福州濱海新城海水入侵特征及對地鐵工程影響研究

宋開灼

(福建省華廈能源設計研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

海水入侵指海水通過濱海地帶多孔介質(zhì)向內(nèi)陸方向運移，致使帶內(nèi)地下淡水達一定深度后，含鹽量超過水質(zhì)標準而無法直接利用[1]。對于地鐵工程而言，當?shù)叵滤}量超過一定標準后，容易使混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生嚴重的腐蝕性問題。當腐蝕產(chǎn)物累計到一定程度后會導致混凝土膨脹、開裂，影響地鐵工程使用壽命。因此，研究濱海地區(qū)海水入侵特征，分析其對地鐵工程的影響變得十分關鍵。目前國內(nèi)已有大量學者研究海水入侵特征及其地鐵工程影響相關研究。黃磊、郭占榮總結(jié)了1964年以來我國沿海城市海水入侵歷史與現(xiàn)狀，總結(jié)了海水入侵原因，提出防治對策[2]；孫金華、吳永祥對黃渤海沿海地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀進行監(jiān)測，分析總結(jié)了渤海海水入侵防治技術與方法，提出了適應性管理對策[3]；楊璐嘉通過實海試驗，觀察了海水環(huán)境下混凝土試件中鋼筋的腐蝕情況，提出了一種適用于對海水環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋進行腐蝕防護的電化學方法[4]；朱禮廷以大連地鐵一號線試驗段南關嶺站工程為背景，從理論和數(shù)值分析兩方面分析了注漿圈滲透系數(shù)和厚度對隧道涌水量的影響規(guī)律,以及海水入侵對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響,并提出工程方案措施[5]。

上述的研究結(jié)果表明：海水入侵，一般是特定區(qū)域自然與人類社會經(jīng)濟活動兩大因素疊加影響的結(jié)果。它將導致土壤鹽漬化，地下水水質(zhì)惡化、地下水腐蝕性變強等問題，成為制約濱海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[6]。地下結(jié)構(gòu)應對海水腐蝕措施主要集中在加強隔離和減緩腐蝕進度兩個方面。本文通過地鐵6號線延伸線范圍內(nèi)完成的多組水質(zhì)測試，初步查明福州濱海新城區(qū)域海水入侵規(guī)律、腐蝕性特征，并提出針對性的防治措施，為該地區(qū)地鐵工程提供一定的借鑒。

1 福州濱海新城海水入侵特征

福州市作為地處閩江下游、臨近入海口的城市，建設濱海新城、發(fā)展海洋經(jīng)濟是習近平總書記1992年任市委書記時提出“東擴南進、沿江向海”戰(zhàn)略構(gòu)想的具體實施。2017年初，長樂濱海新城進入具體實施階段，規(guī)劃的濱海新城核心區(qū)面積86 km2(圖1)，其中軌道交通是濱海新城建設過程中重要的市政措施。目前規(guī)劃有地鐵6號線、6號線延伸線、7號線、12號線和機場快線F1。然而福州濱海新城緊鄰東海，海岸線直接與新城區(qū)相接，擬建的地鐵工程也多臨海，處于海水入侵范圍內(nèi)。

圖1 濱海新城及地鐵6號線延伸段位置示意圖

以擬建的福州地鐵6號線東延伸線工程為例。其起于6號線一期終點萬壽站，沿道慶路、漳江路展布，終于國際學校站，線路全長約5.58km，均采用地下線敷設方式，設濱海北站S1、濱海新城站S2、沙尾站S3、金濱路站S4、國際學校站S5 5個站點，分別對應圖1中編號S1～S5所在位置。整個線位平行于海岸線布置，距離海岸0.82 km～2.12 km，正好處于長樂地區(qū)0.80 km～3.50 km海水入侵范圍內(nèi)[7]。長樂濱海新城區(qū)域第四紀地貌單元主要為沖洪積、海積和風積地貌，地勢總體較為平坦，區(qū)內(nèi)第四系地層厚度30 m～60 m，總體上厚度變化較小，僅局部基巖隆起區(qū)砂土層厚度較薄。第四系地層主要為淤泥、淤泥質(zhì)土夾砂、風積粉細砂、中細砂、粉質(zhì)黏土、砂礫石等組成，圖2為橫穿濱海新城核心區(qū)、垂直海岸線的典型地質(zhì)縱斷面圖PM-PM’。該地質(zhì)剖面圖表明，濱海新城區(qū)域內(nèi)地層主要為淺部粉質(zhì)黏土、風積粉細砂層，中部為中細砂、淤泥和淤泥質(zhì)土透鏡體狀夾層，下部為淤泥質(zhì)土夾砂、中細砂、砂礫石和花崗巖及其風化層。地下水由淺部～中部的潛水、中部的微承壓水、下部承壓水組成[8]。東海海水與淺部潛水和中部微承壓水為直接連通關系，正常情況下，地表水和地下含水層中的地下水補給海水。但當過量抽取地下水時，海水將入侵補給地下水，導致海水入侵現(xiàn)象發(fā)生。

