青岛地铁M4号线滨海地段工程地质特征与施工安全因素分析

冀东，魏嘉新，何松，邵铖，孙玺

(1.青岛市勘察测绘研究院 山东 青岛 266032； 2.青岛岩土工程技术研究中心，山东 青岛 266032)

青岛地铁M4号线滨海地段工程地质特征与施工安全因素分析

冀东1，2*，魏嘉新1，2，何松1，2，邵铖1，2，孙玺1，2

(1.青岛市勘察测绘研究院 山东 青岛 266032； 2.青岛岩土工程技术研究中心，山东 青岛 266032)

青岛地铁M4号线里程CK0+000.0～CK0+889.1(m)段位于青岛前海滨海地段，线路穿越历史风貌旅游区及热点学区，周边环境与工程地质条件十分复杂，隧道结构紧邻海岸线，涉及明挖法、矿山法、TBM法等多种施工方法，施工安全风险高。在开展详尽岩土工程勘察工作的基础上，分析了该地段的地质构造、工程地质与水文地质特征；根据影响该段隧道施工的安全因素，指出了施工过程中可能出现的岩土工程问题；基于不同工法与隧道围岩分级特性，提出了针对性的设计与专项施工建议。研究成果对于青岛地区后续地铁线路的勘察、设计以及施工具有一定的指导意义。关键词：青岛地铁；滨海地段；工程地质特征；施工安全

1 引 言

城市轨道交通因其安全、高效、快捷等特点，已逐渐成为解决城市日益严重的交通拥堵以及污染问题的首选方案，被提到了城市持续发展的重要地位[1，2]。根据青岛市轨道交通线网规划，全市规划形成轨道交通线路19条，全长 814.5 km。目前，地铁建设在青岛进入了快速发展的黄金时期，M1、M2、M4、R1、R3等多条线路正处于全面建设阶段[3]。

城市地下轨道交通建设是在岩土体内部进行的，无论采用何种开挖方法以及隧道不同的埋深，施工建设不可避免地将扰动地下岩土体，使其失去原有的平衡，导致地面沉降甚至地下己有管道破坏、地面建筑物的损坏[4，5]。为此，必须通过科学严谨的岩土工程勘察工作，查明控制轨道交通线路安全的特殊地质的性质、特征、范围、影响程度及其发展趋势，对影响地铁施工安全因素进行专项分析与充分研究，并提出预防措施的意见与建议，具有重要的现实意义[6，7]。

图1 青岛地铁4号线线路示意图

青岛地铁M4号线为主城区东西向的骨干线，连接了市南区、市北区、崂山区，线路总体呈东西走向，从青岛城区的中部东西向连接老城区、东部新区以及崂山区沙子口镇，如图1所示。线路全长约 30.66 km，全部为地下线，共设25座车站。根据初步设计阶段工程筹划，项目计划2016年开工，2020年建成。里程(m)CK0+000.0～CK0+889.1段线路位于滨海地段，穿越前海历史风貌旅游区、热点学区，车站结构及地铁隧道距海岸线最近距离仅数十米，与工程地质、水文地质条件及周边环境十分复杂；施工涉及多种不同工法，安全风险大[8]。本文在前期岩土工程勘察工作的基础上，依据该地段工程地质资料，通过工程地质专项分析与研究，对后续结构设计与施工提出针对性建议。

2 M4号线滨海段概况及地质条件分析

2.1 工程概况

青岛地铁M4号线滨海段是指紧邻前海海岸线，里程(m)为CK0+000.0～CK0+889.1的区域，线路长度 889.1 m，包括起点～人民会堂站区间、人民会堂站、人民会堂站～青医附院站区间三个工点。起点～人民会堂站区间采用单洞四线结构形式，采用矿山法施工，隧道洞宽约 21.3 m，基底埋深约 31.4 m～62.3 m；人民会堂站～青医附院站区间采用两条平行的单洞单线结构形式，采用TBM法施工，区间左、右线隧道平面曲线半径最小为 300 m，左右线线间距 14.0 m～16.9 m，线路基底埋深 30.8 m～37.0 m；人民会堂站为地下岛式车站，全长 280.6 m，标准段宽 21.3 m，车站拱顶埋深 14.0 m～17.0 m，采用暗挖法施工；车站小里程接矿山法区间，大里程接TBM区间；车站设斜井一座，全长 370 m，斜井入口紧邻海岸线；斜井入洞口段约 60 m范围内为明挖段，其余采用矿山法施工。

