特殊地質(zhì)條件下地鐵施工技術(shù)措施

郭紅梅

（北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101）

1 概述

目前我國各地正大力興建地鐵，各地都較普遍地存在著大量不良地質(zhì)和特殊性巖土，常見不良地質(zhì)作用有巖溶、活動(dòng)斷裂、地面沉降、地裂縫、采空區(qū)、砂土液化等，常見特殊性巖土有填土、軟土、膨脹巖土、風(fēng)化巖和殘積土、濕陷性黃土等。本文分析總結(jié)了主要的不良地質(zhì)作用和特殊性巖土對(duì)地鐵施工造成的不利影響以及應(yīng)采取的主要技術(shù)措施，為地鐵新線建設(shè)提供參考，以確保地鐵施工安全。

2 不良地質(zhì)作用及技術(shù)措施

2.1 巖溶

2.1.1 不良影響

在暗挖過程中若碰到充填的地下水或松散物，將是重大威脅，更危險(xiǎn)的還在于到處連通的地下水。對(duì)地下線路而言，可能造成盾構(gòu)機(jī)跌落事故，明（蓋）或暗挖法施工時(shí)巖溶承壓水可能擊穿隔水底板或造成巖溶水突涌。對(duì)高架線路來說，溶洞的存在對(duì)樁基承載能力產(chǎn)生不利影響，樁基底部的溶洞，可能因溶洞頂板厚度不夠，壓碎頂板，樁基承載能力損失。

同時(shí)，巖溶地層的樁基施工過程中可能引起垮孔、漏漿、斷樁等施工事故。

2.1.2 技術(shù)措施

開工前要采用物探、鉆探等相結(jié)合，互相認(rèn)證，確定溶洞發(fā)育地帶。

對(duì)地基穩(wěn)定有影響的巖溶洞隙，應(yīng)根據(jù)其位置、大小、埋深、圍巖穩(wěn)定性和水文地質(zhì)條件綜合分析、因地制宜地采取下列處理措施[1]：①對(duì)洞口較小的洞隙，宜采用鑲補(bǔ)、嵌塞等方法處理；②對(duì)洞口較大的洞隙，宜采用梁、板和拱等結(jié)構(gòu)跨越，也可采用漿砌塊石等堵塞措施；③對(duì)于圍巖不穩(wěn)定、風(fēng)化裂隙破碎的巖體，可采用灌漿加固和清爆填塞等措施；④對(duì)規(guī)模較大的間隙，可采用洞底支撐或調(diào)整柱距等方法處理。

2.2 活動(dòng)斷裂

2.2.1 不良影響

活動(dòng)斷裂帶是地表表層薄弱地帶，斷裂帶上、下兩盤的巖性往往不同，接觸帶巖層的整體性、巖性均一性極差，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)易造成刀盤偏磨嚴(yán)重。隧道易發(fā)生坍塌、甚至冒頂，基坑開挖易產(chǎn)生突涌斷裂構(gòu)造降低了巖體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，會(huì)發(fā)生較大沉陷，易造成地鐵結(jié)構(gòu)斷裂或傾斜。

2.2.2 技術(shù)措施

在可行性研究勘察時(shí)，應(yīng)建議避讓全新活動(dòng)斷裂和發(fā)震斷裂，避讓距離應(yīng)根據(jù)斷裂的等級(jí)、規(guī)模、性質(zhì)、覆蓋層厚度、地震烈度等因素綜合確定。非全新活動(dòng)斷裂可不采取避讓措施，當(dāng)淺埋且破碎帶發(fā)育時(shí)，可按不均勻地基處理。

2.3 地面沉降

2.3.1 不良影響

隧道盾構(gòu)區(qū)間隨著地面不均勻沉降，盾構(gòu)管片間發(fā)生變形錯(cuò)位，導(dǎo)致防水破裂，造成隧道滲水。若地面沉降過大，導(dǎo)致測(cè)量水準(zhǔn)點(diǎn)下沉，若不及時(shí)調(diào)整水準(zhǔn)基點(diǎn)標(biāo)高，造成區(qū)間隧道不能貫通。

2.3.2 技術(shù)措施

地面沉降的原因主要是超量抽取地下水及城市建設(shè)施工時(shí)產(chǎn)生的，可以通過采取如下一系列措施減緩和預(yù)防地面沉降災(zāi)害的發(fā)生。①加強(qiáng)地面沉降基礎(chǔ)研究工作，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析的基礎(chǔ)上，建立地面沉降預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，預(yù)測(cè)地面沉降的發(fā)展趨勢(shì)；②科學(xué)合理控制地面沉降區(qū)地下水的開采量、開采層位、開采范圍；③強(qiáng)化城市建設(shè)施工管理，避免加劇地面沉降；④加強(qiáng)政府宏觀管理，增強(qiáng)全民防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)。

