對城市軌道交通勘察幾個問題的反思

彭柏興

(長沙市勘測設計研究院，湖南長沙 410007)

1 前言

隨著我國國民經濟的持續(xù)發(fā)展，城市軌道交通建設規(guī)模不斷擴大、建設速度持續(xù)高位。長沙軌道交通建設欣逢其時，2號線一期工程行將貫通，1號線一期工程與大河西先導區(qū)雷梅片區(qū)一期工程(2號線西延線)已經開建，3、4號線一期年內也將動土。至2030年，長沙將建設成10條主線、2條支線，長達 425 km的城市軌道交通路網。

城市軌道交通勘察依據(jù)主要為《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307－1999)［1］，勘察的多階段性、所涉地質單元的多樣性，外業(yè)環(huán)境的復雜性、設計指標的繁雜性遠非一般的工業(yè)民用建筑勘察可比［2～5］。長沙軌道交通工程勘察甫一開始，筆者針對本地區(qū)的工程地質、水文地質條件和不良地質作用進行過探討［6，7］，隨著地鐵建設的推進，通過與業(yè)內不同專業(yè)、不同地域的專家交流，深感對長沙軌道交通勘察中存在的既有問題進行反思之必要，本文著重從以下4個方面展開討論:

(1)城市軌道交通勘察中的環(huán)境調查;

(2)軌道交通勘察中的地層標準化;

(3)圍巖分級應考慮的因素;

(4)地下水的腐蝕性評價。

2 城市軌道交通勘察中的環(huán)境調查

城市軌道交通與常規(guī)勘察相比，勘察外延更大、勘察成果內涵更深。軌道交通多設置在城市繁華地段，周邊道路、橋涵、管線、地下室及建筑物基礎和使用狀態(tài)不僅影響軌道交通工程的選線、敷設方式和設計方案，對施工的安全風險評估與控制尤顯重要。對軌道交通建設施工影響范圍內的環(huán)境調查已成為勘察工作中的重要內容。

國內外地鐵建設中的施工事故表明，環(huán)境調查的缺失或不到位是其重要原因之一。比較典型是深圳地鐵1號線續(xù)建工程某區(qū)間附近的 7 m～8 m高片石擋墻，由于沒有對周邊環(huán)境進行勘察和調查，致使施工時圍護結構變形達 24 mm、擋墻最大沉降 164 mm，花費了很大人力、物力進行處理，嚴重影響了工期［8］。長沙2號線一期工程某站點旋挖樁施工差點挖斷高壓電纜，幾釀大禍。長沙老城區(qū)某盾構隧道，覆土為厚近7 m的人工填土，其下為殘積粉質粘土，盾構機在強風化層中掘進。由于沒有相應排水管道竣工圖，管道改遷沒到位，盾構機試掘進時，因建壓未完成，密封未達到設計要求，地面變形較大而使污水管破裂，形成一個12 m×13.5 m的橢圓形坍腔，塌陷深近 5 m(如圖1所示)。此外，2004年9月25日廣州地鐵2號線延長段的壓斷自來水管引發(fā)的基坑變形、2005年9月27日北京地鐵1、2號線自動檢票系統(tǒng)土建改造物探鉆孔鉆破燃氣管道等等都是前車之鑒。

圖1 某盾構始發(fā)段坍陷示意圖

建設行政主管部門已然意識到城市軌道交通工程中環(huán)境調查的重要性，《城市軌道交通工程周邊環(huán)境調查指南》［9］規(guī)定了環(huán)境調查程序、范圍(表1)和內容，為軌道交通勘察的環(huán)境調查提供了技術標準與要求。

調查范圍參考表［9］ 表1

3 軌道交通勘察中的地層標準化

城市軌道交通基本涵蓋所在城市的主要地貌單元和地層。在地鐵勘察、設計、施工過程中，所涉及的部門、單位甚多，有太多的專業(yè)與巖土接口，為統(tǒng)一各類技術文件的巖土標準，方便不同專業(yè)間的溝通與設計、施工管理，建立城市軌道交通工程的標準地層體系顯得緊迫而必要。

