某工程地質風險分析及控制措施

金亮亮

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300000）

近年來，我國經濟增長態勢明顯，城市化建設不斷推進，城市各類大型基礎設施建設發展迅速。城市隧道作為城市交通運輸的重要形式之一，其產業也在技術和政策的推動下快速發展[1]，然而在快速發展的背景下各類事故層出不窮，據不完全統計分析，工程地質條件是工程安全風險產生的重要客觀因素之一[2]。本文通過對溫州某隧道工程地質條件進行風險分析評價，提出切實可行的控制措施建議，從而指導工程勘察階段設計和施工，以保證工程質量。

1 工程地質概況

擬建工程主要跨越3個地貌單元，主要為山前平原和沖海積交匯地貌、河流地貌及沖海積平原地貌；地層自上而下主要為人工填土、“硬殼層”黏土、沖海積相淤沖積軟土、河湖相沉積的黏性土、河流沖積相黏性土、砂土、碎石土及局部揭露的中風化基巖，下穿甌江水道，地下水強烈發育，主要分為孔隙潛水、孔隙承壓水及基巖裂隙水3類，孔隙潛水主要賦存于陸域區的淤積軟土層的夾砂孔隙中，整體呈弱透水性，埋藏較淺；孔隙承壓水主要分布于第四系的上部砂土層和深部卵石層等含水層內，水位受潮汐影響大，水位動態變化大，地下水主要受甌江和相鄰地層的側向滲透補給，地下水具承壓性，對工程影響重大；基巖裂隙水主要賦存于凝灰巖風化裂隙和構造裂隙中，由于凝灰巖成層性差，多呈塊狀，雖節理裂隙發育，但延伸不長，且以閉合狀為主，水量較小，對工程基本不影響。地下水主要受甌江和相鄰地層的側向滲透補給。

2 地質條件可能造成的工程風險分析及控制措施

2.1 工程地質條件風險分析

2.1.1 地質構造風險

擬建場地地貌類型主要為沖海積平原地貌、河流地貌及山前平原和沖海積交匯地貌，地形稍有起伏。根據區域地質資料及物探成果資料，區內無與本工程相交的斷裂，對本工程距離較近的區域性大斷裂主要為對本區影響較大的淳安—溫州大斷裂，為非全新世活動斷裂，區域地殼基本穩定。

2.1.2 不良地質作用與地質災害風險

不良地質作用和地質災害主要為地面沉降、砂土液化和有害氣體等。場地的軟弱土波速一般大于90 m/s，可不考慮軟土震陷的影響。本場地地面沉降危害性中等、危險性中等。綜合評價，本場地基本穩定。砂土地震液化時，土體失去抗剪強度和承載能力，液化會導致地面下沉、結構地基基礎破壞等；當液化層位于基底以上時，對隧道結構底板影響相對小，但對于基坑永久性支護工程有影響。溫州地區地下有害氣體主要是淺層氣，主要埋藏于粉砂夾淤泥、粉砂層中。區域淺層氣較富集，氣壓高、含氣量大，且貫通性好，氣體一旦被揭露后，會大量噴出，將會快速改變地下水孔隙水壓力，造成周邊土體變形，對隧道、樁基和基坑等工程造成多種危害；若有害氣體揭露于隧道內，如果得不到有效通風稀釋，有害氣體濃度較高時，人員呼吸后可能會引起身體不適甚至引起窒息；當有害氣體富集到一定程度并達到一定濃度后，遇火源可能會燃燒或發生爆炸。建議施工時針對有害氣體進行有控放氣，加強基坑及隧道結構穩定性驗算。盾構掘進時有害氣體滲入隧道的可能性較大，建議采用高抗滲性材料，同時加強施工監測，改善施工條件，制定針對性的施工安全規則，一旦遇到險情，立即啟動應急預案。

2.1.3 特殊性巖土風險

（1）填土。填土層沿線廣泛分布，厚度差異較大，局部填有碎石、磚塊和砼塊等建筑垃圾，堆積時間短，一般為松散、欠壓實，均勻性差。人工填土層成分復雜，具有高壓縮性，力學性質差異較大，工程性質差，穩定性較差。明挖施工時邊坡穩定性差，易發生坍塌，如有雨、污水管線滲漏，易形成空洞，暗挖施工地層經擾動后，可能會引起地面塌陷，且不宜作為地基持力層。對于填土層較薄地段，基坑開挖施工前需清除填土，對于填土層較厚地段，應根據周邊的環境條件確定合理的支護方式。填土對路基穩定性不利，設計應采取相應措施，降低不利影響。

