福州地铁1号线工程特性及地质风险研究

张庆林 詹晨曦 陈晔翔

(1.福州大学，福州，350008；2.福州市建筑设计院，福州，350002；3.河海大学地球科学与工程学院，南京，211100)

福州地铁1号线是福建城市地铁建设的第1条地下交通轨道。因此，福建省尤其是福州地区对城市地铁建设的地质风险研究较少。在地铁建设中，地质风险由于其客观性、不确定性、可变性和复杂性等而成为地铁建设风险中关键风险源，因此，准确预测地铁路线上的地质风险源就等于掌握了控制风险的主动权。为了尽可能地避免施工中发生重大的地质灾害，合理利用地下空间和有效利用资源。笔者根据福州地区特有的地质条件，主要从地铁的主体工程部分车站和区间隧道出发,通过研究车站开挖时、盾构穿越时所面对不良工程地质地层、断裂带、富水砂层，分析探讨福州地铁施工中可能面对的风险事故，并提出应对策略。期望该研究能对近期的福州地铁1号线的顺利建设有所帮助，对福建省乃至沿海地区的地铁建设提供参考依据。

1 工程概况

1.1 途经路线

福州地铁1号线全长约29.2 km，为地下线，共包含2个停车场、2段连接线、24个车站、23个区间。车站基坑主要采用明挖法施工,区间主要采用盾构法(个别结合矿山法)施工。路线北起于新店北部秀峰路的象峰站，经秀峰路，穿罗汉山，过规划西园路，途经福州铁路北站，沿华林路,转鼓屏路、八一七路、广达路、达江路,跨过闽江,往上藤路、六一南路、则徐大道、福峡路、城门规划站前大道,经福州铁路南站、规划南湖北侧的规划螺城路到达规划海峡文化艺术中心，最后抵达规划东部新城。

1.2 地层特征

路线自北向南穿越的地层北段和南段为硬岩(花岗岩、花岗斑岩、流纹质凝灰熔岩等)，分布广泛的风化岩层、孤石发育的花岗岩残积层；中部主要为冲淤积平原，其间夹杂着山前剥蚀丘陵。区间隧道自北向南要多次穿越杂填土(素填土，填土与砂砾或混凝土等混合)，淤泥或淤泥质土、粉质粘土或粘土、含泥细砂或粉砂、淤泥夹粉细砂、粉砂、细砂、中砂、卵石、残积土、残积砂质、砾质土、散体状强风化花岗岩、强风化至微风化花岗岩、花岗斑岩、凝灰熔岩等软硬不均，上软下硬的复杂地层。

1.3 水文条件

路线经过的场地地下水按贮存条件主要有地表水、潜水、上层滞水和基岩裂隙水。车站和隧道穿越的区间地下水埋藏浅(地下水初见水位埋深在0.4～1.1 m，稳定水位埋深在0.5～3.8 m), 车站和隧道与地下水水位高差超过15 m。福州市属亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，在台风和潮汐影响(高潮位为8.22 m，最低潮位为0.44 m)等复杂的水文地质环境施工，地铁1号线建设客观上存在较大的地质施工难度和风险。

2 施工的地质风险与对策

2.1 车站

地铁1号线的车站建设均为超长、超大深基坑(表1)，绝大部分采用明挖法，围护结构采用多种形式，如地下连续墙加多道内支撑、挖孔桩加多道内支撑、挖孔桩加预应力锚杆、喷锚等。地铁1号线明挖基坑遇到的风险有巨厚淤泥层、富水砂层和花岗岩残积土层等不良地质体。

2.1.1 巨厚淤泥层与富水砂层

淤泥层具有含水量高、孔隙比大、强度低、灵敏度高、易扰动等特点，基坑开挖时易产生流变现象，导致围护结构稳定性差，坑底易产生隆起。富水砂层由于渗透性强，与周围场地存在着对基坑影响的微承压水、承压水联系密切，同时由于砂层粘粒含量极低容易发生振动液化，在基坑开挖过程中对基坑底部存在流砂及突涌的风险。巨厚淤泥层和富水砂层还易导致基坑导墙施工时难以成孔、易塌孔，连续墙因成槽困难易发生偏差和塌孔，导致周围环境破坏、设备损坏、人员伤亡等风险，进而导致地基沉陷，甚至是失稳。地下连续墙接头容易发生渗漏从而导致涌水涌砂,以及地下连续墙因变大形引起的侵限。此外,还可能因侵限造成地下连续墙拆除困难引发新的风险。对于明挖基坑风险可采取如下策略。