3.1 長沙地區(qū)的地層基本構架

長沙地貌單元主要為低山丘陵和河流侵蝕堆積的平原地貌。第四系松散層以河流沖積相為主，形成了五級階地，總體呈上細下粗的二元結構，第四系各組的厚度、巖性組成見表2。基巖自老至新有震旦系(Pt)、泥盆系(D)、石炭系(C)、二迭系(P)、三疊系(T)、侏羅系(J)、白堊系(K)和局部第三系地層(E)，另外，往北尚有中生代的花崗巖侵入。

長沙地區(qū)第四系地層特性表 表2

3.2 既有勘察成果地層分類方法與缺陷

長沙軌道交通2號線一期工程勘察的綜合分層基本沿用長沙市勘測設計研究院“以地層年代為縱線”的分層體系，分為12個大層、45個小層。由于不同勘察標段缺乏協(xié)調，在次級層位的銜接上出現(xiàn)了較大偏差。隨后進行的1號線一期工程勘察，總體與咨詢單位試圖將長沙地層標準化，設置了41個大層、130個亞層。由于未結合區(qū)域地層特性，假想成分較多，導致地層不連續(xù)，且明顯地與前人成果相悖現(xiàn)象。近期展開的3、4號勘察中，某單位試圖減少主層，合并亞層，提出了9個大層、24個亞層的思路，不僅模糊了長沙地區(qū)的地層基本規(guī)律，而且混淆了不同階地地層的工程性質差異，基巖按風化程度合并而沒考慮軟、硬巖差異。如若施行，對地鐵設計、施工將帶來更大的不便。

3.3 標準地層體系建立的思路與建議

我國巖土特性地域性十分明顯，諸多城市已建立了獨具特色的、滿足其城市建設要求的標準地層體系，甚至編制了地方規(guī)范［10］。文獻［11］詳細介紹了廣州地鐵建設過程中的較為成功的經驗，值得借鑒。

筆者認為長沙地區(qū)的地層標準化須立足于區(qū)域地層架構，要有前瞻性，以滿足城市建設可持續(xù)發(fā)展的要求。從如下方面著眼:

(1)系統(tǒng)大層的設置以形成年代為主線。

(2)亞層劃分以巖性特征為標準。

(3)殘積層應根據(jù)母巖成分細劃。

(4)基巖以地層從新到老排序，同一年代中，有巖性差異者分為主層，不同的風化分帶分為亞層。

4 地下工程圍巖分級

4.1 分級因素及其確定方法

準確判定圍巖級別是評價坑洞穩(wěn)定性、確定支護結構參數(shù)、決策隧道設計施工中的各種問題之基礎。過去，面對同一巖土介質，不同行業(yè)勘察、設計部門在分類/級時，在考慮其內容、方法、指標及因素等方面都存在差異。經過努力，目前基本上與GB 50218－94［12］達成了共識［13～15］。

圍巖分級常用方法有定性、定量、定性與定量相結合3種方法，且多以前兩種方法為主。一定程度上，JTG D70－2004最為詳細:按地質特性分為巖質圍巖與土質圍巖，土質圍巖分級指標體系據(jù)土性而異;巖質圍巖即采用傳統(tǒng)的BQ法，分兩步分級:根據(jù)巖石堅硬程度和巖體完整程度計算巖體基本質量指標(BQ)，通過地下水、主要軟弱結構面產狀、初始應力狀態(tài)的修正來獲得圍巖基本質量指標修正值［BQ］。

城市軌道交通工程屬淺埋隧道，初始應力狀態(tài)幾可忽略，但對結構面與地下水的修正工作很不充分，需要完善的地方甚多。長沙軌道交通中涉及或將要涉及的基巖堅硬程度如表3所示、圍巖完整程度如表4所示。

巖石堅硬程度劃分 表3

巖體完整性分類表 表4

4.2 隧道圍巖分級中存在的問題

(1)未考慮掘進工藝的影響

隨著城市軌道交通工程建設的發(fā)展，全斷面隧道掘進機(TBM)在隧道施工中占有越來越重要的地位，與傳統(tǒng)的礦山法相比，二者需要參數(shù)不盡一致(如表5所示)，傳統(tǒng)的以評估圍巖穩(wěn)定性為主的隧道圍巖分級也就無法滿足盾構施工需要。

