特殊地質條件下地鐵施工技術措施

郭紅梅

（北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101）

1 概述

目前我國各地正大力興建地鐵，各地都較普遍地存在著大量不良地質和特殊性巖土，常見不良地質作用有巖溶、活動斷裂、地面沉降、地裂縫、采空區、砂土液化等，常見特殊性巖土有填土、軟土、膨脹巖土、風化巖和殘積土、濕陷性黃土等。本文分析總結了主要的不良地質作用和特殊性巖土對地鐵施工造成的不利影響以及應采取的主要技術措施，為地鐵新線建設提供參考，以確保地鐵施工安全。

2 不良地質作用及技術措施

2.1 巖溶

2.1.1 不良影響

在暗挖過程中若碰到充填的地下水或松散物，將是重大威脅，更危險的還在于到處連通的地下水。對地下線路而言，可能造成盾構機跌落事故，明（蓋）或暗挖法施工時巖溶承壓水可能擊穿隔水底板或造成巖溶水突涌。對高架線路來說，溶洞的存在對樁基承載能力產生不利影響，樁基底部的溶洞，可能因溶洞頂板厚度不夠，壓碎頂板，樁基承載能力損失。

同時，巖溶地層的樁基施工過程中可能引起垮孔、漏漿、斷樁等施工事故。

2.1.2 技術措施

開工前要采用物探、鉆探等相結合，互相認證，確定溶洞發育地帶。

對地基穩定有影響的巖溶洞隙，應根據其位置、大小、埋深、圍巖穩定性和水文地質條件綜合分析、因地制宜地采取下列處理措施[1]：①對洞口較小的洞隙，宜采用鑲補、嵌塞等方法處理；②對洞口較大的洞隙，宜采用梁、板和拱等結構跨越，也可采用漿砌塊石等堵塞措施；③對于圍巖不穩定、風化裂隙破碎的巖體，可采用灌漿加固和清爆填塞等措施；④對規模較大的間隙，可采用洞底支撐或調整柱距等方法處理。

2.2 活動斷裂

2.2.1 不良影響

活動斷裂帶是地表表層薄弱地帶，斷裂帶上、下兩盤的巖性往往不同，接觸帶巖層的整體性、巖性均一性極差，盾構掘進時易造成刀盤偏磨嚴重。隧道易發生坍塌、甚至冒頂，基坑開挖易產生突涌斷裂構造降低了巖體的強度及穩定性，會發生較大沉陷，易造成地鐵結構斷裂或傾斜。

2.2.2 技術措施

在可行性研究勘察時，應建議避讓全新活動斷裂和發震斷裂，避讓距離應根據斷裂的等級、規模、性質、覆蓋層厚度、地震烈度等因素綜合確定。非全新活動斷裂可不采取避讓措施，當淺埋且破碎帶發育時，可按不均勻地基處理。

2.3 地面沉降

2.3.1 不良影響

隧道盾構區間隨著地面不均勻沉降，盾構管片間發生變形錯位，導致防水破裂，造成隧道滲水。若地面沉降過大，導致測量水準點下沉，若不及時調整水準基點標高，造成區間隧道不能貫通。

2.3.2 技術措施

地面沉降的原因主要是超量抽取地下水及城市建設施工時產生的，可以通過采取如下一系列措施減緩和預防地面沉降災害的發生。①加強地面沉降基礎研究工作，在監測數據整理分析的基礎上，建立地面沉降預警預報系統，預測地面沉降的發展趨勢；②科學合理控制地面沉降區地下水的開采量、開采層位、開采范圍；③強化城市建設施工管理，避免加劇地面沉降；④加強政府宏觀管理，增強全民防災減災意識。

2.4 地裂縫

2.4.1 不良影響

由于受地裂縫的錯動作用可能導致隧道襯砌變形破壞，可能造成如下幾種隧道病害：①地裂縫帶的活動會引起地鐵隧道襯砌的變形，變形大時會導致跨地裂縫處的軌道產生變形；②當地裂縫的活動量超過了地鐵隧道襯砌的允許變形量時，襯砌開裂，拱頂、邊墻等裂損處發生滲漏水現象。

2.4.2 技術措施

一般情況下，只能通過調整與地裂縫配置關系，及采取隔離的途徑或轉嫁構造力作用的辦法，以達到減輕和防治地裂縫災害的目的，當地鐵線路完全避開無法實現時，應采取減緩和設置適應性結構措施等[2]。