2.4 地裂縫

2.4.1 不良影響

由于受地裂縫的錯(cuò)動(dòng)作用可能導(dǎo)致隧道襯砌變形破壞，可能造成如下幾種隧道病害：①地裂縫帶的活動(dòng)會(huì)引起地鐵隧道襯砌的變形，變形大時(shí)會(huì)導(dǎo)致跨地裂縫處的軌道產(chǎn)生變形；②當(dāng)?shù)亓芽p的活動(dòng)量超過了地鐵隧道襯砌的允許變形量時(shí)，襯砌開裂，拱頂、邊墻等裂損處發(fā)生滲漏水現(xiàn)象。

2.4.2 技術(shù)措施

一般情況下，只能通過調(diào)整與地裂縫配置關(guān)系，及采取隔離的途徑或轉(zhuǎn)嫁構(gòu)造力作用的辦法，以達(dá)到減輕和防治地裂縫災(zāi)害的目的，當(dāng)?shù)罔F線路完全避開無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)采取減緩和設(shè)置適應(yīng)性結(jié)構(gòu)措施等[2]。

（1）控制承壓水開采能基本控制地面沉降的發(fā)展和地裂縫的活動(dòng)強(qiáng)度。

（2）適當(dāng)擴(kuò)大地裂縫影響范圍內(nèi)的襯砌斷面，設(shè)置可調(diào)式浮置板道床主動(dòng)適應(yīng)地裂縫變形。

2.5 采空區(qū)

2.5.1 不良影響

采空區(qū)對(duì)地鐵工程的不利影響主要表現(xiàn)在采空區(qū)垮塌引起地面塌陷和開裂，在可研階段，應(yīng)通過綜合勘察手段查明采空區(qū)的范圍和深度，分析采空區(qū)的影響程度，為設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

2.5.2 技術(shù)措施

針對(duì)不同的塌陷模式和不同的線路分布地區(qū)，應(yīng)分別采取不同措施。①建地表防排水工程，防止?jié)B漏；②在薄弱地段采取鉆孔灌漿或旋噴樁加固處理，同時(shí)應(yīng)結(jié)合構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)，采取加固保護(hù)措施；③直接對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，充分利用采礦廢石，充填采空區(qū)；④可考慮采用基礎(chǔ)整體澆筑的加固措施，或使用旋噴樁加固法加固基礎(chǔ)，即在淺部用旋噴樁形成一硬殼層，再在其上再設(shè)置筏板基礎(chǔ)；⑤對(duì)比較大的塌陷坑，可采用梁式基礎(chǔ)、拱形結(jié)構(gòu)，或以剛性大的平板基礎(chǔ)跨越、遮蓋空區(qū)。

2.6 砂土液化

2.6.1 不良影響

地鐵車輛段及停車場(chǎng)以淺基礎(chǔ)位置，砂土液化可造成地基土承載力、抗剪強(qiáng)度的突然喪失。地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)若位于液化土層中，基坑側(cè)壁土層、圍巖喪失其自穩(wěn)能力，極易造成塌方事故。高架地鐵結(jié)構(gòu)，樁基位于液化土層中，砂土液化可降低樁周土的側(cè)摩阻力，影響樁基承載力。

2.6.2 技術(shù)措施

砂土液化的常用防治措施有：合理地選擇建筑場(chǎng)地、地基處理、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)選擇等。

在強(qiáng)震區(qū)應(yīng)合理的選擇建筑場(chǎng)地，以盡量避開可能液化土層分布的地段。地基處理可以消除液化可能性或減輕其液化程度。地震液化的地基處理措施很多，可以部分或全部消除液化的影響。此外應(yīng)增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和均勻?qū)ΨQ性，合理設(shè)置沉降縫。

3 特殊性巖土及技術(shù)措施

3.1 填土

3.1.1 工程特性與不良影響

（1）不均勻性：填土組成成份復(fù)雜，回填的方法、時(shí)間和厚度的隨意性，若地鐵出入口、U型槽等基礎(chǔ)埋深較淺的結(jié)構(gòu)部位坐落于填土上，易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

（2）低強(qiáng)度和高壓縮性：土質(zhì)疏松、密度差、固結(jié)程度低，抗剪強(qiáng)度低，承載力低，壓縮性高。對(duì)基坑支護(hù)極為不利。

