馬利柱，竇衍光，王磊，崔繼升，林曦

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島266071；2.青島海洋地質(zhì)工程勘察院，山東 青島266071；3.青島地質(zhì)工程勘察院（青島地質(zhì)勘查開發(fā)局），山東 青島266071）

1 引言

近年來，青島市被著力打造為中國東部沿海重要的中心城市，經(jīng)濟水平及基礎(chǔ)建設(shè)均有了突飛猛進的發(fā)展，青島地鐵建設(shè)的規(guī)模和速度也日新月異。隨著青島地鐵建設(shè)工程規(guī)模越來越龐大、復(fù)雜，工程安全事故也逐年增加。近幾年，新聞報道過青島地鐵發(fā)生的多起事故，包括2011年7月17日3號線君西（君振）區(qū)間坍塌、2018年4月13日2號線海信橋站坍塌、2019年5月27日4號線靜沙區(qū)間坍塌、2019年7月4日1號線勝利橋坍塌等事故，均造成了很大的經(jīng)濟損失并引發(fā)了極大的社會關(guān)注。經(jīng)后期調(diào)查分析，青島地鐵所發(fā)生的事故大多與不良地質(zhì)條件有直接或間接的聯(lián)系。不良地質(zhì)條件是誘發(fā)青島地鐵工程事故發(fā)生的重要風(fēng)險因素。因此，研究不良地質(zhì)問題以及應(yīng)對不良地質(zhì)條件的風(fēng)險控制措施非常迫切和必要。

不良地質(zhì)條件的概念比較廣泛，包括不良地質(zhì)作用、抗震不利地段、特殊性巖土和復(fù)雜水文地質(zhì)條件等。不良地質(zhì)作用指由地球內(nèi)力或外力產(chǎn)生的對工程可能造成危害的地質(zhì)作用，包括活動斷裂、地震、崩塌、滑坡、泥石流、巖溶、土洞、河流沖刷以及潛蝕等[1]；抗震不利地段包括軟弱土、液化土、條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、陡坡、陡坎、河岸和邊坡的邊緣，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層（含故河道、疏松的斷層破碎帶、暗埋的塘浜溝谷和半填半挖地基），高含水量的可塑黃土，地表存在結(jié)構(gòu)性裂縫等[2]；特殊性土是具有特殊成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和物理力學(xué)性質(zhì)的土，如淤泥、黃土、紅黏土、膨脹土、人工填土、凍土等[3]，它們是在某些特殊地質(zhì)環(huán)境中形成的。在建設(shè)地鐵工程時，隧道的穩(wěn)定性，隧道底，隧道管涌隆起穩(wěn)定都與地下水有重要的關(guān)系。

2 青島市地質(zhì)概況

青島市地處山東半島的咽喉部位，瀕臨黃海，環(huán)繞膠州灣，山海形勝，腹地廣闊。青島主要位于丘陵地形上，地勢東高西低，南北兩側(cè)隆起，中間低凹，其中平原占37.7%，盆地占21.7%，丘陵占25.1%，山地占15.5%。青島地區(qū)大地構(gòu)造單元位于華北地塊的東部，沂沭斷裂帶東側(cè)膠遼隆起區(qū)和膠南—威海隆起區(qū)內(nèi)。五蓮—青島斷裂、牟平—即墨斷裂位于中朝陸塊與中央造山帶邊界，是控制青島市構(gòu)造格架的主干斷裂。構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造主要為北東向、北北東向和近東西向（見圖1）。自第三紀以來，區(qū)內(nèi)以整體性較穩(wěn)定的斷塊隆起為主，上升幅度一般不大。青島市白堊系青山群火山巖層充分發(fā)育，廣泛出露。巖漿巖以元古代膠南期月季山式片麻狀花崗巖及中生代燕山晚期的艾山式花崗閃長巖和嶗山式花崗巖為主[4]。青島市第四系沉積層分布明顯受古地理控制，在沉積相上，中更新統(tǒng)—上更新統(tǒng)為殘積坡積層、沖洪積層，全新統(tǒng)為濱淺海相沉積層、沖積層和沖洪積層，主要分布于絕對標高20 m以下的各條河流中下游階地、沖洪積平原以及山麓溝谷、山間凹地等低凹開闊地段，第四系厚度一般小于30 m，區(qū)域上第四系厚度自南向北逐漸增厚[5]。