地鐵6號線延伸段勘察過程中，為了詳細查明海水入侵規(guī)律，每個工點均布置一定數(shù)量不同深度的取水試驗孔，分別采取分層和混合地下水水樣，并按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)、《地下水質(zhì)檢驗方法》(DZ/T0064-1993)要求測試地下水中各離子的含量。表1為6號線延伸線各工點采取的48個混合地下水樣中的部分數(shù)據(jù)；圖3為各工點象征海水入侵特征的氯離子、硫酸根和礦化度分布曲線圖。從表1和圖1～圖3分析，可得出如下幾點結(jié)論：

圖3 地鐵6號線延伸線地下水各主要成分含量分布圖

表1 地鐵6號線延伸線各車站混合地下水主要成分試驗成果(節(jié)選部分)

(1)地下水中氯離子、硫酸根和礦化度與距離海岸線的距離具有正相關性。距離海岸線越近，濃度越高，越遠則越低。如濱海新城站距離海岸線最近，各離子濃度明顯高于其它工點。

(2)地下水中氯離子、硫酸根和礦化度與地下水抽排力度具有正相關相關性，如起點的濱海北站附近區(qū)域的周邊房地產(chǎn)地下室和地鐵，均在施工過程中，大量抽排地下水，導致各離子濃度明顯高于其它工點。

(3)沿著6號線延伸線前進方向，地下水中氯離子、硫酸根和礦化度整體呈逐漸下降趨勢。分析原因，為距離海岸線距離逐漸變大，另外一主要原因為地表淡水補給量增大。如金濱路站、國際學校站距離文武砂水庫距離變近，文武砂水庫作為一座淡水-微咸水水庫，其大量地表水體對周邊地下水補給量較大，總體上降低了地下水中各離子的含量。

(4)線路范圍內(nèi)分布的河道、溝渠且與海水導通的地表水體對地下水中各離子存在一定的影響。6號線延伸段范圍內(nèi)分布的多條河道、溝渠，具有明顯的漲落潮特征，海水可順著河道、溝渠直接進入地下水中。因此，從曲線中可以看出，有地表水分布的地方，地下水中離子濃度略高于其它區(qū)域，整體曲線呈鋸齒狀分布。

為了查明不同深度的海水入侵規(guī)律，在6號線延伸線各車站的不同深度采取水樣，分析代表海水入侵的氯離子、硫酸根和礦化度含量。如表2為沙尾站S3不同深度處采取的14組地下水樣；圖4為該工點各主要離子分布曲線圖。從該曲線可知，出場地地下水呈現(xiàn)出明顯的上淡下咸現(xiàn)象，淺部(0～13m)地下水氯離子濃度為179～386 mg/l，硫酸根濃度為52～134 mg/l，礦化度為944～1158 mg/l，屬于陸地淡水補給區(qū)特征；深部(30 m～45 m)地下水氯離子為3955～5795 mg/l，硫酸根濃度為427～507 mg/l，礦化度為7116～9424 mg/l，呈現(xiàn)出典型海水特征，為海水入侵楔狀體分布區(qū)域；中間深度13 m～30 m范圍為淡水與咸水過渡區(qū)域，屬于淡水和咸水離子相互混合區(qū)域，根據(jù)以上不同深度繪制的濱海新城區(qū)域海水入侵狀態(tài),如圖5所示。

圖4 沙尾站不同深度地下水主要成分含量分布圖

圖5 濱海新城海水入侵過程示意圖

表2 沙尾站不同深度地下水主要成分試驗成果(mg/l)

2 地下水腐蝕性特征分析

福州地區(qū)屬濕潤區(qū)，結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)分布有大厚度強透水層，按地層滲透性屬A類。場地內(nèi)地下水水位較高，地下結(jié)構(gòu)一般為一側(cè)暴露大氣中，一側(cè)與地下水接觸，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001，2009年版)附錄G劃分場地環(huán)境類型，地鐵結(jié)構(gòu)屬I類、樁基屬II類。濱海新城場地周邊存在較大規(guī)模建設開發(fā)(含地下室降水等施工等)，近20年場地地下水位標高的變化幅度約-3.00 m～5.60 m，車站和圍護結(jié)構(gòu)在地下水位變動范圍內(nèi)的部分處于干濕交替環(huán)境，-3.00 m以下的結(jié)構(gòu)處于長期浸水狀態(tài)。因此，評價地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性條件，按長期浸水和干濕交替考慮。

各工點抽取分層和混合地下水，并進行地下水腐蝕性判定。根據(jù)表3，表明地下水對混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均有不同程度的腐蝕性，超標離子主要為氯離子和硫酸根離子，腐蝕性強弱程度與前述章節(jié)中的海水入侵程度關聯(lián)性較強。即距離海岸線越近、受地表淡水補給越少和抽排地下水量大的區(qū)域腐蝕性越強，表現(xiàn)為中腐蝕-強腐蝕。如濱海北站-濱海新城區(qū)間為強腐蝕性；越遠、受地表淡水補給越多和抽排地下水量少的區(qū)域則越低，表現(xiàn)為弱腐蝕-中腐蝕，如金濱路站-國際學校站區(qū)間為弱腐蝕性。