礦山法與盾構法需要的巖土參數(shù)表 表5

文獻［16］在圍巖穩(wěn)定性等級劃分基礎上，根據(jù)影響盾構機工作條件的4個主要地質因素:巖石單軸抗壓強度、巖體完整程度(裂隙化程度)、巖石耐磨性和巖石硬度，進行TBM施工條件下的隧道圍巖分級，以符合TBM施工針對工程巖體可掘進性的原則要求。但在目前的城市軌道交通勘察中，卻鮮有應用，不能不令人深思。

(2)未考慮隧道掘進影響范圍

圍巖分級時必須考慮掘進影響范圍，尤其是拱頂圍巖的穩(wěn)定厚度。圍巖分級前要分析在什么情況下拱頂圍巖可以自穩(wěn)，考慮的因素應包括巖性、巖體完整性、厚度以及地下水狀態(tài)。地鐵埋深一般較淺，加上巖面起伏變化，對于巖石隧道而言，拱頂圍巖的厚度往往變化很大，如果全部劃分為同一級別，可能有風險。圖2是營盤路湘江隧道東岸路面坍塌情形，圖3是該地段的地質斷面圖。發(fā)生塌陷位置在YK86孔附近，此處隧頂基巖厚僅 1.25 m，覆土為淤泥質粘土，其東向恰是板巖與礫巖之不整合接觸帶，諸因素聚在一起，也就不難說明事故發(fā)生了。

圖2 營盤路隧道路面塌陷

圖3 營盤路隧道東岸南線地質斷面圖

5 地下水的腐蝕性評價

5.1 水、土腐蝕性評價的主要測試指標

水、土對建筑材料的腐蝕危害非常大，除有足夠經驗和充分資料的地區(qū)可以不進行水、土腐蝕性評價外，其他地區(qū)均應采取水、土樣進行腐蝕性分析，測定項目如表 6［5］。

不同介質對建筑材料腐蝕性評價指標 表6

5.2 腐蝕性評價的環(huán)境因素與腐蝕等級劃分

GB 50021－2001中，水、土對建筑材料的腐蝕性評價主要考慮環(huán)境影響和地層滲透性，環(huán)境類型分為3類(如表7所示)，表現(xiàn)為干濕交替、凍融交替、日氣溫變化、大氣濕度等。滲透性的一般界定如下:強透水層指碎石土和砂土，弱透水層指粉土和黏性土。

環(huán)境類型分類 表7

根據(jù)不同環(huán)境類型，結合相應的腐蝕介質界限值劃分為微、弱、中、強4個腐蝕等級。不同的環(huán)境類型和滲透性地層中，腐蝕介質構成腐蝕的界限值相差很大。規(guī)范中表12．2．1中數(shù)值適用干濕交替作用的水的情況。對Ⅰ、Ⅱ類腐蝕環(huán)境無干濕交替作用時，表中硫酸鹽含量數(shù)值應乘以1.3的系數(shù);對土的腐蝕性評價，應乘以1.5的系數(shù)。

5.3 關于場地環(huán)境類型的討論

現(xiàn)行國家標準中，對場地環(huán)境類型的劃分存在明顯的沖突，在勘察與設計中容易引起分歧。主要表現(xiàn)如下:

(1)環(huán)境類型的界定標準不統(tǒng)一

《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》(GB/T 50476－2008)將環(huán)境類別分為一般環(huán)境(Ⅰ)、凍融環(huán)境(Ⅱ)、海洋氯化環(huán)境(Ⅲ)、除冰鹽等氯化環(huán)境(Ⅳ)、化學腐蝕環(huán)境(Ⅴ)5類［17］。《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》(GB 50046－95)按腐蝕性介質分為:氣態(tài)介質、腐蝕性水、酸堿鹽溶液、固態(tài)介質和污染土5種［18］。

