程 庭

(福州市勘測(cè)院 福建福州 350001)

0 引言

根據(jù)《福州市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃》(2012 年修編)，福州市軌道交通線網(wǎng)擬由9條線組成，總長(zhǎng)338.12km，設(shè)站 216 個(gè)[1]。目前，1號(hào)線一期工程已通車運(yùn)營(yíng)，1號(hào)線二期工程、2號(hào)線計(jì)劃2019年通車， 4、5、6號(hào)線和機(jī)場(chǎng)快線也正在如火如荼的建設(shè)之中，預(yù)計(jì)從2019年開始福州將實(shí)現(xiàn)每年貫通一條地鐵線路的態(tài)勢(shì)。大規(guī)模的地鐵工程建設(shè)帶來了大量的巖土工程勘察工作，地鐵工程的勘察涉及的內(nèi)容較多，本文擬從地鐵工程的特點(diǎn)出發(fā)，同時(shí)結(jié)合福州地區(qū)特定的地形、地貌和地質(zhì)特點(diǎn)，挑選出幾個(gè)在福州地鐵勘察過程常見但容易出現(xiàn)差錯(cuò)的難點(diǎn)問題進(jìn)行探討，比如，地層定名、鉆孔孔深、地下水水位量測(cè)、滲透系數(shù)、地下水腐蝕評(píng)價(jià)等問題，以期總結(jié)過去的不足之處，為后續(xù)的福州地鐵勘察提供經(jīng)驗(yàn)。

1 福州地形地貌、地質(zhì)特點(diǎn)

福州盆地是一山間斷陷盆地，盆地四周山嶺環(huán)抱，城區(qū)在盆心，盆地邊緣為山地和丘陵，海拔高程均在500m 以上，盆地內(nèi)部是沖積海積平原，高程約3m～5m，平原上分布著諸多島狀花崗巖殘丘，如高蓋山、烏山、于山、屏山等，閩江、烏龍江穿越盆地中心。 區(qū)內(nèi)地貌類型，主要包括山地地貌(構(gòu)造侵蝕中低山、低山)、丘陵地貌(侵蝕高丘、侵蝕低丘、剝蝕殘丘)、 堆積平原地貌(沖積平原、沖洪積平原、沖海積平原、風(fēng)積平原)以及河谷地貌[2]。

福州盆地淺部地層為第四系地層，深部地層為侏羅系上統(tǒng)南園組火山巖和燕山晚期(γ53)侵入的中粗粒黑云母花崗巖、鉀長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖形成的復(fù)式巖體。第四系堆積層層布于盆地之中，披覆于燕山晚期侵入巖及火山巖之上，地表可見的火山巖主要分布于盆地邊緣的崇山峻嶺。

福州盆地地層從上及下，主要為全新統(tǒng)長(zhǎng)樂組、全新統(tǒng)東山組、上更新統(tǒng)龍海組、更新統(tǒng)殘積層，底部為火山巖或花崗巖及其風(fēng)化層地層。其中，長(zhǎng)樂組地層分布廣泛，為福州地鐵建設(shè)影響最大的地層，為一套海陸交互相沉積，地層相對(duì)復(fù)雜，最大厚度 77.91m，其不整合覆蓋于東山組之上；該套地層的沖洪積、海積層為灰黑色淤泥、粘土、砂質(zhì)粘土、中細(xì)砂、砂礫卵石。東山組地層以灰白、黃綠色粘土、砂質(zhì)粘土、含泥中細(xì)砂為主，局部夾薄層泥質(zhì)砂。龍海組地層以棕黃、灰黃、灰色泥質(zhì)砂礫卵石為主，局部夾薄層棕黃，灰綠色砂質(zhì)粘土，為陸相沖洪積沉積。殘積層主要由花崗巖類巖石和火山巖類巖石經(jīng)長(zhǎng)期物理化學(xué)和生物化學(xué)風(fēng)化作用而成，與母巖成過渡關(guān)系，分布在盆地低緩殘丘邊部[3]。

2 地鐵勘察過程中難點(diǎn)問題分析

福州地鐵相對(duì)于全國(guó)其它城市的建設(shè)時(shí)間相對(duì)較晚，于2009年才開始地鐵1號(hào)線的可行性勘察，之后于2013年開始2號(hào)線的勘察，從2015年之后陸續(xù)開始了地鐵6號(hào)、5號(hào)、4號(hào)和機(jī)場(chǎng)快線的勘察工作。由于福州地鐵勘察和建設(shè)相對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)，在福州特定的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件下，勘察過程中或多或少走了一些彎路。下文選擇其中5個(gè)難點(diǎn)問題進(jìn)行分析。