（1）控制承壓水開采能基本控制地面沉降的發展和地裂縫的活動強度。

（2）適當擴大地裂縫影響范圍內的襯砌斷面，設置可調式浮置板道床主動適應地裂縫變形。

2.5 采空區

2.5.1 不良影響

采空區對地鐵工程的不利影響主要表現在采空區垮塌引起地面塌陷和開裂，在可研階段，應通過綜合勘察手段查明采空區的范圍和深度，分析采空區的影響程度，為設計和施工提供依據。

2.5.2 技術措施

針對不同的塌陷模式和不同的線路分布地區，應分別采取不同措施。①建地表防排水工程，防止滲漏；②在薄弱地段采取鉆孔灌漿或旋噴樁加固處理，同時應結合構筑物抗震設計，采取加固保護措施；③直接對采空區進行充填，充分利用采礦廢石，充填采空區；④可考慮采用基礎整體澆筑的加固措施，或使用旋噴樁加固法加固基礎，即在淺部用旋噴樁形成一硬殼層，再在其上再設置筏板基礎；⑤對比較大的塌陷坑，可采用梁式基礎、拱形結構，或以剛性大的平板基礎跨越、遮蓋空區。

2.6 砂土液化

2.6.1 不良影響

地鐵車輛段及停車場以淺基礎位置，砂土液化可造成地基土承載力、抗剪強度的突然喪失。地鐵圍護結構若位于液化土層中，基坑側壁土層、圍巖喪失其自穩能力，極易造成塌方事故。高架地鐵結構，樁基位于液化土層中，砂土液化可降低樁周土的側摩阻力，影響樁基承載力。

2.6.2 技術措施

砂土液化的常用防治措施有：合理地選擇建筑場地、地基處理、基礎和上部結構選擇等。

在強震區應合理的選擇建筑場地，以盡量避開可能液化土層分布的地段。地基處理可以消除液化可能性或減輕其液化程度。地震液化的地基處理措施很多，可以部分或全部消除液化的影響。此外應增強上部結構的整體剛度和均勻對稱性，合理設置沉降縫。

3 特殊性巖土及技術措施

3.1 填土

3.1.1 工程特性與不良影響

（1）不均勻性：填土組成成份復雜，回填的方法、時間和厚度的隨意性，若地鐵出入口、U型槽等基礎埋深較淺的結構部位坐落于填土上，易產生不均勻沉降，導致結構開裂。

（2）低強度和高壓縮性：土質疏松、密度差、固結程度低，抗剪強度低，承載力低，壓縮性高。對基坑支護極為不利。

（3）欠壓密性與濕陷性：土質疏松，孔隙率高，在浸水后會產生較強的濕陷。對于車輛段，地面線，主要以淺基礎和路基為主，人工填土的密實度差，均勻性差，會造成軌道沉降、房屋開裂等事故。

3.1.2 技術措施

填土成分比較復雜，均勻性差，厚度變化大，工程上一般要進行地基處理。常用的地基處理方法有換土墊法，適用于地下水位以上，可減少和調整地基不均勻沉降；機械碾壓、重錘夯實及強夯法，適用于加固淺埋的松散低塑性或無粘性填土；擠密法、灰土樁，適用于地下水位以上；砂、碎石樁適用于地下水位以上。

3.2 軟土

3.2.1 工程特性與不良影響

（1）壓縮性：一經擾動，軟土層強度明顯降低，變形時間長，變形量大。

（2）低強度：在軟土地層中進行管棚鉆進施工時，受鉆桿撓度、剛度等的影響，易引起鉆孔的偏斜、坍塌等，從而影響管棚的形成質量。

（3）滲透性：軟土地層中，注漿效果難以控制，難以一次形成有效的止水帷幕。

（4）流變性：軟土地區基坑開挖，會引起坑內土體的應力釋放，若基坑圍護設計和施工不合理，易引起基坑變形和失穩。

（5）固結沉降：當車輛段等地面建筑位于軟土地基上時，變形問題、穩定問題及工后沉降問題將出現；軟土中盾構法施工，易引起地面較大沉降，引起隧道附近地下管網及構筑物開裂等。

