張 強(qiáng)， 顧朝杰， 宋仕兵， 王忠勝， 孫鳴雷

(1. 青島地礦巖土工程有限公司， 山東青島 266100； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)， 山東青島 266100)

青島地鐵R3線地質(zhì)條件評(píng)價(jià)研究

張 強(qiáng)1，2， 顧朝杰1， 宋仕兵1， 王忠勝1， 孫鳴雷1

(1. 青島地礦巖土工程有限公司， 山東青島 266100； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)， 山東青島 266100)

利用青島地鐵R3線井岡山路站—嘉年華站區(qū)間的地鐵勘察資料，綜合鉆探、取樣、物探、水文、地震、巖石試驗(yàn)等多方面的資料，提出了研究區(qū)工程地質(zhì)評(píng)價(jià)因子，建立了青島地鐵地質(zhì)條件評(píng)價(jià)的三級(jí)層次分析模型，通過評(píng)價(jià)因子量化分級(jí)和權(quán)重，對(duì)青島地鐵地質(zhì)條件進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。通過綜合研究區(qū)地質(zhì)條件評(píng)價(jià)結(jié)果，將研究區(qū)分為地質(zhì)條件良好區(qū)、中等區(qū)、較差區(qū)和差區(qū)，同時(shí)對(duì)各區(qū)提出了工程風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

青島地鐵； 地質(zhì)條件； 層次分析法； 評(píng)價(jià)

1 研究背景及研究現(xiàn)狀

1.1 研究背景

青島地區(qū)淺部巖層主要以花崗巖為主，多期花崗巖及脈巖的侵入使基巖的結(jié)構(gòu)差異較大，自然地理、地質(zhì)構(gòu)造條件等因素導(dǎo)致基巖的風(fēng)化速度不同，巖體的完整程度和巖石的堅(jiān)硬程度差異較大，各類基巖面起伏大，風(fēng)化巖石的工程性質(zhì)差異大，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，而且有不同厚度的第四系土層覆蓋，地鐵隧道穿越地層條件呈上軟下硬土、巖組合地層。因此有必要開展青島地鐵線路沿線的地質(zhì)條件評(píng)估是保證地鐵百年工程的重要舉措，對(duì)地鐵施工過程、運(yùn)行過程的安全問題及早防范。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

歐樹召等[1-2]以廣州地鐵2號(hào)線、8號(hào)線為例進(jìn)行地鐵地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析，提出6大評(píng)價(jià)要素，包括工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造地質(zhì)條件、地形地貌條件、氣候條件及工程施工條件。鄧亞虹等[3]通過對(duì)西安市地鐵1號(hào)線的研究，提出綜合評(píng)估定量方法，確定了評(píng)價(jià)因子確定原則、評(píng)價(jià)因子權(quán)重分配原則、危險(xiǎn)等級(jí)適宜性原則，采用了定量方法進(jìn)行地質(zhì)危險(xiǎn)性分析。周宗青等[4]通過對(duì)湖北省段家屋場(chǎng)隧道采用靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法，建立了塌方災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的模糊層次評(píng)估模型，劃分了塌方地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，預(yù)測(cè)了隧道施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)整施工措施，將潛在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)范圍縮小，保證了隧道施工安全。徐善初等針對(duì)椿樹埡隧道施工中遇到問題，采用德爾菲法確定椿樹埡隧道的評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用模糊層次分析法對(duì)隧道地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為最可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害是巖溶和巖爆，其次是塌方和涌水，針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果，制定了相應(yīng)的應(yīng)急方案，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)[5]。

2 研究區(qū)概況及評(píng)估方法

2.1 研究區(qū)概況

本文所研究的井岡山路站—嘉年華站區(qū)間,起點(diǎn)位于井岡山路與長(zhǎng)江路路口，向南沿井岡山路敷設(shè)，至濱海大道向西敷設(shè)，至峨眉山路與濱海大道路口，區(qū)間設(shè)計(jì)里程YCK7+809.3～YCK11+565.3，長(zhǎng)約3 756.0 m。

該區(qū)間勘察范圍主要為隧道、施工斜井、聯(lián)絡(luò)通道及施工豎井。工程大概位置詳見擬建場(chǎng)地交通位置圖(見圖1)。

圖1 研究區(qū)場(chǎng)地位置Fig.1 Location of the research area

2.2 評(píng)價(jià)方法

地質(zhì)條件是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，受諸多因素的影響，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境地質(zhì)問題時(shí)有發(fā)生，對(duì)地質(zhì)條件的影響程度，很難用肯定的“非此即彼”的結(jié)論來表達(dá)。近幾年來,許多學(xué)者對(duì)各種經(jīng)典的評(píng)估方法進(jìn)行了改進(jìn)，吸取了各種方法的優(yōu)點(diǎn)。如Adam和Markowski通過對(duì)傳統(tǒng)矩陣方法的研究,引入了模糊邏輯的概念進(jìn)而克服傳統(tǒng)方法的不精確和不確定性[6]；Chin等通過對(duì)數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法進(jìn)行大量分析,進(jìn)一步改進(jìn)了傳統(tǒng)方法的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)[7]。