(1)针对基坑围护结构地下连续墙接头处易发生渗水进一步发展为涌水、砂、泥风险，施工时可先通过注浆加固淤泥止水措施，利用堆积编织土袋进行反压护墙等，同时可在地表通过袖阀管注浆加固基坑周围土体，在导墙施工前预先增设一排或多排的咬合搅拌桩；在导墙拆模时沿其纵向每1 m增设双向临时支撑，严禁重型机械在其侧面附近行驶，调整原内墙厚度，调整部分钢筋级别，通过注浆对墙体外部土体进行加固，加大导墙的外放值，在确保完全止水前提下分段凿除已发生侵限的墙体。

(2)对基坑连续墙变形进行严密的施工监测，监测内容包括地基变形、临近建筑物的变形等。有任何异常情况出现时应及时上报，并对周边环境仔细观察以防地面塌陷。制定应急措施，在凿除侵限墙体前进行注浆止水措施，同时准备好抢险加固的各类物资(如沙袋、木头、棉被和抽水设备等)。

表1 福州地铁1号线车站情况统计

2.1.2 花岗岩残积土层

花岗岩残积土兼具粘性土和砂土的工程特性，在天然状态下具有较低的压缩性、较高的承载力和较大的抗剪强度，但遇水后力学性质显著降低。花岗岩的全风化层及残积土中均匀分布残留的球状风化岩块(孤石)，对桩基及地下连续墙等的施工造成极大的困难。福州地下水丰富且埋藏浅，易导致花岗岩残积土层遇水发生软化崩解，从而导致机械陷入已开挖的土石方形成的泥潭中；基底亦容易形成积水坑，导致开挖困难甚至基坑四周塌陷；花岗岩残积层透水性好，易导致基底冒水或开挖面汇流积水成泥石流，造成基底软化，承载力下降，难以满足设计要求；花岗岩残积土层的石英含量高，易导致地下连续墙接头渗水、连续墙水平位移以及周边地基沉陷及周围构建物的破坏等风险。对于明挖基坑风险可采取如下措施[1]。

(1)做好地质勘察分析，加强加密花岗岩残积层的地质补充勘察，通过对地质资料的全面认真分析并结合工程特点，通过基坑设计和施工进行改善；采取机械和人工相结合的施工方法，为防止残积层软化崩解成泥潭或形成泥石流，在开挖面横向设置挡土墙、排水沟和集水井进行抽排水；进行实时监测与反馈，及时调整设计和施工方案，重点监测基坑和周围重要构筑物。做好应急预案和物资材料的准备工作。

(2)进行基底土层抛石换填处理和综合排水措施。及时把抛石挤压出来的泥土清除，清底厚度要比基底深60 cm,在垫层混凝土后不能有渗水和冒浆。排水沟要分别设置在基坑双侧和中部，并在抛石前铺设直径不小于10 cm的PVC排水管。

(3)采用及时架设或局部增设钢支撑控制地下连续墙的变形，在基坑内侧墙通过注浆止水，通过袖阀管在地表沉陷处注浆加固地层和封堵措施。在集水坑四周采用咬合为10 cm的双排50 cm单管旋喷桩进行护壁，以减低失稳的风险。

3 隧道

福州盆地的基底由花岗岩、岩脉、部分凝灰岩、凝灰熔岩及其风化形成的残积土等组成, 覆盖其上是第四纪河-海相沉积层。在地铁1号线路各区间范围内，上覆的第四纪沉积物结构复杂，土层种类多, 路线经过的不良工程地质体分述如下。

