長沙軌道交通工程建設中的幾個巖土工程問題探討

彭柏興

(長沙市規劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

長沙軌道交通工程建設中的幾個巖土工程問題探討

彭柏興*

(長沙市規劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

由于長沙地區工程地質條件的復雜性及軌道交通工程的特殊性,在長沙軌道交通①～⑥線工程建設過程中，大量的巖土工程問題日益凸現。主要巖土工程問題有：(1)周邊環境；(2)斷裂構造；(3)巖溶；(4)地下水。文章根據地質調繪、鉆探、物探等手段對上述問題進行了綜合分析與歸納，提出了預防途徑、措施、方法和建議，可為工程建設提供一定的參考。

長沙軌道交通；周邊環境；斷裂；巖溶；抗浮設防水位；巖土工程問題；隧道

1 引 言

隨著長沙軌道交通②號線一期工程、②號線一期西延線工程及①號線一期工程的營運，長沙進入地鐵“換乘時代”。目前，長沙軌道交通③、④、⑤號線一期工程、⑥號線文昌閣至東屯渡(中心城區段)地下配套工程正在緊張建設中。2017年底，長沙軌道交通⑦號線一期工程和①號線北延線工程亦將啟動建設程序。根據長沙市軌道交通線網規劃，至2030年長沙將形成一個覆蓋全市的地下軌道交通網絡(如圖1所示)。

圖1 長沙軌道交通線網遠景圖

城市軌道交通工程由于其自身的系統性、結構的復雜性、工法的多樣性、環境的嚴格性以及城市工程地質、水文地質條件的復雜性等，使得城市軌道建設工程中的巖土工程問題尤為突出。近年來，筆者在參與長沙軌道交通勘察、設計評審、施工服務及咨詢論證過程中，進一步認識到環境調查、斷裂構造、巖溶、地下水對長沙軌道交通建設影響越來越顯著[1]，深感對這幾個典型巖土工程問題進行探討之必要。它既是對前一段工作的總結與歸納，也是對后續工作的前瞻與預測，對長沙軌道交通勘察、設計、施工具有實際意義。

2 工程周邊環境調查

城市軌道交通工程屬于高風險工程，多設置在都市繁華地段，周邊道路、橋涵、管線、地下室及建筑物基礎和使用狀態不僅影響工程選線、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，而環境調查的缺失或不到位是引發事事故發生的重要原因之一[2，3]。為此，住房和城鄉建設部2012年頒布了《城市軌道交通工程周邊環境調查指南》(建質[2012]56號)。

長沙軌道交通②號線一期在金星路站—西湖公園站區間盾構施工期間，由于對龍王港大堤重視不足，2012年元月，東岸河堤突然出現沉降加大(最大沉降 25 mm)、沉降趨勢增大的情況，同時在河堤頂部及兩側出現不規則裂隙，最大裂隙接近 10 mm[4]。其他如②號線盾構下穿特殊學校開裂、①號線德雅路站施工降水引起的天主教堂墻體裂縫，③號線引起的金蘋果26號樓開裂等，均與對環境重視不足有關。相反，如未雨綢繆，做好預先處治，往往能做到防患于未然，如長沙軌道交通①號線下穿新中路立交橋就是一個成功的案例[5]。

隨著長沙軌道交通其他線路的建設，環境問題將會越來越突出，不僅體現于在建線路與相鄰建構/筑物的相互影響，還體現在在建隧道工程與已建軌道交通的相互制約，而且相鄰線網間的彼此干擾亦露冰山一角(如圖2所示)。因此，在進行城市軌道交通建設時，不僅要關注工程本身的安全，更要關注周邊環境的安全，對周邊環境的控制是重中之重。在勘察過程中有必要進行工程環境調查，同時為了精密控制環境對象，對某些重要環境對象需要對其地基條件進行專項勘察和預處理是十分必要的。

