福州地鐵勘察過程中若干難點問題探討

程 庭

(福州市勘測院 福建福州 350001)

0 引言

根據《福州市軌道交通網絡規劃》(2012 年修編)，福州市軌道交通線網擬由9條線組成，總長338.12km，設站 216 個[1]。目前，1號線一期工程已通車運營，1號線二期工程、2號線計劃2019年通車， 4、5、6號線和機場快線也正在如火如荼的建設之中，預計從2019年開始福州將實現每年貫通一條地鐵線路的態勢。大規模的地鐵工程建設帶來了大量的巖土工程勘察工作，地鐵工程的勘察涉及的內容較多，本文擬從地鐵工程的特點出發，同時結合福州地區特定的地形、地貌和地質特點，挑選出幾個在福州地鐵勘察過程常見但容易出現差錯的難點問題進行探討，比如，地層定名、鉆孔孔深、地下水水位量測、滲透系數、地下水腐蝕評價等問題，以期總結過去的不足之處，為后續的福州地鐵勘察提供經驗。

1 福州地形地貌、地質特點

福州盆地是一山間斷陷盆地，盆地四周山嶺環抱，城區在盆心，盆地邊緣為山地和丘陵，海拔高程均在500m 以上，盆地內部是沖積海積平原，高程約3m～5m，平原上分布著諸多島狀花崗巖殘丘，如高蓋山、烏山、于山、屏山等，閩江、烏龍江穿越盆地中心。 區內地貌類型，主要包括山地地貌(構造侵蝕中低山、低山)、丘陵地貌(侵蝕高丘、侵蝕低丘、剝蝕殘丘)、 堆積平原地貌(沖積平原、沖洪積平原、沖海積平原、風積平原)以及河谷地貌[2]。

福州盆地淺部地層為第四系地層，深部地層為侏羅系上統南園組火山巖和燕山晚期(γ53)侵入的中粗粒黑云母花崗巖、鉀長花崗巖、花崗閃長巖形成的復式巖體。第四系堆積層層布于盆地之中，披覆于燕山晚期侵入巖及火山巖之上，地表可見的火山巖主要分布于盆地邊緣的崇山峻嶺。

福州盆地地層從上及下，主要為全新統長樂組、全新統東山組、上更新統龍海組、更新統殘積層，底部為火山巖或花崗巖及其風化層地層。其中，長樂組地層分布廣泛，為福州地鐵建設影響最大的地層，為一套海陸交互相沉積，地層相對復雜，最大厚度 77.91m，其不整合覆蓋于東山組之上；該套地層的沖洪積、海積層為灰黑色淤泥、粘土、砂質粘土、中細砂、砂礫卵石。東山組地層以灰白、黃綠色粘土、砂質粘土、含泥中細砂為主，局部夾薄層泥質砂。龍海組地層以棕黃、灰黃、灰色泥質砂礫卵石為主，局部夾薄層棕黃，灰綠色砂質粘土，為陸相沖洪積沉積。殘積層主要由花崗巖類巖石和火山巖類巖石經長期物理化學和生物化學風化作用而成，與母巖成過渡關系，分布在盆地低緩殘丘邊部[3]。

2 地鐵勘察過程中難點問題分析

福州地鐵相對于全國其它城市的建設時間相對較晚，于2009年才開始地鐵1號線的可行性勘察，之后于2013年開始2號線的勘察，從2015年之后陸續開始了地鐵6號、5號、4號和機場快線的勘察工作。由于福州地鐵勘察和建設相對缺乏經驗，在福州特定的水文地質和工程地質條件下，勘察過程中或多或少走了一些彎路。下文選擇其中5個難點問題進行分析。

