彭柏興

(長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

1 前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、建設(shè)速度持續(xù)高位。長(zhǎng)沙軌道交通建設(shè)欣逢其時(shí)，2號(hào)線一期工程行將貫通，1號(hào)線一期工程與大河西先導(dǎo)區(qū)雷梅片區(qū)一期工程(2號(hào)線西延線)已經(jīng)開(kāi)建，3、4號(hào)線一期年內(nèi)也將動(dòng)土。至2030年，長(zhǎng)沙將建設(shè)成10條主線、2條支線，長(zhǎng)達(dá) 425 km的城市軌道交通路網(wǎng)。

城市軌道交通勘察依據(jù)主要為《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307－1999)［1］，勘察的多階段性、所涉地質(zhì)單元的多樣性，外業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性、設(shè)計(jì)指標(biāo)的繁雜性遠(yuǎn)非一般的工業(yè)民用建筑勘察可比［2～5］。長(zhǎng)沙軌道交通工程勘察甫一開(kāi)始，筆者針對(duì)本地區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和不良地質(zhì)作用進(jìn)行過(guò)探討［6，7］，隨著地鐵建設(shè)的推進(jìn)，通過(guò)與業(yè)內(nèi)不同專業(yè)、不同地域的專家交流，深感對(duì)長(zhǎng)沙軌道交通勘察中存在的既有問(wèn)題進(jìn)行反思之必要，本文著重從以下4個(gè)方面展開(kāi)討論:

(1)城市軌道交通勘察中的環(huán)境調(diào)查;

(2)軌道交通勘察中的地層標(biāo)準(zhǔn)化;

(3)圍巖分級(jí)應(yīng)考慮的因素;

(4)地下水的腐蝕性評(píng)價(jià)。

2 城市軌道交通勘察中的環(huán)境調(diào)查

城市軌道交通與常規(guī)勘察相比，勘察外延更大、勘察成果內(nèi)涵更深。軌道交通多設(shè)置在城市繁華地段，周邊道路、橋涵、管線、地下室及建筑物基礎(chǔ)和使用狀態(tài)不僅影響軌道交通工程的選線、敷設(shè)方式和設(shè)計(jì)方案，對(duì)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制尤顯重要。對(duì)軌道交通建設(shè)施工影響范圍內(nèi)的環(huán)境調(diào)查已成為勘察工作中的重要內(nèi)容。

國(guó)內(nèi)外地鐵建設(shè)中的施工事故表明，環(huán)境調(diào)查的缺失或不到位是其重要原因之一。比較典型是深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程某區(qū)間附近的 7 m～8 m高片石擋墻，由于沒(méi)有對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行勘察和調(diào)查，致使施工時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形達(dá) 24 mm、擋墻最大沉降 164 mm，花費(fèi)了很大人力、物力進(jìn)行處理，嚴(yán)重影響了工期［8］。長(zhǎng)沙2號(hào)線一期工程某站點(diǎn)旋挖樁施工差點(diǎn)挖斷高壓電纜，幾釀大禍。長(zhǎng)沙老城區(qū)某盾構(gòu)隧道，覆土為厚近7 m的人工填土，其下為殘積粉質(zhì)粘土，盾構(gòu)機(jī)在強(qiáng)風(fēng)化層中掘進(jìn)。由于沒(méi)有相應(yīng)排水管道竣工圖，管道改遷沒(méi)到位，盾構(gòu)機(jī)試掘進(jìn)時(shí)，因建壓未完成，密封未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，地面變形較大而使污水管破裂，形成一個(gè)12 m×13.5 m的橢圓形坍腔，塌陷深近 5 m(如圖1所示)。此外，2004年9月25日廣州地鐵2號(hào)線延長(zhǎng)段的壓斷自來(lái)水管引發(fā)的基坑變形、2005年9月27日北京地鐵1、2號(hào)線自動(dòng)檢票系統(tǒng)土建改造物探鉆孔鉆破燃?xì)夤艿赖鹊榷际乔败囍b。

圖1 某盾構(gòu)始發(fā)段坍陷示意圖

建設(shè)行政主管部門(mén)已然意識(shí)到城市軌道交通工程中環(huán)境調(diào)查的重要性，《城市軌道交通工程周邊環(huán)境調(diào)查指南》［9］規(guī)定了環(huán)境調(diào)查程序、范圍(表1)和內(nèi)容，為軌道交通勘察的環(huán)境調(diào)查提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與要求。