2.2 工程地质条件

本段线路穿越区域除起点-人民会堂站区间外，整体地形相对较为平坦，由东北向西南缓降，地面标高在 3.68 m～18.81 m。

按照地貌时代-成因-形态，本区段地貌可划分为剥蚀斜坡、剥蚀堆积、侵蚀堆积、滨海岸滩地貌单元。其中剥蚀地貌在本段表现为剥蚀斜坡；剥蚀堆积地貌表现为剥蚀堆积缓坡；侵蚀堆积地表现为侵蚀堆积一级阶地。

场区岩土层特征 表1

2.3 地质构造条件[9，10]

受华夏系构造体系控制，青岛地区区域性主构造迹线走向为一组呈斜列式展布的NE向断裂，具有高倾角、总体倾向北西、局部反倾向的特点。由西往东为沧口断裂、劈石口-浮山所断裂、王哥庄-山东头断裂；走向均为NE40°～45°，倾向不一，倾角较陡，具反向倾斜的特点。结构面力学性质以压性～压扭性为主，燕山早期左行平移特征十分突出，燕山晚期右行平移运动明显；三条断裂的平面展布大致具有等间距性，派生构造发育。对M4号线线路影响比较大的断裂为夏庄～沧口断裂及其派生的次级断裂。

影响本场区的主要断裂为青岛山断裂。该断裂为左行压扭性断层，为沧口断裂的次级断裂，该断裂发育在青岛山、双山一带，向南延伸入黄海。走向NE40°，倾向北西，倾角46°～80°，断裂宽约 25 m～30 m，带内发育碎裂岩，沿断裂方向有脉岩侵入。

为进一步查明断裂破碎带特征，通过高密度电法对该区段进行了工程物探测量。根据物探测试成果(图2)，推测本区段受青岛山断裂影响，主要有2条断裂通过，编号F1(关山断裂，青岛山断裂东支)、F2(青岛山断裂)。勘察期间针对F1～F2断裂布置了勘探孔进行验证，在推断断裂带范围内钻探揭露有煌斑岩及构造岩，与物探推断结果基本吻合。

图2 高密度电法电阻率反演断面图(CK0+300.0～CK0+600.0)

2.4 水文地质条件

场区地下水主要包括第四系孔隙潜水与基岩裂隙水。二者间无稳定的隔水层，具有一定的水力联系。

基岩裂隙水在场区主要以层状、带状赋存于基岩强风带、裂隙密集发育带及构造破碎带中。由于裂隙发育不均匀，其富水性不均匀。强风化带透水性较差，富水性贫；节理发育带及构造破碎带的裂隙张开性好，导水性较强，富水性中等。稳定水位埋深约 1.35 m～16.00 m，稳定水位标高-6.14 m～10.37 m。

由于拟建人民会堂站位于近海，车站主体部分及斜井明挖段距离海岸线距离分别为 180 m及 30 m。为查明线路主体结构区域与斜井明挖段的地下水与海水的水力联系，勘察期间分别在上述地段设置了水文观测孔。

勘察期间于距离海岸线较近的人民会堂站C号出入口位置设长期水位观测孔一处，于2015年12月18日～2016年1月14日每天中午13点连续观测水位。经测量水位埋深 3.15 m～3.59 m，水位标高：0.64 m～1.09 m。水位变化与海水潮汐变化基本一致，但水位浮动较小，地下水与海水有一定的水力联系，但联系较弱。

斜井明挖段选取两处勘察钻孔进行长期水位观测，高潮和低潮期的部分观测结果如表2所示：

地下水与潮汐联动性水位观测表 表2

经测量，44号孔地下水位与海水潮汐变化具有一定的联动性，与海水具有一定的水力联系。推测该地段水位变化除受潮汐、海水倒灌影响外，还受大气降水、西侧暗渠、周边地下管线及栈桥海景项目施工的影响。