2.1 地層定名問題

福州盆地受閩江的多次變道、閩江水量差異變化和全新世“長(zhǎng)樂海侵”事件等影響[3]，盆地內(nèi)地層多呈相互交雜、包裹、透鏡體狀分布，混合土的特征較為突出，不同地區(qū)不同深度的地層差異較大，很難形成諸如上海、華東、華北地區(qū)大范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的沉積地層。因此，在福州地區(qū)，精確的地層定名成了地鐵這類復(fù)雜地下工程的首要任務(wù)。根據(jù)省標(biāo)《巖土工程勘察規(guī)范》(DBJ13-84-2006)要求，關(guān)于混合土的定名分成了兩大類，即并列類名稱和前綴類名稱，其中碎石類土、砂類土自身之間相互混合的土層應(yīng)采用并列類名稱；而對(duì)于碎石類土和砂類土與粉土和黏性土之間的混合，應(yīng)采用前綴類名稱。如，當(dāng)含泥量或含砂、礫石量較小時(shí)(<10%)一般不加前綴；當(dāng)含泥量或含砂、礫石量增多時(shí)(10%～25%)，一般在加上前綴“(含泥)”或“(含少量***)”；而當(dāng)含泥量或含砂、礫石量大于25%時(shí)，則加上“(泥質(zhì))”或“(含***)”前綴名稱。此外，當(dāng)同一土層相間呈韻律沉淀，當(dāng)薄層與厚層之比大于1/3應(yīng)定為 “互層”，厚度比為1/10～1/3時(shí)應(yīng)定為“夾層”，厚度比小于1/10時(shí)，且多次出現(xiàn)時(shí)應(yīng)定“夾薄層”。

在勘察過程中，若將地層的定名過于簡(jiǎn)單化，本該按照混合土進(jìn)行定名和分類定成了單一定名，很容易誤導(dǎo)設(shè)計(jì)單位將本身透水的地層當(dāng)作隔水地層使用，從而可能導(dǎo)致車站的基坑降水過程存在較大的偏差。省標(biāo)要求當(dāng)?shù)貙觾?nèi)砂土的含量小于10%時(shí)，一般不加以前綴，但是根據(jù)地下工程的特點(diǎn)，其對(duì)地層的含水量和滲透特征十分敏感，即使粉土或黏性土內(nèi)夾雜的少量砂土也影響了該地層的滲透系數(shù)。如，表1中的1～3號(hào)土樣，當(dāng)土樣較為純凈時(shí)其水平和垂直滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)為10-7cm/s，但是當(dāng)土層內(nèi)夾有少量粉砂時(shí)(4～7號(hào)土樣)，其水平和垂直滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)變?yōu)?0-6cm/s，且具有水平向的滲透系數(shù)明顯大于垂直向，說明該沉積地層具有層理關(guān)系，因此在地鐵勘察過程中，最終4～7號(hào)土樣定名為淤泥質(zhì)土夾薄層砂。當(dāng)?shù)貙又械纳巴梁窟M(jìn)一步增多時(shí)，如將圖1所示土樣采取于閩江兩側(cè)路段，深度為23.2m～32.6m，根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果其<0.075mm粒徑的含量比例為63.1%～89.9%，余下的成份以粉砂和細(xì)砂為主，如僅僅按照室內(nèi)土工結(jié)果定名，可定為(含少量粉細(xì)砂)淤泥質(zhì)土或(含粉細(xì)砂)淤泥質(zhì)土，但是結(jié)合到野外描述的地層特征，砂層與淤泥質(zhì)土呈韻律沉淀規(guī)律，且兩種地層之比大于1/3，其水平和垂直滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)為10-6～10-5cm/s(8～10號(hào)土樣)，因此該地層最終定為淤泥質(zhì)土與粉細(xì)砂交互層。

