杭州地铁区间盾构施工地质风险源分析

叶向前，田春凌

(1.杭州市勘测设计研究院，浙江杭州 310012； 2.杭州市拱墅区基础设施建设中心，浙江杭州 310000)

杭州地铁区间盾构施工地质风险源分析

叶向前1∗，田春凌2

(1.杭州市勘测设计研究院，浙江杭州 310012； 2.杭州市拱墅区基础设施建设中心，浙江杭州 310000)

根据杭州地质条件，结合盾构施工工艺，系统地分析了杭州地铁盾构区间施工过程中主要的地质风险源，得出了对杭州地铁建设影响较小的风险源的种类有区域断裂构造、特殊岩层、地下障碍物(抛石)；较大的风险源主要有特殊土层、不利复合地质、有害气体和地下障碍物(已有桩基)，并提出了防范措施。

地铁；区间；盾构施工；地质风险源

近年来，国内地铁区间隧道大量采用盾构法施工，盾构技术有了长足进步，但盾构施工事故还是时有发生。避免事故的核心是对可能风险源的进行识别和预测[1]，根据预测结果做出有效的防范，才能降低事故的发生概率。

盾构区间深埋于地下，地质条件对盾构施工和运营的影响是显而易见的，其中最主要的风险发生在施工过程。地质风险源是盾构施工首要风险源。

盾构区间施工地质风险源通常可以包括:区域断裂构造、特殊土层、特殊岩层、不利复合地质、有害气体、地下水、地下障碍物等。目前杭州已开工建设的地铁1号线、2号线和4号线的区间均置于第四纪覆盖层中，不需要破岩，可以不考虑特殊岩层风险。

1 区域断裂构造

经杭州地铁工程地震安全性评价专题研究[2]，地铁工程近场区主要有北东向、北西向和近东西向3组区域断裂。其中北东向的萧山—球川断裂最新一期活动时代为晚更新世(Q3)晚期；北西向的孝丰—三门断裂最新一期活动时代为晚更新世(Q3)早中期；近东西向的昌化—普陀断裂近场区范围内其最新活动年代为晚更新世(Q3)晚期。其余为上述主要断裂的次一级断裂，一般为不活动断裂。上述断裂最新活动年代为第四纪晚更新世(Q3)，全新世(Q4)无构造错动，可以认为是非活动断裂。研究成果认为:“近场区不具备发生6级以上地震的构造条件，但在萧山—球川断裂、孝丰—三门湾断裂及昌化—普陀断裂(杭州附近段落)的交汇处附近及萧山—球川断裂的活动段存在发生5级～6级地震的构造背景。”总体上，区域断裂构造总体较稳定，发生构造活动和地震的风险相对较小。

2 特殊土层

2.1 淤泥质土

杭州市中西部有著名的西湖和西溪湿地国家公园(主要属西湖区)，西南部有湘湖(属萧山区)。这些区域的地层中上部为巨厚层淤泥质土(1号线滨康路站～湘湖站区间最大厚度可达25 m)，主要为海相沉积和湖沼相沉积层。杭州地区的淤泥质土可细分为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土和淤泥质粉质粘土夹粉土薄层等类型。这些土层的共同特征是高含水量、高压缩性、高灵敏度、低～极低强度。当盾构全部置于该土层中时，常见的风险主要表现在如下方面:

(1)因其低强度和高压缩性，故工后沉降可能性很大，且沉降完成时间长，仅用螺栓紧固管片拼装成的隧道自身稳定性较差，可能造成线路纵坡的变化及管片的错台和损坏等。

(2)盾构机机体的重量在轴向不均匀，其前部的1/3(包括刀盘主轴承和螺旋输送机等)大约占盾构机总重的2/3以上。在这种流塑状的淤泥质地层推进不容易掌握盾构机姿态，尤其是出洞时，易出现盾构机的“叩头”现象，导致管片安装困难，线路纵断面超限。