（3）欠壓密性與濕陷性：土質(zhì)疏松，孔隙率高，在浸水后會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的濕陷。對(duì)于車輛段，地面線，主要以淺基礎(chǔ)和路基為主，人工填土的密實(shí)度差，均勻性差，會(huì)造成軌道沉降、房屋開裂等事故。

3.1.2 技術(shù)措施

填土成分比較復(fù)雜，均勻性差，厚度變化大，工程上一般要進(jìn)行地基處理。常用的地基處理方法有換土墊法，適用于地下水位以上，可減少和調(diào)整地基不均勻沉降；機(jī)械碾壓、重錘夯實(shí)及強(qiáng)夯法，適用于加固淺埋的松散低塑性或無粘性填土；擠密法、灰土樁，適用于地下水位以上；砂、碎石樁適用于地下水位以上。

3.2 軟土

3.2.1 工程特性與不良影響

（1）壓縮性：一經(jīng)擾動(dòng)，軟土層強(qiáng)度明顯降低，變形時(shí)間長，變形量大。

（2）低強(qiáng)度：在軟土地層中進(jìn)行管棚鉆進(jìn)施工時(shí)，受鉆桿撓度、剛度等的影響，易引起鉆孔的偏斜、坍塌等，從而影響管棚的形成質(zhì)量。

（3）滲透性：軟土地層中，注漿效果難以控制，難以一次形成有效的止水帷幕。

（4）流變性：軟土地區(qū)基坑開挖，會(huì)引起坑內(nèi)土體的應(yīng)力釋放，若基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)和施工不合理，易引起基坑變形和失穩(wěn)。

（5）固結(jié)沉降：當(dāng)車輛段等地面建筑位于軟土地基上時(shí)，變形問題、穩(wěn)定問題及工后沉降問題將出現(xiàn)；軟土中盾構(gòu)法施工，易引起地面較大沉降，引起隧道附近地下管網(wǎng)及構(gòu)筑物開裂等。

（6）觸變性：易造成盾構(gòu)上部圍巖松弛，難以形成壓力拱，對(duì)于剛脫離盾尾的管片，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部或整體上浮。

3.2.2 技術(shù)措施

在軟土層中進(jìn)行盾構(gòu)施工關(guān)鍵的技術(shù)問題是安全出洞的技術(shù)措施和減少地表變形的技術(shù)措施。在軟土中盾構(gòu)出洞時(shí)如何保持洞口外土體的穩(wěn)定，保證盾構(gòu)平穩(wěn)地切入土體是盾構(gòu)施工順利進(jìn)行的第一步，出洞技術(shù)措施主要包括鋼板樁作臨時(shí)封門和出洞區(qū)土體加固等[3]。出洞區(qū)外土體利用注漿法、深層攪拌法、旋噴法和冰凍法等方法進(jìn)行加固，加固后土體滲透系數(shù)降低、抗剪強(qiáng)度提高，在洞圈內(nèi)封門拆除后能保持自立，不發(fā)生滑移，不發(fā)生滲流。盾構(gòu)施工后期沉降雖然沉降發(fā)展速度較慢，但其累計(jì)值還是相當(dāng)可觀的。對(duì)于地面有較重要的構(gòu)筑物來說，除在盾構(gòu)推進(jìn)過程中精心施工外，利用跟蹤壓注固結(jié)漿液的方法控制后期沉降是一種效果良好且必須的手段。

3.3 膨脹巖土

3.3.1 工程特性與不良影響

由于膨脹巖具有吸水膨脹和失水收縮等工程特性，具體危害表現(xiàn)在以下幾個(gè)主要方面[4]：

（1）地下膨脹巖工程：在地下膨脹巖中開挖隧道時(shí)，地下洞室普遍發(fā)生開裂、內(nèi)鼓、坍塌和膨脹等變形現(xiàn)象；

（2）膨脹巖路基：膨脹巖在干濕效應(yīng)的作用下，旱季巖體失水收縮，微裂隙張開，為地表水滲入提供通道，雨季時(shí)充水膨脹，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致線路走行變樣、路肩隆起、側(cè)溝破壞、道床翻漿冒泥等病害。

（3）膨脹巖邊坡：膨脹巖邊坡的病害可分為坡面病害和坡體病害兩大類，坡面病害的破壞形式有剝落、溜塌及局部崩塌，坡體病害的破壞形式有坍塌和滑坡。

（4）膨脹巖地基：如果構(gòu)筑物選擇膨脹巖作為其淺基礎(chǔ)持力層，會(huì)使承載力達(dá)不到要求或由于膨脹壓力的作用使構(gòu)筑物產(chǎn)生傾斜變形。如選擇膨脹巖作為樁基等深基礎(chǔ)的持力層，則會(huì)由于成樁等施工過程中水的影響而使樁的承載力出現(xiàn)問題。

