某工程地质风险分析及控制措施

金亮亮

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300000）

近年来，我国经济增长态势明显，城市化建设不断推进，城市各类大型基础设施建设发展迅速。城市隧道作为城市交通运输的重要形式之一，其产业也在技术和政策的推动下快速发展[1]，然而在快速发展的背景下各类事故层出不穷，据不完全统计分析，工程地质条件是工程安全风险产生的重要客观因素之一[2]。本文通过对温州某隧道工程地质条件进行风险分析评价，提出切实可行的控制措施建议，从而指导工程勘察阶段设计和施工，以保证工程质量。

1 工程地质概况

拟建工程主要跨越3个地貌单元，主要为山前平原和冲海积交汇地貌、河流地貌及冲海积平原地貌；地层自上而下主要为人工填土、“硬壳层”黏土、冲海积相淤冲积软土、河湖相沉积的黏性土、河流冲积相黏性土、砂土、碎石土及局部揭露的中风化基岩，下穿瓯江水道，地下水强烈发育，主要分为孔隙潜水、孔隙承压水及基岩裂隙水3类，孔隙潜水主要赋存于陆域区的淤积软土层的夹砂孔隙中，整体呈弱透水性，埋藏较浅；孔隙承压水主要分布于第四系的上部砂土层和深部卵石层等含水层内，水位受潮汐影响大，水位动态变化大，地下水主要受瓯江和相邻地层的侧向渗透补给，地下水具承压性，对工程影响重大；基岩裂隙水主要赋存于凝灰岩风化裂隙和构造裂隙中，由于凝灰岩成层性差，多呈块状，虽节理裂隙发育，但延伸不长，且以闭合状为主，水量较小，对工程基本不影响。地下水主要受瓯江和相邻地层的侧向渗透补给。

2 地质条件可能造成的工程风险分析及控制措施

2.1 工程地质条件风险分析

2.1.1 地质构造风险

拟建场地地貌类型主要为冲海积平原地貌、河流地貌及山前平原和冲海积交汇地貌，地形稍有起伏。根据区域地质资料及物探成果资料，区内无与本工程相交的断裂，对本工程距离较近的区域性大断裂主要为对本区影响较大的淳安—温州大断裂，为非全新世活动断裂，区域地壳基本稳定。

2.1.2 不良地质作用与地质灾害风险

不良地质作用和地质灾害主要为地面沉降、砂土液化和有害气体等。场地的软弱土波速一般大于90 m/s，可不考虑软土震陷的影响。本场地地面沉降危害性中等、危险性中等。综合评价，本场地基本稳定。砂土地震液化时，土体失去抗剪强度和承载能力，液化会导致地面下沉、结构地基基础破坏等；当液化层位于基底以上时，对隧道结构底板影响相对小，但对于基坑永久性支护工程有影响。温州地区地下有害气体主要是浅层气，主要埋藏于粉砂夹淤泥、粉砂层中。区域浅层气较富集，气压高、含气量大，且贯通性好，气体一旦被揭露后，会大量喷出，将会快速改变地下水孔隙水压力，造成周边土体变形，对隧道、桩基和基坑等工程造成多种危害；若有害气体揭露于隧道内，如果得不到有效通风稀释，有害气体浓度较高时，人员呼吸后可能会引起身体不适甚至引起窒息；当有害气体富集到一定程度并达到一定浓度后，遇火源可能会燃烧或发生爆炸。建议施工时针对有害气体进行有控放气，加强基坑及隧道结构稳定性验算。盾构掘进时有害气体渗入隧道的可能性较大，建议采用高抗渗性材料，同时加强施工监测，改善施工条件，制定针对性的施工安全规则，一旦遇到险情，立即启动应急预案。

2.1.3 特殊性岩土风险

（1）填土。填土层沿线广泛分布，厚度差异较大，局部填有碎石、砖块和砼块等建筑垃圾，堆积时间短，一般为松散、欠压实，均匀性差。人工填土层成分复杂，具有高压缩性，力学性质差异较大，工程性质差，稳定性较差。明挖施工时边坡稳定性差，易发生坍塌，如有雨、污水管线渗漏，易形成空洞，暗挖施工地层经扰动后，可能会引起地面塌陷，且不宜作为地基持力层。对于填土层较薄地段，基坑开挖施工前需清除填土，对于填土层较厚地段，应根据周边的环境条件确定合理的支护方式。填土对路基稳定性不利，设计应采取相应措施，降低不利影响。

