青島地鐵R3線地質條件評價研究

張 強， 顧朝杰， 宋仕兵， 王忠勝， 孫鳴雷

(1. 青島地礦巖土工程有限公司， 山東青島 266100； 2. 中國海洋大學， 山東青島 266100)

青島地鐵R3線地質條件評價研究

張 強1，2， 顧朝杰1， 宋仕兵1， 王忠勝1， 孫鳴雷1

(1. 青島地礦巖土工程有限公司， 山東青島 266100； 2. 中國海洋大學， 山東青島 266100)

利用青島地鐵R3線井岡山路站—嘉年華站區間的地鐵勘察資料，綜合鉆探、取樣、物探、水文、地震、巖石試驗等多方面的資料，提出了研究區工程地質評價因子，建立了青島地鐵地質條件評價的三級層次分析模型，通過評價因子量化分級和權重，對青島地鐵地質條件進行了綜合評價。通過綜合研究區地質條件評價結果，將研究區分為地質條件良好區、中等區、較差區和差區，同時對各區提出了工程風險控制措施。

青島地鐵； 地質條件； 層次分析法； 評價

1 研究背景及研究現狀

1.1 研究背景

青島地區淺部巖層主要以花崗巖為主，多期花崗巖及脈巖的侵入使基巖的結構差異較大，自然地理、地質構造條件等因素導致基巖的風化速度不同，巖體的完整程度和巖石的堅硬程度差異較大，各類基巖面起伏大，風化巖石的工程性質差異大，地質條件十分復雜，而且有不同厚度的第四系土層覆蓋，地鐵隧道穿越地層條件呈上軟下硬土、巖組合地層。因此有必要開展青島地鐵線路沿線的地質條件評估是保證地鐵百年工程的重要舉措，對地鐵施工過程、運行過程的安全問題及早防范。

1.2 國內外研究現狀

歐樹召等[1-2]以廣州地鐵2號線、8號線為例進行地鐵地質風險分析，提出6大評價要素，包括工程地質條件、水文地質條件、構造地質條件、地形地貌條件、氣候條件及工程施工條件。鄧亞虹等[3]通過對西安市地鐵1號線的研究，提出綜合評估定量方法，確定了評價因子確定原則、評價因子權重分配原則、危險等級適宜性原則，采用了定量方法進行地質危險性分析。周宗青等[4]通過對湖北省段家屋場隧道采用靜態風險評估的方法，建立了塌方災害風險的模糊層次評估模型，劃分了塌方地質風險的風險等級，預測了隧道施工過程中的風險，調整施工措施，將潛在地質風險范圍縮小，保證了隧道施工安全。徐善初等針對椿樹埡隧道施工中遇到問題，采用德爾菲法確定椿樹埡隧道的評價指標，運用模糊層次分析法對隧道地質災害進行評價，認為最可能發生的地質災害是巖溶和巖爆，其次是塌方和涌水，針對評價結果，制定了相應的應急方案，降低了施工風險[5]。

2 研究區概況及評估方法

2.1 研究區概況

本文所研究的井岡山路站—嘉年華站區間,起點位于井岡山路與長江路路口，向南沿井岡山路敷設，至濱海大道向西敷設，至峨眉山路與濱海大道路口，區間設計里程YCK7+809.3～YCK11+565.3，長約3 756.0 m。

該區間勘察范圍主要為隧道、施工斜井、聯絡通道及施工豎井。工程大概位置詳見擬建場地交通位置圖(見圖1)。

圖1 研究區場地位置Fig.1 Location of the research area

2.2 評價方法

地質條件是一個復雜的系統，受諸多因素的影響，地質風險和環境地質問題時有發生，對地質條件的影響程度，很難用肯定的“非此即彼”的結論來表達。近幾年來,許多學者對各種經典的評估方法進行了改進，吸取了各種方法的優點。如Adam和Markowski通過對傳統矩陣方法的研究,引入了模糊邏輯的概念進而克服傳統方法的不精確和不確定性[6]；Chin等通過對數據包絡分析法進行大量分析,進一步改進了傳統方法的風險優先數(RPN)[7]。

由于地鐵工程具有隱蔽性和不確定性，本文采用層次分析法(APH)將各類風險因子進行分層分析，確定其權重，同時，針對地鐵工程地質條件的不確定性、模糊性的特點，利用綜合指數分析法以期得到更為接近實際情況且更為精確的評價[8]。

3 評價模型的建立

3.1 評價體系建立

本文所進行的青島地鐵地質條件評價體系由3層構成，從頂層到底層分別由系統目標層(O，object)、屬性層(A，attribute)和要素指標層(F，factor)3級層次組成。O層是系統的總目標，即研究區地質條件綜合評價；A是屬性指標層，由自然地理條件、工程地質條件、水文地質條件、研究區地震效應、巖土工程施工分級和人類工程活動等6項指標組成；F是要素指標層，選擇降水量、隧道與河流距離、第四系厚度等14項指標作為要素指標層，建立層次結構模型(見圖2)，進行綜合評價指標計算，在此基礎上進行地質條件綜合評價分區。