(3)在隧道的横通道施工时，主要问题是如何保证围护结构的施工质量及坑底隆起。

(4)当隧道上方存在无桩浅基础多层建筑物时，隧道下穿前需要进行托换等加固措施。但往往托换施工难度大，沉降控制非常困难。

盾构区间常位于闹市区，提前加固软土场地条件局限性很大。同时，因杭州软土分布面积大，如果要处理则工程量非常大。在实际施工过程中，主要采用调整液压千斤顶和增加配重来控制盾构机姿态，避免出现隧道“蛇形”和盾构机“叩头”现象。对于少量无桩浅基础多层建筑物主要采用拆除的办法来确保安全，总体施工效果良好。

2.2 粉土砂土

杭州地区潜水位浅埋，浅层粉土因含水量大，沉积时间短，可能在动力条件下产生砂土液化。特别在钱塘江两岸的围垦区，浅表松散回填粉土和浅部新近沉积的地层，沉积年代只有几十年。这类粉砂土的砂土液化等级一般为轻微，局部可达中等。

通常情况下，粉土和砂土(统称粉砂性土)并不看作为特殊土，但对于盾构施工而言，粉砂性土因其粘聚力低而具有特殊性:易液化，易坍塌。

(1)砂土液化主要原因是地震。杭州市地铁已开工线路“近场区不具备发生6级以上地震的构造条件”，所以砂土液化产生的可能性较小。但1号线下沙段洞身围岩主要为沉积时间相对较短的粉砂性土，仍然不能排除地震液化的可能。

(2)盾构隧道之间的横通道施工和盾构机进出工作井时，易坍塌的粉砂性土给施工带来困难，必须做好地基加固和围护工作。当加固效果不理想时，可能会发生管涌、流砂并导致大面积塌方的严重后果。杭州地铁隧道横通道施工常采用冰冻法处理，盾构机进出工作井常采用冰冻法或高压旋喷桩配合三重水泥搅拌桩处理方案。

2.3 圆砾

杭州地层中有2层～3层圆砾层，局部(钱塘江两岸)连续分布，形成厚度达20 m以上的巨厚圆砾层，层面埋深30 m左右。总体上圆砾层中大于2 mm以上砾石颗粒占50%～65%，其中大于2 cm以上卵石颗粒占20%～30%左右。其中4号线富春路站以南区段范围颗粒稍大，但还未达到卵石类别，且埋深达35 m以上。通常情况下，盾构区间底板埋深小于25 m，但1号线和2号线下穿钱塘江段最大埋深大于30 m，其中1号线会揭露圆砾层。由此，会有两个风险:圆砾层为最主要的承压水含水层，盾构机会面临高水头承压水的威胁；盾构会出越上软(软塑～可塑状的粉质粘土)下硬(圆砾)的不良地层组合(详细分析参见第3节)。该区间承压水水位为 －4 m～0 m，承压水顶板高程一般为－31.55 m～－33.97 m。圆砾层粘粒含量极少，渗透系数大，一般可达1 m/d，含水量极丰富。一旦土压较大波动，就可能会造成过量砂粒和粘粒涌入密封舱，可能导致密封舱的失压，引发江底沉陷。

3 不利复合地层

本文所述不利复合地层(上软下硬组合)是针对盾构施工工艺而言的，当采用矿山法施工时却很可能属于常规地层组合。主要考虑淤泥质土或软塑的粘性土与其他力学性质相对较好的地层组成不良地层组合，地层的软硬是相对的，如可塑以上粘性土、粉砂性土、砾石层、基岩等均可以看作相对于淤泥质土的硬土层。

典型的上软下硬不利复合地层如1号线某区间中深埋的区段[3]，盾构上部2/3左右为软塑～可塑状的含砂粉质粘土，下中部1/3为细砂或圆砾层。圆砾层呈中密～密实状。本地层组合的区间长度约330 m，占整个区间总长度的11.8%，主要分布在江中埋深最深的部分。盾构在推进过程中，刀盘上下所受阻力不同，会造成控制盾构机姿态困难，刀具磨损严重等问题。