（2）軟土。場地軟土主要為海陸交互相沉積成因的淤泥、淤泥質土層，場地內分布廣泛。軟土具有很高的含水量，總體呈流塑狀，并且軟土具有透水性差、高壓縮性等特征，易受到外界因素干擾，因此具有很高的靈敏性，并且在力學方面表現為低抗剪強度與低承載力等特征，基本所有的軟土均需要處理才可滿足工程要求[3]，且軟土尚未完成固結，固結作用時間很長，在固結過程中，會對樁基礎產生負摩阻力，對建筑物樁基荷載帶來影響。樁基礎施工時，容易出現樁基縮徑或斷樁。軟土在基坑開挖后受擾動后易形成滑動面，造成土體對支護結構產生剪切效應，產生地面沉降；在地下連續墻施工中易造成縮孔或者縮槽，應采用有效措施防護；隧道施工時存在地面不均勻沉降的地質背景。采用攪拌樁、旋噴樁進行軟土地基處理時，應考慮有機質的影響；不同地基基礎形式設計時需注意地基不均勻沉降的影響。

2.2 水文地質條件風險分析

場地地下水主要分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。其中，第四系松散層孔隙水主要賦存于填土層、砂層和卵石層中，砂層、卵石層地下水存在承壓性；基巖裂隙水主要賦存于中風化凝灰巖中，節理裂隙發育不均勻，局部具承壓性。由于場地地下水具有承壓性，開挖過程中，地層可能發生突涌，造成塌孔，影響樁基、基坑施工。地下連續墻基底坐落于卵石層時，若施工中措施不當，存在承壓水沿連續墻與地層接觸面滲流、突涌至基坑風險。

2.3 工程風險地質條件控制建議

根據上述針對本工點地質風險分析，依據住建部【2018】37號文《危險性較大的分部分項工程安全管理規定》對工程范圍的劃分，擬建工程為超過一定規模的危險性較大的分部分項工程范圍。參照住建部印發的《大型工程技術風險控制要點》對本工點可能發生的工程風險的地質條件控制建議如下。

2.3.1 不良地質作用與地質災害風險控制

為防止表面松散填土受荷載作用后產生地面沉降，應對填土層進行換填或壓實處理。

場地部分鉆孔揭露有害氣體，當工程實施時會打破土層中原有的氣水平衡狀態，使得土層內部力學結構失衡重新組件，因此對其穩定性影響很大。再者地下工程環境多為密閉、半密閉空間，氣體循環性差，一旦有害氣體溢出，將會在狹小的環境中聚集積累，當有害氣濃度達到一定程度后，遇到施工設備或其他電器設備產生的電火花時極易發生火災甚至爆炸，因此必須提前做好通風工作，確保足夠的空氣循環，從而降低空氣中有害氣體的濃度，并做好機械、電器等相關易產生電火花的設備的保護措施，并采取相應的防爆處理措施。

為防范淺層氣危害，需對基坑和盾構內沼氣濃度進行監測，對沼氣進行信息化動態控制，針對不同點的監測值，采取不同控制技術。在明挖基坑結構設計中，對地下高壓淺層氣采取排氣為主、隔氣與排氣相結合的設計原則。排放系統主要由在結構底板下部設置的濾氣層和在地下連續墻內預埋的排氣管組成。盾構隧道施工過程中，在淺層氣富基地段中，盾構隧道最好采用具有超前觸探排裝置且密閉性好的盾構機，防止工程施工過程中出現安全事故。

考慮砂土液化對樁基負摩阻力、浮力變化的影響，可根據不同建筑的抗震要求是否考慮液化土的影響，并根據要求采用相應抗液化措施。

2.3.2 地震安全性風險控制

本場地屬對建筑抗震不利地段，需考慮地震作用影響，設計時采用對應的地震動參數。

2.3.3 地基強度不足和變形超限風險控制

樁基持力層地基主要為卵石及中風化巖，天然狀態下力學性質較好，可滿足樁基承載力要求，但由于巖層風化不均勻，可能存在風化夾層。因此，樁基施工時應確保樁基進入中風化巖一定深度，保證樁基承載力，避免沉降變形。

