廣州地鐵遭遇奇難地層

當?shù)罔F建設的熱潮席卷中國大城市時，人們發(fā)現(xiàn)城市的地下千差萬別，有的地層修建地鐵相對容易，有的卻很難。廣州的5 號線地鐵就穿越了極端復雜的地層，但是為了解決不堪重負的城市交通，地鐵建設必須克服無法避免的艱險。

如果你習慣了北京、西安那樣嚴整的城市街道，遇到了廣州不規(guī)則的交叉路口，很可能會摸不著頭緒。但是少有人知道的是，埋在廣州城之下的地層，是一片更險峻的峰林迷宮。廣州剛剛貫通的地鐵5 號線隧道，就在這片看不見的地層叢林中穿行，它的修建難度遠大于其它城市的地鐵。

災害有時無法避免

“隧道內(nèi)涌出高壓地下水， 盾構(gòu)機尾部擊穿!”2007 年10 月一天深夜，地鐵建設總部5 號線土建工程負責人黃鐘暉剛剛?cè)胨?，忽然接到了施工現(xiàn)場的電話。這是非常嚴重的險情，碗口粗的地下水正在涌入，盾構(gòu)機和里面的工人都可能被淹沒。5 號線的修建過程一直伴隨著各種困難，但這一次完全出乎黃鐘暉的預料。

這里本不該出現(xiàn)地下水。這段隧道屬于火車站至西村站區(qū)間，早在施工之前就已經(jīng)打了間隔25~30 米的地質(zhì)鉆孔，探明了這里的地下是“紅層”。紅層是一種廣泛分布于中國南方的巖層，形成于侏羅紀到白堊紀之間，而廣州這一片紅層屬于白堊紀，那個年代的氣候炎熱干燥，使得沉積的巖層呈現(xiàn)氧化鐵的褐紅色，因此被稱為紅層。這種巖石經(jīng)過風化后沒有發(fā)達的裂隙，很難儲存地下水。但是這一段隧道卻遇到了富含水的空洞，這種情況非常罕見。

“大自然的力量是很強的。有時候其實災害不可避免?！秉S鐘暉回憶時這樣說道。密封盾構(gòu)機的機尾剎最多能承受3.5 巴(bar)的壓力，相當于35 米的水深。但是事發(fā)處是在深達39 米的隧道，機尾無法承受壓力而被擊穿。涌水量很快達到了每小時200 立方米，盾構(gòu)機內(nèi)1/3 已經(jīng)被淹沒。除了人員和機器受到威脅，地下水大量涌出還會造成地面沉降，上面的房屋橋梁也會跟著沉。遇到這樣的緊急意外，只能依靠經(jīng)驗當機立斷。由于水勢過大，涌水點早已被淹沒。黃鐘暉安排人員一方面快速抽水，一方面用快凝水泥將其他被擊穿的位置一一堵住，唯獨留下涌水點，通過一個帶閥的導管導水，讓壓力得到釋放，以防止機器再次被擊穿。盾構(gòu)機內(nèi)的水漸漸少了。

可是盾構(gòu)機外土層中的水怎么辦?唯一的方法是在地面鉆孔，向土層中注入水泥漿取代水的位置，把水排擠到盾構(gòu)機掘進范圍之外?？墒嵌軜?gòu)機還在土層中，如果直接注漿，勢必把盾構(gòu)機卡死在土層中。緊急關頭，黃鐘暉想到了聚氨酯，這是一種經(jīng)常用來作填充的泡沫材料，質(zhì)地比較松軟。在注入泥漿之前，先用聚氨酯給盾構(gòu)機“穿一件衣服”，于是既保護了盾構(gòu)機，又充填了水道。經(jīng)過事后的勘測，認為這次涌水的原因是地下的一個次生斷裂。斷裂附近破碎的巖層中填充著灰?guī)r塊，在其中形成了溶洞。所幸這個斷裂在數(shù)萬年間都沒有繼續(xù)活動的跡象，對地鐵隧道設計應該不會造成影響。

每個城市的地下都不一樣

給5 號線地鐵修建帶來巨大困難的，主要是廣州復雜的地下狀況。中國大城市都在競相投入地鐵建設，但是建地鐵的難易程度各不相同，因為它們的地下是不同的世界。上海的地層最簡單，這個城市建立在長三角沖積平原之上，地下基本上是淤泥和沙層，打到80 米都見不到巖石，對地鐵的盾構(gòu)機掘進來說是最容易的，只需要控制好沉降，其他都不用擔心。北京和西安的地下情況也類似，地下文物保護的問題也并不嚴重，因為人類生活在第四系的淺表地層，而地鐵隧道的挖掘是在幾十米深處，已經(jīng)遠超出了人類活動層。山城重慶的地貌看起來非常復雜，但是大多是單一的巖石，而且重慶大量使用了高架輕軌，問題也不難解決。地層最復雜的還是要數(shù)廣州。