由于地鐵工程具有隱蔽性和不確定性，本文采用層次分析法(APH)將各類風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行分層分析，確定其權(quán)重，同時(shí)，針對(duì)地鐵工程地質(zhì)條件的不確定性、模糊性的特點(diǎn)，利用綜合指數(shù)分析法以期得到更為接近實(shí)際情況且更為精確的評(píng)價(jià)[8]。

3 評(píng)價(jià)模型的建立

3.1 評(píng)價(jià)體系建立

本文所進(jìn)行的青島地鐵地質(zhì)條件評(píng)價(jià)體系由3層構(gòu)成，從頂層到底層分別由系統(tǒng)目標(biāo)層(O，object)、屬性層(A，attribute)和要素指標(biāo)層(F，factor)3級(jí)層次組成。O層是系統(tǒng)的總目標(biāo)，即研究區(qū)地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)；A是屬性指標(biāo)層，由自然地理?xiàng)l件、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、研究區(qū)地震效應(yīng)、巖土工程施工分級(jí)和人類工程活動(dòng)等6項(xiàng)指標(biāo)組成；F是要素指標(biāo)層，選擇降水量、隧道與河流距離、第四系厚度等14項(xiàng)指標(biāo)作為要素指標(biāo)層，建立層次結(jié)構(gòu)模型(見圖2)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)分區(qū)。

圖2 青島地鐵地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)層次指標(biāo)Fig.2 Hierarchy of the comprehensive evaluationindex for geological conditions of Qingdao Metro

3.2 評(píng)價(jià)因子量化

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，將青島地鐵地質(zhì)條件二級(jí)評(píng)價(jià)因子分為4級(jí)，即優(yōu)等、良好、中等、差(見表1)。

表1 青島地鐵地質(zhì)條件評(píng)價(jià)打分標(biāo)準(zhǔn)

各個(gè)評(píng)價(jià)因子的量化分級(jí)，在量化過程中既要考慮地質(zhì)條件現(xiàn)狀對(duì)青島地鐵建設(shè)的適宜性，又要考慮青島地鐵建設(shè)對(duì)地質(zhì)條件的影響程度(見表2)。

表2 青島地鐵地質(zhì)條件評(píng)價(jià)因子量化分級(jí)[9-11]

續(xù)表

3.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

本次評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定方法：首先組織青島軌道交通及相關(guān)專業(yè)的專家根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)各因子進(jìn)行打分，按照打分情況進(jìn)行異常值的剔除，取幾率大的分值；然后根據(jù)建立的青島地鐵地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)體系，利用層次分析法計(jì)算出影響地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)的各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，2個(gè)要素重要性之比采用1～9標(biāo)度法(見表3、4)[12]。

表3 層次分析法計(jì)算結(jié)果

續(xù)表

表4 評(píng)價(jià)因子權(quán)重

4 研究區(qū)綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)

本文將研究區(qū)初步勘察階段和詳細(xì)勘察階段的所有鉆孔進(jìn)行分類整理，結(jié)合野外鉆探的一手資料對(duì)評(píng)價(jià)體系中的各個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)打分，得到研究區(qū)的地質(zhì)條件評(píng)價(jià)結(jié)果，然后根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況進(jìn)行必要的修正[13-14]，具體評(píng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 研究區(qū)地質(zhì)條件評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)條件評(píng)價(jià)結(jié)果，研究區(qū)分為4個(gè)區(qū)(見圖3)：地質(zhì)條件良好區(qū)、中等區(qū)、較差區(qū)和差區(qū)。

圖3 青島地鐵地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Comprehensive evaluation of geological conditions of Qingdao metro

4.1 良好區(qū)(Ⅱ)

研究區(qū)共有2段區(qū)域?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好區(qū)，總長(zhǎng)度為651 m，占研究區(qū)總長(zhǎng)度的17.2%，詳述如下：

YCK7+789～YCK8+000：該區(qū)域位于井岡山路站出站端，距離河流、海灣較遠(yuǎn)，第四系厚度較薄，隧道穿越地層以堅(jiān)硬巖、較硬巖為主，水、土腐蝕性微—弱，含水層富水性中等，無液化土層發(fā)育，地鐵在井岡山路下方穿行，綜合判定該段為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好區(qū)。

