的拱顶覆岩厚度不一定是最小值；（3）对汛期造成地下水位上涨，地下水压力增大对地下洞室水土压力增大未加强超前地质预报工作和采取必要加固措施。

3.1.2 富水砂层对策分析

针对富水砂层，穿越海域和河流（包括河流故道）勘察时应采用钻探和工程物探综合手段，确保地质剖面的连续性和准确性；设计时隧道埋深应适当加大及增强加固措施；施工加强超前支护和堵水，注意施工振动控制、超前地质预报及施工监测工作。施工单位应设置隧道内施工人员与地上人员联动应急处置机制，隧道内发生透水或涌水时应及时通知地上施工人员立即对可能造成影响的区域进行封闭，避免再次出现因隧道塌陷导致隧道上方车辆及人员陷落造成伤害的工程事故。

3.2 承压水

地铁隧道一般位于地下，常处在有压地下水的环境中，容易受到承压水的不利影响。青岛地区以孔隙潜水为主，局部存在弱承压水，当地铁隧道下穿大型河流（白沙河、墨水河、大沽河、洋河等）、湖泊（水库）、胶州湾时易遭遇汛期增水、潮汐涨落、承压水层等，会导致水下隧道施工面临高水头压力环境，最高的接近0.6 MPa。断裂破碎带局部有脉状承压水，其中，在地铁8号线过海隧道勘察时在即墨断裂中埋深66 m处揭露约0.6 MPa构造基岩裂隙水（裂隙水总矿化度为M=7.8～8.6 g/L，属咸水，不同于海水水质，青岛附近海水总矿化度为M≥19.5 g/L）。

高地下水压对地铁施工来说,具有突发性强,破坏力大,抢修困难等特点,对施工安全和后续的结构防水带来了较大的挑战[7]。因此，勘察时应重点查明地下水类型及赋存状态，特别是应评价历史最高水位和饱和土孔隙水压力；设计时应以堵水为主，尽量减少采用降水方式，避免造成地面沉降、地面塌陷及地面裂缝等地质问题，甚至造成水源枯竭或水质恶化等环境问题，不同程度上损害建筑物及岩土体自身的稳定性。

对于盾构隧道而言，在承压水砂质地层中可能发生一系列不良灾害，特别是穿越富水粉细砂层时风险极高。盾构安全掘进的技术对策包括：制定针对盾构机结构本身的防水和防喷涌措施，以及盾构隧道管片接缝的防水措施；地下水丰富时，易发生喷涌，应及时进行渣土改良、合理控制盾构机掘进参数和有效控制土压平衡。对于矿山法隧道穿越富水砂层要特别加强超前支护和堵水，因此，矿山法地质预报揭露承压水时需依据涌水量进行全断面或半段面注浆止水加固。发生涌水、涌砂时应及时封堵，必要时回填土体，稳定险情，以便进一步采取有效措施。

这场中心城市新办大学运动具有三个明显的特征：第一，在办学体制上实行省、市共建的政策，无论是以市为主或以省为主，还是双方共同管理，这种办学体制在很大程度上都调动了省、市两级政府的办学积极性；第二，服务地方的“直接性”，学科与专业建设以地方的需求为依托，虽然有些学校一开始就树立了创办高水平综合性大学的目标，但在实际的办学过程中体现更多的还是直接服务地方的特点；第三，服务地方的“间接性”，中心城市大学往往成为当地的科技、教育、文化的中心，对间接提高城市人口素质、改善地区投资环境做出了贡献。

3.3 上软下硬地层

盾构法施工面临的最大问题是“上软下硬”带来的一系列问题：盾构机姿态难控制、易喷涌、刀具快速磨损（滚刀偏磨）和地面变形大甚至塌陷。“上软下硬”是针对盾构法而提出的一个概念，指在盾构掘进断面上强度相差较大的地层组合，最主要的特点是隧道断面地质的不均一性、多变性与突变性[8]。

青岛地区花岗岩分布较广，球状风化核及细粒正长花岗岩岩脉是花岗岩体风化过程中残留的较难风化的微风化或中等风化岩块，岩性坚硬，多呈球状及墙体，即“球状风化孤石及脉状岩墙”。青岛地区沿海诸河流底部受河流侵蚀作用常发育中风化或微风化基岩（单轴抗压强度大于15 MPa），其上多为全新统松散河床富水砂层，较为典型的是青岛地铁6号线峨富区间辛庄北河段地质断面（见图6），对于设计隧道位于上述区段形成典型上软下硬断面。因此，对于此类地层，勘察时首先要查明以下几种上软下硬的硬地层界面和层面：（1）不同程度的岩石风化界面；（2）砂土地层和风化岩层界面；（3）软土层和风化岩层界面。对于孤石及脉状岩墙可采用跨孔CT法和微动法探测。设计时尽量调整隧道埋深避免过长区段穿越上软下硬地层。

图6 青岛地铁6号线峨富区间辛庄北河段典型不良地质断面

对于上软下硬典型断面，泥水盾构采用滚刀较为适宜、土压盾构选用复合式刀盘，掘进时，合理控制盾构机掘进参数、建立有效的土压平衡，合理采用辅助措施（更换刀具、渣土改良或地基加固等），同时保证同步注浆的质量，如参数出现异常或变化幅度较大时，应及时停止推进并及时上报，商讨下一步处理措施，防止刀具损坏及渣土超方量过大导致地面沉陷。