調(diào)查范圍參考表［9］ 表1

3 軌道交通勘察中的地層標(biāo)準(zhǔn)化

城市軌道交通基本涵蓋所在城市的主要地貌單元和地層。在地鐵勘察、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，所涉及的部門(mén)、單位甚多，有太多的專業(yè)與巖土接口，為統(tǒng)一各類技術(shù)文件的巖土標(biāo)準(zhǔn)，方便不同專業(yè)間的溝通與設(shè)計(jì)、施工管理，建立城市軌道交通工程的標(biāo)準(zhǔn)地層體系顯得緊迫而必要。

3.1 長(zhǎng)沙地區(qū)的地層基本構(gòu)架

長(zhǎng)沙地貌單元主要為低山丘陵和河流侵蝕堆積的平原地貌。第四系松散層以河流沖積相為主，形成了五級(jí)階地，總體呈上細(xì)下粗的二元結(jié)構(gòu)，第四系各組的厚度、巖性組成見(jiàn)表2?；鶐r自老至新有震旦系(Pt)、泥盆系(D)、石炭系(C)、二迭系(P)、三疊系(T)、侏羅系(J)、白堊系(K)和局部第三系地層(E)，另外，往北尚有中生代的花崗巖侵入。

長(zhǎng)沙地區(qū)第四系地層特性表 表2

3.2 既有勘察成果地層分類方法與缺陷

長(zhǎng)沙軌道交通2號(hào)線一期工程勘察的綜合分層基本沿用長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院“以地層年代為縱線”的分層體系，分為12個(gè)大層、45個(gè)小層。由于不同勘察標(biāo)段缺乏協(xié)調(diào)，在次級(jí)層位的銜接上出現(xiàn)了較大偏差。隨后進(jìn)行的1號(hào)線一期工程勘察，總體與咨詢單位試圖將長(zhǎng)沙地層標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)置了41個(gè)大層、130個(gè)亞層。由于未結(jié)合區(qū)域地層特性，假想成分較多，導(dǎo)致地層不連續(xù)，且明顯地與前人成果相悖現(xiàn)象。近期展開(kāi)的3、4號(hào)勘察中，某單位試圖減少主層，合并亞層，提出了9個(gè)大層、24個(gè)亞層的思路，不僅模糊了長(zhǎng)沙地區(qū)的地層基本規(guī)律，而且混淆了不同階地地層的工程性質(zhì)差異，基巖按風(fēng)化程度合并而沒(méi)考慮軟、硬巖差異。如若施行，對(duì)地鐵設(shè)計(jì)、施工將帶來(lái)更大的不便。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)地層體系建立的思路與建議

我國(guó)巖土特性地域性十分明顯，諸多城市已建立了獨(dú)具特色的、滿足其城市建設(shè)要求的標(biāo)準(zhǔn)地層體系，甚至編制了地方規(guī)范［10］。文獻(xiàn)［11］詳細(xì)介紹了廣州地鐵建設(shè)過(guò)程中的較為成功的經(jīng)驗(yàn)，值得借鑒。

筆者認(rèn)為長(zhǎng)沙地區(qū)的地層標(biāo)準(zhǔn)化須立足于區(qū)域地層架構(gòu)，要有前瞻性，以滿足城市建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的要求。從如下方面著眼:

(1)系統(tǒng)大層的設(shè)置以形成年代為主線。

(2)亞層劃分以巖性特征為標(biāo)準(zhǔn)。

(3)殘積層應(yīng)根據(jù)母巖成分細(xì)劃。

(4)基巖以地層從新到老排序，同一年代中，有巖性差異者分為主層，不同的風(fēng)化分帶分為亞層。

4 地下工程圍巖分級(jí)

4.1 分級(jí)因素及其確定方法

準(zhǔn)確判定圍巖級(jí)別是評(píng)價(jià)坑洞穩(wěn)定性、確定支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、決策隧道設(shè)計(jì)施工中的各種問(wèn)題之基礎(chǔ)。過(guò)去，面對(duì)同一巖土介質(zhì)，不同行業(yè)勘察、設(shè)計(jì)部門(mén)在分類/級(jí)時(shí)，在考慮其內(nèi)容、方法、指標(biāo)及因素等方面都存在差異。經(jīng)過(guò)努力，目前基本上與GB 50218－94［12］達(dá)成了共識(shí)［13～15］。

