張晨光，徐耀德，盧 蓉，劉 丹，林 平，方 磊，張 颯

(1.北京市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 101100； 2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

0 引言

“十三五”以來，我國進(jìn)入軌道交通建設(shè)飛速發(fā)展階段，北京市城市軌道交通建設(shè)強(qiáng)度、速度位于全國乃至世界前列。根據(jù)《北京市城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃線網(wǎng)初步方案(2011—2020年)》，北京市地鐵要形成“中心城棋盤式+新城放射式”的線網(wǎng)格局，線網(wǎng)規(guī)模達(dá)到世界領(lǐng)先水平。以2020年為例，北京市城市軌道交通在建線路達(dá)16條(段)。隨著我國城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵線路日趨增多、線路網(wǎng)絡(luò)不斷織密，地上、地下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對城市地鐵建設(shè)技術(shù)提出了更高要求。

北京地鐵所涉地質(zhì)條件或地層結(jié)構(gòu)以第四系土質(zhì)地層為主，但隨著北京地鐵建設(shè)線網(wǎng)的增加，不少線路已經(jīng)或?qū)⒁?、往北方向延伸，會遇到更多的土巖復(fù)合地層或基巖隆起情況，因其特殊的突變式地層結(jié)構(gòu)、存在土巖界面且界面起伏較大、組合形式多變、地質(zhì)突變頻繁和賦存基巖裂隙水等特點(diǎn)，給地鐵工程建設(shè)帶來特殊和嚴(yán)重的安全風(fēng)險，應(yīng)對此予以足夠重視。因此，在北京地鐵建設(shè)過程中對該類地層進(jìn)行風(fēng)險研究非常必要。

1 土巖復(fù)合地層(含基巖隆起)特征概述

1.1 土巖復(fù)合地層(含基巖隆起)定義

廣義的土巖復(fù)合地層包含基巖隆起現(xiàn)象，是指工程開挖深度范圍內(nèi)，上面為第四系土層、下面為第三系之前(含)巖體層的2種巖體工程特性相差懸殊的復(fù)合式地層結(jié)構(gòu)或地質(zhì)現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 某礦山法隧道穿越土巖復(fù)合地層或基巖隆起示意

基巖隆起是指工程開挖深度范圍內(nèi)，第四系地層為主、一定區(qū)域內(nèi)存在的凸起基巖層、巖面有一定起伏，且基巖局部隆起明細(xì)甚至出露地面的一種特殊土巖復(fù)合地層形式或特殊地質(zhì)現(xiàn)象[1-3]，如圖1 及圖2所示。

圖2 基巖隆起示意

1.2 土巖復(fù)合地層(含基巖隆起)分布

北京地區(qū)地質(zhì)條件或地層結(jié)構(gòu)主要由廣大的北京平原區(qū)和西部、西北部局部分布的淺山區(qū)構(gòu)成。其中主體平原區(qū)由五大水系(大清河、永定河、溫榆河、潮白河及薊運(yùn)河)及其二級河流聯(lián)合沖洪積而成。

平原區(qū)地層主要由人工填土、局部分布的新近沉降土和廣泛分布的第四系黏性土、粉土、砂卵石地層組成，相應(yīng)賦存有上層滯水(局部區(qū)段存在水囊)、階地或?qū)娱g潛水、潛水或潛水～承壓水和承壓水等各種松散孔隙水類型，基巖埋深總體較大，局部區(qū)域基巖埋深較淺，形成土巖復(fù)合地層甚或基巖隆起的特殊地質(zhì)現(xiàn)象，可能賦存第四系土巖界面水和基巖裂隙水。而京西、京西北的淺山地區(qū)及與平原區(qū)相結(jié)合的區(qū)段部位更易形成土巖復(fù)合地層甚或基巖隆起現(xiàn)象，土巖界面水和基巖裂隙水賦存相對更普遍[4-7]。

根據(jù)工程總結(jié)研究，土巖復(fù)合地層主要分布于北京地區(qū)山前沖洪積平原區(qū)域，西部和北部基巖頂面埋深較淺，南部和東部相對較深?；鶐r上覆第四系土層多以人工填土、新近沉積土、黏性土、卵礫石層和殘積土為主，基巖主要為礫巖、泥巖，局部為玄武巖。