2.1 地層定名問題

福州盆地受閩江的多次變道、閩江水量差異變化和全新世“長樂海侵”事件等影響[3]，盆地內地層多呈相互交雜、包裹、透鏡體狀分布，混合土的特征較為突出，不同地區不同深度的地層差異較大，很難形成諸如上海、華東、華北地區大范圍內相對穩定的沉積地層。因此，在福州地區，精確的地層定名成了地鐵這類復雜地下工程的首要任務。根據省標《巖土工程勘察規范》(DBJ13-84-2006)要求，關于混合土的定名分成了兩大類，即并列類名稱和前綴類名稱，其中碎石類土、砂類土自身之間相互混合的土層應采用并列類名稱；而對于碎石類土和砂類土與粉土和黏性土之間的混合，應采用前綴類名稱。如，當含泥量或含砂、礫石量較小時(<10%)一般不加前綴；當含泥量或含砂、礫石量增多時(10%～25%)，一般在加上前綴“(含泥)”或“(含少量***)”；而當含泥量或含砂、礫石量大于25%時，則加上“(泥質)”或“(含***)”前綴名稱。此外，當同一土層相間呈韻律沉淀，當薄層與厚層之比大于1/3應定為 “互層”，厚度比為1/10～1/3時應定為“夾層”，厚度比小于1/10時，且多次出現時應定“夾薄層”。

在勘察過程中，若將地層的定名過于簡單化，本該按照混合土進行定名和分類定成了單一定名，很容易誤導設計單位將本身透水的地層當作隔水地層使用，從而可能導致車站的基坑降水過程存在較大的偏差。省標要求當地層內砂土的含量小于10%時，一般不加以前綴，但是根據地下工程的特點，其對地層的含水量和滲透特征十分敏感，即使粉土或黏性土內夾雜的少量砂土也影響了該地層的滲透系數。如，表1中的1～3號土樣，當土樣較為純凈時其水平和垂直滲透系數數量級為10-7cm/s，但是當土層內夾有少量粉砂時(4～7號土樣)，其水平和垂直滲透系數數量級變為10-6cm/s，且具有水平向的滲透系數明顯大于垂直向，說明該沉積地層具有層理關系，因此在地鐵勘察過程中，最終4～7號土樣定名為淤泥質土夾薄層砂。當地層中的砂土含量進一步增多時，如將圖1所示土樣采取于閩江兩側路段，深度為23.2m～32.6m，根據土工試驗結果其<0.075mm粒徑的含量比例為63.1%～89.9%，余下的成份以粉砂和細砂為主，如僅僅按照室內土工結果定名，可定為(含少量粉細砂)淤泥質土或(含粉細砂)淤泥質土，但是結合到野外描述的地層特征，砂層與淤泥質土呈韻律沉淀規律，且兩種地層之比大于1/3，其水平和垂直滲透系數數量級為10-6～10-5cm/s(8～10號土樣)，因此該地層最終定為淤泥質土與粉細砂交互層。

圖1 淤泥質土與粉細砂交互層地層

綜上分析，在福州地區地鐵勘察前，應充分調研本區的地層特點，做到有的放矢。在土的定名過程中，應以現場描述為基礎，同時結合實驗室的開土記錄和土工試驗結果綜合確定，盡量避免單一途徑來定名。另外，鑒于地下工程對地下水十分敏感的特征，在定名過程應盡可能將土層里面是否含砂和含砂量多少的特征描述出來，從而引起地鐵各參與方的重視，避免在方案選擇時出現差錯。

表1 部分土樣室內滲透系數及其定名

2.2 關于車站鉆孔深度問題

福州地區的軟土和強透水砂層、卵礫石層發育廣泛，且厚度差異較大，據區域調查資料表明盆地內軟土發育了3層：第一層軟土為全新世長樂組上部的淤泥，為河口海灣相沉積，厚 2.2m～21.2m；第二層軟土為全新世長樂組中下部的淤泥或淤泥夾砂，層厚4.5m～14m；第三層軟土為晚更新世龍海組上部的淤泥質土層，層厚2.0m～20m[2]。強透水的各類砂層、礫石、卵石孔隙水，也可大致分成3個不同的含水層，即表層潛水含水地層、上層承壓含水層和下層承壓含水層，含水地層的厚度差別較大，局部厚度甚至達30.0m[4]。