（6）觸變性：易造成盾構上部圍巖松弛，難以形成壓力拱，對于剛脫離盾尾的管片，經常會出現局部或整體上浮。

3.2.2 技術措施

在軟土層中進行盾構施工關鍵的技術問題是安全出洞的技術措施和減少地表變形的技術措施。在軟土中盾構出洞時如何保持洞口外土體的穩定，保證盾構平穩地切入土體是盾構施工順利進行的第一步，出洞技術措施主要包括鋼板樁作臨時封門和出洞區土體加固等[3]。出洞區外土體利用注漿法、深層攪拌法、旋噴法和冰凍法等方法進行加固，加固后土體滲透系數降低、抗剪強度提高，在洞圈內封門拆除后能保持自立，不發生滑移，不發生滲流。盾構施工后期沉降雖然沉降發展速度較慢，但其累計值還是相當可觀的。對于地面有較重要的構筑物來說，除在盾構推進過程中精心施工外，利用跟蹤壓注固結漿液的方法控制后期沉降是一種效果良好且必須的手段。

3.3 膨脹巖土

3.3.1 工程特性與不良影響

由于膨脹巖具有吸水膨脹和失水收縮等工程特性，具體危害表現在以下幾個主要方面[4]：

（1）地下膨脹巖工程：在地下膨脹巖中開挖隧道時，地下洞室普遍發生開裂、內鼓、坍塌和膨脹等變形現象；

（2）膨脹巖路基：膨脹巖在干濕效應的作用下，旱季巖體失水收縮，微裂隙張開，為地表水滲入提供通道，雨季時充水膨脹，強度降低，導致線路走行變樣、路肩隆起、側溝破壞、道床翻漿冒泥等病害。

（3）膨脹巖邊坡：膨脹巖邊坡的病害可分為坡面病害和坡體病害兩大類，坡面病害的破壞形式有剝落、溜塌及局部崩塌，坡體病害的破壞形式有坍塌和滑坡。

（4）膨脹巖地基：如果構筑物選擇膨脹巖作為其淺基礎持力層，會使承載力達不到要求或由于膨脹壓力的作用使構筑物產生傾斜變形。如選擇膨脹巖作為樁基等深基礎的持力層，則會由于成樁等施工過程中水的影響而使樁的承載力出現問題。

3.3.2 技術措施

膨脹巖的脹縮性主要是由于水的作用而引起的，因此以淺基礎的形式建造在膨脹巖地基上的構筑物一般要求在構筑物周圍加大散水，不設地表明溝，同時采取措施防止膨脹巖地基中水分的蒸發散失。

合理選擇基礎埋置深度也是有效措施之一，一般要求強膨脹巖地基，基礎應埋置在大氣風化作用影響深度以下，對于弱膨脹巖地基，可視脹縮變形大小而適當確定。

膨脹巖邊坡應采用強支護、快速施工、快速封閉并加強地表水、地下水的截排等綜合治理措施。可以從以下幾個方面予以考慮：①禁止雨季施工，盡量避免原巖擾動；②快速施工，速戰速決，避免干濕循環導致強度衰減和變形體的牽延；③注漿加固破碎或松動巖層以提高力學穩定性，改變其應力狀態向有利于穩定性方面轉化；④設置抗滑樁、樁板墻、錨桿擋土墻等支擋結構。

3.4 風化巖和殘積土

3.4.1 工程特性與不良影響

（1）由于基巖風化程度不一樣，物理力學性質差異很大，盾構施工時，盾構機的姿態很難控制。

（2）當隧道位于不均勻風化巖體內，基巖界面往往為軟弱結構面，也是地下水連通界面，易引起掌子面涌水和失穩。

（3）花崗巖殘積土及全強風化帶若夾有球狀風化物（孤石），在刀盤旋轉時，很容易造成球體松脫并隨著刀盤一起旋轉，盾構機無法前進。一方面，造成球體對刀具的側壓力加大，超過一定的極限時刀具折斷，另一方面，球體隨著刀盤旋轉，會對周邊的圍巖產生越來越大的擾動，容易造成盾構機上方地體發生塌方。