（2）软土。场地软土主要为海陆交互相沉积成因的淤泥、淤泥质土层，场地内分布广泛。软土具有很高的含水量，总体呈流塑状，并且软土具有透水性差、高压缩性等特征，易受到外界因素干扰，因此具有很高的灵敏性，并且在力学方面表现为低抗剪强度与低承载力等特征，基本所有的软土均需要处理才可满足工程要求[3]，且软土尚未完成固结，固结作用时间很长，在固结过程中，会对桩基础产生负摩阻力，对建筑物桩基荷载带来影响。桩基础施工时，容易出现桩基缩径或断桩。软土在基坑开挖后受扰动后易形成滑动面，造成土体对支护结构产生剪切效应，产生地面沉降；在地下连续墙施工中易造成缩孔或者缩槽，应采用有效措施防护；隧道施工时存在地面不均匀沉降的地质背景。采用搅拌桩、旋喷桩进行软土地基处理时，应考虑有机质的影响；不同地基基础形式设计时需注意地基不均匀沉降的影响。

2.2 水文地质条件风险分析

场地地下水主要分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。其中，第四系松散层孔隙水主要赋存于填土层、砂层和卵石层中，砂层、卵石层地下水存在承压性；基岩裂隙水主要赋存于中风化凝灰岩中，节理裂隙发育不均匀，局部具承压性。由于场地地下水具有承压性，开挖过程中，地层可能发生突涌，造成塌孔，影响桩基、基坑施工。地下连续墙基底坐落于卵石层时，若施工中措施不当，存在承压水沿连续墙与地层接触面渗流、突涌至基坑风险。

2.3 工程风险地质条件控制建议

根据上述针对本工点地质风险分析，依据住建部【2018】37号文《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》对工程范围的划分，拟建工程为超过一定规模的危险性较大的分部分项工程范围。参照住建部印发的《大型工程技术风险控制要点》对本工点可能发生的工程风险的地质条件控制建议如下。

2.3.1 不良地质作用与地质灾害风险控制

为防止表面松散填土受荷载作用后产生地面沉降，应对填土层进行换填或压实处理。

场地部分钻孔揭露有害气体，当工程实施时会打破土层中原有的气水平衡状态，使得土层内部力学结构失衡重新组件，因此对其稳定性影响很大。再者地下工程环境多为密闭、半密闭空间，气体循环性差，一旦有害气体溢出，将会在狭小的环境中聚集积累，当有害气浓度达到一定程度后，遇到施工设备或其他电器设备产生的电火花时极易发生火灾甚至爆炸，因此必须提前做好通风工作，确保足够的空气循环，从而降低空气中有害气体的浓度，并做好机械、电器等相关易产生电火花的设备的保护措施，并采取相应的防爆处理措施。

为防范浅层气危害，需对基坑和盾构内沼气浓度进行监测，对沼气进行信息化动态控制，针对不同点的监测值，采取不同控制技术。在明挖基坑结构设计中，对地下高压浅层气采取排气为主、隔气与排气相结合的设计原则。排放系统主要由在结构底板下部设置的滤气层和在地下连续墙内预埋的排气管组成。盾构隧道施工过程中，在浅层气富基地段中，盾构隧道最好采用具有超前触探排装置且密闭性好的盾构机，防止工程施工过程中出现安全事故。

考虑砂土液化对桩基负摩阻力、浮力变化的影响，可根据不同建筑的抗震要求是否考虑液化土的影响，并根据要求采用相应抗液化措施。

2.3.2 地震安全性风险控制

本场地属对建筑抗震不利地段，需考虑地震作用影响，设计时采用对应的地震动参数。

2.3.3 地基强度不足和变形超限风险控制

桩基持力层地基主要为卵石及中风化岩，天然状态下力学性质较好，可满足桩基承载力要求，但由于岩层风化不均匀，可能存在风化夹层。因此，桩基施工时应确保桩基进入中风化岩一定深度，保证桩基承载力，避免沉降变形。

2.3.4 桩基成桩风险控制

在桩基施工时，地下水可能突涌而出，造成孔壁坍塌，需要降低地下水位、优化钻探工艺、配比合适浓度的泥浆进行护壁，尽量减少沉渣。同时，应根据地下水的腐蚀性的分级，采取相应的防腐措施。