图1 地铁1号线某区间不良地层组合

为了避免在江底进行更换刀盘的复杂施工工艺，进行设计优化并经专家论证，最终将江底部分隧道底板适当上调约2 m，以避开圆砾层。实际施工过程中盾构推进顺利，既降低了施工风险，且节约了工期和工程投资。

4 有害气体

杭州地铁1号线江南段(钱塘江南岸～湘湖区段)多处存在浅层天然气。2007年8月18日某区间及其相邻站点的勘探过程中，有数个孔出现严重的喷水、气、砂混合物的现象，其中喷出的最大高度达8 m，喷出时间最长持续18 h，点燃火焰高度3 m～4 m[4]。且出现反复喷发现象，当第一次喷出稳定后，临近1 m左右再打静探沼气探测孔，又会出现沼气的喷出，如图2所示。

本地区浅层天然气属甲烷型生物成因气，因江南地区属于萧绍平原地貌单元，由于钱塘江近代频繁改道，形成分布不均的牛轭湖及内河道；牛轭湖及内河道大量生物繁殖，这些生物由于地质环境的改变在无氧状态下，经细菌分解为甲烷和二氧化碳。甲烷生成后，以溶存于地下水的溶存气体及存在于土颗粒空隙中的游离气体两种形式存在于地层中。根据国家天然气总公司上世纪50年代在滨江区和萧山区探测，土层中气体的主要成分为甲烷，呈蜂窝状、透镜体状不连续分布，埋深在10 m～35 m之间，最大压力根据喷出水柱高度估算为400 kPa。结合本场地地层情况分析，气源层为浅海相的⑥1层淤泥质粉质粘土和湖沼相的⑧2层淤泥质粉质粘土夹粉砂层，主要储集层为⑧2层淤泥质粉质粘土夹粉砂和○121层粉砂，上述土层具有较好的透水透气性，加上覆盖层淤泥质粘土层稳定分布，形成气水同层，具有面积大、分布广等特点。在后续的勘探过程中，1号线富春路站～滨江站区间、滨江站～西兴站区间、西兴站～滨和路站区间、九堡东站～下沙西站区间、下沙西站～下沙中心站区间、下沙中心站～下沙东站区间等区间，及相邻车站均发现了有害气体。

图2 静探孔中喷发气、水，气、砂混合物

甲烷是无色无味的气体，对人基本无毒，但在通风不良的情况下，浓度过高时，可使人窒息死亡。其浓度达到5%时，遇高温或明火时，具有气爆性。由于设计线路隧道底埋深为14 m～20 m，正好位于富存甲烷气体土层，因此在区间施工过程中存在一定风险。

1号线下沙段某车站在施工过程中出现底板翻砂翻水和冒气的现象，危及地下连续墙的稳定性。在马上采取应急措施后，进行了系统的处理排气措施。排气主要采取了竖向隔断和水平隔断有力措施[5]，有效地解决了沼气对车站施工的危害。竖向隔断是指采用高压旋喷桩隔断车站外侧与内侧的储气层，使外侧气流不能进入内侧，孤立基坑内气层。水平隔断是采取对底板下部土体进行旋喷桩加固或者注浆加固，同时也起到加基底土层的效果，有效控制了有害气体冒出时带出水、泥沙现象。

应该要注意的是虽隔断法的功效较为明显，但并不能保证完全隔断储气层，所以还要进行有效地排气，并设坑外有害气体释放孔，将基坑内气压力控制在0.1 MPa下。同时，基坑内气压力减小后，水位会上升，所以应加强基坑内降水。

盾构区间施工前的处理措施与车站不同，一般主要为放气。当初始气压大于0.2 MPa时，排气孔间距一般小于20 m；小于0.2 MPa时，排气孔间距一般小于20 m～30 m左右。排气孔呈网格状布置，以静探孔排气为主。其中富春路站～滨江站区间为过钱塘江区间，每天有潮水的涌退，加上过往船只的影响，如采用静探孔排气，探杆极易折断，考虑采用钻探排气。一般排气最终压力控制在0.05 MPa(或0.1 MPa)以下。还需注意的是，必须缓慢均衡放气，以不带出泥沙、泥水为控制标准。1号线排气过程中曾出现过因排气过快，带出较多泥沙和泥水，导致临近堤坝局部变形，最后只得对堤采取加固措施。