圖1 青島城市主要斷裂分布圖

膠州灣是山東省青島市境內(nèi)的半封閉海灣，近似喇叭形，海灣面積397 km2（1985年海圖），其中，灘涂面積125 km2。灣口通過一條寬約3 km、深30~40 m的深水槽與黃海相通。青島市在建地鐵1號線、8號線均穿越膠州灣，擬建2號線西側(cè)延長段規(guī)劃穿越膠州灣。青島市在建的大部地鐵線路穿越大沽河及沿海諸河流。

3 青島市常見不良地質(zhì)問題與對策分析

根據(jù)目前青島地鐵工程建設(shè)資料，青島地區(qū)廣泛存在的不良地質(zhì)類型主要包括富水砂層、承壓水、上軟下硬地層、斷層破碎圍巖和特殊土（填土及軟土）等。以青島地鐵8號線（見圖2）為例，青島地鐵8號線（目前國內(nèi)最長跨海地鐵）起自膠州北站，終至五四廣場站，途經(jīng)市南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū)、城陽區(qū)、膠州市，串聯(lián)起青島主城區(qū)、紅島經(jīng)濟區(qū)和膠州市，全長60.7 km（海域段5.4 km）。地鐵8號線沿途的不良地質(zhì)主要有盾構(gòu)穿越膠州灣東北部富水砂層、膠州灣高承壓水、青島北站附近厚層填土及軟土、穿越4條大型構(gòu)造破碎帶（膠州斷裂、即墨斷裂、滄口斷裂和劈石口斷裂）和下穿已運營的地鐵2號及3號線等超淺埋地質(zhì)環(huán)境（見圖3）。

圖2 青島市地鐵8號線線路示意圖

圖3 青島市地鐵8號線地質(zhì)縱斷面示意圖

3.1 富水砂層

青島地區(qū)在沿海、沿河地區(qū)常遇到地下水量豐富且透水強的砂層，其中，大沽河、膠萊河以及沿海諸河流3大水系河床為厚層的中粗砂、礫砂、卵石層，透水性強含水量豐富，且具有一定的承壓性，水壓力大，可達210~250 kPa。

3.1.1 富水砂層危害性及典型事故案例分析

在富水砂層地段，礦山法隧道開挖時極易發(fā)生涌砂、塌頂，導(dǎo)致地面下沉，隧道變形、失穩(wěn)，造成嚴重后果；在此類地層中進行盾構(gòu)隧道開挖，將會引起砂層孔隙水快速滲透，地層受擾動而發(fā)生液化流沙，使開挖面支護壓力難以控制，嚴重時會導(dǎo)致地表沉降過大甚至塌陷等較多風(fēng)險。特別是青島市沿海諸河流水系砂層多直接跟基巖接觸，在地下水的滲透、侵蝕、潤滑作用下，更加劇了隧道圍巖的不穩(wěn)定性，當隧道頂板距基巖面較近時，可能會出現(xiàn)冒頂或“塌陷洞”，引起上覆全新統(tǒng)洪沖積粗礫砂層形成“塌陷漏斗”和流沙，當頂板進入上述砂層時，會發(fā)生突涌、涌沙，使掌子面失穩(wěn)，洞室形狀改變，給施工安全帶來嚴重危害，甚至有可能導(dǎo)致地面不均勻沉降，局部塌陷，影響房屋、道路、地下管線等的正常使用，對工程環(huán)境造成不良影響[6]。近年來，國內(nèi)城市地鐵隧道建設(shè)中發(fā)生的重大安全事故有多起與富水砂層有關(guān)，富水砂層常見且危害性強。