3.4 断层破碎围岩

青岛地区断裂构造比较发育，主要为北东30°~60°及北北东20°的压扭性断裂以及与其伴生共轭的北西向张扭性断裂。具一定规模的共有8条（见图1），多为北东向，少数为北西向，其中以北东向断裂最为发育，其规模大，并有多期活动特征，控制了区域构造格局乃至近代地貌特征。青岛市西北向断裂具有张性、张扭性构造特征,具有很强的透水性,因此,在胶州湾隧道等开挖工程中,务必加强对隧道垮塌、涌水等方面突发事故的防范[9]。

地铁在建设过程中可能会穿越这些断裂带，断层破碎带是常见的不良地质段，断层带内岩体破碎，呈块石、破碎或角砾状，甚至呈断层泥，岩体强度低，围岩自稳能力差，施工中易发生坍塌，施工困难。其中，青岛地铁8号线跨海大青区间和青沧区间穿越的牟平~即墨断裂束中的即墨断裂和沧口断裂及其次级断裂影响宽度都大于500 m（见图3）。断裂带及两侧影响带岩体破碎，节理裂隙发育，对隧道围岩的类别影响较大。因此，上述区域是勘察的重点，勘察时应在钻探基础上采用综合物探手段探明断裂特征及富水性；设计时隧道轴线尽量垂直大规模断裂构造线并加强抗震设计和增加排水系统设计。

矿山法隧道穿过断层破碎带是设计和施工的重点段，不仅开挖和支护要采取措施防止塌方，而且由于断裂破碎带有一定的富水性和透水性，水文地质条件较为复杂，尤其是断层的上盘常富水，这些地下水的连通性好，还应考虑隧道涌水问题，加强相应的支护和排水、止水措施。盾构穿越构造破碎带，应充分考虑岩石软弱不均和地下水喷涌等问题；当盾构由软至硬的过程中，易造成盾构掘进缓慢而出渣量不少，从而导致隧道塌陷的风险；当盾构由硬至软的过程中易结泥饼，造成掘进困难。

3.5 人工填土

人类活动的地方均分布有素填土、杂填土、吹填土等，青岛市区亦广泛分布。胶州湾东岸及北岸沿海一带、胶州上合示范区和黄岛区的滨海区域土层厚度较大，一般为5~8 m，部分超过10 m；其中，吹填土主要分布于胶州湾东岸欢乐滨海城、海信地块（地铁8号线大青区间东段）和胶州湾东北角伊甸园地块及部分港口码头后方区域。未经处理的人工填土具高压缩性、低承载力。人工填土工程性状取决于填料成分和堆积年限。素填土：当堆积年限久时，工程性状稍好；杂填土：土性不均，密度变化大、压缩性高、强度低、有时具湿陷性；吹填土：以中粗砂为主，常不均匀，因夹泥沙，有机质含量较高，一般具有透水性差，含水量高，灵敏度很高，沉降速度慢等特点，因其特定的形成机理，极易成为场地地下水与海水构成水力联系的通道。区间隧道线穿行于人工填土地层中极易产生压缩变形、坍塌、地面沉降等现象。其中，青岛地铁8号线大青区间近青岛北站附近最大填土厚度达到14 m且富含地下水Ⅵ级围岩段，设计采用灌注桩+止水帷幕明挖施工，效果良好。

3.6 软土

青岛地区软土分布较局限，主要分布在胶州湾内、环胶州湾的滨海浅滩和部分河流的中下游，在胶州湾北部、黄岛前湾一带厚度较大，一般为6~10 m。青岛软土特点:含水率较高(一般为35%~45%)，含粉土、粉细砂，塑性较差，触变性明显。环胶州湾周边、河流入海口地段粒度成分相对较粗，胶州湾内中部粒度较细。以灰色~灰黑色含淤泥（质）粉砂、含淤泥（质）中粗砂、淤泥、淤泥质粉质黏土为主，湿~饱和，软塑~流塑，以软塑为主，部分软可塑。青岛地区软土同样具有孔隙比大、压缩性高、强度低、灵敏度高和易触变、流变的特性。与南方地区代表性软土物理力学特性进行对比，胶州湾地区软土相对密度高，而孔隙比、含水率、液性指数等均低于南方地区软土；土体压缩系数α1-2≥0.1 MPa-1，属于中、高压缩性土；其液性指数IL大部分在0.25~1.0，处于可塑状态，软土的抗剪强度指标的摩阻力c分布范围为2.7~15 kPa，均值约为9 kPa；内摩擦角φ为1°~8°，均值约为5°，与c值相比，φ值受含水率影响较大，区域软土的抗剪强度指标分布具有离散性[10]。

区间隧道线穿行于软土地层中极易产生压缩变形、坍塌、地面沉降等现象，从而造成地面建（构）筑物遭破坏。因此，软土勘察时，要探明其分布，施工时，应避免扰动，抗剪指标采用多种方法且利用大数据进行统计；设计选取参数时，需要充分考虑不同工况进行合理设计。

软土隧道施工运用“新奥法”基本原理，采用多种辅助施工措施加固围岩，充分利用围岩的自承能力以保证隧道的施工安全。针对富水软弱围岩工况的暗挖隧道开挖方法有许多，如冷冻法、盾构法、水平旋喷桩超前支护、洞内水平袖阀管注浆加固等，工程施工中应根据地质条件、断面大小、所处环境条件等因素进行综合考虑后选择合理的开挖方法。