復雜地質條件下地鐵深基坑風險分析與控制對策

【摘 要】針對成都地鐵8號線二期工程龍潭寺停車場出入場線明挖區間深基坑工程風險進行了識別分析，得到基坑主要存在有害氣體溢出風險、管涌風險、膨脹土（巖）施工風險、風化巖施工風險、地下障礙物和管線施工風險、地下水發育風險等六大風險。根據風險分析及工程特性，提出了加強監控量測、做好排水對策和優化基坑開挖圍護方案三個風險對策。

【關鍵詞】地鐵； 深基坑； 復雜地質； 風險分析； 風險對策

【中圖分類號】TU94+3【文獻標志碼】A

0 引言

隨著城市建設的高速發展，復雜地質條件及周邊環境下的地鐵深基坑工程越來越多，特別是在臨近高層建筑、復雜管線和復雜地層的地鐵深基坑工程，該類工程往往呈現出開挖面積大、開挖深度深、周圍環境復雜以及地質條件多樣性等特點，給開挖支護安全帶來了諸多困難。因此，如何有效評價地鐵深基坑工程的施工風險，保證工程施工安全已成為地下工程施工亟待解決的問題［1-11］。

本文以成都地鐵8號線二期工程龍潭寺停車場出入場線明挖區間為研究對象，對復雜地質條件下地鐵深基坑施工的主要風險進行辨識分析，并給出相應的控制對策，為成都復雜地層軌道交通的建設提供經驗參考。

成都平原處于新華夏系第三沉降帶之川西褶帶的西南緣，位于龍門山隆褶帶山前江油—灌縣區域性斷裂和龍泉山褶皺帶之間，為一斷陷盆地。該斷陷盆地內，西部的大邑—彭縣—什邡和東部的蒲江—新津—成都—廣漢兩條隱伏斷裂將斷陷盆地分為西部邊緣構造帶、中央凹陷和東部邊緣構造帶三部分，成都市構造綱要如圖1所示。擬建場地穿越的主要環境條件如圖2所示。

1 工程概況

龍潭寺停車場出入場線明挖區間位于成華區成都繞城高速以內、成金青快速路以東南側的木錦大道上，沿木錦大道分布，區間包含明挖暗埋段和U型槽段，明挖區間平面如圖3所示。明挖暗埋段設計里程為RSK2+219.200-RSK2+555.000，長335.8 m；U型槽段設計里程為RSK2+555.000-RSK2+734.000，長179 m。出入場線明挖段由工作井、暗埋段、敞開段組成。工作井基坑開挖深度約13.6 m，暗埋段基坑開挖深度9.6～13.3 m，敞開段基坑開挖深度0～7 m（場坪地面標高為509.0 m）。工作井和暗埋段基坑位于城市道路中，周邊地下管線和建筑物較多，地下水水位高，對施工影響較大，基坑破壞后果嚴重，基坑工程安全等級為一級；敞開段位于空曠綠地內，周邊環境條件較簡單，基坑破壞后果較嚴重，基坑工程安全等級為三級。

2 工程地質、水文條件

2.1 地形地貌

成都市區主要位于岷江沖洪積扇的東南邊緣。成都軌道交通8號線工程自東北向西南依次穿越岷江水系Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ級階地三個地貌單元，地勢總體呈東北高西南低。

成都軌道交通8號線二期工程龍潭寺停車場出入場線所處地貌單元為岷江水系Ⅲ級階地。本場區地勢開闊，地形略有起伏、局部起伏較大，經勘察實測，勘探孔孔口高程為496.62～522.10 m，相對高差25.48 m。

2.2 巖土分層及特征

成都市區主要位于岷江沖洪積扇的東南邊緣。成都軌道交通8號線二期工程，自東北向西南依次穿越川西平原岷江水系Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ級階地三個地貌單元，地勢總體呈東北高西南低。該區域地層主要為雜填土（Q4ml）、素填土（Q4ml）、黏土、粉質黏土、含黏土卵石、全風化泥巖、強風化泥巖、中等風化泥巖。

2.2.1 第四系人工填土層（Q4ml）

雜填土（Q4ml）：雜色、灰褐色、局部灰黑、黃褐色，濕，松散，土質不均；含黏性土、建筑垃圾、磚渣、石子、少量生活垃圾等，局部表層為混凝土地面或瀝青路面；場區大部分區域有分布，揭示層底埋深0.50～5.50 m、層底高程495.62～519.40 m、層厚0.50～5.50 m。