圖2長沙軌道交通工程典型環境關系圖

3 斷裂構造

3.1斷裂與軌道交通工程的空間關系

長沙經歷了武陵—雪峰—加里東—印支—燕山—喜山等多次構造運動，形成了北東向、北北東向、北西向、東西向褶斷構造，構成本區基本構造骨架(如圖3所示)。斷裂活動主要表現為老斷層在新構造應力場啟動下的重新活動，并引起中更新世地層的錯動，局部地段形成了深愈 60 m的“斷塞塘”[6，7]。

根據區域地質資料，結合長沙軌道交通工程①～⑥號線勘察、施工發現，與軌道工程密切相關的區域性斷裂主要有F85、F101、F106、F132，它們與長沙軌道交通線路的關系如表1所示：

圖3 長沙市區地質構造綱要圖

長沙市軌道工程與斷裂構造關系表 表1

圖4 地震反射剖面(五一廣場)

圖5 F106照片(南郊公園)

3.2斷裂的活動性

地震的發生多是由于某一構造帶全部或局部活動，導致地殼巖石斷裂或原有斷裂發生錯動而引起。資料表明我國80%的破壞地震同活動斷裂，特別是第四紀以來有過活動的斷裂有關。韓竹軍等對洞庭盆地周緣頻繁的中強地震活動研究認為，早-中更新世有過活動的斷裂并不意味著它們完全停止活動，只是這些斷裂活動性較弱，不至于產生斷錯地表的強震活動，但可以發生中強地震。并提出“一條斷裂是否存在斷錯早、中更新世地層的構造現象，是判斷中強地震發震構造的一個重要標志”[8]。鑒于此，上述幾條區域性斷裂屬于中強地震發震構造，其最大潛在地震震級為6級。

3.3斷層對工程的影響與措施

斷裂作用使巖體受到不同程度的切割，在圍巖中產生大量裂隙、導致巖體完整性差、滲透性增強，致使巖體物理力學性質產生變異和嚴重不均勻性，影響圍巖的強度、變形能力和整體穩定性。同時，也成為可溶巖區巖溶發育的必備條件之一。

地下工程施工時，受斷裂影響的圍巖易出現拱頂坍塌、側壁失穩、突水、管涌等工程事故。其中，斷裂的導水性及其對圍巖穩定性的影響對隧道施工威脅極大。為避免上述現象發生，通常采用“以地質分析為主，長距離宏觀預報與短距離精準預報相結合、超前探孔與物探結合，多種物探方法相驗證，定性和定量相結合的超前預案”來進行全線連續超前預報和圍巖評價，必要時采用全斷面帷幕注漿對隧道圍巖進行加固補強，注漿一段、開挖一段、段段推進。

4 巖溶

4.1巖溶形成條件

巖溶形成的基本條件主要包括三大因素：可溶性巖石、具有溶解能力(含CO2)和足夠流量的水。

4.2巖溶分布特征

長沙市區的巖溶主要分布于以下五大塊：河西的洋湖垸片區、桃子湖片、望月湖片，河東的中山路以南、勞動路以北，省政府二院以西范圍內及南二環附近的新開鋪小學—芙蓉路立交橋一帶。其次為沙灣公園附近、月湖公園至萬家路瀏陽橋之間的白堊系鈣質礫巖中[9，10]。

影響長沙市軌道交通工程的巖溶發育區有：①號線南門口站至五一廣場站區域；②號線的迎賓路站至五一廣場站、溁灣鎮站、沙灣公園站；③號線的洋湖公園站、后湖路、漁灣市-靈官渡區間、烈士公園東站、月湖公園站；④號的望月湖站至溁灣鎮站區間、湖南大學站及阜埠河-碧沙湖區間；⑤號線巖溶以鈣質礫巖為主，次為灰巖，主要集中沿萬家麗路段晚報大道站到湘龍路站之間。⑥號線巖溶不甚發育，潛在區為迎賓路至烈士公園段。