圍巖分級(jí)常用方法有定性、定量、定性與定量相結(jié)合3種方法，且多以前兩種方法為主。一定程度上，JTG D70－2004最為詳細(xì):按地質(zhì)特性分為巖質(zhì)圍巖與土質(zhì)圍巖，土質(zhì)圍巖分級(jí)指標(biāo)體系據(jù)土性而異;巖質(zhì)圍巖即采用傳統(tǒng)的BQ法，分兩步分級(jí):根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)，通過(guò)地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、初始應(yīng)力狀態(tài)的修正來(lái)獲得圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值［BQ］。

城市軌道交通工程屬淺埋隧道，初始應(yīng)力狀態(tài)幾可忽略，但對(duì)結(jié)構(gòu)面與地下水的修正工作很不充分，需要完善的地方甚多。長(zhǎng)沙軌道交通中涉及或?qū)⒁婕暗幕鶐r堅(jiān)硬程度如表3所示、圍巖完整程度如表4所示。

巖石堅(jiān)硬程度劃分 表3

巖體完整性分類表 表4

4.2 隧道圍巖分級(jí)中存在的問(wèn)題

(1)未考慮掘進(jìn)工藝的影響

隨著城市軌道交通工程建設(shè)的發(fā)展，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)在隧道施工中占有越來(lái)越重要的地位，與傳統(tǒng)的礦山法相比，二者需要參數(shù)不盡一致(如表5所示)，傳統(tǒng)的以評(píng)估圍巖穩(wěn)定性為主的隧道圍巖分級(jí)也就無(wú)法滿足盾構(gòu)施工需要。

礦山法與盾構(gòu)法需要的巖土參數(shù)表 表5

文獻(xiàn)［16］在圍巖穩(wěn)定性等級(jí)劃分基礎(chǔ)上，根據(jù)影響盾構(gòu)機(jī)工作條件的4個(gè)主要地質(zhì)因素:巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整程度(裂隙化程度)、巖石耐磨性和巖石硬度，進(jìn)行TBM施工條件下的隧道圍巖分級(jí)，以符合TBM施工針對(duì)工程巖體可掘進(jìn)性的原則要求。但在目前的城市軌道交通勘察中，卻鮮有應(yīng)用，不能不令人深思。

(2)未考慮隧道掘進(jìn)影響范圍

圍巖分級(jí)時(shí)必須考慮掘進(jìn)影響范圍，尤其是拱頂圍巖的穩(wěn)定厚度。圍巖分級(jí)前要分析在什么情況下拱頂圍巖可以自穩(wěn)，考慮的因素應(yīng)包括巖性、巖體完整性、厚度以及地下水狀態(tài)。地鐵埋深一般較淺，加上巖面起伏變化，對(duì)于巖石隧道而言，拱頂圍巖的厚度往往變化很大，如果全部劃分為同一級(jí)別，可能有風(fēng)險(xiǎn)。圖2是營(yíng)盤(pán)路湘江隧道東岸路面坍塌情形，圖3是該地段的地質(zhì)斷面圖。發(fā)生塌陷位置在YK86孔附近，此處隧頂基巖厚僅 1.25 m，覆土為淤泥質(zhì)粘土，其東向恰是板巖與礫巖之不整合接觸帶，諸因素聚在一起，也就不難說(shuō)明事故發(fā)生了。

圖2 營(yíng)盤(pán)路隧道路面塌陷

圖3 營(yíng)盤(pán)路隧道東岸南線地質(zhì)斷面圖

5 地下水的腐蝕性評(píng)價(jià)

5.1 水、土腐蝕性評(píng)價(jià)的主要測(cè)試指標(biāo)

水、土對(duì)建筑材料的腐蝕危害非常大，除有足夠經(jīng)驗(yàn)和充分資料的地區(qū)可以不進(jìn)行水、土腐蝕性評(píng)價(jià)外，其他地區(qū)均應(yīng)采取水、土樣進(jìn)行腐蝕性分析，測(cè)定項(xiàng)目如表 6［5］。

不同介質(zhì)對(duì)建筑材料腐蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo) 表6

5.2 腐蝕性評(píng)價(jià)的環(huán)境因素與腐蝕等級(jí)劃分

GB 50021－2001中，水、土對(duì)建筑材料的腐蝕性評(píng)價(jià)主要考慮環(huán)境影響和地層滲透性，環(huán)境類型分為3類(如表7所示)，表現(xiàn)為干濕交替、凍融交替、日氣溫變化、大氣濕度等。滲透性的一般界定如下:強(qiáng)透水層指碎石土和砂土，弱透水層指粉土和黏性土。