3 影响地铁隧道施工安全因素

本区段地铁隧道洞深及斜井通过的围岩以中～微风化的岩石为主，本地段揭露的主要断裂为青岛山断裂及其次生断裂关山断裂，属以NE向为主的左行压扭性断裂构造，为非全新性活动断裂。两条断裂与线路相交，周边围岩受其影响较大，整体上较为破碎，局部揭露层带状构造岩。场区地下水局部赋存丰富。

本段地铁线路穿越青岛市前海历史风貌旅游区，沿线建筑多为旅游景点等老旧建筑，路面交通繁忙。车站、区间主体结构及斜井周边主要地下构筑物包括栈桥广场、栈桥海景项目、大学路暗渠及各种地下管线。栈桥广场为地下三层建筑，埋深约 20 m，拟建人民会堂站2号风亭组紧邻栈桥广场地下室北侧；栈桥海景项目附带4层地下室，埋深约 25 m，拟建斜井距离其北侧边界最近处仅 7 m；大学路暗渠宽约 10.7 m，高 1.6 m，埋深约 0.5 m～1.0 m，为浆砌片石结构，暗渠底板为 50 cm片石，车站斜井明挖段西侧紧邻该暗渠。

综上所述，本区段地铁隧道围岩稳定性差～很差，周边地上地下环境复杂，施工安全风险高。

(3)混业经营管理混乱。传统金融企业实行的是分业经营，然而互联网金融企业利用互联网和大数据技术，将银行、保险、证券等跨行业的金融产品融合，实现混业经营。互联网金融理财平台相应转型成为了跨行业的综合性理财平台。然而许多互联网金融理财平台内部协调管理水平较低，导致平台内部各部门容易相互恶性竞争，降低了平台的整体效益，增加了的平台的互联网金融风险。

4 设计与专项施工建议

4.1 人民会堂站主体开挖与支护建议

根据设计资料，人民会堂站车站拟采用暗挖法施工。洞室跨度约 21.3 m，高度约为 15.0 m。设计时应根据不同围岩分级段采取必要的支护措施[11]。

Ⅲ级围岩段隧道围岩稳定性较好，可采用全断面开挖，但考虑节理裂隙发育地段围岩稳定性较差，应控制开挖进尺，初期支护采用锚喷挂网支护处理。

Ⅳ级围岩段洞室开挖受青岛山断裂及其次生关山断裂的影响，围岩较破碎、均匀性差，整体地质条件复杂，掘进条件较差。建议采用台阶法分段、分部开挖，减少单次开挖跨度，拱部采用超前小导管(锚杆)进行超前支护，初支可采用锚喷及格栅钢架，对渗水明显部分采用洞内注浆法封堵地下水。

Ⅴ级围岩段洞室围岩稳定性差，建议采用台阶法分段、分部开挖，初支可采用超前小导管+格栅钢架，结合洞内帷幕注浆加固堵水，开挖可采用台阶法；局部地段节理密集发育，地下水量较为丰富，易发生突水突泥，施工时应加强排水和支撑防护，及时衬砌。

在洞室开挖过程中，由于围岩较差，如支护不及时，有发生较大坍塌的可能；由于岩体在水动力作用下，可加速其坍塌速度，在构造破碎带穿越洞身段以及下穿大学路暗渠段，应考虑超前支护及注浆堵水措施，及时对掌子面进行初喷封闭。从保护围岩少受扰动的前提条件出发，尽量采用小能量光面爆破开挖，基础施工前应进行人工清槽，将已松动的岩块全部清除。

4.2 TBM区间施工建议

本区间围岩分级为Ⅲ级的区段，隧道整体稳定性较好，隧道洞身范围内微风化岩层的饱和单轴抗压强度平均值 63.40 MPa，耐磨性指数平均值3.36，耐磨性等级为强；TBM掘进机在Ⅲ级围岩区段的微风化岩层中掘进时，刀具磨损可能将非常严重，需经常更换刀具[12]。