3.3.2 技術(shù)措施

膨脹巖的脹縮性主要是由于水的作用而引起的，因此以淺基礎(chǔ)的形式建造在膨脹巖地基上的構(gòu)筑物一般要求在構(gòu)筑物周圍加大散水，不設(shè)地表明溝，同時(shí)采取措施防止膨脹巖地基中水分的蒸發(fā)散失。

合理選擇基礎(chǔ)埋置深度也是有效措施之一，一般要求強(qiáng)膨脹巖地基，基礎(chǔ)應(yīng)埋置在大氣風(fēng)化作用影響深度以下，對(duì)于弱膨脹巖地基，可視脹縮變形大小而適當(dāng)確定。

膨脹巖邊坡應(yīng)采用強(qiáng)支護(hù)、快速施工、快速封閉并加強(qiáng)地表水、地下水的截排等綜合治理措施?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面予以考慮：①禁止雨季施工，盡量避免原巖擾動(dòng)；②快速施工，速戰(zhàn)速?zèng)Q，避免干濕循環(huán)導(dǎo)致強(qiáng)度衰減和變形體的牽延；③注漿加固破碎或松動(dòng)巖層以提高力學(xué)穩(wěn)定性，改變其應(yīng)力狀態(tài)向有利于穩(wěn)定性方面轉(zhuǎn)化；④設(shè)置抗滑樁、樁板墻、錨桿擋土墻等支擋結(jié)構(gòu)。

3.4 風(fēng)化巖和殘積土

3.4.1 工程特性與不良影響

（1）由于基巖風(fēng)化程度不一樣，物理力學(xué)性質(zhì)差異很大，盾構(gòu)施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)很難控制。

（2）當(dāng)隧道位于不均勻風(fēng)化巖體內(nèi)，基巖界面往往為軟弱結(jié)構(gòu)面，也是地下水連通界面，易引起掌子面涌水和失穩(wěn)。

（3）花崗巖殘積土及全強(qiáng)風(fēng)化帶若夾有球狀風(fēng)化物（孤石），在刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，很容易造成球體松脫并隨著刀盤一起旋轉(zhuǎn)，盾構(gòu)機(jī)無法前進(jìn)。一方面，造成球體對(duì)刀具的側(cè)壓力加大，超過一定的極限時(shí)刀具折斷，另一方面，球體隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，會(huì)對(duì)周邊的圍巖產(chǎn)生越來越大的擾動(dòng)，容易造成盾構(gòu)機(jī)上方地體發(fā)生塌方。

（4）在基坑開挖、隧道暗挖過程中，花崗巖風(fēng)化巖、殘積土遇水易軟化、崩解，使地基強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度顯著降低，易造成坑底隆起、圍巖失穩(wěn)、基坑垮塌等事故。

3.4.2 技術(shù)措施

花崗巖球狀風(fēng)化的處理辦法主要有人工破巖石、盾構(gòu)機(jī)破巖、地面鉆探地下爆破破巖和沖孔樁破巖4種方法。目前常用的是人工破巖和盾構(gòu)機(jī)直接破巖2種。

在盾構(gòu)施工中應(yīng)加密補(bǔ)充地質(zhì)勘探，掌握球狀風(fēng)化體的分布情況。在掘進(jìn)過程中通過觀察盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的異常情況以及掘進(jìn)參數(shù)的異常變化，來判斷是否碰上了球狀風(fēng)化巖體。

全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及殘積的花崗巖地層中，盡管可能還保留長石類礦物晶體結(jié)構(gòu)的輪廓，但其內(nèi)部已經(jīng)風(fēng)化為粘土礦物，并且總含量基本保持不變，一旦卸荷或遇水，礦物晶體結(jié)構(gòu)的輪廓將被破壞，粘土礦物吸收水分膨脹，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中易形成泥餅。在易結(jié)泥餅的地層中掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)考慮采取以下措施：①根據(jù)地質(zhì)條件，有針對(duì)性地向密封土艙和刀盤面板適量加注高質(zhì)量的泡沫或聚合物或膨潤土或其中的2種混合液甚至3種混合液，以改善土體的和易性和塑性；②在淺埋隧道施工，地層相對(duì)自穩(wěn)定時(shí)，設(shè)定的出土壓力不宜超過主動(dòng)土壓，宜采用欠土壓平衡模式；③若地層穩(wěn)定性較差，但隔氣體性較好時(shí)，宜采用輔助氣壓作業(yè)，掘進(jìn)宜采用欠土壓平衡模式；④采用冷卻措施，避免密封土艙高溫高熱；⑤避免密封土艙飽滿時(shí)長期停機(jī)，宜以泥漿或粘性差的砂土代替部分土體充填密封土艙。