環(huán)境類型分類 表7

根據(jù)不同環(huán)境類型，結(jié)合相應(yīng)的腐蝕介質(zhì)界限值劃分為微、弱、中、強(qiáng)4個(gè)腐蝕等級(jí)。不同的環(huán)境類型和滲透性地層中，腐蝕介質(zhì)構(gòu)成腐蝕的界限值相差很大。規(guī)范中表12．2．1中數(shù)值適用干濕交替作用的水的情況。對(duì)Ⅰ、Ⅱ類腐蝕環(huán)境無(wú)干濕交替作用時(shí)，表中硫酸鹽含量數(shù)值應(yīng)乘以1.3的系數(shù);對(duì)土的腐蝕性評(píng)價(jià)，應(yīng)乘以1.5的系數(shù)。

5.3 關(guān)于場(chǎng)地環(huán)境類型的討論

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)場(chǎng)地環(huán)境類型的劃分存在明顯的沖突，在勘察與設(shè)計(jì)中容易引起分歧。主要表現(xiàn)如下:

(1)環(huán)境類型的界定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50476－2008)將環(huán)境類別分為一般環(huán)境(Ⅰ)、凍融環(huán)境(Ⅱ)、海洋氯化環(huán)境(Ⅲ)、除冰鹽等氯化環(huán)境(Ⅳ)、化學(xué)腐蝕環(huán)境(Ⅴ)5類［17］?！豆I(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50046－95)按腐蝕性介質(zhì)分為:氣態(tài)介質(zhì)、腐蝕性水、酸堿鹽溶液、固態(tài)介質(zhì)和污染土5種［18］。

(2)對(duì)環(huán)境類型的判別結(jié)果不統(tǒng)一

GB 50021－2001規(guī)定:當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)一邊接觸地面水或地下水，一邊暴露在大氣中，水可以通過(guò)滲透或毛細(xì)作用在暴露大氣中的一邊蒸發(fā)時(shí)，應(yīng)定為Ⅰ類。即拔高至“高寒、干旱地區(qū)”一類，如隧洞、坑道、豎井、地下洞室、路塹護(hù)面皆屬此類。

規(guī)范GB/T 50476－2008第“4．2．2條”則明確，“配筋混凝土墻、板構(gòu)件的一側(cè)表面接觸室內(nèi)干燥空氣、另一側(cè)表面接觸水或濕潤(rùn)土體時(shí)，接觸空氣一側(cè)的環(huán)境作用等級(jí)宜按干濕交替環(huán)境確定”。并在“化學(xué)腐蝕環(huán)境”之“7．2．2”重申了該觀點(diǎn)，且將“高寒、干旱地區(qū)”另行規(guī)定，類似于GB 50021－2001中的Ⅱ類環(huán)境類型。

GB 50046－95則認(rèn)為，除氣態(tài)介質(zhì)和固態(tài)介質(zhì)考慮到環(huán)境相對(duì)濕度因素外，對(duì)其他3種介質(zhì)均無(wú)環(huán)境因素條件。

(3)對(duì)腐蝕性強(qiáng)弱等級(jí)的量化的不統(tǒng)一

GB 50021－2001將腐蝕等級(jí)劃為微、弱、中、強(qiáng)4個(gè)等級(jí)。GB 50046－95則劃分為弱、中、強(qiáng)3個(gè)等級(jí)。GB/T 50476－2008劃分的環(huán)境作用等到級(jí)則為A(輕微)、B(輕度)、C(中度)、D(嚴(yán)重)、E(非常嚴(yán)重)、F(極端嚴(yán)重)6級(jí)。由于上述不同規(guī)范的著眼點(diǎn)不同，致使對(duì)同一腐蝕性介質(zhì)，對(duì)其腐蝕性的量化數(shù)值也存在差異，常見(jiàn)的硫酸根離子是其縮影(表8)。

不同規(guī)范中不同腐蝕等級(jí)的［］(mg/l)表8

不同規(guī)范中不同腐蝕等級(jí)的［］(mg/l)表8

注:GB/T 50476－2008中，弱、中、強(qiáng)分別對(duì)應(yīng) V－C ～V－E。

規(guī)范名稱 弱 中 強(qiáng)Ⅰ 200～500 500～1 500 ＞1 500 GB 50021－2001Ⅱ 300～1 500 1 500～3 000 ＞3 000Ⅲ 500～3 000 3 000～6 000 ＞6 000 GB 50046－95 250～1 000 1 000～4 000 ＞4 000 GB/T 50476－2008 200～1 000 1 000～4 000 4 000～10 000