基巖隆起多分布于北京市區(qū)西部平原區(qū)局部區(qū)段(公主墳、軍事博物館、北京西站、北宮等一帶較為突出)，向西基巖面逐漸抬升，向東基巖面逐漸向地層深部延伸。基巖巖性主要為礫巖和泥巖(相對偏軟)，局部砂巖(相對偏硬)，詳細(xì)分布如表1所示。

表1 已建地鐵發(fā)現(xiàn)土巖復(fù)合地層或基巖隆起分布范圍初步統(tǒng)計

1.3 土巖復(fù)合地層(含基巖隆起)巖土特性

土巖復(fù)合地層的巖石力學(xué)特性主要表現(xiàn)為“上軟下硬”，其地層上部為土層，下部為巖層。土巖復(fù)合地層在工程上既有土層的相對軟弱性，又具備基巖的高強(qiáng)度性。

土巖復(fù)合地層存在巖土交界面，巖土特性表現(xiàn)為典型的上軟(土)下硬(巖)地層；工程開挖范圍內(nèi)土巖界面起伏大，地質(zhì)突變較頻繁，巖體風(fēng)化程度不一；可能同時存在第四系孔隙水和基巖裂隙水現(xiàn)象，部分地段的基巖與土層的交界面地下水水量較大，局部具有承壓性。

基巖隆起區(qū)周圍地層與基巖的巖土力學(xué)性能差異明顯，“周軟中硬”特征突出，即巖石強(qiáng)度顯著高于周圍地層，力學(xué)差異明顯。同時，巖面有一定起伏，凹槽處易存留第四系孔隙水，基巖隆起區(qū)段地下水常有“水丘”現(xiàn)象。

2 地鐵建設(shè)遇土巖復(fù)合地層(含基巖隆起)易引發(fā)安全風(fēng)險

2.1 明挖法工程

明挖法在土巖復(fù)合(含基巖隆起)地層中施工，主要存在的風(fēng)險為明挖基坑在基巖面起伏較大的情況下，易產(chǎn)生圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及圍護(hù)樁嵌固深度不足而造成的基坑失穩(wěn)坍塌，且?guī)r層界面會向坑內(nèi)發(fā)生傾斜，存在土巖界面滑動風(fēng)險?；鶐r隆起的地層還會發(fā)生基坑開挖過程中圍護(hù)樁滲漏風(fēng)險，如圖3所示。

圖3 基坑樁間土滲流水

2.2 礦山法工程

礦山法施工遇到土巖復(fù)合(含基巖隆起)地層易引起開挖面的失穩(wěn)坍塌、初支結(jié)構(gòu)的突然變形、隧道或掌子面的坍塌、泥沙倒灌及地表沉陷等風(fēng)險，如圖4所示。除此之外，基巖隆起結(jié)合地下水的影響，由松散地層向基巖隆起開挖的過渡帶，易形成軟弱滑動面，出現(xiàn)土體坍塌風(fēng)險。地下水易在土巖分界面(巖體表面)匯集成水流，易引發(fā)隧道滲漏、涌水涌砂風(fēng)險。

圖4 導(dǎo)洞滲漏水并導(dǎo)致拱頂及右側(cè)拱腰處出現(xiàn)局部土體松動與滑塌

2.3 盾構(gòu)法工程

盾構(gòu)法施工中盾構(gòu)機(jī)穿越土巖復(fù)合地層時，上部軟弱地層較易被刀盤切削進(jìn)入土倉，但下部堅硬巖層不易被刀盤破碎，易出現(xiàn)盾構(gòu)轉(zhuǎn)速難以控制、盾構(gòu)偏移軸線、刀盤開裂、刀具卡死、盾構(gòu)損壞、隧道變形難以控制、前方土體反復(fù)過大擾動導(dǎo)致地層坍陷風(fēng)險，并易引發(fā)地面沉陷、管線破裂、滲水、周邊建(構(gòu))筑物破壞等施工風(fēng)險，如圖5所示。遇到基巖隆起情況，會造成盾構(gòu)穿越區(qū)土層性質(zhì)不均勻，造成始發(fā)接收加固不佳、盾構(gòu)姿態(tài)難以控制及裂隙水突涌滲漏等。

圖5 盾構(gòu)管片滲水

3 地鐵建設(shè)遇土巖復(fù)合地層(含基巖隆起)安全風(fēng)險控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 勘察要求及技術(shù)要點(diǎn)