YCK8+160～YCK8+600：該區(qū)域位于珠江路以南、濱海大道以北，第四系厚度較薄，隧道穿越地層以較堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬巖為主，水、土腐蝕性微—弱，該區(qū)域無液化土層發(fā)育且距離唐島灣較遠(yuǎn)，地鐵在井岡山路下方穿行，周邊建筑物較少，綜合判定該段為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好區(qū)。

4.2 中等區(qū)(Ⅲ)

研究區(qū)共有2段區(qū)域?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等區(qū)，總長(zhǎng)度為1 750 m，占研究區(qū)總長(zhǎng)度的46.4%，詳述如下。

YCK9+270～YCK10+720：該區(qū)域位于濱海大道南側(cè)綠化帶中，鉆孔揭示隧道穿越地層以較堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬巖為主，含水層富水性中等，該區(qū)域距離唐島灣較遠(yuǎn)，水土腐蝕性微—弱，液化土層發(fā)育，綜合判定該段為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等區(qū)。

YCK10+920～YCK11+220：該區(qū)域位于辛莊北河以西、濱海大道以南，鉆孔揭示隧道穿越地層以較堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬巖為主，含水層富水性弱，該區(qū)域無液化土層發(fā)育且距離唐島灣較遠(yuǎn)，地鐵側(cè)穿嘉年華地下停車場(chǎng)，環(huán)境條件差，綜合判定該段為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等區(qū)。

4.3 較差區(qū)(Ⅳ)

研究區(qū)共有4段區(qū)域?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好區(qū)，總長(zhǎng)度為1 270 m，占研究區(qū)總長(zhǎng)度的33.6%，詳述如下。

YCK8+000～YCK8+160：該區(qū)域位于井岡山路，該區(qū)域碎裂巖較發(fā)育，隧道穿越地層以軟巖、較軟巖為主，工程地質(zhì)條件較差，綜合判定該段為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)。

YCK8+600～YCK9+270：該區(qū)域位于井岡山路向?yàn)I海大道拐彎的位置，該區(qū)域距離唐島灣較近，最近處為12 m，第四系厚度較厚，隧道穿越地層軟硬布局，局部為軟巖、較軟巖，局部發(fā)育液化土層，綜合判定該段為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)。

YCK10+720～YCK10+920：隧道在該區(qū)域下穿辛莊北河，雖然隧道穿越地層以較堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬巖為主，但辛莊北河長(zhǎng)年有水，而且水位不斷變化，一旦水壓過大或者裂隙特別發(fā)育，極易引起地鐵隧道出現(xiàn)涌水、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，綜合判定該段為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)。

YCK11+220～YCK11+460：該區(qū)域位于研究區(qū)的大里程端，第四系厚度較厚，隧道穿越地層以軟巖、較軟巖為主，工程地質(zhì)條件較差，含水層富水性強(qiáng)，局部含有液化土層，綜合判定該段為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)。

4.4 差區(qū)(Ⅴ)

研究區(qū)共有1段區(qū)域?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境質(zhì)量差區(qū)，總長(zhǎng)度為105 m，占研究區(qū)總長(zhǎng)度的2.8%，詳述如下。

YCK11+460～YCK11+565：該區(qū)域位于嘉年華站的進(jìn)站段，第四系厚度較厚，由于隧道埋深較淺，局部進(jìn)入第四系土層，工程地質(zhì)條件差，含水層富水性強(qiáng)，綜合判定該段為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量差區(qū)。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論及風(fēng)險(xiǎn)控制

綜合研究區(qū)地質(zhì)條件評(píng)價(jià)結(jié)果，研究區(qū)分為地質(zhì)條件良好區(qū)、中等區(qū)、較差區(qū)和差區(qū)。

地質(zhì)條件良好區(qū)特點(diǎn)為距離河流、海灣較遠(yuǎn)，第四系厚度較薄，隧道穿越地層以堅(jiān)硬巖、較硬巖為主，水、土腐蝕性微—弱，含水層富水性中等，無液化土層發(fā)育。

地質(zhì)條件良好區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制建議：建議隧道采用復(fù)合式襯砌，在施工過程初期支護(hù)時(shí)，建議拱部采用錨桿+掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土支護(hù)方式，側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)可考慮采用素噴混凝土支護(hù)即可。

地質(zhì)條件中等區(qū)特點(diǎn)為隧道穿越地層以較堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬巖為主，含水層富水性中等，距離河流、海灣較遠(yuǎn)，水土腐蝕性微—弱，液化土層發(fā)育，局部穿越建、構(gòu)筑物。

地質(zhì)條件中等區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制建議：隧道采用復(fù)合式襯砌，在施工過程初期支護(hù)時(shí)，建議拱部及邊墻均采用錨桿+掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土+格柵鋼架支護(hù)方式，局部可考慮采用三角形格柵鋼架。