圖1 淤泥質(zhì)土與粉細(xì)砂交互層地層

綜上分析，在福州地區(qū)地鐵勘察前，應(yīng)充分調(diào)研本區(qū)的地層特點(diǎn)，做到有的放矢。在土的定名過程中，應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)描述為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的開土記錄和土工試驗(yàn)結(jié)果綜合確定，盡量避免單一途徑來定名。另外，鑒于地下工程對(duì)地下水十分敏感的特征，在定名過程應(yīng)盡可能將土層里面是否含砂和含砂量多少的特征描述出來，從而引起地鐵各參與方的重視，避免在方案選擇時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)。

表1 部分土樣室內(nèi)滲透系數(shù)及其定名

2.2 關(guān)于車站鉆孔深度問題

福州地區(qū)的軟土和強(qiáng)透水砂層、卵礫石層發(fā)育廣泛，且厚度差異較大，據(jù)區(qū)域調(diào)查資料表明盆地內(nèi)軟土發(fā)育了3層：第一層軟土為全新世長(zhǎng)樂組上部的淤泥，為河口海灣相沉積，厚 2.2m～21.2m；第二層軟土為全新世長(zhǎng)樂組中下部的淤泥或淤泥夾砂，層厚4.5m～14m；第三層軟土為晚更新世龍海組上部的淤泥質(zhì)土層，層厚2.0m～20m[2]。強(qiáng)透水的各類砂層、礫石、卵石孔隙水，也可大致分成3個(gè)不同的含水層，即表層潛水含水地層、上層承壓含水層和下層承壓含水層，含水地層的厚度差別較大，局部厚度甚至達(dá)30.0m[4]。

根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》 GB50307-2012要求，地鐵車站的鉆孔深度應(yīng)進(jìn)入結(jié)構(gòu)地板以下的中風(fēng)化和微風(fēng)化地層不小于3m～5m，其它地層為控制孔不小于25m，一般孔不小于15m[5]。在地鐵2號(hào)線勘察初期，為了節(jié)省勘察費(fèi)用，鉆孔深度嚴(yán)格按照規(guī)范要求執(zhí)行，僅少量控制性鉆孔穿透了軟土和強(qiáng)透水的砂卵石地層，大部分鉆孔沒有完全揭穿軟土和強(qiáng)透水地層，尤其在閩江沿江地段強(qiáng)透水的含水層深度較大區(qū)域，如地鐵2號(hào)線的祥坂站，車站底板底部為<3-8>卵石地層，該層底埋深42.00m～68.00m(標(biāo)高-60.29m～-35.07m)，在基坑底部與<3-8>卵石地層之間存在相對(duì)隔水的粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土地層又多不連續(xù)的情況下，因多數(shù)鉆孔深度未達(dá)到含水層底板，導(dǎo)致設(shè)計(jì)單位在采用連續(xù)墻落地方案，還是采用基坑坑底止水方案的選擇上存在困難。為了最終確定支護(hù)方案，該車站選擇了部分鉆孔進(jìn)行補(bǔ)充勘察，從而導(dǎo)致了勘察工作反復(fù)和工期延誤。在后續(xù)勘察過程中，經(jīng)業(yè)主和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行協(xié)商后，調(diào)整了車站勘察鉆孔的深度，要求所有車站主體結(jié)構(gòu)鉆孔均穿透軟土和強(qiáng)透水地層，并進(jìn)入含水層底板3m～5m，基本上解決了勘察孔深度滿足規(guī)范要求，但不滿足設(shè)計(jì)要求的尷尬問題。此問題也體現(xiàn)出地鐵勘察過程中勘察與設(shè)計(jì)單位及時(shí)溝通的重要性，受前期勘察工作深度和精度的影響，在后續(xù)地鐵勘察的過程中經(jīng)常會(huì)遇到前期工作未曾揭露的地層，有些地層的深度和厚度也發(fā)生了一些變化，而這些變化有可能影響到設(shè)計(jì)單位最終的設(shè)計(jì)方案，因此建議勘察單位在前期的外業(yè)勘察階段，就應(yīng)經(jīng)常性邀請(qǐng)總體單位和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行外業(yè)巡查，在巡查過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