(1)淤泥层。该土层具有含水量高、孔隙比大、强度低、灵敏度高、易扰动的特点，有明显的触变、流变特性，稳定性差。

(2)软硬不均地层。福州地区由于闽江冲积和海侵淤积的相互作用，地层厚度变化大，软硬不均现象明显。

(3)孤石。福州地区是花岗岩和火山岩分布广泛的区域，花岗岩有着球状风化的特性，而火山岩类中流纹岩、凝灰熔岩等风化各向异性极大，均易形成各种孤石。

(4)断裂带。福州地铁1号线经过的区域分布有北北西向和北东东向构造带，岩石断裂、节理裂隙发育。

(5)富水砂层。在盾构穿越的闽江段，盾构机通过的岩土层是以第四系河-海相冲淤积层的饱和砂土为主，该土层容易振动液化。

3.1 软硬不均地层

软硬不均匀地层以淤泥、粉质粘土、中砂、卵石、残积土及风化岩为主，部分地段上部土层为粉质粘土，下部土层为风化岩[2]。淤泥在动力作用下土体结构易破坏，造成土层流动以致开挖面失稳；同时因软弱土层的排土量较多，有可能会引起地层不均匀沉降；在软硬不均地层中，由于上下岩土体性质差异较大，导致盾构机受到的上下阻力不均匀，易引起盾构在路线方向上的偏离，导致盾构机姿态难以控制，易发生叩头或隧道轴线向上偏移等事故；花岗岩残积土层因石英含量高，硬度大，长石的高岭土化使其力学性能极不稳定，遇水易发生软化崩解。在盾构过程中，由于刀具接触的是软硬程度相差悬殊的岩土体，使得刀具、刀盘发生偏磨,甚至崩裂损坏。应对这些风险可以采用如下措施加以防范。

(1)参照各地同类岩土体的施工经验，设计出适合福州地区上软下硬地层的盾构机类型和刀具配置模式(如采用全断面滚刀)。

(2)补充、加密勘察布孔点，分层分段彻底查明隧道内淤泥、粘土、花岗岩残积层、全风化岩、强风化岩、中风化岩和微风化岩的埋深位置和分布范围。在路线设计时尽量避免在这些地层中掘进，若无选择的余地，应尽可能在盾构机到达前，通过地面竖井或冲孔桩或火工爆破来清除或解体隧道下部硬质岩。

(3)对不良岩土体实行加固，根据掘进的难度和速度及时调整刀具更换计划，保证盾构的掘进质量与效率、减少换刀的风险与时间。

(4)配备盾构机扭矩、推力的上限自动报警装置，减少因扭矩或推力过大造成上部岩土体的坍塌事故。

(5)土层加固时尽量不采用会形成有压力的泥浆“脓包”的钻孔桩方式，多采用旋喷桩或袖阀管注浆加固措施。

3.2 孤石地段

据勘察盾构的象峰站—秀山站—罗汉山站、树兜站—屏山站、达道路站—上藤路站—三叉街站、三角埕站—火车南站等区间均有孤石出现。孤石大小不均匀，稍有不慎就会导致盾构机刀盘损坏、偏离轴线，甚至是长时间停机事故。而花岗岩球状风化的难破碎、易滚动的特点将导致刀具刀盘损坏，盾构机姿态难控制、掘进速度减缓，残积层扰动沉降加大，也可能带来塌方事故；花岗岩残积土，全风化岩遇水极易崩解、泥化带来换刀风险。应对风险可采用如下措施。

(1)选用配置能专门破碎花岗岩孤石的盾构机；加密地质勘探钻孔，有针对性的查明花岗岩孤石的分布范围。

(2)在花岗岩球状风化地段，对盾构机的刀具刀盘要求做到勤检查、勤更换，检查要彻底要全面；采用压气作业，快速更换刀具，降低因花岗岩残积土及全风化岩遇水崩解泥化带来的换刀风险。

(3)实时监控土仓温度、掘进速度、刀盘扭矩转速和贯入度，减少施工中因刀具偏磨与崩断造成的风险。

3.3 穿越断裂带

福州盆地为闽江下游断陷区，后期断裂发育，褶皱不显著。北北东和北东向长乐—诏安断裂构造带、北西向南平—福州断裂构造带和近东西向闽清—连江断裂构造带，3组方向的区域性大断裂形成了福州盆地的基本构造格局，再加上次一级北东东—北北西向2组共轭断裂大量发育，最后形成了福州“棋盘式”的构造骨架[3]。

路线经过的北北西向断裂构造主要有八一水库—尚干断裂，断裂具张扭性特征；北东东向构造主要为桐口—八一苗圃断裂带、大凤山—乌山—于山断层，断裂具压扭性和脉岩贯入。断裂带处和节理裂隙发育地段容易成为富水层，渗透性极强易成为水源通道，增加喷涌的概率。断裂带围岩软硬程度在物理力学和化学作用下发生了突变，易导致盾构机姿态失控，刀盘刀具等损坏。断裂带是稳定性极差的地质体，易导致掌子面坍塌。为降低断裂带施工风险可以采用如下策略。