表3 地鐵6號線延伸線各工點混合地下水腐蝕性評價及超標離子

具體到同一個車站，不同深度的地下水腐蝕性方面，濱海新城區(qū)域也表現(xiàn)出不同深度的腐蝕性存在強弱差異性，呈現(xiàn)出明顯的上弱下強的特征(表4)。如沙尾站在上部0～15 m所取水樣表現(xiàn)為微腐蝕-弱腐蝕性，中部15 m～30 m所取水樣表現(xiàn)為弱腐蝕-中腐蝕性，下部30 m～45 m所取水樣表現(xiàn)為中腐蝕-強腐蝕性。

表4 沙尾站不同深度地下水腐蝕性評價及超標離子(節(jié)選部分)

3 海水入侵對地鐵工程影響分析

據(jù)前述章節(jié)分析表明，福州地鐵6號線延伸線所有工點均處于海水入侵范圍內(nèi)。不同位置和不同深度的海水入侵程度差異性較大，給地鐵工程施工和運營均構(gòu)成了較大的不利影響。借鑒利用國內(nèi)外和臨近工程經(jīng)驗，應對措施主要集中在加強隔離和減緩腐蝕進度。具體表現(xiàn)在于以下幾個方面：

(2)入侵海水更能溶解混凝土中的鹽堿等物質(zhì)，增大其孔隙率，導致海水滲入混凝土的內(nèi)部，與混凝土中有關物質(zhì)發(fā)生物理化學反應并析出，從而降低混凝土的密實度，或加劇電化學反應，使混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕加速而逐步導致破壞[9]。因此，需要提高混凝土標號，外摻加粉煤灰、礦渣微粉、纖維類物質(zhì)、橡膠粉、活性粉末等材料增加混凝的密實度，提高混凝土抗拉、抗折和抗裂性能，加大混凝土保護層厚度。此外，要具備預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的部件，盡量采用預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[10]。

(3)水下混凝土一旦開裂，水中大量游離態(tài)的 Cl-先滲透達到混凝土中的鋼筋破壞其鈍化膜，導致其生銹、混凝土保護層剝落、鋼筋外露等連鎖破壞反應。因此，為了減緩鋼筋混凝土中的鋼筋腐蝕速度，建議內(nèi)摻鋼筋阻銹劑，鋼筋材料。在加工過程中，采用鍍層鋼筋或涂防腐漆等，使其符合結(jié)構(gòu)耐久性要求。

(4)地下車站在不同深度表現(xiàn)出不同的腐蝕性，淺部腐蝕性較弱，以弱腐蝕為主，深部腐蝕性較強，以中腐蝕-強腐蝕為主。但在福州濱海新城開發(fā)過程中，在周邊地塊開挖地下室時，不斷抽取地下水的周邊環(huán)境，淡水與咸水的分界線可能會進一步上移，導致淺部地下水腐蝕性加強。因此，設計單位應按最不利影響考慮地下結(jié)構(gòu)的防腐蝕措施。

(5)地鐵工程應遵循“以防為主，剛?cè)峤Y(jié)合，多道設防，因地制宜，綜合治理”的原則，采取與其相適應的防水措施。設計宜考慮通過防水材料和構(gòu)造措施等進行防水，確保地鐵工程防水和防腐的可靠性，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4 結(jié)論

海水入侵，是自然與人類社會經(jīng)濟活動兩大因素疊加影響的結(jié)果。它將導致土壤鹽漬化、地下水水質(zhì)惡化、地下水腐蝕性變強等問題。本文借助福州地鐵6號線延伸段工程勘察，對沿線各工點采取了分層和混合地下水，并對所取水樣進行的水質(zhì)全分析。分析表明：

(1)福州濱海新城區(qū)域海水入侵在在平面分布上，表現(xiàn)為距離海岸線越近、受地表淡水補給越少和抽排地下水量大的區(qū)域，海水入侵越嚴重，地下水的腐蝕性也越強。反之，距離海岸線越遠、受地表淡水補給越多、抽排地下水量少的區(qū)域，則海水入侵越越弱，地下水的腐蝕性也越弱。

(2)在濱海區(qū)域的同一位置垂直空間分布方面，地下水也具有上淡下咸、腐蝕性上弱下強的特征。當車站上下部結(jié)構(gòu)腐蝕性程度存在差異時，建議按最不利影響考慮地下結(jié)構(gòu)的防腐蝕措施。

(3)地下結(jié)構(gòu)應對海水腐蝕措施方面，主要體現(xiàn)在：施工時應進行必要的泥漿配合比試驗，確認基槽開挖和泥漿配合的適用性。運營時應盡量提高混凝土標號，外摻加粉煤灰、礦渣微粉、纖維類物質(zhì)等材料增加混凝的密實度，提高混凝土抗拉、抗折和抗裂性能，并加大混凝土保護層厚度。鋼筋材料在加工過程中，采用鍍層鋼筋或涂防腐漆等，減緩鋼筋的腐蝕速度，并內(nèi)摻鋼筋阻銹劑。