为防止人工填石掉入孔内对桩基质量造成影响，因此施工时，应对桩位处的杂填土预先清除，同时用护筒将填土隔开，避免填石掉进孔内而影响施工。浅部土体为软土，具高压缩性，且易缩径，施工时应引起重视。为防止桩端土层发生松驰和桩侧泥皮包裹，保证桩基承载力的正常发挥，需采用合适的泥浆比重，并选择先进的施工工艺，各道工序应连续进行，特别在成孔和浇灌工序方面，需一次性完成，并且在施工时需确保桩身质量，并检查控制底部沉渣的厚度及桩侧面的泥皮厚度，防止桩端土层发生松驰和成孔泥浆包裹桩体。减沉桩施工时应注意上部杂填土、淤泥夹粉砂和含粉砂淤泥等地层产生负摩阻力对桩基的影响，以卵石层或中风化基岩为桩端持力层。

2.3.5 基础开挖风险控制

应尽量减小基础开挖时的边坡坡率，有条件的情况下建议平整场地至基础顶高度再开挖基础。如场地受限，开挖坡率较大时，应对开挖面进行加固或采取支护措施。基础开挖时做好防排水措施，防止地基土浸水后软化。

2.3.6 基坑开挖风险控制

基坑开挖范围内主要为人工填土层、淤泥夹粉砂、含粉砂淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土及软塑、可塑状粉质黏土、砂土层，局部为中风化凝灰岩等。人工填土层、淤泥夹粉砂、含粉砂淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土及软塑、可塑状粉质黏土和砂土层稳定性差，应根据开挖进展情况及时采取内支撑方案，以减少坑壁位移。基坑开挖时应重视土性差异特点及第一孔隙承压水、第二孔隙承压水对基坑施工造成的不同影响。为了保证坑内良好的施工条件，基坑开挖范围内的软土、砂土层，必须以分层、分段、对称、均衡和适时的原则开挖，层高不宜超过2.0 m，分段长度不宜超过10.0 m。同时应控制开挖速度，使土体应力逐步释放，有效控制基坑边坡稳定。

基坑周边分布有民房、市政道路等各类建（构）筑物的基础，穿越该段落时需加强监测，尤其是河道南北岸护岸工程与隧道相交，建议设计及施工时进一步核查该基础的具体位置、基础顶底板标高于拟建基坑工程位置关系，避免不利影响。基坑开挖时应加强对支护结构、地下水状况、基坑底部及周边土体、周边既有建筑物、周边地下管线及设施和周边道路等的监测，从而保证基坑的正常施工，并及时规避对周边建筑存在的各项隐患。监测项目应根据相关规范执行，监测的范围满足地下结构物外缘两侧1～3倍基坑开挖深度范围，包括范围内存在的地下及地面建（构）筑物、地下管线、地表及周边道路等。如发现异常变形，应分析原因，必要时需进行加固处理。

基坑内降水土方开挖而形成基坑内、外水土压力差及坑底土卸荷回弹均可能造成坑底土体向上隆起。向上隆起的基坑会降低土体的强度，并且严重时可能会造成周围土体的流失，可能导致基坑周边及附近的建（构）筑物被破坏，甚至坍塌等风险。因此需采用深层搅拌方式，通过这种方式来加强基坑底部的土体强度，避免基坑坑底隆起，但是不适合采取注浆的方式来加固基坑底部。

基坑周边及底部以粉砂及软弱黏性土为主，对基坑侧壁稳定性不利，支护结构刚度不足时易产生侧向位移，造成地表沉降和开裂。基坑开挖应坚持“先撑后挖，分层开挖”的原则，严格控制支护结构的侧向位移，以免引发地表变形。

为确保地下连续墙在正式施工时合理的参数及工艺，需在成槽前进行相关试验，以确保工程安全进行。成槽施工前，应沿地下连续墙两侧设置导墙。成槽前，应根据地质条件进行护壁泥浆材料的试配及室内性能试验，泥浆配比应按试验确定。同时导墙开挖时，宜以挖至原状土为标准，对杂填土厚度较大的位置，导墙开挖完成后，宜探明浅部有无影响连续墙施工的障碍物。连续墙穿越土层有软土、砂土层，易产生槽壁坍塌。因此在连续墙施工中应配制合适的膨润土泥浆，保证槽壁的稳定性。成槽结束后应对成槽的宽度、深度及倾斜度进行检验。作为永久性结构的地下连续墙，土方开挖后应逐段检查。地下连续墙质量应满足现行施工条例及规范要求，同时其质量检测应符合规范要求。