青島市發(fā)生坍塌事故的地鐵3號線君振區(qū)間隧道采用礦山法穿越李村河支流大村河故河道富水砂層（厚4 m），隧道埋深約14 m，拱頂覆巖埋深2.8 m；地鐵1號線開封路至勝利橋區(qū)間（見圖4）采用礦山法穿越李村河故河道富水砂層（厚13.4 m），隧道埋深約16 m，拱頂覆巖埋深僅1.9 m（見圖5中M1Z2-SSLQ-01鉆孔附近）；地鐵4號線靜沙區(qū)間采用礦山法穿越漢河（南九水河）故河道富水砂層（厚7.1 m），隧道埋深約21 m，拱頂覆巖埋深2.4 m。上述發(fā)生坍塌事故的共同點是：（1）隧道上覆故河道厚層富水砂層（厚度均＞4 m，青島地區(qū)標準地層第⑨層）；（2）拱頂覆巖埋深小，均＜3.0 m；（3）富水砂層一般直接與風(fēng)化巖接觸或存在薄層殘坡積地層；（4）事故發(fā)生在青島5~8月汛期；（5）均采用礦山法施工。

圖4 青島地鐵1號線勝利橋站附近開勝區(qū)間塌陷位置示意圖

圖5 青島地鐵1號線勝利橋站附近開勝區(qū)間地質(zhì)斷面示意圖

發(fā)生事故的原因綜合分析：（1）施工單位對施工安全麻痹大意，對河流故道（河流侵蝕堆積一級階地）地質(zhì)風(fēng)險特別是富水砂層認識不足，并且對隧道內(nèi)發(fā)生透水、涌水所帶來的次生災(zāi)害認識不足，導(dǎo)致塌陷隧道上方車輛及人員陷落造成傷害；（2）青島地區(qū)沿海諸河流發(fā)育在花崗巖巖體之上，受基巖抗風(fēng)化能力不同，河流侵蝕基巖深度變化大，地質(zhì)復(fù)雜，地質(zhì)剖面上的拱頂覆巖厚度不一定是最小值；（3）對汛期造成地下水位上漲，地下水壓力增大對地下洞室水土壓力增大未加強超前地質(zhì)預(yù)報工作和采取必要加固措施。

3.1.2 富水砂層對策分析

針對富水砂層，穿越海域和河流（包括河流故道）勘察時應(yīng)采用鉆探和工程物探綜合手段，確保地質(zhì)剖面的連續(xù)性和準確性；設(shè)計時隧道埋深應(yīng)適當加大及增強加固措施；施工加強超前支護和堵水，注意施工振動控制、超前地質(zhì)預(yù)報及施工監(jiān)測工作。施工單位應(yīng)設(shè)置隧道內(nèi)施工人員與地上人員聯(lián)動應(yīng)急處置機制，隧道內(nèi)發(fā)生透水或涌水時應(yīng)及時通知地上施工人員立即對可能造成影響的區(qū)域進行封閉，避免再次出現(xiàn)因隧道塌陷導(dǎo)致隧道上方車輛及人員陷落造成傷害的工程事故。

3.2 承壓水

地鐵隧道一般位于地下，常處在有壓地下水的環(huán)境中，容易受到承壓水的不利影響。青島地區(qū)以孔隙潛水為主，局部存在弱承壓水，當?shù)罔F隧道下穿大型河流（白沙河、墨水河、大沽河、洋河等）、湖泊（水庫）、膠州灣時易遭遇汛期增水、潮汐漲落、承壓水層等，會導(dǎo)致水下隧道施工面臨高水頭壓力環(huán)境，最高的接近0.6 MPa。斷裂破碎帶局部有脈狀承壓水，其中，在地鐵8號線過海隧道勘察時在即墨斷裂中埋深66 m處揭露約0.6 MPa構(gòu)造基巖裂隙水（裂隙水總礦化度為M=7.8～8.6 g/L，屬咸水，不同于海水水質(zhì)，青島附近海水總礦化度為M≥19.5 g/L）。

