对城市轨道交通勘察几个问题的反思

彭柏兴

(长沙市勘测设计研究院，湖南长沙 410007)

1 前言

随着我国国民经济的持续发展，城市轨道交通建设规模不断扩大、建设速度持续高位。长沙轨道交通建设欣逢其时，2号线一期工程行将贯通，1号线一期工程与大河西先导区雷梅片区一期工程(2号线西延线)已经开建，3、4号线一期年内也将动土。至2030年，长沙将建设成10条主线、2条支线，长达 425 km的城市轨道交通路网。

城市轨道交通勘察依据主要为《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB 50307－1999)［1］，勘察的多阶段性、所涉地质单元的多样性，外业环境的复杂性、设计指标的繁杂性远非一般的工业民用建筑勘察可比［2～5］。长沙轨道交通工程勘察甫一开始，笔者针对本地区的工程地质、水文地质条件和不良地质作用进行过探讨［6，7］，随着地铁建设的推进，通过与业内不同专业、不同地域的专家交流，深感对长沙轨道交通勘察中存在的既有问题进行反思之必要，本文着重从以下4个方面展开讨论:

(1)城市轨道交通勘察中的环境调查;

(2)轨道交通勘察中的地层标准化;

(3)围岩分级应考虑的因素;

(4)地下水的腐蚀性评价。

2 城市轨道交通勘察中的环境调查

城市轨道交通与常规勘察相比，勘察外延更大、勘察成果内涵更深。轨道交通多设置在城市繁华地段，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轨道交通工程的选线、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。对轨道交通建设施工影响范围内的环境调查已成为勘察工作中的重要内容。

国内外地铁建设中的施工事故表明，环境调查的缺失或不到位是其重要原因之一。比较典型是深圳地铁1号线续建工程某区间附近的 7 m～8 m高片石挡墙，由于没有对周边环境进行勘察和调查，致使施工时围护结构变形达 24 mm、挡墙最大沉降 164 mm，花费了很大人力、物力进行处理，严重影响了工期［8］。长沙2号线一期工程某站点旋挖桩施工差点挖断高压电缆，几酿大祸。长沙老城区某盾构隧道，覆土为厚近7 m的人工填土，其下为残积粉质粘土，盾构机在强风化层中掘进。由于没有相应排水管道竣工图，管道改迁没到位，盾构机试掘进时，因建压未完成，密封未达到设计要求，地面变形较大而使污水管破裂，形成一个12 m×13.5 m的椭圆形坍腔，塌陷深近 5 m(如图1所示)。此外，2004年9月25日广州地铁2号线延长段的压断自来水管引发的基坑变形、2005年9月27日北京地铁1、2号线自动检票系统土建改造物探钻孔钻破燃气管道等等都是前车之鉴。

图1 某盾构始发段坍陷示意图

建设行政主管部门已然意识到城市轨道交通工程中环境调查的重要性，《城市轨道交通工程周边环境调查指南》［9］规定了环境调查程序、范围(表1)和内容，为轨道交通勘察的环境调查提供了技术标准与要求。

调查范围参考表［9］ 表1

3 轨道交通勘察中的地层标准化

城市轨道交通基本涵盖所在城市的主要地貌单元和地层。在地铁勘察、设计、施工过程中，所涉及的部门、单位甚多，有太多的专业与岩土接口，为统一各类技术文件的岩土标准，方便不同专业间的沟通与设计、施工管理，建立城市轨道交通工程的标准地层体系显得紧迫而必要。

3.1 长沙地区的地层基本构架

长沙地貌单元主要为低山丘陵和河流侵蚀堆积的平原地貌。第四系松散层以河流冲积相为主，形成了五级阶地，总体呈上细下粗的二元结构，第四系各组的厚度、岩性组成见表2。基岩自老至新有震旦系(Pt)、泥盆系(D)、石炭系(C)、二迭系(P)、三叠系(T)、侏罗系(J)、白垩系(K)和局部第三系地层(E)，另外，往北尚有中生代的花岗岩侵入。

长沙地区第四系地层特性表 表2

3.2 既有勘察成果地层分类方法与缺陷

长沙轨道交通2号线一期工程勘察的综合分层基本沿用长沙市勘测设计研究院“以地层年代为纵线”的分层体系，分为12个大层、45个小层。由于不同勘察标段缺乏协调，在次级层位的衔接上出现了较大偏差。随后进行的1号线一期工程勘察，总体与咨询单位试图将长沙地层标准化，设置了41个大层、130个亚层。由于未结合区域地层特性，假想成分较多，导致地层不连续，且明显地与前人成果相悖现象。近期展开的3、4号勘察中，某单位试图减少主层，合并亚层，提出了9个大层、24个亚层的思路，不仅模糊了长沙地区的地层基本规律，而且混淆了不同阶地地层的工程性质差异，基岩按风化程度合并而没考虑软、硬岩差异。如若施行，对地铁设计、施工将带来更大的不便。