井点降水时，均匀出水并采取合理的降水速度，避免降水过程中对含水层的潜蚀作用；在降水过程中需连续运转，防止反复抽水与间歇性抽水导致的地面沉降等风险；降水过程中，场地外围要设置合理的隔水帷幕，减少降水影响范围；为防止降水对邻近地下管线、建筑物产生不利影响，需要设置合理的回灌水系统，同时做好周边建、构筑物的变形监测。

2.3.7 盾构隧道风险控制

隧道下穿既有道路、市政管线和既有建筑物等，对盾构掘进存在很大的风险，施工前应采取相应处理措施。盾构掘进时须严格控制掘进速度，并采取恰当的施工方案和施工监测措施，根据实时监测结果及时优化调整掘进施工参数，做到信息化动态施工管理。建议加强对工程沿线道路、已有建（构）筑物、地下管线和深基础等的监测设计，避免对周围环境产生较大影响，盾构施工中应建立严格的监测控制系统，定期进行监测，确保隧道结构和环境的安全。

由于盾构底部纵向分布的土层性质不同，土层的扰动特性、回弹量、固结和次固结沉降量、沉降速率、沉降达到稳定时间等都有不同程度的差别，这将导致隧道纵向会发生不均匀沉降，设计时应注意。地面沉降的主要原因是盾构施工时引起地层损失，并使得隧道周边土层受到扰动，也或者是被剪切破坏的重塑土进行了再次固结而导致。建议设计时采取措施确保掘进面稳定及控制过大的地表沉降，盾构穿越软弱黏性土时推进速度不宜过大，以利于有效控制地面沉降。

盾构隧道施工过程中，在浅层气富基地段中，盾构隧道最好采用具有超前触探排装置且密闭性好的盾构机，防止工程施工过程中出现安全事故。针对下穿的已有建筑物或其他构筑物等应建立严格的沉降监测控制系统，以确保线路周边建（构）筑物和区间盾构的结构安全。

2.3.8 地下水突涌风险控制

地下连续墙基底坐落于卵石层时，若施工中措施不当，存在承压水沿连续墙与地层接触面渗流、突涌至基坑风险。建议设计时重视接缝处防绕流、地下连续墙墙壁质量控制，加强防、排水设计；同时加强地下连续墙倾斜和沉降监测设计。开挖过程中注意减少对地下连续墙的扰动，发现漏点时及时堵漏。加强对基坑、周边建（构）筑物及道路等的监测，特别是对基坑外侧水位孔进行观测，一旦出现异常，应立即停止开挖，检查异常情况出现的原因。如涌水量较大或水位出现异常等，停止开挖并对基坑采取止水加固等措施。

本隧道底板埋藏较浅，部分区段穿越或距离砂土层及卵石层承压水含水层较近，水压变化大，对盾构的防水性的要求极高。且上述含水层透水性强，易造成涌水、涌砂，导致开挖面的失稳和泥浆中含砂量加大而使刀头不能旋转。同时，根据国内盾构工程施工经验，采用泥水平衡盾构机，只要保持盾构机开挖面上土舱压力与水土压力平衡，一般不会发生承压水突涌问题。但应加强隧道管片间的止水，若发生渗水，由于水压力较大，将会引发漏水、流砂现象，水土流失又会进一步加剧隧道变形及隧道渗水、管片破损等。

3 结论

工程岩土施工过程中，其安全性及稳定性对于整个工程施工至关重要。在勘察中通过对工程地质风险中的要点和关键点进行合理分析评价，且根据工程实际地质情况及时归纳总结其存在的风险，并及时提出相关的处理措施建议。通过及时的归纳总结可以提供更加科学的参考以便于设计、施工过程中提前防范，从而将可能发生的风险及时扼杀在襁褓中，可以增强工程建设的准确性、可行性、合理性及经济性，对确保工程施工安全和顺利建设具有重要的指导意义。