圖6 五一廣場站巖溶見洞率

以②號線一期工程五一廣場站及五芙區間以例，該區間位于區域性斷裂F85與F101之間，且為白堊系神皇山組(KS)紫紅色泥質砂巖類與泥盤系佘田橋組(D3S)灰巖類的不整合接觸帶。灰巖中方解石含量>90%、以泥晶為主，緊密鑲嵌狀，粒度 0.001 mm～0.02 mm，有利于巖溶發育。第四系富水卵石層覆蓋其上，地下水豐富，具有較好的徑流條件；斷層構造帶則為地表水下滲提供了條件。該區間巖溶見洞率達28.9%(如圖6所示)，表現為溶溝、溶槽、溶隙、溶洞等巖溶形態，規模不一，揭示洞體高度 0.70 m～3.2 m，巖面起伏很大，溶蝕底板埋深介于 17.20 m～63.20 m，為埋藏型巖溶。

湘江河床中，巖溶發育主要與區域性斷裂密切相關(如圖7所示)。

圖7 ③號線湘江段斷裂及巖溶示意圖

4.3巖溶對工程的影響及措施

巖溶區工程建設常遇到如下風險[11]：①巖溶或土洞坍落形成地表塌陷；②巖體洞穴頂板變形造成地基和圍巖支護體系的失穩；③巖溶水的動態變化產生突泥、突水，給施工和建筑物帶來的危害；④溶蝕作用導致巖體滲透性變異，給工程治水帶來難題；⑤巖溶形成的孤石可能對卡住盾構刀盤。

隧道巖溶處治應遵循“先探測，再處治”的原則。

(1)巖溶勘察手段以“物探+鉆探”為常用方法。以地質分析為主，長距離宏觀預報與短距離精準預報相結合、超前探孔與物探結合，多種物探方法相驗證，定性和定量相結合的超前預報。

(2)通過查明溶洞大小、走向、充填物情況，適當調整隧道穿越溶洞區的埋深或走向，最大限度地避開溶洞。當無法回避時，對已探明的溶洞，可有針對性地實施全斷面超前帷幕注漿或補強。

5 地下水

5.1地下水的類型

長沙地區的地下水類型分為孔隙水、巖溶水及基巖裂隙水。其中，孔隙水多表現為潛水或微承壓水，分布于湘江與瀏陽河階地上，據其特性，可分為四個區(如表2所示)。一般地，Ⅰ、Ⅱ級階地的富水性相對于Ⅲ、Ⅳ級較好，Ⅲ、Ⅳ級階地中的地下水之間存在一定的聯系。巖溶水賦存于石炭紀與泥盆系地層中，富水性中等，單井流量 100 m3/d～1 000 m3/d。碎屑巖裂隙水賦存于白堊系與古近系地層中，水量一般較少。淺變質巖裂隙水見于震旦系地層中，水量貧乏。

長沙市淺層地下水分區一覽表 表2

5.2地下水的補、排、徑流特性及動態特征

補給：水平方向上由南往北、高階地向低階地；垂向上，下伏砂卵石接受大氣降雨穿越上覆土層越流補給；

徑流或越流：地下水向低階地徑流，低階地的地下水向河谷徑流。徑流方向大體與河流方向垂直。

排泄：主要為泉、蒸發和人工開采。

孔隙水具有埋藏淺、變幅小，季節性變化明顯等特征，主要受大氣降水及江河水位的影響。主城區地下水受大氣降水影響較弱，水位動態變幅較小 1 m～3 m，外圍地下水變幅一般 5 m～8 m。

5.3抗浮設防水位的取值

抗浮水位的確定是一個復雜問題，抗浮水位高低與地形地貌、地下水類型、土質、環境情況等因素相關，特別是環境及上層滯水的變化更是難以預測。一般地，可按以下執行[12]：