根據《城市軌道交通巖土工程勘察規范》 GB50307-2012要求，地鐵車站的鉆孔深度應進入結構地板以下的中風化和微風化地層不小于3m～5m，其它地層為控制孔不小于25m，一般孔不小于15m[5]。在地鐵2號線勘察初期，為了節省勘察費用，鉆孔深度嚴格按照規范要求執行，僅少量控制性鉆孔穿透了軟土和強透水的砂卵石地層，大部分鉆孔沒有完全揭穿軟土和強透水地層，尤其在閩江沿江地段強透水的含水層深度較大區域，如地鐵2號線的祥坂站，車站底板底部為<3-8>卵石地層，該層底埋深42.00m～68.00m(標高-60.29m～-35.07m)，在基坑底部與<3-8>卵石地層之間存在相對隔水的粉質黏土和淤泥質土地層又多不連續的情況下，因多數鉆孔深度未達到含水層底板，導致設計單位在采用連續墻落地方案，還是采用基坑坑底止水方案的選擇上存在困難。為了最終確定支護方案，該車站選擇了部分鉆孔進行補充勘察，從而導致了勘察工作反復和工期延誤。在后續勘察過程中，經業主和設計單位進行協商后，調整了車站勘察鉆孔的深度，要求所有車站主體結構鉆孔均穿透軟土和強透水地層，并進入含水層底板3m～5m，基本上解決了勘察孔深度滿足規范要求，但不滿足設計要求的尷尬問題。此問題也體現出地鐵勘察過程中勘察與設計單位及時溝通的重要性，受前期勘察工作深度和精度的影響，在后續地鐵勘察的過程中經常會遇到前期工作未曾揭露的地層，有些地層的深度和厚度也發生了一些變化，而這些變化有可能影響到設計單位最終的設計方案，因此建議勘察單位在前期的外業勘察階段，就應經常性邀請總體單位和設計單位進行外業巡查，在巡查過程中及時發現問題并解決問題。

2.3 滲透系數問題

根據地區經驗，福州盆地內的淤泥、淤泥質土、黏土、砂層和卵礫石等地層很少呈單一地層出現，尤其在閩江古河道和現狀河道附近，基本上都是兩種或兩種以上地層交互或包裹在一起,如圖1所示。因此，在地層滲透性和各項物理力學指標上與純凈的地層存在較大差別，其中滲透性差別尤為突出，如表1中純凈的淤泥、淤泥質土和黏土地層的滲透系數數量級一般為10-7cm/s，可認為不透水地層，但是在福州盆地內以上地層一般夾雜薄層～中厚層砂，有些地方甚至表現為混砂，這些含砂淤泥、淤泥質土和黏土地層出現弱～中等透水性特征，局部甚至強透水性特征。此外，福州地區的地層滲透系數，表現出水平向的滲透系數明顯大于垂直向滲透系數的特征，如表1內的1～8號土樣，有時水平向甚至高出垂直向1～2個數量級，如表1內的9～10號土樣，該特征與含砂地層的成層狀沉積過程密切相關。

此外，福州盆地內的強透水砂、卵石地層的滲透系數，受其間填充的物質不同，不同位置和不同深度也表現出較大的差異。比如，五四北淺層的龍海組(含泥)碎卵石、(泥質)碎卵石地層和南臺島中南部的深層泥質砂礫卵石地層滲透系數就相對較小，滲透系數在5.00～9.05m/d范圍內(表2中編號1～4)；而對于閩侯上街、烏龍江兩側附近區域的卵石地層滲透系數則高達到40～55m/d(表2中編號5～6)。因此，在福州地區各地，不同深度的滲透系數均差異性較大，有時甚至在名字看起來相近甚至類似，但是受其所處的地質年代不同，卵石的粒徑、組成物的比例和卵石填充物不同，其滲透系數差異較大，有時甚至是數量級上的差異。因此，基于福州盆地內強透水砂卵石地層以上特點，在地鐵勘察過程中不能簡單地照搬套用該類參數，而是應以現場抽水試驗成果為依據，并綜合分析區域地質資料、砂卵石地層成份及其填充物等因素，綜合確定該地層的滲透系數。