3.3 标准地层体系建立的思路与建议

我国岩土特性地域性十分明显，诸多城市已建立了独具特色的、满足其城市建设要求的标准地层体系，甚至编制了地方规范［10］。文献［11］详细介绍了广州地铁建设过程中的较为成功的经验，值得借鉴。

笔者认为长沙地区的地层标准化须立足于区域地层架构，要有前瞻性，以满足城市建设可持续发展的要求。从如下方面着眼:

(1)系统大层的设置以形成年代为主线。

(2)亚层划分以岩性特征为标准。

(3)残积层应根据母岩成分细划。

(4)基岩以地层从新到老排序，同一年代中，有岩性差异者分为主层，不同的风化分带分为亚层。

4 地下工程围岩分级

4.1 分级因素及其确定方法

准确判定围岩级别是评价坑洞稳定性、确定支护结构参数、决策隧道设计施工中的各种问题之基础。过去，面对同一岩土介质，不同行业勘察、设计部门在分类/级时，在考虑其内容、方法、指标及因素等方面都存在差异。经过努力，目前基本上与GB 50218－94［12］达成了共识［13～15］。

围岩分级常用方法有定性、定量、定性与定量相结合3种方法，且多以前两种方法为主。一定程度上，JTG D70－2004最为详细:按地质特性分为岩质围岩与土质围岩，土质围岩分级指标体系据土性而异;岩质围岩即采用传统的BQ法，分两步分级:根据岩石坚硬程度和岩体完整程度计算岩体基本质量指标(BQ)，通过地下水、主要软弱结构面产状、初始应力状态的修正来获得围岩基本质量指标修正值［BQ］。

城市轨道交通工程属浅埋隧道，初始应力状态几可忽略，但对结构面与地下水的修正工作很不充分，需要完善的地方甚多。长沙轨道交通中涉及或将要涉及的基岩坚硬程度如表3所示、围岩完整程度如表4所示。

岩石坚硬程度划分 表3

岩体完整性分类表 表4

4.2 隧道围岩分级中存在的问题

(1)未考虑掘进工艺的影响

随着城市轨道交通工程建设的发展，全断面隧道掘进机(TBM)在隧道施工中占有越来越重要的地位，与传统的矿山法相比，二者需要参数不尽一致(如表5所示)，传统的以评估围岩稳定性为主的隧道围岩分级也就无法满足盾构施工需要。

矿山法与盾构法需要的岩土参数表 表5

文献［16］在围岩稳定性等级划分基础上，根据影响盾构机工作条件的4个主要地质因素:岩石单轴抗压强度、岩体完整程度(裂隙化程度)、岩石耐磨性和岩石硬度，进行TBM施工条件下的隧道围岩分级，以符合TBM施工针对工程岩体可掘进性的原则要求。但在目前的城市轨道交通勘察中，却鲜有应用，不能不令人深思。

(2)未考虑隧道掘进影响范围

围岩分级时必须考虑掘进影响范围，尤其是拱顶围岩的稳定厚度。围岩分级前要分析在什么情况下拱顶围岩可以自稳，考虑的因素应包括岩性、岩体完整性、厚度以及地下水状态。地铁埋深一般较浅，加上岩面起伏变化，对于岩石隧道而言，拱顶围岩的厚度往往变化很大，如果全部划分为同一级别，可能有风险。图2是营盘路湘江隧道东岸路面坍塌情形，图3是该地段的地质断面图。发生塌陷位置在YK86孔附近，此处隧顶基岩厚仅 1.25 m，覆土为淤泥质粘土，其东向恰是板岩与砾岩之不整合接触带，诸因素聚在一起，也就不难说明事故发生了。

图2 营盘路隧道路面塌陷

图3 营盘路隧道东岸南线地质断面图

5 地下水的腐蚀性评价

5.1 水、土腐蚀性评价的主要测试指标

水、土对建筑材料的腐蚀危害非常大，除有足够经验和充分资料的地区可以不进行水、土腐蚀性评价外，其他地区均应采取水、土样进行腐蚀性分析，测定项目如表 6［5］。

不同介质对建筑材料腐蚀性评价指标 表6

5.2 腐蚀性评价的环境因素与腐蚀等级划分

GB 50021－2001中，水、土对建筑材料的腐蚀性评价主要考虑环境影响和地层渗透性，环境类型分为3类(如表7所示)，表现为干湿交替、冻融交替、日气温变化、大气湿度等。渗透性的一般界定如下:强透水层指碎石土和砂土，弱透水层指粉土和黏性土。