(1)盾构前应补充加密勘察钻探，以查明断裂带的走向、倾向、倾角以及分布宽度，周围地下水埋藏情况，评估其影响。

(2)增加注入盾尾的密封油脂量，严密监视密封刷损毁和铰接处的密封情况，减少密封失效风险。

(3)调整注浆浆液配合比、增强注浆量、延长胶凝时间，预备充足泥浆、加大人工造浆比重、粘结度来减少泥浆的流失风险。

(4)实施地面建筑物倾斜、地表沉降与地下水位变化等多点面相结合的监测方式，及时给施工提供有效的信息。

3.4 富水砂层

地铁1号线过闽江区间段(CK12+408.436～ CK12+632.00，CK12+835.00～ CK13+525.00)的盾构埋深为24.00～39.00 m，经过的地层有淤泥夹粉砂、淤泥质土夹粉砂、中砂、细砂；围岩地层主要由透水性强的中砂、细砂、卵石和薄层的粉土组成*浙江省工程勘察院, 福州市建筑设计院，福州市轨道交通1号线工程(二标段)达道站—上藤站区间岩土工程详勘报告，2010。。依据铁路工程抗震设计规范及建筑抗震设计规范对场地内地层进行判别，得出其局部为可液化土，抗液化指数平均值为0.82。这些以饱和砂土及粘性土为主的第四系河-海相冲淤积层，围岩基本分级为Ⅵ级，隧道围岩多为承压含水层，地下水丰富，渗透性好，隧道施工中易发生渗水。在水力作用下极易产生流砂、坍塌等现象，导致掘进面不稳定，尤其是砂土层突发性的涌水和流砂会引起地面沉降，严重时会随着地层空洞的扩大引起地面的突然塌陷[4]。应对风险可以采用如下策略*上海同济大学，上海市崇明越江通道工程风险分析研究总报告，2003。。

(1)对砂层进行注浆加固；挑选状态优良、性能先进的与隧道地层相适应的盾构机；盾构过江前根据地质勘察资料选取某一稳定性相对好的地层里程处，暂停盾构机所有的工作，打开机舱全面检查刀盘刀具磨损状态、各传感器、注浆系统和盾尾铰接处等的密封情况，对可能影响施工的刀具、传感器进行更换，对可能发生渗漏部位加固或更换密封圈进行高压密封抗渗测试。一旦盾构机掘进过程出现偏差，应循序渐进地进行纠偏。

(2)严格挑选管片的型号使之与盾构机中心轴线保持一致，以减少因盾尾间隙的均衡性不够导致的漏水、漏浆风险事故发生的概率。出现喷涌时应先分析判断水的来源部位，通过二次注浆等手段截断来自盾构后方的水源，再通过放水降压、调整掘进模式和补充添加剂等办法来控制。

4 结语

(1)福州地铁1号线的车站开挖施工中，巨厚淤泥层、富水砂层和花岗岩残积土层是主要不良工程地质体。可能导致坑底土体软化和隆起、基坑底部流砂和突涌、泥石流、连续墙侵限和渗水等地质风险事故。施工时可先通过注浆加固淤泥和富水砂层，导墙施工前预先增设咬合搅拌桩；在残积层开挖面设置横向挡土墙，基底土层抛石换填，并设置排水沟和集水井等措施。

(2)在隧道施工中，不良工程地质体广泛分布。岩土体软硬程度不均和孤石无规律性易导致盾构机的失控并导致塌方、坍塌等；断裂带与富水砂层的存在，施工不慎易引起喷涌、突水、地面沉降，甚至是地面突然塌陷等不良地质体引起的风险事故。在施工前要预先做好地质工程补充勘察与资料分析，盾构机选型、密封情况的检查和刀具的及时更换，隧道下部硬岩的预先解体，软弱土层的导管注浆加固等措施。

(3)为了降低施工风险，除了采用上述具体措施外，还要做好施工中的开挖面变形和盾构机的动态监测与反馈控制，将风险损害消除在萌芽中。

1 林志元,孔少波,陈乔松,等. 广州市轨道交通三号线土建施工技术研究. 广州:暨南大学出版社,2010.

2 陈晨,肖武芳,周伟波.福州市轨道交通1号线南门兜站岩土工程勘察探讨.中华建设,2012, (1).

3 林晨.福州盆地工程地质特征及其勘察与施工. 矿产保护与利用. 2002, (5).

4 刘凤华,季军,梁真,等.国产863土压平衡式盾构机在砂性土中长距离推进的施工优化. 建筑施工,2010,32(9).