2.3.4 樁基成樁風險控制

在樁基施工時，地下水可能突涌而出，造成孔壁坍塌，需要降低地下水位、優化鉆探工藝、配比合適濃度的泥漿進行護壁，盡量減少沉渣。同時，應根據地下水的腐蝕性的分級，采取相應的防腐措施。

為防止人工填石掉入孔內對樁基質量造成影響，因此施工時，應對樁位處的雜填土預先清除，同時用護筒將填土隔開，避免填石掉進孔內而影響施工。淺部土體為軟土，具高壓縮性，且易縮徑，施工時應引起重視。為防止樁端土層發生松馳和樁側泥皮包裹，保證樁基承載力的正常發揮，需采用合適的泥漿比重，并選擇先進的施工工藝，各道工序應連續進行，特別在成孔和澆灌工序方面，需一次性完成，并且在施工時需確保樁身質量，并檢查控制底部沉渣的厚度及樁側面的泥皮厚度，防止樁端土層發生松馳和成孔泥漿包裹樁體。減沉樁施工時應注意上部雜填土、淤泥夾粉砂和含粉砂淤泥等地層產生負摩阻力對樁基的影響，以卵石層或中風化基巖為樁端持力層。

2.3.5 基礎開挖風險控制

應盡量減小基礎開挖時的邊坡坡率，有條件的情況下建議平整場地至基礎頂高度再開挖基礎。如場地受限，開挖坡率較大時，應對開挖面進行加固或采取支護措施。基礎開挖時做好防排水措施，防止地基土浸水后軟化。

2.3.6 基坑開挖風險控制

基坑開挖范圍內主要為人工填土層、淤泥夾粉砂、含粉砂淤泥、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土及軟塑、可塑狀粉質黏土、砂土層，局部為中風化凝灰巖等。人工填土層、淤泥夾粉砂、含粉砂淤泥、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土及軟塑、可塑狀粉質黏土和砂土層穩定性差，應根據開挖進展情況及時采取內支撐方案，以減少坑壁位移。基坑開挖時應重視土性差異特點及第一孔隙承壓水、第二孔隙承壓水對基坑施工造成的不同影響。為了保證坑內良好的施工條件，基坑開挖范圍內的軟土、砂土層，必須以分層、分段、對稱、均衡和適時的原則開挖，層高不宜超過2.0 m，分段長度不宜超過10.0 m。同時應控制開挖速度，使土體應力逐步釋放，有效控制基坑邊坡穩定。

基坑周邊分布有民房、市政道路等各類建（構）筑物的基礎，穿越該段落時需加強監測，尤其是河道南北岸護岸工程與隧道相交，建議設計及施工時進一步核查該基礎的具體位置、基礎頂底板標高于擬建基坑工程位置關系，避免不利影響。基坑開挖時應加強對支護結構、地下水狀況、基坑底部及周邊土體、周邊既有建筑物、周邊地下管線及設施和周邊道路等的監測，從而保證基坑的正常施工，并及時規避對周邊建筑存在的各項隱患。監測項目應根據相關規范執行，監測的范圍滿足地下結構物外緣兩側1～3倍基坑開挖深度范圍，包括范圍內存在的地下及地面建（構）筑物、地下管線、地表及周邊道路等。如發現異常變形，應分析原因，必要時需進行加固處理。

基坑內降水土方開挖而形成基坑內、外水土壓力差及坑底土卸荷回彈均可能造成坑底土體向上隆起。向上隆起的基坑會降低土體的強度，并且嚴重時可能會造成周圍土體的流失，可能導致基坑周邊及附近的建（構）筑物被破壞，甚至坍塌等風險。因此需采用深層攪拌方式，通過這種方式來加強基坑底部的土體強度，避免基坑坑底隆起，但是不適合采取注漿的方式來加固基坑底部。

基坑周邊及底部以粉砂及軟弱黏性土為主，對基坑側壁穩定性不利，支護結構剛度不足時易產生側向位移，造成地表沉降和開裂。基坑開挖應堅持“先撐后挖，分層開挖”的原則，嚴格控制支護結構的側向位移，以免引發地表變形。

