杭州地鐵區間盾構施工地質風險源分析

葉向前，田春凌

(1.杭州市勘測設計研究院，浙江杭州 310012； 2.杭州市拱墅區基礎設施建設中心，浙江杭州 310000)

杭州地鐵區間盾構施工地質風險源分析

葉向前1?，田春凌2

(1.杭州市勘測設計研究院，浙江杭州 310012； 2.杭州市拱墅區基礎設施建設中心，浙江杭州 310000)

根據杭州地質條件，結合盾構施工工藝，系統地分析了杭州地鐵盾構區間施工過程中主要的地質風險源，得出了對杭州地鐵建設影響較小的風險源的種類有區域斷裂構造、特殊巖層、地下障礙物(拋石)；較大的風險源主要有特殊土層、不利復合地質、有害氣體和地下障礙物(已有樁基)，并提出了防范措施。

地鐵；區間；盾構施工；地質風險源

近年來，國內地鐵區間隧道大量采用盾構法施工，盾構技術有了長足進步，但盾構施工事故還是時有發生。避免事故的核心是對可能風險源的進行識別和預測[1]，根據預測結果做出有效的防范，才能降低事故的發生概率。

盾構區間深埋于地下，地質條件對盾構施工和運營的影響是顯而易見的，其中最主要的風險發生在施工過程。地質風險源是盾構施工首要風險源。

盾構區間施工地質風險源通?？梢园?區域斷裂構造、特殊土層、特殊巖層、不利復合地質、有害氣體、地下水、地下障礙物等。目前杭州已開工建設的地鐵1號線、2號線和4號線的區間均置于第四紀覆蓋層中，不需要破巖，可以不考慮特殊巖層風險。

1 區域斷裂構造

經杭州地鐵工程地震安全性評價專題研究[2]，地鐵工程近場區主要有北東向、北西向和近東西向3組區域斷裂。其中北東向的蕭山—球川斷裂最新一期活動時代為晚更新世(Q3)晚期；北西向的孝豐—三門斷裂最新一期活動時代為晚更新世(Q3)早中期；近東西向的昌化—普陀斷裂近場區范圍內其最新活動年代為晚更新世(Q3)晚期。其余為上述主要斷裂的次一級斷裂，一般為不活動斷裂。上述斷裂最新活動年代為第四紀晚更新世(Q3)，全新世(Q4)無構造錯動，可以認為是非活動斷裂。研究成果認為:“近場區不具備發生6級以上地震的構造條件，但在蕭山—球川斷裂、孝豐—三門灣斷裂及昌化—普陀斷裂(杭州附近段落)的交匯處附近及蕭山—球川斷裂的活動段存在發生5級～6級地震的構造背景。”總體上，區域斷裂構造總體較穩定，發生構造活動和地震的風險相對較小。

2 特殊土層

2.1 淤泥質土

杭州市中西部有著名的西湖和西溪濕地國家公園(主要屬西湖區)，西南部有湘湖(屬蕭山區)。這些區域的地層中上部為巨厚層淤泥質土(1號線濱康路站～湘湖站區間最大厚度可達25 m)，主要為海相沉積和湖沼相沉積層。杭州地區的淤泥質土可細分為淤泥、淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土和淤泥質粉質粘土夾粉土薄層等類型。這些土層的共同特征是高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低～極低強度。當盾構全部置于該土層中時，常見的風險主要表現在如下方面:

(1)因其低強度和高壓縮性，故工后沉降可能性很大，且沉降完成時間長，僅用螺栓緊固管片拼裝成的隧道自身穩定性較差，可能造成線路縱坡的變化及管片的錯臺和損壞等。

(2)盾構機機體的重量在軸向不均勻，其前部的1/3(包括刀盤主軸承和螺旋輸送機等)大約占盾構機總重的2/3以上。在這種流塑狀的淤泥質地層推進不容易掌握盾構機姿態，尤其是出洞時，易出現盾構機的“叩頭”現象，導致管片安裝困難，線路縱斷面超限。