高地下水壓對地鐵施工來說,具有突發(fā)性強,破壞力大,搶修困難等特點,對施工安全和后續(xù)的結(jié)構(gòu)防水帶來了較大的挑戰(zhàn)[7]。因此，勘察時應(yīng)重點查明地下水類型及賦存狀態(tài)，特別是應(yīng)評價歷史最高水位和飽和土孔隙水壓力；設(shè)計時應(yīng)以堵水為主，盡量減少采用降水方式，避免造成地面沉降、地面塌陷及地面裂縫等地質(zhì)問題，甚至造成水源枯竭或水質(zhì)惡化等環(huán)境問題，不同程度上損害建筑物及巖土體自身的穩(wěn)定性。

對于盾構(gòu)隧道而言，在承壓水砂質(zhì)地層中可能發(fā)生一系列不良災(zāi)害，特別是穿越富水粉細砂層時風(fēng)險極高。盾構(gòu)安全掘進的技術(shù)對策包括：制定針對盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)本身的防水和防噴涌措施，以及盾構(gòu)隧道管片接縫的防水措施；地下水豐富時，易發(fā)生噴涌，應(yīng)及時進行渣土改良、合理控制盾構(gòu)機掘進參數(shù)和有效控制土壓平衡。對于礦山法隧道穿越富水砂層要特別加強超前支護和堵水，因此，礦山法地質(zhì)預(yù)報揭露承壓水時需依據(jù)涌水量進行全斷面或半段面注漿止水加固。發(fā)生涌水、涌砂時應(yīng)及時封堵，必要時回填土體，穩(wěn)定險情，以便進一步采取有效措施。

這場中心城市新辦大學(xué)運動具有三個明顯的特征：第一，在辦學(xué)體制上實行省、市共建的政策，無論是以市為主或以省為主，還是雙方共同管理，這種辦學(xué)體制在很大程度上都調(diào)動了省、市兩級政府的辦學(xué)積極性；第二，服務(wù)地方的“直接性”，學(xué)科與專業(yè)建設(shè)以地方的需求為依托，雖然有些學(xué)校一開始就樹立了創(chuàng)辦高水平綜合性大學(xué)的目標，但在實際的辦學(xué)過程中體現(xiàn)更多的還是直接服務(wù)地方的特點；第三，服務(wù)地方的“間接性”，中心城市大學(xué)往往成為當?shù)氐目萍肌⒔逃?、文化的中心，對間接提高城市人口素質(zhì)、改善地區(qū)投資環(huán)境做出了貢獻。

3.3 上軟下硬地層

盾構(gòu)法施工面臨的最大問題是“上軟下硬”帶來的一系列問題：盾構(gòu)機姿態(tài)難控制、易噴涌、刀具快速磨損（滾刀偏磨）和地面變形大甚至塌陷。“上軟下硬”是針對盾構(gòu)法而提出的一個概念，指在盾構(gòu)掘進斷面上強度相差較大的地層組合，最主要的特點是隧道斷面地質(zhì)的不均一性、多變性與突變性[8]。

青島地區(qū)花崗巖分布較廣，球狀風(fēng)化核及細粒正長花崗巖巖脈是花崗巖體風(fēng)化過程中殘留的較難風(fēng)化的微風(fēng)化或中等風(fēng)化巖塊，巖性堅硬，多呈球狀及墻體，即“球狀風(fēng)化孤石及脈狀巖墻”。青島地區(qū)沿海諸河流底部受河流侵蝕作用常發(fā)育中風(fēng)化或微風(fēng)化基巖（單軸抗壓強度大于15 MPa），其上多為全新統(tǒng)松散河床富水砂層，較為典型的是青島地鐵6號線峨富區(qū)間辛莊北河段地質(zhì)斷面（見圖6），對于設(shè)計隧道位于上述區(qū)段形成典型上軟下硬斷面。因此，對于此類地層，勘察時首先要查明以下幾種上軟下硬的硬地層界面和層面：（1）不同程度的巖石風(fēng)化界面；（2）砂土地層和風(fēng)化巖層界面；（3）軟土層和風(fēng)化巖層界面。對于孤石及脈狀巖墻可采用跨孔CT法和微動法探測。設(shè)計時盡量調(diào)整隧道埋深避免過長區(qū)段穿越上軟下硬地層。