（4）在基坑開挖、隧道暗挖過程中，花崗巖風化巖、殘積土遇水易軟化、崩解，使地基強度、抗剪強度顯著降低，易造成坑底隆起、圍巖失穩、基坑垮塌等事故。

3.4.2 技術措施

花崗巖球狀風化的處理辦法主要有人工破巖石、盾構機破巖、地面鉆探地下爆破破巖和沖孔樁破巖4種方法。目前常用的是人工破巖和盾構機直接破巖2種。

在盾構施工中應加密補充地質勘探，掌握球狀風化體的分布情況。在掘進過程中通過觀察盾構機掘進的異常情況以及掘進參數的異常變化，來判斷是否碰上了球狀風化巖體。

全風化、強風化及殘積的花崗巖地層中，盡管可能還保留長石類礦物晶體結構的輪廓，但其內部已經風化為粘土礦物，并且總含量基本保持不變，一旦卸荷或遇水，礦物晶體結構的輪廓將被破壞，粘土礦物吸收水分膨脹，盾構掘進過程中易形成泥餅。在易結泥餅的地層中掘進時，應考慮采取以下措施：①根據地質條件，有針對性地向密封土艙和刀盤面板適量加注高質量的泡沫或聚合物或膨潤土或其中的2種混合液甚至3種混合液，以改善土體的和易性和塑性；②在淺埋隧道施工，地層相對自穩定時，設定的出土壓力不宜超過主動土壓，宜采用欠土壓平衡模式；③若地層穩定性較差，但隔氣體性較好時，宜采用輔助氣壓作業，掘進宜采用欠土壓平衡模式；④采用冷卻措施，避免密封土艙高溫高熱；⑤避免密封土艙飽滿時長期停機，宜以泥漿或粘性差的砂土代替部分土體充填密封土艙。

3.5 濕陷性黃土

3.5.1 工程特性與不良影響

（1）黃土節理：黃土層常具有各方向的構造節理，有的原生節理呈X型，成對出現，并有一定延續性。在隧道開挖時，土體容易順著節理張松或剪斷。如果位于隧道頂部，極易產生塌頂。如果位于側壁，則普遍出現側壁掉土，常會引起較大的坍塌。

（2）黃土沖溝地段：當隧道在較長范圍內沿著沖溝或塬邊平行走向，而覆蓋較薄或偏壓很大的情況下，容易發生較大的坍塌或滑坡現象。

（3）黃土溶洞與陷穴：隧道若修建在其上方，則有基礎下沉的危害。隧道若修建在其下方，施工時有發生冒頂的危險。隧道若修建在其鄰側，則有可能承受偏壓。

（4）水對黃土隧道施工的影響；由于黃土在干燥時很堅固，承載力也較高，施工可順利進行。當其受水浸濕后，出現不同程度的濕陷性，會突然發生下沉現象，使開挖后的圍巖迅速喪失自穩能力，易造成坍塌。

3.5.2 技術措施

黃土地區的濕陷變形往往是局部和突然發生的，而且變形速率大，不均勻。應根據濕陷性黃土的特點和工程要求，因地制宜，把消除濕陷變形作為先決條件，采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷，結合防水措施和結構措施，保證構筑物的安全和正常使用[5]。

（1）地基處理措施[6]：濕陷性黃土地基處理的方法很多，如墊層法、強夯法、擠密法、預浸水法、樁基礎法、深層攪拌樁法及化學加固法等。

（2）防水措施：做好總體平面和豎向設計，保證整個場地排水通暢，保證管網和水池類構筑物的工程質量，防止漏水，做好排除屋面雨水和房屋內地面防水的措施；對于明挖區間和車站來說，需要回填一定深度的土來做覆蓋層，可考慮提高回填士的密實度，或者單獨做一層或多層隔水層，阻斷入滲路徑；基坑開挖及地下結構施工時，應盡量避開雨季和冬季，縮短基坑暴露時間，并采取措施防止施工用水和雨水流入基坑。

（3）結構措施：減少構筑物的不均勻沉降，或使結構物適應地基的變形，建筑平面布置應力求簡單或用沉降縫分成若干個構筑物體型簡單的獨立單元，用增設圈梁、基礎梁構造柱等方法，加強構筑物上部結構的整體剛度。

4 結論

通過收集大量資料和已建地鐵施工經驗，針對各地區主要不良地質作用和特殊性巖土狀況，分析總結了其對地鐵施工可能產生的不利影響，提出了施工應采取的主要技術措施，為地鐵新線建設提供參考。

[1] 羅俊忠.西安地鐵濕陷性黃土處理措施研究[J].鐵道建筑技術，2013（4）.

[2] 蔣臻蔚，彭建兵，王啟耀.西安市地鐵3號線不良地質問題及對策研究[J].巖土力學，2010(2).

[3] 鄭堅.在軟土層中應用盾構法施工的關鍵技術研究[J].建筑施工，2000,22(6).

[4] 范秋雁.膨脹巖與工程[M].北京：科學出版社，2008.

[5] 吳新，師琴，高英杰.黃土濕陷性評價及防范措施[J].山西水土保持科技，2005(3).

[6] 宋方亮.淺談地鐵車站濕陷性黃土地基處理[J].地鐵結構，2012(增刊).