(3)在隧道的橫通道施工時，主要問題是如何保證圍護結構的施工質量及坑底隆起。

(4)當隧道上方存在無樁淺基礎多層建筑物時，隧道下穿前需要進行托換等加固措施。但往往托換施工難度大，沉降控制非常困難。

盾構區間常位于鬧市區，提前加固軟土場地條件局限性很大。同時，因杭州軟土分布面積大，如果要處理則工程量非常大。在實際施工過程中，主要采用調整液壓千斤頂和增加配重來控制盾構機姿態，避免出現隧道“蛇形”和盾構機“叩頭”現象。對于少量無樁淺基礎多層建筑物主要采用拆除的辦法來確保安全，總體施工效果良好。

2.2 粉土砂土

杭州地區潛水位淺埋，淺層粉土因含水量大，沉積時間短，可能在動力條件下產生砂土液化。特別在錢塘江兩岸的圍墾區，淺表松散回填粉土和淺部新近沉積的地層，沉積年代只有幾十年。這類粉砂土的砂土液化等級一般為輕微，局部可達中等。

通常情況下，粉土和砂土(統稱粉砂性土)并不看作為特殊土，但對于盾構施工而言，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。杭州市地鐵已開工線路“近場區不具備發生6級以上地震的構造條件”，所以砂土液化產生的可能性較小。但1號線下沙段洞身圍巖主要為沉積時間相對較短的粉砂性土，仍然不能排除地震液化的可能。

(2)盾構隧道之間的橫通道施工和盾構機進出工作井時，易坍塌的粉砂性土給施工帶來困難，必須做好地基加固和圍護工作。當加固效果不理想時，可能會發生管涌、流砂并導致大面積塌方的嚴重后果。杭州地鐵隧道橫通道施工常采用冰凍法處理，盾構機進出工作井常采用冰凍法或高壓旋噴樁配合三重水泥攪拌樁處理方案。

2.3 圓礫

杭州地層中有2層～3層圓礫層，局部(錢塘江兩岸)連續分布，形成厚度達20 m以上的巨厚圓礫層，層面埋深30 m左右?？傮w上圓礫層中大于2 mm以上礫石顆粒占50%～65%，其中大于2 cm以上卵石顆粒占20%～30%左右。其中4號線富春路站以南區段范圍顆粒稍大，但還未達到卵石類別，且埋深達35 m以上。通常情況下，盾構區間底板埋深小于25 m，但1號線和2號線下穿錢塘江段最大埋深大于30 m，其中1號線會揭露圓礫層。由此，會有兩個風險:圓礫層為最主要的承壓水含水層，盾構機會面臨高水頭承壓水的威脅；盾構會出越上軟(軟塑～可塑狀的粉質粘土)下硬(圓礫)的不良地層組合(詳細分析參見第3節)。該區間承壓水水位為 －4 m～0 m，承壓水頂板高程一般為－31.55 m～－33.97 m。圓礫層粘粒含量極少，滲透系數大，一般可達1 m/d，含水量極豐富。一旦土壓較大波動，就可能會造成過量砂粒和粘粒涌入密封艙，可能導致密封艙的失壓，引發江底沉陷。

3 不利復合地層

本文所述不利復合地層(上軟下硬組合)是針對盾構施工工藝而言的，當采用礦山法施工時卻很可能屬于常規地層組合。主要考慮淤泥質土或軟塑的粘性土與其他力學性質相對較好的地層組成不良地層組合，地層的軟硬是相對的，如可塑以上粘性土、粉砂性土、礫石層、基巖等均可以看作相對于淤泥質土的硬土層。