2.3 滲透系數(shù)問題

根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，福州盆地內(nèi)的淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土、砂層和卵礫石等地層很少呈單一地層出現(xiàn)，尤其在閩江古河道和現(xiàn)狀河道附近，基本上都是兩種或兩種以上地層交互或包裹在一起,如圖1所示。因此，在地層滲透性和各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)上與純凈的地層存在較大差別，其中滲透性差別尤為突出，如表1中純凈的淤泥、淤泥質(zhì)土和黏土地層的滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)一般為10-7cm/s，可認(rèn)為不透水地層，但是在福州盆地內(nèi)以上地層一般夾雜薄層～中厚層砂，有些地方甚至表現(xiàn)為混砂，這些含砂淤泥、淤泥質(zhì)土和黏土地層出現(xiàn)弱～中等透水性特征，局部甚至強(qiáng)透水性特征。此外，福州地區(qū)的地層滲透系數(shù)，表現(xiàn)出水平向的滲透系數(shù)明顯大于垂直向滲透系數(shù)的特征，如表1內(nèi)的1～8號(hào)土樣，有時(shí)水平向甚至高出垂直向1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，如表1內(nèi)的9～10號(hào)土樣，該特征與含砂地層的成層狀沉積過程密切相關(guān)。

此外，福州盆地內(nèi)的強(qiáng)透水砂、卵石地層的滲透系數(shù)，受其間填充的物質(zhì)不同，不同位置和不同深度也表現(xiàn)出較大的差異。比如，五四北淺層的龍海組(含泥)碎卵石、(泥質(zhì))碎卵石地層和南臺(tái)島中南部的深層泥質(zhì)砂礫卵石地層滲透系數(shù)就相對(duì)較小，滲透系數(shù)在5.00～9.05m/d范圍內(nèi)(表2中編號(hào)1～4)；而對(duì)于閩侯上街、烏龍江兩側(cè)附近區(qū)域的卵石地層滲透系數(shù)則高達(dá)到40～55m/d(表2中編號(hào)5～6)。因此，在福州地區(qū)各地，不同深度的滲透系數(shù)均差異性較大，有時(shí)甚至在名字看起來相近甚至類似，但是受其所處的地質(zhì)年代不同，卵石的粒徑、組成物的比例和卵石填充物不同，其滲透系數(shù)差異較大，有時(shí)甚至是數(shù)量級(jí)上的差異。因此，基于福州盆地內(nèi)強(qiáng)透水砂卵石地層以上特點(diǎn)，在地鐵勘察過程中不能簡(jiǎn)單地照搬套用該類參數(shù)，而是應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)成果為依據(jù)，并綜合分析區(qū)域地質(zhì)資料、砂卵石地層成份及其填充物等因素，綜合確定該地層的滲透系數(shù)。

表2 福州地區(qū)不同區(qū)域卵石地層滲透系數(shù)對(duì)比表

2.4 地下水水位量測(cè)問題

因地鐵車站和區(qū)間大部分均位于地下，均涉及到地下水抗浮、抗突涌、抗?jié)B流問題，因此，地下水水位測(cè)量是否準(zhǔn)確，直接影響到涉及方案以及工程造價(jià)。福州盆地內(nèi)地下水普遍埋深淺，受砂卵石層、黏性土層、淤泥土層沉積韻律的影響，地下水往往表現(xiàn)為多個(gè)地下含水層，各層地下水受相對(duì)隔水地層的間隔影響，地下水在小范圍內(nèi)、短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出不同的水位標(biāo)高；但是，福州地區(qū)的隔水地層往往呈透鏡體狀分布，在某個(gè)車站范圍內(nèi)表現(xiàn)為上下兩個(gè)含水地層為完全隔斷狀態(tài)，而一旦尺度拉大到一個(gè)或者幾個(gè)區(qū)間來看，則上下兩個(gè)含水地層存在連通的窗口，有時(shí)甚至兩層并為同一個(gè)地層，如圖2所示。該車站所在范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)粉細(xì)砂地層和深部的含泥中粗砂地層之間存在隔水的粉質(zhì)黏土地層，但是當(dāng)空間尺寸拉大后，在車站相鄰右側(cè)區(qū)間范圍內(nèi)隔水的粉質(zhì)黏土地層缺失了，上下兩個(gè)強(qiáng)透水地層完全連在一起。前期勘察過程中，在該車站勘察孔內(nèi)測(cè)得上部淤泥質(zhì)粉細(xì)砂地層的水位埋深為4.35m～6.72m，下部含泥中粗砂地層水位埋深為6.10m～8.65m，下兩個(gè)砂層含水層的水位差別達(dá)2m～3m，但是在后續(xù)抽水試驗(yàn)過程中，隨著抽水時(shí)間的加長(zhǎng)，上下兩個(gè)含水層基本導(dǎo)通，如圖2中抽水孔1和抽水孔2地下水流線的源頭基本趨同，上下兩個(gè)含水層測(cè)得的水位基本持平。