圖6 青島地鐵6號線峨富區(qū)間辛莊北河段典型不良地質(zhì)斷面

對于上軟下硬典型斷面，泥水盾構(gòu)采用滾刀較為適宜、土壓盾構(gòu)選用復(fù)合式刀盤，掘進時，合理控制盾構(gòu)機掘進參數(shù)、建立有效的土壓平衡，合理采用輔助措施（更換刀具、渣土改良或地基加固等），同時保證同步注漿的質(zhì)量，如參數(shù)出現(xiàn)異?；蜃兓容^大時，應(yīng)及時停止推進并及時上報，商討下一步處理措施，防止刀具損壞及渣土超方量過大導(dǎo)致地面沉陷。

3.4 斷層破碎圍巖

青島地區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，主要為北東30°~60°及北北東20°的壓扭性斷裂以及與其伴生共軛的北西向張扭性斷裂。具一定規(guī)模的共有8條（見圖1），多為北東向，少數(shù)為北西向，其中以北東向斷裂最為發(fā)育，其規(guī)模大，并有多期活動特征，控制了區(qū)域構(gòu)造格局乃至近代地貌特征。青島市西北向斷裂具有張性、張扭性構(gòu)造特征,具有很強的透水性,因此,在膠州灣隧道等開挖工程中,務(wù)必加強對隧道垮塌、涌水等方面突發(fā)事故的防范[9]。

地鐵在建設(shè)過程中可能會穿越這些斷裂帶，斷層破碎帶是常見的不良地質(zhì)段，斷層帶內(nèi)巖體破碎，呈塊石、破碎或角礫狀，甚至呈斷層泥，巖體強度低，圍巖自穩(wěn)能力差，施工中易發(fā)生坍塌，施工困難。其中，青島地鐵8號線跨海大青區(qū)間和青滄區(qū)間穿越的牟平~即墨斷裂束中的即墨斷裂和滄口斷裂及其次級斷裂影響寬度都大于500 m（見圖3）。斷裂帶及兩側(cè)影響帶巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，對隧道圍巖的類別影響較大。因此，上述區(qū)域是勘察的重點，勘察時應(yīng)在鉆探基礎(chǔ)上采用綜合物探手段探明斷裂特征及富水性；設(shè)計時隧道軸線盡量垂直大規(guī)模斷裂構(gòu)造線并加強抗震設(shè)計和增加排水系統(tǒng)設(shè)計。

礦山法隧道穿過斷層破碎帶是設(shè)計和施工的重點段，不僅開挖和支護要采取措施防止塌方，而且由于斷裂破碎帶有一定的富水性和透水性，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，尤其是斷層的上盤常富水，這些地下水的連通性好，還應(yīng)考慮隧道涌水問題，加強相應(yīng)的支護和排水、止水措施。盾構(gòu)穿越構(gòu)造破碎帶，應(yīng)充分考慮巖石軟弱不均和地下水噴涌等問題；當盾構(gòu)由軟至硬的過程中，易造成盾構(gòu)掘進緩慢而出渣量不少，從而導(dǎo)致隧道塌陷的風(fēng)險；當盾構(gòu)由硬至軟的過程中易結(jié)泥餅，造成掘進困難。

3.5 人工填土

人類活動的地方均分布有素填土、雜填土、吹填土等，青島市區(qū)亦廣泛分布。膠州灣東岸及北岸沿海一帶、膠州上合示范區(qū)和黃島區(qū)的濱海區(qū)域土層厚度較大，一般為5~8 m，部分超過10 m；其中，吹填土主要分布于膠州灣東岸歡樂濱海城、海信地塊（地鐵8號線大青區(qū)間東段）和膠州灣東北角伊甸園地塊及部分港口碼頭后方區(qū)域。未經(jīng)處理的人工填土具高壓縮性、低承載力。人工填土工程性狀取決于填料成分和堆積年限。素填土：當堆積年限久時，工程性狀稍好；雜填土：土性不均，密度變化大、壓縮性高、強度低、有時具濕陷性；吹填土：以中粗砂為主，常不均勻，因夾泥沙，有機質(zhì)含量較高，一般具有透水性差，含水量高，靈敏度很高，沉降速度慢等特點，因其特定的形成機理，極易成為場地地下水與海水構(gòu)成水力聯(lián)系的通道。區(qū)間隧道線穿行于人工填土地層中極易產(chǎn)生壓縮變形、坍塌、地面沉降等現(xiàn)象。其中，青島地鐵8號線大青區(qū)間近青島北站附近最大填土厚度達到14 m且富含地下水Ⅵ級圍巖段，設(shè)計采用灌注樁+止水帷幕明挖施工，效果良好。