(2)對環(huán)境類型的判別結果不統(tǒng)一

GB 50021－2001規(guī)定:當混凝土結構一邊接觸地面水或地下水，一邊暴露在大氣中，水可以通過滲透或毛細作用在暴露大氣中的一邊蒸發(fā)時，應定為Ⅰ類。即拔高至“高寒、干旱地區(qū)”一類，如隧洞、坑道、豎井、地下洞室、路塹護面皆屬此類。

規(guī)范GB/T 50476－2008第“4．2．2條”則明確，“配筋混凝土墻、板構件的一側表面接觸室內干燥空氣、另一側表面接觸水或濕潤土體時，接觸空氣一側的環(huán)境作用等級宜按干濕交替環(huán)境確定”。并在“化學腐蝕環(huán)境”之“7．2．2”重申了該觀點，且將“高寒、干旱地區(qū)”另行規(guī)定，類似于GB 50021－2001中的Ⅱ類環(huán)境類型。

GB 50046－95則認為，除氣態(tài)介質和固態(tài)介質考慮到環(huán)境相對濕度因素外，對其他3種介質均無環(huán)境因素條件。

(3)對腐蝕性強弱等級的量化的不統(tǒng)一

GB 50021－2001將腐蝕等級劃為微、弱、中、強4個等級。GB 50046－95則劃分為弱、中、強3個等級。GB/T 50476－2008劃分的環(huán)境作用等到級則為A(輕微)、B(輕度)、C(中度)、D(嚴重)、E(非常嚴重)、F(極端嚴重)6級。由于上述不同規(guī)范的著眼點不同，致使對同一腐蝕性介質，對其腐蝕性的量化數(shù)值也存在差異，常見的硫酸根離子是其縮影(表8)。

不同規(guī)范中不同腐蝕等級的［］(mg/l)表8

不同規(guī)范中不同腐蝕等級的［］(mg/l)表8

注:GB/T 50476－2008中，弱、中、強分別對應 V－C ～V－E。

規(guī)范名稱 弱 中 強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)長沙軌道交通地下水環(huán)境類型劃分建議

長沙地區(qū)，按環(huán)境類型判別水、土對混凝土結構的腐蝕性時，腐蝕介質主要為硫酸鹽含量。一般地，長沙地區(qū)上層滯水中，［SO2－4］=200 mg/l～300 mg/l間，孔隙水的［SO2－4］=180 mg/l～295 mg/l間。按Ⅰ類環(huán)境類型則多為弱腐蝕，按Ⅱ類環(huán)境則為微腐蝕，二者相差一個級別。不同的防護標準，對設計、投資、施工的影響自然不同。

誠然，部分暴露于大氣中而其他部分接觸含鹽水、土的混凝土構件應特別考慮鹽結晶作用，這可能是GB 50021－2001在2009年修訂時的初衷。不應忽視的是，在常年濕潤地區(qū)，孔隙水難以蒸發(fā)，不會發(fā)生鹽結晶，而長沙恰恰是這類地區(qū)，因此，地下水腐蝕性評價時，按Ⅰ類環(huán)境判定值得商榷。

6 結語

(1)城市軌道交通工程建設應賦予環(huán)境調查與巖土工程勘察同樣重要的地位。只有把二者緊密結合起來，并給予足夠的經費支持，才能減少施工過程中因環(huán)境條件改變而引發(fā)的工程事故［19］。同時，加強城市地下空間的規(guī)劃與地下空間信息系統(tǒng)的建設，對城市地下空間的開發(fā)、建設尤顯緊迫。

(2)加速城市基礎地質信息庫的建設，建立城市地層的標準化，有利于巖土工程文件的統(tǒng)一、有利于設計單位的銜接，有利于巖土成果的持續(xù)利用，有利于工程管理水平的提高。

(3)“先勘察，后設計”是我國基本建設程序。若勘察與設計要求不統(tǒng)一，則很難體現(xiàn)勘察工作之必要和重要性，勘察、設計規(guī)范面對同一問題如何協(xié)調與統(tǒng)一，這是大土木范疇里的相關規(guī)范修編時值得重視的問題。

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