因此，在地鐵勘察過程中，若僅限于某一個(gè)局部位置分析地下水含水層結(jié)構(gòu)，可能會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論，應(yīng)適當(dāng)拉大地層空間，分析上下不同含水層之間是否存在導(dǎo)通的可能性。

另外，在地鐵勘察過程中，關(guān)于各含水層水位測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡可能采用抽水試驗(yàn)孔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；而對(duì)于勘察鉆探孔內(nèi)測(cè)試的數(shù)據(jù)，因?yàn)槠湎纯淄粔驈氐?，且地下水穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較短，測(cè)得的地下水水位一般誤差較大。

圖2 地鐵2號(hào)線某車站抽水時(shí)地下水流線圖

2.5 地下水腐蝕性評(píng)價(jià)問題

地下的車站和區(qū)間混凝土結(jié)構(gòu)，多數(shù)處于長(zhǎng)期浸水或者干濕交替交替狀況，地下水的腐蝕性以及腐蝕性介質(zhì)的不同，對(duì)地鐵的結(jié)構(gòu)影響重大，一旦勘察不準(zhǔn)確或者出現(xiàn)偏差，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)較大變更，工程造價(jià)增加顯著。

表3 福州地區(qū)不同區(qū)域地下水腐蝕性特征

另外，在地鐵勘察過程中，部分車站和區(qū)間表現(xiàn)為侵蝕性CO2腐蝕性特征，比如6號(hào)線吳航站、5號(hào)線鳳山路站等均表現(xiàn)出該特征，如表3所示，福州地區(qū)屬于非灰?guī)r地區(qū)，侵蝕性CO2超標(biāo)主要與地下水內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。根據(jù)周邊環(huán)境調(diào)查表明，一般侵蝕性CO2超標(biāo)路段附近均存在水產(chǎn)、家禽養(yǎng)殖區(qū)和地表水明顯富營(yíng)養(yǎng)化的河道、池塘區(qū)域，且不同季節(jié)和時(shí)間段測(cè)得的侵蝕性CO2數(shù)據(jù)差異較大。分析此項(xiàng)超標(biāo)的原因，即：地表水的有機(jī)物經(jīng)過地下水的循環(huán)進(jìn)入地下，經(jīng)過微生物的作用，形成侵蝕性CO2超標(biāo)現(xiàn)象。

綜上分析，在地下水腐蝕性評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)盡量采集抽水試驗(yàn)孔內(nèi)的地下水作為腐蝕性判斷依據(jù)，因?yàn)槌樗囼?yàn)是經(jīng)過嚴(yán)格洗孔和長(zhǎng)時(shí)間的抽水，在其孔內(nèi)所取的地下水樣能夠代表該含水層的水質(zhì)特征；另外，對(duì)于導(dǎo)致腐蝕的物質(zhì)應(yīng)分析其來源，是短暫效應(yīng)還是長(zhǎng)期效應(yīng)，對(duì)于短期效應(yīng)的腐蝕性來源應(yīng)多次采取水樣進(jìn)行復(fù)核，避免出現(xiàn)誤判。

3 結(jié)語

福州盆地是一山間斷陷盆地，盆地內(nèi)除了島狀花崗巖殘丘外，主要為沖積海積平原，受貫穿盆地內(nèi)閩江的多次變道、水量差異變化和全新世“長(zhǎng)樂海侵”事件影響，盆地范圍內(nèi)地層多呈相互交雜、包裹、透鏡體狀分布，不同地區(qū)不同深度的地層差異十分巨大，由此形成了特有的福州地區(qū)的地層和地下水分布情況。本文根據(jù)已經(jīng)完成勘察工作的地鐵線路情況，挑選幾個(gè)福州地鐵勘察過程中經(jīng)常遇見的難點(diǎn)問題進(jìn)行探討分析，比如地層定名、鉆孔孔深、水位、滲透系數(shù)、地下水腐蝕等問題，這些問題看似簡(jiǎn)單，但是一旦疏忽容易出現(xiàn)差錯(cuò)，因此建議在以后勘察過程中，應(yīng)結(jié)合福州本地區(qū)的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)特點(diǎn)，同時(shí)充分考慮地鐵作為地下工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合性判定，盡可能準(zhǔn)確地反映出真實(shí)水文和地質(zhì)情況。