研究區(qū)地質(zhì)條件較差區(qū)特點(diǎn)為碎裂巖較發(fā)育，隧道穿越地層以軟巖、較軟巖為主，工程地質(zhì)條件較差，局部距離河流、海灣較近。

地質(zhì)條件較差區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制建議：隧道采用復(fù)合式襯砌，在施工過程初期支護(hù)時(shí)，建議拱部及邊墻均采用錨桿+掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土+格柵鋼架支護(hù)方式，局部可考慮采用格柵鋼架，遇局部圍巖破碎、穩(wěn)定性差的情況應(yīng)考慮采取加強(qiáng)支護(hù)措施，可考慮采用增加超前錨桿或超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)等輔助措施來進(jìn)行支護(hù)。

研究區(qū)地質(zhì)條件差區(qū)特點(diǎn)為第四系厚度較厚，由于隧道埋深較淺，局部進(jìn)入第四系土層，工程地質(zhì)條件差，含水層富水性強(qiáng)，局部下穿建構(gòu)筑物。

地質(zhì)條件差區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制建議：隧道采用復(fù)合式襯砌，隧道施工時(shí)采用全斷面水平旋噴法超前帷幕注漿進(jìn)行圍巖加固和地下水封堵，并采用長(zhǎng)管棚超前加固支護(hù)巖土層，開挖施工時(shí)嚴(yán)禁放大炮、減少開挖進(jìn)尺，開挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，初期支護(hù)時(shí)適當(dāng)增加錨桿長(zhǎng)度、噴射混凝土厚度，加密支護(hù)鋼拱架、錨桿間距，在隧道開挖施工過程中，如遇地下水流失嚴(yán)重、地面沉降過大、孔內(nèi)注漿加固效果不佳時(shí)，可考慮采用深孔注漿等方案對(duì)地面或建筑物地基進(jìn)行加固處理，必要時(shí)在地面條件允許的情況下可采用地面高壓旋噴注漿方案加固地層。

5.2 建議

1) 本文數(shù)據(jù)來源主要為地鐵勘察階段的地質(zhì)資料，建議能綜合勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等各個(gè)階段的資料，增加評(píng)價(jià)因子，進(jìn)一步完善青島地鐵地質(zhì)條件評(píng)價(jià)體系。

2) 由于地鐵為線性工程，鉆孔多分布于地鐵線路周邊，使本文的評(píng)價(jià)結(jié)果為帶狀成果，建議對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)地段增加采樣范圍，更全面、更準(zhǔn)確地反映青島地鐵的地質(zhì)條件。

3) 本文的研究區(qū)為土、巖混合區(qū)域，評(píng)價(jià)過程基本適用于青島地區(qū)及地質(zhì)相似地區(qū)，對(duì)于單一的第四系土層地區(qū)或基巖地區(qū)同樣可以采用該方法進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，但應(yīng)結(jié)合具體的地質(zhì)條件對(duì)評(píng)價(jià)因子的選取及量化分級(jí)、權(quán)重分配進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

4) 在本文的評(píng)價(jià)結(jié)論中，“優(yōu)等”、“良好”的多為硬質(zhì)巖石，其評(píng)價(jià)對(duì)象也主要是針對(duì)地質(zhì)條件而言，該類區(qū)域修建地鐵隧道的穩(wěn)定性較好，但開挖難度大、施工時(shí)間長(zhǎng)、造價(jià)高，綜合社會(huì)效益一般。

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Code for seismic design of urban rail transit structures: GB 50909—2014[S]. Beijing: China Planning Press, 2014: 13-22.

TheGeologyEvaluationontheLineR3ofQingdaoMetro

ZHANGQiang1,2,GUZhaojie1,SONGShibing1,WANGZhongsheng1,SUNMinglei1

(1. Qingdao Geotechnical Engineering Co., Ltd., Qingdao Shandong 266100;2. Ocean University of China, Qingdao Shandong 266100)

By using the geological exploration data of the Jinggangshan-Jianianhua section of Qingdao metro line R3, and combining the data of drilling, sampling, geophysical prospecting, hydrology, earthquake, and rock testing, the geological evaluation indexes are put forward, and the Analytic Hierarchy Process model is constructed. Through quantitative classification and weight of the evaluation indexes, the geology of Qingdao Metro Line R3 is comprehensively evaluated. Based on the comprehensive analysis of the evaluation results, the geology of the studied area is divided into four grades: good, moderate, slightly poor and poor, and the risk control measures for each grade area are put forward.

Qingdao metro; geological condition; Analytic Hierarchy Process; evaluation

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.013

U231

A

1672-6073(2017)06-0074-05

2017-01-16

2017-02-06

張強(qiáng)，男，碩士，工程師，專業(yè)方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)，qddkzq@163.com

(編輯：郝京紅)