环境类型分类 表7

根据不同环境类型，结合相应的腐蚀介质界限值划分为微、弱、中、强4个腐蚀等级。不同的环境类型和渗透性地层中，腐蚀介质构成腐蚀的界限值相差很大。规范中表12．2．1中数值适用干湿交替作用的水的情况。对Ⅰ、Ⅱ类腐蚀环境无干湿交替作用时，表中硫酸盐含量数值应乘以1.3的系数;对土的腐蚀性评价，应乘以1.5的系数。

5.3 关于场地环境类型的讨论

现行国家标准中，对场地环境类型的划分存在明显的冲突，在勘察与设计中容易引起分歧。主要表现如下:

(1)环境类型的界定标准不统一

《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476－2008)将环境类别分为一般环境(Ⅰ)、冻融环境(Ⅱ)、海洋氯化环境(Ⅲ)、除冰盐等氯化环境(Ⅳ)、化学腐蚀环境(Ⅴ)5类［17］。《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB 50046－95)按腐蚀性介质分为:气态介质、腐蚀性水、酸碱盐溶液、固态介质和污染土5种［18］。

(2)对环境类型的判别结果不统一

GB 50021－2001规定:当混凝土结构一边接触地面水或地下水，一边暴露在大气中，水可以通过渗透或毛细作用在暴露大气中的一边蒸发时，应定为Ⅰ类。即拔高至“高寒、干旱地区”一类，如隧洞、坑道、竖井、地下洞室、路堑护面皆属此类。

规范GB/T 50476－2008第“4．2．2条”则明确，“配筋混凝土墙、板构件的一侧表面接触室内干燥空气、另一侧表面接触水或湿润土体时，接触空气一侧的环境作用等级宜按干湿交替环境确定”。并在“化学腐蚀环境”之“7．2．2”重申了该观点，且将“高寒、干旱地区”另行规定，类似于GB 50021－2001中的Ⅱ类环境类型。

GB 50046－95则认为，除气态介质和固态介质考虑到环境相对湿度因素外，对其他3种介质均无环境因素条件。

(3)对腐蚀性强弱等级的量化的不统一

GB 50021－2001将腐蚀等级划为微、弱、中、强4个等级。GB 50046－95则划分为弱、中、强3个等级。GB/T 50476－2008划分的环境作用等到级则为A(轻微)、B(轻度)、C(中度)、D(严重)、E(非常严重)、F(极端严重)6级。由于上述不同规范的着眼点不同，致使对同一腐蚀性介质，对其腐蚀性的量化数值也存在差异，常见的硫酸根离子是其缩影(表8)。

不同规范中不同腐蚀等级的［］(mg/l)表8

不同规范中不同腐蚀等级的［］(mg/l)表8

注:GB/T 50476－2008中，弱、中、强分别对应 V－C ～V－E。

规范名称 弱 中 强Ⅰ 200～500 500～1 500 ＞1 500 GB 50021－2001Ⅱ 300～1 500 1 500～3 000 ＞3 000Ⅲ 500～3 000 3 000～6 000 ＞6 000 GB 50046－95 250～1 000 1 000～4 000 ＞4 000 GB/T 50476－2008 200～1 000 1 000～4 000 4 000～10 000

(4)长沙轨道交通地下水环境类型划分建议

长沙地区，按环境类型判别水、土对混凝土结构的腐蚀性时，腐蚀介质主要为硫酸盐含量。一般地，长沙地区上层滞水中，［SO2－4］=200 mg/l～300 mg/l间，孔隙水的［SO2－4］=180 mg/l～295 mg/l间。按Ⅰ类环境类型则多为弱腐蚀，按Ⅱ类环境则为微腐蚀，二者相差一个级别。不同的防护标准，对设计、投资、施工的影响自然不同。

诚然，部分暴露于大气中而其他部分接触含盐水、土的混凝土构件应特别考虑盐结晶作用，这可能是GB 50021－2001在2009年修订时的初衷。不应忽视的是，在常年湿润地区，孔隙水难以蒸发，不会发生盐结晶，而长沙恰恰是这类地区，因此，地下水腐蚀性评价时，按Ⅰ类环境判定值得商榷。

6 结语

(1)城市轨道交通工程建设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，并给予足够的经费支持，才能减少施工过程中因环境条件改变而引发的工程事故［19］。同时，加强城市地下空间的规划与地下空间信息系统的建设，对城市地下空间的开发、建设尤显紧迫。

(2)加速城市基础地质信息库的建设，建立城市地层的标准化，有利于岩土工程文件的统一、有利于设计单位的衔接，有利于岩土成果的持续利用，有利于工程管理水平的提高。

(3)“先勘察，后设计”是我国基本建设程序。若勘察与设计要求不统一，则很难体现勘察工作之必要和重要性，勘察、设计规范面对同一问题如何协调与统一，这是大土木范畴里的相关规范修编时值得重视的问题。

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