大約6000 年前，廣州市所在的地方還處于海岸附近。那時全新世的冰期已經(jīng)過去，冰川消融，海水上漲淹沒了曾經(jīng)的河谷，形成一個寬闊的海灣，地質(zhì)上稱為溺谷灣，今天在七星崗還能見到當年海浪沖刷的海蝕遺跡。而珠江水深河寬，約有3~4 千米寬。到了秦漢之際，泥沙逐漸淤積，珠江兩岸才逐漸收窄。泥沙沉積慢慢掩埋了巖石，但是還有一些山丘聳立在泥沙之上，既有沉積巖形成的丘陵，也有火成巖形成的孤峰。而今天的廣州地鐵就要穿越這些迷宮一樣的巖層和泥沙。

紅層、花崗巖地層、灰?guī)r地層、混合巖地層、淤泥砂層、溶洞、斷裂帶。廣州的地質(zhì)層不僅復雜多樣，被稱為“地質(zhì)博物館”，而且變化很大，有時候相隔兩米，巖石的起伏方向就不一樣。地鐵技術人員對于單獨某一種地層的性質(zhì)，例如壓力、抗壓強度等都比較清楚，但是有時需要臨時應變。

正在施工的地鐵3 號線北延段，遇到的困難是地下密集的孤石。它們的學名是花崗巖球狀風化?；◢弾r在風化成泥土的過程中，就像洋蔥一樣層層剝落，只剩下堅硬的巖芯成為了孤石，有的七八米高，有些兩三米。這些孤石成了盾構(gòu)機的噩夢，就像按不住的螺母，盾構(gòu)機無法發(fā)力，刀盤一直轉(zhuǎn)，就是掘進不了。而且由于孤石群位于南方醫(yī)院住院部大樓旁，不能采取沖孔或者爆破這樣震動較大的方法，只能通過地面挖孔，再切割爆破，有時也能通過盾構(gòu)機開倉處理。這些孤石在確定地鐵線路時并未發(fā)現(xiàn)，當時進行的初步勘測并沒有發(fā)現(xiàn)孤石，直到2007 年底在施工前的詳細勘測，才發(fā)現(xiàn)這一帶地下遍布的孤石群。

勘測不是萬能的

為什么地質(zhì)災害無法在施工之前就勘測出來?地下施工屢屢遇到意外，有人認為是廣東地質(zhì)調(diào)查的不足，導致如廣州地鐵、新白云機場等大型項目開工前根本無地質(zhì)數(shù)據(jù)可依，結(jié)果往往選在地質(zhì)災害區(qū)，開工后麻煩不斷。但是黃鐘暉認為，勘探只能以點蓋面，總是會遇到意外的，例如前文所述的紅層涌水事件就是如此。

按照地鐵施工規(guī)定，施工前必須進行每25~30米1 孔的地質(zhì)鉆孔勘測，每往下打1 米需要花費300 元。在勘測中沒有發(fā)現(xiàn)含水層，但是要想高密度地打孔摸清楚地下情況，又是不現(xiàn)實的。一個隧道的直徑是6 米，影響的范圍可達18 米，而廣州地鐵五號線全長32 千米，如果每隔1 米鉆1 個勘測孔，要耗費60 多億元巨資。而且很多地面條件不允許打孔，比如居民區(qū)、道路、管線、橋梁。雖然廣州在2006 年就啟動了針對全市的地質(zhì)調(diào)查工作，并且將于2009 年底制作成廣州地下三維圖，但那也只能是對地層的普遍特性、分布、形成年代、成因等作一個大致描述，而對一些斷裂，尤其是比較細小的次生斷裂，還無法作出細致入微的調(diào)查。只有在將來地質(zhì)鉆孔越來越密的時候，它才能接近真實的變化中的地質(zhì)狀況。

地質(zhì)勘測詳盡與否，更大程度上取決于工程師主觀的經(jīng)驗判斷，如果事先感覺到地層復雜，就會有意地加密勘測。5 號線經(jīng)過草暖公園時，在預先的勘探中知道了那一片是石灰?guī)r地層，有十幾米高的溶洞，于是黃鐘暉帶領施工人員針對性地增加了勘測鉆孔，做到每1.5 米一個孔，并且就像醫(yī)院的CT 掃描那樣，用反射波探測溶洞的分布情況。雖然這是國內(nèi)地鐵首次遇到大規(guī)模溶洞群，盾構(gòu)機還是順利地通過了。

地質(zhì)勘探并不是萬能的，地鐵建設正是在這個前提下為城市交通承擔風險。地鐵線路是規(guī)劃局在詳細勘探工作之前就定下來的，除非會遇到重大地質(zhì)災害，例如穿越活動斷層，地層錯動可能讓建好的隧道遭受毀壞，否則線路不會更改。而地鐵工程屬于市政項目，社會效益是其主要目標。廣州地鐵5 號線大部分是穿越廣州老城區(qū)，能緩解老城區(qū)地面交通負擔，在每千米約5 億元的造價下，盈利的可能性不大?！耙磺袨橐?guī)劃服務，再難我們也得上。”黃鐘暉這樣描述他們的工作。