圖2 青島地鐵地質條件綜合評價層次指標Fig.2 Hierarchy of the comprehensive evaluationindex for geological conditions of Qingdao Metro

3.2 評價因子量化

根據研究區地質環境特點，將青島地鐵地質條件二級評價因子分為4級，即優等、良好、中等、差(見表1)。

表1 青島地鐵地質條件評價打分標準

各個評價因子的量化分級，在量化過程中既要考慮地質條件現狀對青島地鐵建設的適宜性，又要考慮青島地鐵建設對地質條件的影響程度(見表2)。

表2 青島地鐵地質條件評價因子量化分級[9-11]

續表

3.3 評價因子權重確定

本次評價因子權重確定方法：首先組織青島軌道交通及相關專業的專家根據工作經驗對各因子進行打分，按照打分情況進行異常值的剔除，取幾率大的分值；然后根據建立的青島地鐵地質條件綜合評價體系，利用層次分析法計算出影響地質條件綜合評價的各評價因子的權重，2個要素重要性之比采用1～9標度法(見表3、4)[12]。

表3 層次分析法計算結果

續表

表4 評價因子權重

4 研究區綜合地質評價

本文將研究區初步勘察階段和詳細勘察階段的所有鉆孔進行分類整理，結合野外鉆探的一手資料對評價體系中的各個評價因子進行統計打分，得到研究區的地質條件評價結果，然后根據實際調查情況進行必要的修正[13-14]，具體評分分級標準見表5。

表5 研究區地質條件評價分級標準

根據研究區地質條件評價結果，研究區分為4個區(見圖3)：地質條件良好區、中等區、較差區和差區。

圖3 青島地鐵地質條件綜合評價結果Fig.3 Comprehensive evaluation of geological conditions of Qingdao metro

4.1 良好區(Ⅱ)

研究區共有2段區域為地質環境質量良好區，總長度為651 m，占研究區總長度的17.2%，詳述如下：

YCK7+789～YCK8+000：該區域位于井岡山路站出站端，距離河流、海灣較遠，第四系厚度較薄，隧道穿越地層以堅硬巖、較硬巖為主，水、土腐蝕性微—弱，含水層富水性中等，無液化土層發育，地鐵在井岡山路下方穿行，綜合判定該段為地質環境質量良好區。

YCK8+160～YCK8+600：該區域位于珠江路以南、濱海大道以北，第四系厚度較薄，隧道穿越地層以較堅硬巖、堅硬巖為主，水、土腐蝕性微—弱，該區域無液化土層發育且距離唐島灣較遠，地鐵在井岡山路下方穿行，周邊建筑物較少，綜合判定該段為地質環境質量良好區。

4.2 中等區(Ⅲ)

研究區共有2段區域為地質環境質量中等區，總長度為1 750 m，占研究區總長度的46.4%，詳述如下。

YCK9+270～YCK10+720：該區域位于濱海大道南側綠化帶中，鉆孔揭示隧道穿越地層以較堅硬巖、堅硬巖為主，含水層富水性中等，該區域距離唐島灣較遠，水土腐蝕性微—弱，液化土層發育，綜合判定該段為地質環境質量中等區。

YCK10+920～YCK11+220：該區域位于辛莊北河以西、濱海大道以南，鉆孔揭示隧道穿越地層以較堅硬巖、堅硬巖為主，含水層富水性弱，該區域無液化土層發育且距離唐島灣較遠，地鐵側穿嘉年華地下停車場，環境條件差，綜合判定該段為地質環境質量中等區。

4.3 較差區(Ⅳ)

研究區共有4段區域為地質環境質量良好區，總長度為1 270 m，占研究區總長度的33.6%，詳述如下。

YCK8+000～YCK8+160：該區域位于井岡山路，該區域碎裂巖較發育，隧道穿越地層以軟巖、較軟巖為主，工程地質條件較差，綜合判定該段為地質環境質量較差區。

YCK8+600～YCK9+270：該區域位于井岡山路向濱海大道拐彎的位置，該區域距離唐島灣較近，最近處為12 m，第四系厚度較厚，隧道穿越地層軟硬布局，局部為軟巖、較軟巖，局部發育液化土層，綜合判定該段為地質環境質量較差區。

YCK10+720～YCK10+920：隧道在該區域下穿辛莊北河，雖然隧道穿越地層以較堅硬巖、堅硬巖為主，但辛莊北河長年有水，而且水位不斷變化，一旦水壓過大或者裂隙特別發育，極易引起地鐵隧道出現涌水、坍塌等地質災害，綜合判定該段為地質環境質量較差區。