不論采用何種工作進(jìn)行施工作業(yè)，土巖復(fù)合(含基巖隆起)地層在進(jìn)行勘察時要查明建設(shè)工程范圍內(nèi)的土巖分界面，土層與基巖隆起的過渡段若對工程影響較大，則應(yīng)加密勘探點(diǎn)。還需探明巖石產(chǎn)狀、風(fēng)化帶特性、抗壓強(qiáng)度、裂隙發(fā)育情況及富水特性等。土巖分界面是地下水的匯集界面，也需查明基巖界面水的分布。

除以上勘察要點(diǎn)外，針對礦山法與盾構(gòu)法施工情況，還需對隧道拱頂存在的砂土、粉土等地層的分布特點(diǎn)及黏粒含量等進(jìn)行重點(diǎn)探測。尤其在土巖結(jié)合面附近進(jìn)行施工時，應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報，關(guān)注地層突變，地層變化較大時應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充勘察。必要時結(jié)合設(shè)計、施工等進(jìn)行動態(tài)勘察，及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

3.2 風(fēng)險控制設(shè)計技術(shù)措施

3.2.1明挖法工程

明挖法設(shè)計措施包含適當(dāng)加長圍護(hù)樁的嵌固深度，或加長錨桿(索)長度。對土巖交界面及下部的界面水和基巖裂隙水進(jìn)行基坑內(nèi)徑向注漿止水。若一個基坑采用不同支護(hù)形式，在支護(hù)體系轉(zhuǎn)換處應(yīng)采取加固措施，減小樁間距、增加嵌固深度。

3.2.2礦山法工程

礦山法工程遇土巖復(fù)合(含基巖隆起)地層，應(yīng)采取合理布置槽眼、合理選用炸藥品種及其用量、盡量防止欠挖等設(shè)計措施。采用半斷面深孔注漿時，應(yīng)對上覆散粒砂卵石層進(jìn)行加固。當(dāng)基巖存在裂隙水，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)做好相應(yīng)計算，并進(jìn)行應(yīng)急設(shè)計。

3.2.3盾構(gòu)法工程

盾構(gòu)法工程遇土巖復(fù)合(含基巖隆起)地層應(yīng)加強(qiáng)基巖裂隙水處理，必要時在加固前采用止水、降水綜合治理方式。盾構(gòu)機(jī)宜采用復(fù)合式刀盤，盾構(gòu)機(jī)采用主動鉸接形式，根據(jù)地層強(qiáng)度特性選擇匹配的刀具，配備超挖刀，并根據(jù)地層情況進(jìn)行設(shè)計。合理布置滾刀與先行刀的比例，制定合理的刀具更換計劃，在進(jìn)入特殊地層前進(jìn)行刀具更換。當(dāng)?shù)貙铀畨哼^大時，宜采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，并具備泥漿/泡沫功能。在地表沉降控制較困難地區(qū)，設(shè)置試驗(yàn)段，用以調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)計參數(shù)。

3.3 現(xiàn)場施工風(fēng)險管控及技術(shù)措施

3.3.1明挖法施工

明挖法施工措施包含進(jìn)行地質(zhì)條件核查時，應(yīng)對該類型復(fù)合地層情況進(jìn)行重點(diǎn)核查；施工前應(yīng)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，對該復(fù)合地層及其界面裂隙水提前采取應(yīng)對措施。編制試樁方案進(jìn)行試樁，確定相關(guān)施工參數(shù)。對于硬度較高的基巖隆起，主要有旋挖鉆+合金筒鉆取芯處理法與全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)取芯處理法。采取圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)深孔注漿止水、止水帷幕和降水等措施進(jìn)行地下水控制。土方開挖前應(yīng)對影響基坑穩(wěn)定性的基巖隆起上覆不良地層，尤其是富水砂層提前加固，必要時采用物探、鉆探取樣等方法對加固效果進(jìn)行檢測。