表2 福州地區不同區域卵石地層滲透系數對比表

2.4 地下水水位量測問題

因地鐵車站和區間大部分均位于地下，均涉及到地下水抗浮、抗突涌、抗滲流問題，因此，地下水水位測量是否準確，直接影響到涉及方案以及工程造價。福州盆地內地下水普遍埋深淺，受砂卵石層、黏性土層、淤泥土層沉積韻律的影響，地下水往往表現為多個地下含水層，各層地下水受相對隔水地層的間隔影響，地下水在小范圍內、短時間內呈現出不同的水位標高；但是，福州地區的隔水地層往往呈透鏡體狀分布，在某個車站范圍內表現為上下兩個含水地層為完全隔斷狀態，而一旦尺度拉大到一個或者幾個區間來看，則上下兩個含水地層存在連通的窗口，有時甚至兩層并為同一個地層，如圖2所示。該車站所在范圍內的淤泥質粉細砂地層和深部的含泥中粗砂地層之間存在隔水的粉質黏土地層，但是當空間尺寸拉大后，在車站相鄰右側區間范圍內隔水的粉質黏土地層缺失了，上下兩個強透水地層完全連在一起。前期勘察過程中，在該車站勘察孔內測得上部淤泥質粉細砂地層的水位埋深為4.35m～6.72m，下部含泥中粗砂地層水位埋深為6.10m～8.65m，下兩個砂層含水層的水位差別達2m～3m，但是在后續抽水試驗過程中，隨著抽水時間的加長，上下兩個含水層基本導通，如圖2中抽水孔1和抽水孔2地下水流線的源頭基本趨同，上下兩個含水層測得的水位基本持平。

因此，在地鐵勘察過程中，若僅限于某一個局部位置分析地下水含水層結構，可能會得出錯誤的結論，應適當拉大地層空間，分析上下不同含水層之間是否存在導通的可能性。

另外，在地鐵勘察過程中，關于各含水層水位測量時，應盡可能采用抽水試驗孔的試驗數據；而對于勘察鉆探孔內測試的數據，因為其洗孔往往不夠徹底，且地下水穩定時間相對較短，測得的地下水水位一般誤差較大。

圖2 地鐵2號線某車站抽水時地下水流線圖

2.5 地下水腐蝕性評價問題

地下的車站和區間混凝土結構，多數處于長期浸水或者干濕交替交替狀況，地下水的腐蝕性以及腐蝕性介質的不同，對地鐵的結構影響重大，一旦勘察不準確或者出現偏差，將導致設計出現較大變更，工程造價增加顯著。

表3 福州地區不同區域地下水腐蝕性特征

另外，在地鐵勘察過程中，部分車站和區間表現為侵蝕性CO2腐蝕性特征，比如6號線吳航站、5號線鳳山路站等均表現出該特征，如表3所示，福州地區屬于非灰巖地區，侵蝕性CO2超標主要與地下水內有機質含量有關。根據周邊環境調查表明，一般侵蝕性CO2超標路段附近均存在水產、家禽養殖區和地表水明顯富營養化的河道、池塘區域，且不同季節和時間段測得的侵蝕性CO2數據差異較大。分析此項超標的原因，即：地表水的有機物經過地下水的循環進入地下，經過微生物的作用，形成侵蝕性CO2超標現象。

綜上分析，在地下水腐蝕性評價時，應盡量采集抽水試驗孔內的地下水作為腐蝕性判斷依據，因為抽水試驗是經過嚴格洗孔和長時間的抽水，在其孔內所取的地下水樣能夠代表該含水層的水質特征；另外，對于導致腐蝕的物質應分析其來源，是短暫效應還是長期效應，對于短期效應的腐蝕性來源應多次采取水樣進行復核，避免出現誤判。

3 結語

福州盆地是一山間斷陷盆地，盆地內除了島狀花崗巖殘丘外，主要為沖積海積平原，受貫穿盆地內閩江的多次變道、水量差異變化和全新世“長樂海侵”事件影響，盆地范圍內地層多呈相互交雜、包裹、透鏡體狀分布，不同地區不同深度的地層差異十分巨大，由此形成了特有的福州地區的地層和地下水分布情況。本文根據已經完成勘察工作的地鐵線路情況，挑選幾個福州地鐵勘察過程中經常遇見的難點問題進行探討分析，比如地層定名、鉆孔孔深、水位、滲透系數、地下水腐蝕等問題，這些問題看似簡單，但是一旦疏忽容易出現差錯，因此建議在以后勘察過程中，應結合福州本地區的水文地質和工程地質特點，同時充分考慮地鐵作為地下工程結構特點，以現場試驗和室內試驗為基礎進行綜合性判定，盡可能準確地反映出真實水文和地質情況。