為確保地下連續墻在正式施工時合理的參數及工藝，需在成槽前進行相關試驗，以確保工程安全進行。成槽施工前，應沿地下連續墻兩側設置導墻。成槽前，應根據地質條件進行護壁泥漿材料的試配及室內性能試驗，泥漿配比應按試驗確定。同時導墻開挖時，宜以挖至原狀土為標準，對雜填土厚度較大的位置，導墻開挖完成后，宜探明淺部有無影響連續墻施工的障礙物。連續墻穿越土層有軟土、砂土層，易產生槽壁坍塌。因此在連續墻施工中應配制合適的膨潤土泥漿，保證槽壁的穩定性。成槽結束后應對成槽的寬度、深度及傾斜度進行檢驗。作為永久性結構的地下連續墻，土方開挖后應逐段檢查。地下連續墻質量應滿足現行施工條例及規范要求，同時其質量檢測應符合規范要求。

井點降水時，均勻出水并采取合理的降水速度，避免降水過程中對含水層的潛蝕作用；在降水過程中需連續運轉，防止反復抽水與間歇性抽水導致的地面沉降等風險；降水過程中，場地外圍要設置合理的隔水帷幕，減少降水影響范圍；為防止降水對鄰近地下管線、建筑物產生不利影響，需要設置合理的回灌水系統，同時做好周邊建、構筑物的變形監測。

2.3.7 盾構隧道風險控制

隧道下穿既有道路、市政管線和既有建筑物等，對盾構掘進存在很大的風險，施工前應采取相應處理措施。盾構掘進時須嚴格控制掘進速度，并采取恰當的施工方案和施工監測措施，根據實時監測結果及時優化調整掘進施工參數，做到信息化動態施工管理。建議加強對工程沿線道路、已有建（構）筑物、地下管線和深基礎等的監測設計，避免對周圍環境產生較大影響，盾構施工中應建立嚴格的監測控制系統，定期進行監測，確保隧道結構和環境的安全。

由于盾構底部縱向分布的土層性質不同，土層的擾動特性、回彈量、固結和次固結沉降量、沉降速率、沉降達到穩定時間等都有不同程度的差別，這將導致隧道縱向會發生不均勻沉降，設計時應注意。地面沉降的主要原因是盾構施工時引起地層損失，并使得隧道周邊土層受到擾動，也或者是被剪切破壞的重塑土進行了再次固結而導致。建議設計時采取措施確保掘進面穩定及控制過大的地表沉降，盾構穿越軟弱黏性土時推進速度不宜過大，以利于有效控制地面沉降。

盾構隧道施工過程中，在淺層氣富基地段中，盾構隧道最好采用具有超前觸探排裝置且密閉性好的盾構機，防止工程施工過程中出現安全事故。針對下穿的已有建筑物或其他構筑物等應建立嚴格的沉降監測控制系統，以確保線路周邊建（構）筑物和區間盾構的結構安全。

2.3.8 地下水突涌風險控制

地下連續墻基底坐落于卵石層時，若施工中措施不當，存在承壓水沿連續墻與地層接觸面滲流、突涌至基坑風險。建議設計時重視接縫處防繞流、地下連續墻墻壁質量控制，加強防、排水設計；同時加強地下連續墻傾斜和沉降監測設計。開挖過程中注意減少對地下連續墻的擾動，發現漏點時及時堵漏。加強對基坑、周邊建（構）筑物及道路等的監測，特別是對基坑外側水位孔進行觀測，一旦出現異常，應立即停止開挖，檢查異常情況出現的原因。如涌水量較大或水位出現異常等，停止開挖并對基坑采取止水加固等措施。

本隧道底板埋藏較淺，部分區段穿越或距離砂土層及卵石層承壓水含水層較近，水壓變化大，對盾構的防水性的要求極高。且上述含水層透水性強，易造成涌水、涌砂，導致開挖面的失穩和泥漿中含砂量加大而使刀頭不能旋轉。同時，根據國內盾構工程施工經驗，采用泥水平衡盾構機，只要保持盾構機開挖面上土艙壓力與水土壓力平衡，一般不會發生承壓水突涌問題。但應加強隧道管片間的止水，若發生滲水，由于水壓力較大，將會引發漏水、流砂現象，水土流失又會進一步加劇隧道變形及隧道滲水、管片破損等。

3 結論

工程巖土施工過程中，其安全性及穩定性對于整個工程施工至關重要。在勘察中通過對工程地質風險中的要點和關鍵點進行合理分析評價，且根據工程實際地質情況及時歸納總結其存在的風險，并及時提出相關的處理措施建議。通過及時的歸納總結可以提供更加科學的參考以便于設計、施工過程中提前防范，從而將可能發生的風險及時扼殺在襁褓中，可以增強工程建設的準確性、可行性、合理性及經濟性，對確保工程施工安全和順利建設具有重要的指導意義。