素填土（Q4ml）：灰褐、黃灰、黃褐色，濕，松散，局部可塑～硬塑，土質不均；以粘性土為主，含少量碎石、磚渣等雜物；場區大部分區域有分布，揭示層底埋深0.50～9.50 m、層底高程493.06～517.01 m、層厚0.50～5.50 m。

2.2.2 第四系中、下更新統冰水沉積層（Q1+2fgl）

黏土：褐黃、灰黃色，硬塑為主，偶為可塑或堅硬，含氧化鐵、鐵錳結核和高嶺土，具弱～中等膨脹性。有光澤，無搖振反應，干強度高，韌性高，中壓縮性。場區均有分布，揭示層底埋深3.40～16.90 m、層底高程487.46～511.93 m、層厚0.90～14.40 m。

含黏土卵石：青灰色、灰黃色，稍密為主，卵石成分以巖漿巖、變質巖類巖石為主，磨圓度較好，以亞圓形為主，少量圓形，分選性差，強風化、局部呈中風化。卵石含量50%～60%，粒徑一般以2～8 cm為主，最大粒徑大于15 cm，主要充填物為黏土。場區局部有揭示，層底埋深8.00～17.00 m、層底高程489.47～510.93 m、層厚0.10～1.40 m。

2.2.3 白堊系上統灌口組（K2g）

全風化泥巖：棕紅、紫紅色，風化劇烈，呈黏土狀，硬塑為主，中壓縮性；原巖結構基本被破壞，但尚可辨認，夾較多高嶺土團塊，具弱膨脹性。巖芯呈土柱狀，遇水易軟化、失水開裂，干鉆可鉆進，巖芯采取率約90%；大部分區域有揭示，層底埋深5.50～18.20 m、層底高程486.16～505.89 m、層厚0.50～6.70 m。

鐵路與公路孟文豪： 復雜地質條件下地鐵深基坑風險分析與控制對策

強風化泥巖：棕紅、紫紅色，中厚層狀構造，主要礦物成分為黏土礦物、細粒長石等，裂隙極發育，巖體破碎—極破碎，巖芯普遍呈碎塊狀，局部呈短柱、碎屑及餅狀，碎塊塊徑3～8 cm，碎塊間泥質充填，斷口顏色發暗，錘擊聲啞，用手可折斷，風化不均；場區均有分布，層底埋深7.00～24.50 m、層底高程483.36～502.85 m、層厚0.50～6.70 m；屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。

中等風化泥巖：暗紅色、紫紅色，偶夾灰白條紋，中厚層狀構造，泥質膠結，主要礦物成分為黏土礦物、細粒長石等；節理裂隙較發育，巖芯較完整，以短柱狀為主，錘擊聲啞，用手不易折斷，局部夾強風化夾層或透鏡體；場區均有揭示，未揭穿；巖芯采取率大于90%，巖石質量指標（RQD）大于80%；巖體較完整，飽和單軸抗壓強度為1.05～13.52 MPa，屬極軟巖—軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ～Ⅳ級。

2.3 水文特征

地表水：地表河流均屬川西平原岷江水系，具豐富的地表徑流，是本地區地下水與地表水之間相互轉換的主要途徑和渠道。沿線河渠已受到人為改造，河床深度、流量以及洪水位等均已受到人為控制。河渠斷面基本呈緩“U”字型，河渠底地形起伏不大，河渠寬7～35 m不等，河渠深度為2.3～6 m，測量期間水位在500.66～512.40 m，水深0.12～2.80 m，最大水深約2.80 m。另外，沿線浜塘底部一般有一定厚度的淤泥。

根據區域水文地質資料，成都地區豐水期一般出現在7、8、9月，枯水期多為1、2、3月。

地下水：根據成都區域水文地質資料及地下水的賦存條件，本場地內地下水主要有三種類型：一是賦存于黏性土層之上填土層中的上層滯水，二是第四系孔隙水，三是基巖裂隙水。

上層滯水：上層滯水呈透鏡體狀分布于地表，賦存于黏性土層之上填土層中，大氣降水和附近居民的生活用水為其主要補給源。上層滯水水量變化大，且不穩定，水量、水位受人類活動和季節影響大。