受青岛山断裂及其派生断裂的影响，发育有块状碎裂岩，该层点荷载换算的抗压强度平均值约 25.10 MPa，耐磨性指数平均值1.91，耐磨性等级为低；在受断裂影响显著、块状碎裂岩发育的区段，围岩整体均匀性差，自稳能力较弱，围岩等级为Ⅳ级。TBM机经过Ⅳ级围岩地层时，应尽可能快速通过，同时可考虑配备超前注浆设备，对软弱破碎围岩进行洞内注浆加固处理后再掘进，减少机体被抱死的可能性；掘进过程中严格控制掘进速度、刀盘转速、推进力等参数。出现异常情况立即停机检查，并及时跟进管片衬砌。

本区间TBM机掘进时转弯半径较小，若处理不当，存在卡机的可能，在掘进施工时应选用合适的方式方法以确保掘进工作的顺利进行，避免卡机等事故的发生。

4.3 斜井暗挖段及明挖工程施工建议

斜井XDK0+257.7～ XDK0+267.1段围岩分级为Ⅴ级。洞身开挖围岩拱顶以上强风化花岗岩厚度较薄，上覆中细砂层，岩体结构及强度较差，对拱顶开挖与支护不利。综合考虑地下水及施工震动、地面荷载等不利因素，建议采用台阶法开挖，初支可采用超前小导管+格栅钢架，结合洞内帷幕注浆加固堵水。XDK0+267.1～ XDK0+310.0段围岩分级为Ⅵ级。该段位于明暗挖分界处前约 35 m处，拱顶为第①层中细砂，为主要含水层，地下水量丰富，围岩稳定性差，对拱顶开挖与支护非常不利，开挖时若处理不当极易发生坍塌。施工难度及风险较大，建议采用管棚超前支护，严格控制开挖进尺和断面，采用台阶法开挖并结合格栅钢架及锚喷的形式进行支护。严格控制施工爆破药量，尽量减少对拱顶围岩的扰动。

本区段明挖工程主要集中于人民会堂站工点，涉及TBM机吊出竖井、车站出入口、风亭。明挖基坑侧壁安全等级为一级，揭露第四系厚度约 15 m。由于放坡空间有限，建议采用桩锚支护方式开挖，开挖过程中应分段开挖，边挖边支。止水方式采用高压旋喷桩作为止水帷幕，止水帷幕应进入基岩一定深度。

5 结 语

青岛地铁M4号线除穿越前海滨海地段外，其沿线区域的地质条件基本涵盖了青岛地区常见的地形地貌及地层情况，具有典型代表意义。建议对该线路的勘察设计工作成果进行深入分析与总结，并有针对性地开展一些课题研究工作，为青岛市后续地铁线路勘察、设计和施工工作的顺利开展提供可靠的支持。

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Engineering Geology Characteristics and Analysis of Construction Safety Factors for Coastal Area of Qingdao Metro Line M4

Ji Dong1，2，Wei Jiaxin1，2，He Song1，2，Shao Cheng1，2，Sun Xi1，2

(1.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266032，China； 2.Geotechnical Engineering Technology Center of Qingdao，Qingdao 266032，China)

Mileage CK0+000.0～CK0+889.1(m) section of Qingdao metro line M4 is located in coastal zone，which cross historical landscape tourism area and hot school district. Owing to its special geographical location close to coastline and complex engineering geology and environment conditions，subway construction including subsurface excavation method，mine tunneling method and TBM method are confronted with hidden danger.On basis of geotechnical engineering investigation work results，geological structure，engineering geology and hydrogeology are studied. According to influencing factors of tunnel construction safety，the probable geotechnical problems during construction period are pointed out. Specific suggestion for design and construction are proposed based on different construction methods and rock mass levels. Achieved results can be served as a reference for investigation，design and construction of future metro lines in Qingdao area.

Qingdao subway；coastal area；Engineering geological characteristics；construction safety

1672-8262(2017)03-158-05

P642

A

2017—01—07

冀东(1987—)，男，博士，工程师，主要从事岩石力学与工程、岩土工程勘察技术的研究与生产工作。