YCK11+220～YCK11+460：該區域位于研究區的大里程端，第四系厚度較厚，隧道穿越地層以軟巖、較軟巖為主，工程地質條件較差，含水層富水性強，局部含有液化土層，綜合判定該段為地質環境質量較差區。

4.4 差區(Ⅴ)

研究區共有1段區域為地質環境質量差區，總長度為105 m，占研究區總長度的2.8%，詳述如下。

YCK11+460～YCK11+565：該區域位于嘉年華站的進站段，第四系厚度較厚，由于隧道埋深較淺，局部進入第四系土層，工程地質條件差，含水層富水性強，綜合判定該段為地質環境質量差區。

5 結論與建議

5.1 結論及風險控制

綜合研究區地質條件評價結果，研究區分為地質條件良好區、中等區、較差區和差區。

地質條件良好區特點為距離河流、海灣較遠，第四系厚度較薄，隧道穿越地層以堅硬巖、較硬巖為主，水、土腐蝕性微—弱，含水層富水性中等，無液化土層發育。

地質條件良好區風險控制建議：建議隧道采用復合式襯砌，在施工過程初期支護時，建議拱部采用錨桿+掛鋼筋網噴混凝土支護方式，側壁穩定時可考慮采用素噴混凝土支護即可。

地質條件中等區特點為隧道穿越地層以較堅硬巖、堅硬巖為主，含水層富水性中等，距離河流、海灣較遠，水土腐蝕性微—弱，液化土層發育，局部穿越建、構筑物。

地質條件中等區風險控制建議：隧道采用復合式襯砌，在施工過程初期支護時，建議拱部及邊墻均采用錨桿+掛鋼筋網噴混凝土+格柵鋼架支護方式，局部可考慮采用三角形格柵鋼架。

研究區地質條件較差區特點為碎裂巖較發育，隧道穿越地層以軟巖、較軟巖為主，工程地質條件較差，局部距離河流、海灣較近。

地質條件較差區風險控制建議：隧道采用復合式襯砌，在施工過程初期支護時，建議拱部及邊墻均采用錨桿+掛鋼筋網噴混凝土+格柵鋼架支護方式，局部可考慮采用格柵鋼架，遇局部圍巖破碎、穩定性差的情況應考慮采取加強支護措施，可考慮采用增加超前錨桿或超前小導管注漿支護等輔助措施來進行支護。

研究區地質條件差區特點為第四系厚度較厚，由于隧道埋深較淺，局部進入第四系土層，工程地質條件差，含水層富水性強，局部下穿建構筑物。

地質條件差區風險控制建議：隧道采用復合式襯砌，隧道施工時采用全斷面水平旋噴法超前帷幕注漿進行圍巖加固和地下水封堵，并采用長管棚超前加固支護巖土層，開挖施工時嚴禁放大炮、減少開挖進尺，開挖后及時進行初期支護，初期支護時適當增加錨桿長度、噴射混凝土厚度，加密支護鋼拱架、錨桿間距，在隧道開挖施工過程中，如遇地下水流失嚴重、地面沉降過大、孔內注漿加固效果不佳時，可考慮采用深孔注漿等方案對地面或建筑物地基進行加固處理，必要時在地面條件允許的情況下可采用地面高壓旋噴注漿方案加固地層。

5.2 建議

1) 本文數據來源主要為地鐵勘察階段的地質資料，建議能綜合勘察、設計、施工、運行等各個階段的資料，增加評價因子，進一步完善青島地鐵地質條件評價體系。

2) 由于地鐵為線性工程，鉆孔多分布于地鐵線路周邊，使本文的評價結果為帶狀成果，建議對高風險地段增加采樣范圍，更全面、更準確地反映青島地鐵的地質條件。

3) 本文的研究區為土、巖混合區域，評價過程基本適用于青島地區及地質相似地區，對于單一的第四系土層地區或基巖地區同樣可以采用該方法進行分析評價，但應結合具體的地質條件對評價因子的選取及量化分級、權重分配進行相應調整。

4) 在本文的評價結論中，“優等”、“良好”的多為硬質巖石，其評價對象也主要是針對地質條件而言，該類區域修建地鐵隧道的穩定性較好，但開挖難度大、施工時間長、造價高，綜合社會效益一般。

[1] 曹茂林.層次分析法確定評價指標權重及Excel計算[J].信息技術，2012(2)： 39-40.

CAO Maolin. Analytic hierarchy process to determine evaluation index weight and calculation with Excel[J]. Information technology， 2012(2): 39-40.