(4)長(zhǎng)沙軌道交通地下水環(huán)境類型劃分建議

長(zhǎng)沙地區(qū)，按環(huán)境類型判別水、土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性時(shí)，腐蝕介質(zhì)主要為硫酸鹽含量。一般地，長(zhǎng)沙地區(qū)上層滯水中，［SO2－4］=200 mg/l～300 mg/l間，孔隙水的［SO2－4］=180 mg/l～295 mg/l間。按Ⅰ類環(huán)境類型則多為弱腐蝕，按Ⅱ類環(huán)境則為微腐蝕，二者相差一個(gè)級(jí)別。不同的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)、投資、施工的影響自然不同。

誠(chéng)然，部分暴露于大氣中而其他部分接觸含鹽水、土的混凝土構(gòu)件應(yīng)特別考慮鹽結(jié)晶作用，這可能是GB 50021－2001在2009年修訂時(shí)的初衷。不應(yīng)忽視的是，在常年濕潤(rùn)地區(qū)，孔隙水難以蒸發(fā)，不會(huì)發(fā)生鹽結(jié)晶，而長(zhǎng)沙恰恰是這類地區(qū)，因此，地下水腐蝕性評(píng)價(jià)時(shí)，按Ⅰ類環(huán)境判定值得商榷。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)城市軌道交通工程建設(shè)應(yīng)賦予環(huán)境調(diào)查與巖土工程勘察同樣重要的地位。只有把二者緊密結(jié)合起來(lái)，并給予足夠的經(jīng)費(fèi)支持，才能減少施工過(guò)程中因環(huán)境條件改變而引發(fā)的工程事故［19］。同時(shí)，加強(qiáng)城市地下空間的規(guī)劃與地下空間信息系統(tǒng)的建設(shè)，對(duì)城市地下空間的開(kāi)發(fā)、建設(shè)尤顯緊迫。

(2)加速城市基礎(chǔ)地質(zhì)信息庫(kù)的建設(shè)，建立城市地層的標(biāo)準(zhǔn)化，有利于巖土工程文件的統(tǒng)一、有利于設(shè)計(jì)單位的銜接，有利于巖土成果的持續(xù)利用，有利于工程管理水平的提高。

(3)“先勘察，后設(shè)計(jì)”是我國(guó)基本建設(shè)程序。若勘察與設(shè)計(jì)要求不統(tǒng)一，則很難體現(xiàn)勘察工作之必要和重要性，勘察、設(shè)計(jì)規(guī)范面對(duì)同一問(wèn)題如何協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，這是大土木范疇里的相關(guān)規(guī)范修編時(shí)值得重視的問(wèn)題。

［1］GB 50307－1999．地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范［S］．

［2］彭友君．地鐵工程勘察現(xiàn)狀與技術(shù)研究課題［J］．巖土工程技術(shù)，2007(4):179～183．

［3］GB 50157－2003．地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［4］JTJ C20－2011．公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］．

［5］GB 50021－2001巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)［S］．

［6］彭柏興．長(zhǎng)沙地鐵勘察若干問(wèn)題探討［J］．城市勘測(cè)，2008(2):141～146．

［7］劉穎炯，彭柏興，李軍雄．長(zhǎng)沙隧道工程不良地質(zhì)作用及其風(fēng)險(xiǎn)分析［J］．城市勘測(cè)，2010(5):158～162．

［8］劉樹(shù)亞，陳湘生．對(duì)城市軌道交通工程勘察工作的思考［J］．都市快軌交通，2010(1):85～88．

［9］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．城市軌道交通工程周邊環(huán)境調(diào)查指標(biāo)(征求意見(jiàn)稿)［R］．2011．

［10］DB/T 29－191－2009、J 11414－209．天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程［S］．

［11］謝明．廣州地鐵沿線巖土分層系統(tǒng)的建立和特征以及在地鐵、輕軌勘察規(guī)范中增設(shè)巖土分層規(guī)定的必要性和可行性［J］．地鐵與輕軌，2003(1):17～24．

［12］GB 50218－94．工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［13］JTG D70－2004．公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［14］TB 10003－2005，J 449－2005．鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［15］ GB 50307－XXX．城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范(征求意見(jiàn)稿)［S］．

［16］何發(fā)亮，谷明成，王石春．TBM施工隧道圍巖分級(jí)方法研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9):1350～1354．

［17］GB/T 50476－2008．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

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［19］王夢(mèng)恕，張成平．城市地下工程建設(shè)的事故分析及控制對(duì)策［J］．建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，25(2):1～6．