3.5 濕陷性黃土

3.5.1 工程特性與不良影響

（1）黃土節(jié)理：黃土層常具有各方向的構(gòu)造節(jié)理，有的原生節(jié)理呈X型，成對(duì)出現(xiàn)，并有一定延續(xù)性。在隧道開挖時(shí)，土體容易順著節(jié)理張松或剪斷。如果位于隧道頂部，極易產(chǎn)生塌頂。如果位于側(cè)壁，則普遍出現(xiàn)側(cè)壁掉土，常會(huì)引起較大的坍塌。

（2）黃土沖溝地段：當(dāng)隧道在較長范圍內(nèi)沿著沖溝或塬邊平行走向，而覆蓋較薄或偏壓很大的情況下，容易發(fā)生較大的坍塌或滑坡現(xiàn)象。

（3）黃土溶洞與陷穴：隧道若修建在其上方，則有基礎(chǔ)下沉的危害。隧道若修建在其下方，施工時(shí)有發(fā)生冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)。隧道若修建在其鄰側(cè)，則有可能承受偏壓。

（4）水對(duì)黃土隧道施工的影響；由于黃土在干燥時(shí)很堅(jiān)固，承載力也較高，施工可順利進(jìn)行。當(dāng)其受水浸濕后，出現(xiàn)不同程度的濕陷性，會(huì)突然發(fā)生下沉現(xiàn)象，使開挖后的圍巖迅速喪失自穩(wěn)能力，易造成坍塌。

3.5.2 技術(shù)措施

黃土地區(qū)的濕陷變形往往是局部和突然發(fā)生的，而且變形速率大，不均勻。應(yīng)根據(jù)濕陷性黃土的特點(diǎn)和工程要求，因地制宜，把消除濕陷變形作為先決條件，采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷，結(jié)合防水措施和結(jié)構(gòu)措施，保證構(gòu)筑物的安全和正常使用[5]。

（1）地基處理措施[6]：濕陷性黃土地基處理的方法很多，如墊層法、強(qiáng)夯法、擠密法、預(yù)浸水法、樁基礎(chǔ)法、深層攪拌樁法及化學(xué)加固法等。

（2）防水措施：做好總體平面和豎向設(shè)計(jì)，保證整個(gè)場(chǎng)地排水通暢，保證管網(wǎng)和水池類構(gòu)筑物的工程質(zhì)量，防止漏水，做好排除屋面雨水和房屋內(nèi)地面防水的措施；對(duì)于明挖區(qū)間和車站來說，需要回填一定深度的土來做覆蓋層，可考慮提高回填士的密實(shí)度，或者單獨(dú)做一層或多層隔水層，阻斷入滲路徑；基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)盡量避開雨季和冬季，縮短基坑暴露時(shí)間，并采取措施防止施工用水和雨水流入基坑。

（3）結(jié)構(gòu)措施：減少構(gòu)筑物的不均勻沉降，或使結(jié)構(gòu)物適應(yīng)地基的變形，建筑平面布置應(yīng)力求簡單或用沉降縫分成若干個(gè)構(gòu)筑物體型簡單的獨(dú)立單元，用增設(shè)圈梁、基礎(chǔ)梁構(gòu)造柱等方法，加強(qiáng)構(gòu)筑物上部結(jié)構(gòu)的整體剛度。

4 結(jié)論

通過收集大量資料和已建地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)各地區(qū)主要不良地質(zhì)作用和特殊性巖土狀況，分析總結(jié)了其對(duì)地鐵施工可能產(chǎn)生的不利影響，提出了施工應(yīng)采取的主要技術(shù)措施，為地鐵新線建設(shè)提供參考。

[1] 羅俊忠.西安地鐵濕陷性黃土處理措施研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2013（4）.

[2] 蔣臻蔚，彭建兵，王啟耀.西安市地鐵3號(hào)線不良地質(zhì)問題及對(duì)策研究[J].巖土力學(xué)，2010(2).

[3] 鄭堅(jiān).在軟土層中應(yīng)用盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].建筑施工，2000,22(6).

[4] 范秋雁.膨脹巖與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[5] 吳新，師琴，高英杰.黃土濕陷性評(píng)價(jià)及防范措施[J].山西水土保持科技，2005(3).

[6] 宋方亮.淺談地鐵車站濕陷性黃土地基處理[J].地鐵結(jié)構(gòu)，2012(增刊).