第四系孔隙水：第四系孔隙水賦存于第四系中更新統的砂、卵礫石中，水量較豐富，為孔隙潛水，水位變化幅度較大，根據成都地區水文地質及相關工程資料，該砂、卵石層綜合含水層滲透系數K為18～25 m/d，為強透水層，水量豐富。

基巖裂隙水：沿線場區內基巖為白堊系灌口組紫紅色泥巖，地下水賦存于基巖裂隙中，含水量一般較小，但在巖層較破碎的情況下，常形成局部富水段。根據相關水文地質資料及已有工程資料顯示，滲透系數k約為0.027～2.01 m/d，平均為0.44 m/d。屬弱—中等透水層。場地大部分泥巖的含水量甚微，對本工程影響較小，但不排除局部地段強風化層巖體破碎區域水量可能較富集，儲藏有一定量的基巖裂隙水。

抗浮水位：明挖區間抗浮設計水位為地下1 m考慮。

水、土的腐蝕性：根據GB 50021-2001（2009年版）《巖土工程勘察規范》規定［11］，并結合成都地區經驗，擬建場區地下水環境類別為Ⅱ類。

據調查，擬建場地及附近無明顯污染源。根據區域資料及所取水樣、土樣的分析成果，按GB 50021-2001（2009年版）《巖土工程勘察規范》判定：場地地表水和地下水對混凝土結構具微腐蝕性，對鋼筋混凝土中的鋼筋具微腐蝕性；地基土對鋼筋混凝土和鋼筋混凝土中的鋼筋均具微腐蝕性。

3 不良地質、特殊性巖土及地下障礙物

擬建工程場地的主要不良地質及特殊性巖土包括有害氣體、管涌、人工填土、膨脹土、風化泥巖等；工程場區內可能會遇到的地下障礙物主要有地下管線、高壓鐵塔基礎、建筑物基礎等。

4 工程風險分析

4.1 有害氣體溢出風險

擬建工程場地分布灌口組泥巖（含砂巖），受新都氣田和洛帶氣田的影響，檢測到甲烷最大濃度為2 022×10-6，遠小于危險值15 000×10-6，綜合判定為微瓦斯區，會給施工作業人員安全帶來極大威脅。

4.2 管涌突發風險

擬建場區部分地段分布有含黏土卵石。卵石層中細顆粒充填物在地下工程開挖時，可能會因防護措施和施工方法不當、或采取抽水及降水引起地下水位下降而被帶走引發管涌，進而引起地基失穩、坍塌，甚至可能會造成地面沉降等。

4.3 膨脹土（巖）施工風險

沿線場地④1層黏土為膨脹土。根據室內土工試驗結果可知，④1層膨脹力最大為181.4 kPa，自由膨脹率最大值70%、最小值30%，平均值為50%，具有弱～中等膨脹潛勢。⑤1層全風化泥巖膨脹力最大為54.7 kPa，自由膨脹率平均值為47%。根據相關規范，結合室內試驗成果，并參考成都地區經驗，⑤1層全風化泥巖定為弱膨脹巖。膨脹土的性質會隨其含水量的變化而發生顯著變化，尤其是抗剪強度等力學指標，場地膨脹土在天然狀態下，呈硬塑狀態，力學性質良好，但是當土體含水量在急劇增加的情況下，土體強度則會大大降低，壓縮性增大，抗剪強度指標也會迅速衰減。軌道交通建設周期長，受氣候、人為等因素影響，土體含水量可能會發生多次干濕循環變化。

4.4 風化巖施工風險

擬建場地揭示的全風化巖分布不均、厚度變化大，均勻性差，遇水易軟化，強度迅速降低；強風化巖巖芯呈土柱狀夾碎塊、碎塊狀或短柱狀，膠結程度較低，且大部分為泥質膠結；中風化層巖芯呈短柱狀、柱狀、長柱狀。巖石均為極軟巖—軟巖，暴露空氣中易風化，遇水易軟化，具崩解性，失水收縮、開裂，強度降低，會對基坑開挖等施工帶來一定風險。