[2] 歐樹召,鄭健生,陳立根.廣州地鐵地質災害危險性預測評估[J].中國地質災害與防治學報,2008,19(1)：50-53.

OU Shuzhao， ZHENG Jiansheng， CHEN Ligen. Assessment of geological hazards along Guangzhou subway[J]. The Chinese journal of geological hazard and control， 2008， 19(1): 50-53.

[3] 鄧亞虹,彭建兵,盧全中,等.地鐵工程地質災害危險性綜合評估定量方法：以西安地鐵一號線為例[J].地球科學與環境科學,2009，31(3)：291-294.

[4] 周宗青，李術才，李利平，等.淺埋隧道塌方地質災害成因及風險控制[J].巖土力學，2013，34(5)： 1375-1382.

ZHOU Zongqing， LI Shucai， LI Liping， et al. Causes of geological hazards and risk control of collapse in shallow tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics， 2013, 34(5)： 1375-1382.

參考文獻

[5] 徐善初,張世林,陳建平.模糊層次評價法在隧道地質災害評估中的應用[J].地下空間與工程學報,2013,9(4)：946-953.

XU Shanchu， ZHANG Shilin， CHEN Jianping. The application of fuzzy-analytic evaluation in geological disaster assessment for tunnel construction[J]. Chinese journal of underground space and engineering， 2013， 9(4): 946-953.

[6] MARKOWSKI AS， MANNAN MS. Fuzzy risk matrix[J]. Hazard mater， 2008， 159(1)： 152-157.

[7] CHIN K S， WANG Y M， POON G K K， et al. Failure mode and effects analysis by data envelopment analysis[J]. Decision support systems， 2009， 48(1)： 246-256.

[8] 王松濤,印萍,吳振.山東日照海岸帶地質[M].北京：海洋出版社,2014.

WANG Songtao， YIN Ping， WU Zhen. Shandong Rizhao coastal geology[M]. Beijing: Ocean Press, 2014.

[9] 巖土工程勘察規范(2009年版)：GB 50021—2001[S].北京：中國建筑工業出版社，2009：121-126.

Code for investigation of geotechnical engineering(2009): GB 50021-2001[S]. Beijing: China Architecture& Building Press， 2009: 121-126.

[10] 城市軌道交通巖土工程勘察規范：GB 50307—2012[S].北京：中國計劃出版社,2012：118-123.

Code for geotechnical investigations of urban rail transit： GB 50307—2012[S]. Beijing： China Planning Press, 2012： 118-123.

[11] 工程巖體分級標準：GB 50218—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014：5-6.

Standard for engineering classification of rock mass： GB 50218-2014[S]. Beijing：China Planning Press, 2014： 5-6.

[12] 馮德益,樓世博,林命周.模糊數學方法與應用[M].北京：地震出版社,1983.

FENG Deyi， GAI Shibo， LIN Mingzhou. Fuzzy mathematics method and its application[M]. Beijing: Seismological Press， 1983.

[13] 張永偉,劉懷念,劉元本,等.專家聚類法在青島市城市地質環境脆弱性評價中的應用[J].山東國土資源.2008,24(10)：21-24.

ZHANG Yongwei， LIU Huainian， LIU Yuanben， et al. Application of expert cluster method in vulnerability evaluation of geological enviroment in qingdao city[J]. Land and resources in Shangdong province， 2008， 24(10): 21-24.

[14] 城市軌道交通結構抗震設計規范：GB 50909—2014[S].北京：中國計劃出版社,2014：13-22.

Code for seismic design of urban rail transit structures: GB 50909—2014[S]. Beijing: China Planning Press, 2014: 13-22.

TheGeologyEvaluationontheLineR3ofQingdaoMetro

ZHANGQiang1,2,GUZhaojie1,SONGShibing1,WANGZhongsheng1,SUNMinglei1

(1. Qingdao Geotechnical Engineering Co., Ltd., Qingdao Shandong 266100;2. Ocean University of China, Qingdao Shandong 266100)

By using the geological exploration data of the Jinggangshan-Jianianhua section of Qingdao metro line R3, and combining the data of drilling, sampling, geophysical prospecting, hydrology, earthquake, and rock testing, the geological evaluation indexes are put forward, and the Analytic Hierarchy Process model is constructed. Through quantitative classification and weight of the evaluation indexes, the geology of Qingdao Metro Line R3 is comprehensively evaluated. Based on the comprehensive analysis of the evaluation results, the geology of the studied area is divided into four grades: good, moderate, slightly poor and poor, and the risk control measures for each grade area are put forward.

Qingdao metro; geological condition; Analytic Hierarchy Process; evaluation

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.013

U231

A

1672-6073(2017)06-0074-05

2017-01-16

2017-02-06

張強，男，碩士，工程師，專業方向為工程地質，qddkzq@163.com

(編輯：郝京紅)