典型的上軟下硬不利復合地層如1號線某區間中深埋的區段[3]，盾構上部2/3左右為軟塑～可塑狀的含砂粉質粘土，下中部1/3為細砂或圓礫層。圓礫層呈中密～密實狀。本地層組合的區間長度約330 m，占整個區間總長度的11.8%，主要分布在江中埋深最深的部分。盾構在推進過程中，刀盤上下所受阻力不同，會造成控制盾構機姿態困難，刀具磨損嚴重等問題。

圖1 地鐵1號線某區間不良地層組合

為了避免在江底進行更換刀盤的復雜施工工藝，進行設計優化并經專家論證，最終將江底部分隧道底板適當上調約2 m，以避開圓礫層。實際施工過程中盾構推進順利，既降低了施工風險，且節約了工期和工程投資。

4 有害氣體

杭州地鐵1號線江南段(錢塘江南岸～湘湖區段)多處存在淺層天然氣。2007年8月18日某區間及其相鄰站點的勘探過程中，有數個孔出現嚴重的噴水、氣、砂混合物的現象，其中噴出的最大高度達8 m，噴出時間最長持續18 h，點燃火焰高度3 m～4 m[4]。且出現反復噴發現象，當第一次噴出穩定后，臨近1 m左右再打靜探沼氣探測孔，又會出現沼氣的噴出，如圖2所示。

本地區淺層天然氣屬甲烷型生物成因氣，因江南地區屬于蕭紹平原地貌單元，由于錢塘江近代頻繁改道，形成分布不均的牛軛湖及內河道；牛軛湖及內河道大量生物繁殖，這些生物由于地質環境的改變在無氧狀態下，經細菌分解為甲烷和二氧化碳。甲烷生成后，以溶存于地下水的溶存氣體及存在于土顆?？障吨械挠坞x氣體兩種形式存在于地層中。根據國家天然氣總公司上世紀50年代在濱江區和蕭山區探測，土層中氣體的主要成分為甲烷，呈蜂窩狀、透鏡體狀不連續分布，埋深在10 m～35 m之間，最大壓力根據噴出水柱高度估算為400 kPa。結合本場地地層情況分析，氣源層為淺海相的⑥1層淤泥質粉質粘土和湖沼相的⑧2層淤泥質粉質粘土夾粉砂層，主要儲集層為⑧2層淤泥質粉質粘土夾粉砂和○121層粉砂，上述土層具有較好的透水透氣性，加上覆蓋層淤泥質粘土層穩定分布，形成氣水同層，具有面積大、分布廣等特點。在后續的勘探過程中，1號線富春路站～濱江站區間、濱江站～西興站區間、西興站～濱和路站區間、九堡東站～下沙西站區間、下沙西站～下沙中心站區間、下沙中心站～下沙東站區間等區間，及相鄰車站均發現了有害氣體。

圖2 靜探孔中噴發氣、水，氣、砂混合物

甲烷是無色無味的氣體，對人基本無毒，但在通風不良的情況下，濃度過高時，可使人窒息死亡。其濃度達到5%時，遇高溫或明火時，具有氣爆性。由于設計線路隧道底埋深為14 m～20 m，正好位于富存甲烷氣體土層，因此在區間施工過程中存在一定風險。

1號線下沙段某車站在施工過程中出現底板翻砂翻水和冒氣的現象，危及地下連續墻的穩定性。在馬上采取應急措施后，進行了系統的處理排氣措施。排氣主要采取了豎向隔斷和水平隔斷有力措施[5]，有效地解決了沼氣對車站施工的危害。豎向隔斷是指采用高壓旋噴樁隔斷車站外側與內側的儲氣層，使外側氣流不能進入內側，孤立基坑內氣層。水平隔斷是采取對底板下部土體進行旋噴樁加固或者注漿加固，同時也起到加基底土層的效果，有效控制了有害氣體冒出時帶出水、泥沙現象。