4.5 地下障礙物和管線施工風險

工程場區內地下障礙物主要包括：各類地下管線（雨水管、污水管、給水管、燃氣管、10 kV電力架空線及環網柜）及可能存在的深埋非開挖管線、建構筑物基礎、高壓鐵塔基礎等。由于地下障礙物分布復雜，將會對基坑開挖帶來極大難度。

4.6 地下水發育風險

基坑開挖和基礎施工影響范圍內的地下水位上層滯水、第四系孔隙水、基巖裂隙水。淺部地下水主要為填土中的上層滯水，淺部填土層性質差異較大，局部滲透性好，受強降雨等特殊天氣影響時，存在地下水滲流的可能；第四系孔隙水主要賦存于含黏性土卵石層，局部卵石含量較多地段透水性好、富水性好，基坑在降水過程中，極易造成卵石層中的細顆粒大量流失，發生管涌，引起圍護失穩、坑壁坍塌和地面變形，危及周邊構筑物和建筑物及地下管線的安全。

5 工程風險控制

5.1 加強監控量測

（1）在基坑開挖和主體結構施工過程中，對鄰近和橫穿（懸吊）的地下管線必須進行監測，并滿足各管線單位要求的允許值，如發現有超過規定允許值時，應立即停止施工，并及時通知有關單位，采取相應的處理措施。

（2）在施工過程中應對鄰近道路的路面沉陷等進行監測，如發現有地面開裂、沉陷加速等情況，應立即通知有關單位人員進行研究、處理。

（3）在施工過程中應對圍護結構進行變形監測，當圍護結構變位超過警戒值時，應加強支撐或采取其它的有效措施，確保安全后方可繼續施工。

（4）施工過程應對鋼支撐內力進行監測，支撐軸力、支撐穩定性須滿足設計及有關規定的要求。如發現有異常情況時，應立即停止施工，并采取有效措施確認安全后方可繼續進行施工，做到信息化施工。

（5）在施工過程中對地下水位的變化、圍護墻頂部水平豎向位移應進行測量。

（6）施工時應開展有害氣體的監控量測，加強管理，強化意識，消除隱患，嚴格檢測、提前預測，隨時掌握瓦斯含量，動態調整施工工藝，加強通風、嚴管火源、及時噴錨和支護等措施以降低風險，同時應制定應急預案。

5.2 作好排水對策

（1）圍護結構分段施工時應注意各段圍護體之間的銜接處以及圍護體本身的滲水問題，同時注意對現有地下管線的影響；對于放坡開挖段，由于坡面以膨脹性土為主，為防止雨水滲入坡面采取適當的防護措施。

（2）基坑降水時，控制好降水管井的出砂量，防止出現滲透變形；基坑開挖時應采用分層、分段、分塊開挖，開挖高差不應過大，坑邊及坡頂不宜堆載重物等；坑底應防止水浸泡或暴露時間過長，及時封閉；制定應對強降雨或暴雨雪等特殊氣象的應急處理方案。基坑排水采取井點降水+集水明排的方式，確保基坑開挖時有完整的排水系統（圖4、圖5）。

5.3 優化基坑開挖圍護方案

根據相關工程經驗、場地工程地質條件和場地環境條件，擬建出入場線工作井和暗埋段位于現有道路中，不具備放坡開挖的條件，基坑開挖采用鉆孔灌注樁+內支撐作為圍護結構；出入場線敞開段位于空曠綠地內，基坑開挖深度約0～7 m，擬采用放坡開挖，填土采用土釘支護，在基坑開挖過程中禁止在基坑周邊堆放廢土和運土貨車經過，防止坑壁因坑外附加應力作用而坍塌失穩。

6 結束語

成都地區復雜地質條件下地鐵的建設中，不良地質條件、有害氣體溢出、地下水發育程度、基坑開挖方式及圍護結構方案等均會對基坑的開挖產生不利影響。本文針對成都地鐵8號線二期工程龍潭寺停車場出入場線明挖區間深基坑工程風險進行了識別分析，得到基坑主要存在有害氣體溢出風險、管涌風險、膨脹土（巖）施工風險、風化巖施工風險、地下障礙物和管線施工風險、地下水發育風險等六大風險。根據風險分析及工程特性，提出了加強監控量測、做好排水對策和優化基坑開挖圍護方案三個風險對策，用以保障深基坑開挖過程中的安全穩定。

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［作者簡介］孟文豪（1988—），男，本科，工程師，從事城市軌道交通工作。