3.6 軟土

青島地區(qū)軟土分布較局限，主要分布在膠州灣內(nèi)、環(huán)膠州灣的濱海淺灘和部分河流的中下游，在膠州灣北部、黃島前灣一帶厚度較大，一般為6~10 m。青島軟土特點:含水率較高(一般為35%~45%)，含粉土、粉細砂，塑性較差，觸變性明顯。環(huán)膠州灣周邊、河流入?？诘囟瘟６瘸煞窒鄬^粗，膠州灣內(nèi)中部粒度較細。以灰色~灰黑色含淤泥（質(zhì)）粉砂、含淤泥（質(zhì)）中粗砂、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，濕~飽和，軟塑~流塑，以軟塑為主，部分軟可塑。青島地區(qū)軟土同樣具有孔隙比大、壓縮性高、強度低、靈敏度高和易觸變、流變的特性。與南方地區(qū)代表性軟土物理力學(xué)特性進行對比，膠州灣地區(qū)軟土相對密度高，而孔隙比、含水率、液性指數(shù)等均低于南方地區(qū)軟土；土體壓縮系數(shù)α1-2≥0.1 MPa-1，屬于中、高壓縮性土；其液性指數(shù)IL大部分在0.25~1.0，處于可塑狀態(tài)，軟土的抗剪強度指標的摩阻力c分布范圍為2.7~15 kPa，均值約為9 kPa；內(nèi)摩擦角φ為1°~8°，均值約為5°，與c值相比，φ值受含水率影響較大，區(qū)域軟土的抗剪強度指標分布具有離散性[10]。

區(qū)間隧道線穿行于軟土地層中極易產(chǎn)生壓縮變形、坍塌、地面沉降等現(xiàn)象，從而造成地面建（構(gòu)）筑物遭破壞。因此，軟土勘察時，要探明其分布，施工時，應(yīng)避免擾動，抗剪指標采用多種方法且利用大數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；設(shè)計選取參數(shù)時，需要充分考慮不同工況進行合理設(shè)計。

軟土隧道施工運用“新奧法”基本原理，采用多種輔助施工措施加固圍巖，充分利用圍巖的自承能力以保證隧道的施工安全。針對富水軟弱圍巖工況的暗挖隧道開挖方法有許多，如冷凍法、盾構(gòu)法、水平旋噴樁超前支護、洞內(nèi)水平袖閥管注漿加固等，工程施工中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、斷面大小、所處環(huán)境條件等因素進行綜合考慮后選擇合理的開挖方法。

4 結(jié)語

1）對于地鐵工程建設(shè)而言，“不良地質(zhì)條件”的概念包括比較廣泛，包括不良地質(zhì)作用、抗震不利地段、特殊性巖土和復(fù)雜水文地質(zhì)條件；

2）根據(jù)目前青島地鐵工程建設(shè)的數(shù)據(jù)資料，存在的主要不良地質(zhì)問題包括富水砂層、承壓水、上軟下硬地層、斷層破碎圍巖和特殊土（填土及軟土）等，不良地質(zhì)條件是誘發(fā)青島地鐵工程事故發(fā)生的重要風(fēng)險因素；

3）青島地區(qū)在沿海、沿河地區(qū)常遇到地下水量豐富且透水強的砂層（青島地區(qū)標準地層第⑨層），極易引發(fā)青島地鐵安全事故，應(yīng)特別引起注意；

4）不良地質(zhì)問題的勘察、設(shè)計及施工應(yīng)具有針對性，且采取正確的解決辦法。