盾构区间施工中应采取有效防范措施:配备瓦斯报警仪、加大通风、禁止使用明火等。

通过排气后，总体处理效果良好，各区段和车站施工过程中未出现过有害气体对工程的明显危害。

5 地下障碍物

5.1 抛石

在钱塘江北岸，由于钱塘江的历史变迁及长期人类活动拦洪筑堤，围垦筑田等原因，在上部粉土、砂土地层中，存在抛石，钻孔可见直径10 cm～30 cm不等，甚至更大，抛埋杂乱无规律。抛石层底板高程在 0.00 m～－3.6 m。但是，根据在1号线、2号线过江区间的钻探和物探中未发现抛石等地下障碍物，且障碍物可能存在的埋深浅于盾构施工范围，对盾构施工一般不会产生影响。

5.2 已有桩基

在盾构地下区间遇已建桥梁时，需在盾构推进之前采取措施清理桩基础。2号线内外环站～钱江世纪城站区间已建丰北桥，基础采用钻孔灌注桩，桩径Φ800～Φ1 200，桩长 25.5 m～35.97 m，桩底高程－23 m～－33 m[6]。大部分的桩是能拔除的，对于不能拔的桩，采用冲锤击碎的施工方案清理了这些障碍，并新建桥梁，布置桩基础避开区间隧道。

6 结 语

由上分析可知，在常见的区间盾构施工的风险源中，特殊岩层、区域断裂构造、地下障碍物(钱塘江北岸抛石)对杭州地铁1号线、2号线和4号线的工程建设的影响较小，影响比较大的风险源主要有特殊土层、不利复合地质、有害气体、地下障碍物(已有桩基)等，应采取有效防范措施加以防范和解决。

[1] 竺维彬，鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究[M].广州:暨南大学出版社，2009

[2] 浙江省工程地震研究所.杭州地铁2号线一期工程场地地震安全性评价(地震危险性分析部分)报告[R].杭州:2006

[3] 杭州华东建设工程公司.杭州地铁1号线杭州地铁1号线富春江路站～滨江路站区间岩土工程详细勘察报告[R].杭州:2007

[4] 浙江省地矿勘察院.杭州地铁1号线杭州地铁1号线湘湖站～滨康路站区间岩土工程详细勘察报告[R].杭州:2007

[5] 荀亮亮.杭州地铁下沙东站有害气体处理[J].山西建设，2009，35(30):119～120

[6] 杭州市勘测设计研究院.杭州地铁2号线一期沿线桥梁(涵)及部分联络线区段建(构)筑物调查报告[R].杭州:2005

Geological Risk－Source Analysis of Metro Section Shield Construction in Hangzhou Metro

Ye Xiangqian1，Tian Chunling2
(1.Hangzhou Geotechnical Engineering and Surverying Research Institute，Hangzhou 310012，China；2.Hangzhou Gongshu Construction Centre of Infrastructure，Hangzhou 3100000，China)

According to geological conditions in Hangzhou，combined with the shield construction technology，systemically analyzes the major geological risk source proceeding from construction process of metro shield section in Hangzhou，it comes to a conclusion that risk－sources which have small influences on metro construction in Hangzhou include regional fracture structure，Special Strata，underground obstruction(riprap)；while what have large influences mainly include special soil，unfavorable complex geological structure，harmful gases and underground obstruction(existing pile).Then the author proposes some protective measures.

metro；section；shield construction；geological risk－source

2012—01—12

叶向前(1973—)，男，高级工程师，注册岩土工程师，注册咨询(投资)工程师，主要从事岩土工程勘察、设计及地质灾害评估工作。

1672－8262(2012)02－173－04

P642.5

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