應該要注意的是雖隔斷法的功效較為明顯，但并不能保證完全隔斷儲氣層，所以還要進行有效地排氣，并設坑外有害氣體釋放孔，將基坑內氣壓力控制在0.1 MPa下。同時，基坑內氣壓力減小后，水位會上升，所以應加強基坑內降水。

盾構區間施工前的處理措施與車站不同，一般主要為放氣。當初始氣壓大于0.2 MPa時，排氣孔間距一般小于20 m；小于0.2 MPa時，排氣孔間距一般小于20 m～30 m左右。排氣孔呈網格狀布置，以靜探孔排氣為主。其中富春路站～濱江站區間為過錢塘江區間，每天有潮水的涌退，加上過往船只的影響，如采用靜探孔排氣，探桿極易折斷，考慮采用鉆探排氣。一般排氣最終壓力控制在0.05 MPa(或0.1 MPa)以下。還需注意的是，必須緩慢均衡放氣，以不帶出泥沙、泥水為控制標準。1號線排氣過程中曾出現過因排氣過快，帶出較多泥沙和泥水，導致臨近堤壩局部變形，最后只得對堤采取加固措施。

盾構區間施工中應采取有效防范措施:配備瓦斯報警儀、加大通風、禁止使用明火等。

通過排氣后，總體處理效果良好，各區段和車站施工過程中未出現過有害氣體對工程的明顯危害。

5 地下障礙物

5.1 拋石

在錢塘江北岸，由于錢塘江的歷史變遷及長期人類活動攔洪筑堤，圍墾筑田等原因，在上部粉土、砂土地層中，存在拋石，鉆孔可見直徑10 cm～30 cm不等，甚至更大，拋埋雜亂無規律。拋石層底板高程在 0.00 m～－3.6 m。但是，根據在1號線、2號線過江區間的鉆探和物探中未發現拋石等地下障礙物，且障礙物可能存在的埋深淺于盾構施工范圍，對盾構施工一般不會產生影響。

5.2 已有樁基

在盾構地下區間遇已建橋梁時，需在盾構推進之前采取措施清理樁基礎。2號線內外環站～錢江世紀城站區間已建豐北橋，基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑Φ800～Φ1 200，樁長 25.5 m～35.97 m，樁底高程－23 m～－33 m[6]。大部分的樁是能拔除的，對于不能拔的樁，采用沖錘擊碎的施工方案清理了這些障礙，并新建橋梁，布置樁基礎避開區間隧道。

6 結 語

由上分析可知，在常見的區間盾構施工的風險源中，特殊巖層、區域斷裂構造、地下障礙物(錢塘江北岸拋石)對杭州地鐵1號線、2號線和4號線的工程建設的影響較小，影響比較大的風險源主要有特殊土層、不利復合地質、有害氣體、地下障礙物(已有樁基)等，應采取有效防范措施加以防范和解決。

[1] 竺維彬，鞠世健.地鐵盾構施工風險源及典型事故的研究[M].廣州:暨南大學出版社，2009

[2] 浙江省工程地震研究所.杭州地鐵2號線一期工程場地地震安全性評價(地震危險性分析部分)報告[R].杭州:2006

[3] 杭州華東建設工程公司.杭州地鐵1號線杭州地鐵1號線富春江路站～濱江路站區間巖土工程詳細勘察報告[R].杭州:2007

[4] 浙江省地礦勘察院.杭州地鐵1號線杭州地鐵1號線湘湖站～濱康路站區間巖土工程詳細勘察報告[R].杭州:2007

[5] 荀亮亮.杭州地鐵下沙東站有害氣體處理[J].山西建設，2009，35(30):119～120

[6] 杭州市勘測設計研究院.杭州地鐵2號線一期沿線橋梁(涵)及部分聯絡線區段建(構)筑物調查報告[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

葉向前(1973—)，男，高級工程師，注冊巖土工程師，注冊咨詢(投資)工程師，主要從事巖土工程勘察、設計及地質災害評估工作。

1672－8262(2012)02－173－04

P642.5

A