Ⅰ級階地：抗浮設防水位通常可取設計室外地坪或道路標高。

Ⅱ級階地：抗浮設防水位一般可取設計室外地坪標高以下1m。

Ⅲ級階地：當場地地形較平坦，且場地外圍地形標高與場內標高相近或略低，其抗浮設防水位可取勘察期間的穩定水位。

Ⅳ-Ⅴ級階地：一般取勘察期間的最高水位并結合場地及其外圍地形取值。當場地外圍地面標高低于場地內標高時，取場地內設計地坪標高以下 2 m～ 3 m或場外地坪標高。

坡地(丘陵/山地)：應考慮坡地地下水滲流的復雜性，根據改進阻力系在無動水壓力及承壓水時，計算浮力的最高水位不宜超過地下室頂板面標高。

5.4地下水的處治措施

一般地，長沙軌道交通工程各線路的地下水含水量水層相對穩定，多在 3 m～10 m間，多可采用獨立的旋噴樁(雙管或三管)，或結合支護樁間采取樁間止水(或咬合樁)或地下連續墻形成封閉式止水帷幕。

但是，受地質構造及巖溶的影響，不少地段含水層厚度巨大，如①號線之省政府站、②號線五一廣場站、③號線之洋湖垸站、④號線號線之普瑞大道站、③與⑤號線之月湖公園站(圖10)、②號線與④號線之溁灣鎮站等均存在止水帷幕無法落地問題，需要采取特殊封底措施[13]。

6 結 語

(1)工程周邊環境的詳細調查是城市地下工程建設的重要環節。城市軌道工程建設中應賦予環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，才能減少施工過程中因環境條件改變而引發的工程事故。同時，如何利用海量地下空間信息數據，加快城市地下空間規劃與基礎地理信息系統建設，對城市地下空間的開發、建設、管理尤顯緊迫。

(2)長沙軌道交通①～⑥號線的勘察、設計、施工，進一步證明了長沙地區巖土工程條件的復雜性與不確定性。加強對區域地質，特別是斷裂構造的總結與分析，對前人研究成果進行修正與完善，有助于重大工程的選址與建設。以下幾個問題值得進一步探討：湘江斷裂系在長沙是否存在？施家沖-新開鋪磊石塘斷裂的東界在何處?常德-益陽-長沙斷裂帶是否東延？

(3)巖溶問題是地下工程建設中的難題，除重視發育于泥盆系、石炭系的碳酸鹽巖中的溶洞外，對紅層巖溶的影響也不能忽視。眾所周知，利用常規勘察手段徹底查明既不現實也不可能。加強不良地質作用的規律性研究，加強城市基礎地理信息系統有助于線網規劃與勘察設計針對性。

(4)長沙地區的淺層地下水對地下工程建設的影響尤為突出。一方面，需要重視地下水的分布規律與變化幅度研究，建立長期有效的地下水位監測網絡，為長沙地區抗浮設防水位的取值提供技術支撐；另一方面，需要重視深厚含水層(往往與斷裂構造及巖溶密切相關)的處治措施，優化設計方案；其三，如何在工程建設中重視對地下水環境的保護與利用，特別對長沙古井文化的保護值得業界深思[14]。

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GeotechnicalEngineeringProblemsinChangshaRailTransitConstruction

Peng Baixing

(Institute of Investigation & Design，Changsha 410007，China)

Due to the fact that the engineering geological conditions and particularity of rail transit in Changsha are complicated，the corresponding geotechnical problems are emerged in the process of construction for ①～⑥ line projects of Changsha rail transit.The main geotechnical engineering problems are：(1)surroundings around projects；(2)faults；(3)karst；(4)groundwater。Such problems are analyzes in this paper by the means of field survey，drilling and physical exploration. Some effective and pertinent measures，techniques,approaches or suggestions to sovle these kinds of trouble were put forward，which could offer some valuable reference for its construction.

Changsha rail transit；surroundings；karst；fault；water level for prevention of up-floating；Geotechnical engineering problems，Tunnel

1672-8262(2017)05-148-06

P642.4

A

2017—07—11

彭柏興(1968—)，男，博士，正高職高級工程師，注冊土木工程師(巖土)，主要從事城市水、工、環地質等技術管理工作。