3.3.2礦山法施工

礦山法在土巖復(fù)合(含基巖隆起)地層中所采取的施工措施有通過探孔對基巖風(fēng)化程度和強(qiáng)度突變及地下水情況進(jìn)行等超前探測，同時對掌子面進(jìn)行地質(zhì)素描，對前方塌方的可能性進(jìn)行預(yù)判，并提前采取應(yīng)對措施。對影響隧道穩(wěn)定性的基巖隆起上覆不良地層尤其是富水砂層提前進(jìn)行加固，必要時可采用物探、鉆探取樣等方法對加固效果進(jìn)行檢測。制訂分部爆破方案解決臨時豎撐掘進(jìn)過程中吊腳的通病。

3.3.3盾構(gòu)法施工

盾構(gòu)法施工在遇到土巖復(fù)合(含基巖隆起)地層時掘進(jìn)施工前可采用超聲波障礙物探測手段，進(jìn)一步詳細(xì)探明土巖結(jié)合面和基巖隆起的具體情況?？刹捎弥鲃悠瞥怀龌鶐r的方式，提高始發(fā)接收范圍內(nèi)土層、巖層的地層參數(shù)均勻性。盾構(gòu)始發(fā)及接收時提前對隧道周邊軟弱土層進(jìn)行加固改良，減少軟硬差異，防止盾構(gòu)機(jī)偏離軸線。防止盾構(gòu)機(jī)抬頭，在始發(fā)掘進(jìn)時將盾構(gòu)中心線適當(dāng)調(diào)低。采用豎直抽芯和水平探孔相結(jié)合的檢測方式檢查洞門加固效果。對于出現(xiàn)超挖超排的位置，做好記錄，盾尾到達(dá)時，有針對性增加漿液注入量。根據(jù)周邊圍巖選擇合適的同步注漿材料，掘進(jìn)過程中及時進(jìn)行足量注漿；根據(jù)測量數(shù)據(jù)及時進(jìn)行二次注漿。掘進(jìn)過程中注意觀察盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的異常情況及掘進(jìn)參數(shù)的異常變化(如速度突然變慢、推力及扭矩突然增大、刀盤振動、盾構(gòu)機(jī)有異響聲等)，判斷是否碰到基巖凸起，掘進(jìn)過程中隨時監(jiān)測刀具和刀盤的受力狀態(tài)，確保其不超載并觀測刀盤是否受力不均，以防刀盤產(chǎn)生變形等。

3.4 施工監(jiān)控量測及應(yīng)急措施

3.4.1監(jiān)控量測

針對土巖復(fù)合(含基巖隆起)地層施工中需對地表水、裂隙水等地下水進(jìn)行監(jiān)測，對于地質(zhì)突變區(qū)段，須進(jìn)行地質(zhì)超前探測，加強(qiáng)包括爆破振動、噪聲和地表沉降等監(jiān)測工作。開挖過程中，應(yīng)做好支護(hù)結(jié)構(gòu)、地表及周邊環(huán)境監(jiān)測，以監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)指導(dǎo)施工。根據(jù)設(shè)計圖紙中的監(jiān)測項目、頻率和預(yù)警控制值做好地面、洞內(nèi)及圍巖壓力等各項監(jiān)測及其預(yù)警、反饋及控制工作。在施工影響范圍內(nèi)有重要建(構(gòu))筑物、重要管線或管道和密集住宅小區(qū)等，需設(shè)置深層監(jiān)測點(diǎn)，加強(qiáng)對路面沉降的監(jiān)測。

3.4.2應(yīng)急管理

現(xiàn)場應(yīng)準(zhǔn)備必要的應(yīng)急物資和設(shè)備，在開挖面樁間出現(xiàn)失穩(wěn)或滲漏征兆時，應(yīng)及時采取補(bǔ)強(qiáng)加固等措施。礦山法施工時若出現(xiàn)坍塌，則應(yīng)先封閉掌子面，再進(jìn)行回填、注漿。如發(fā)生涌水、涌砂，無補(bǔ)給的涌水、涌砂以疏排為主，有補(bǔ)給的涌水、涌砂優(yōu)先考慮截斷水源。

險情發(fā)生后及時按應(yīng)急預(yù)案程序向有關(guān)單位報告險情并及時組織搶險，避免事態(tài)擴(kuò)大，避免事故次生災(zāi)害和衍生災(zāi)害發(fā)生。

4 案例分析

4.1 工程概況

某地鐵車站C出入口由敞口段和通道段2部分組成，其中敞口段長26.5m、寬7.2m、深度最大為14m，采用明挖分倉倒掛井壁法施工；通道段長58m、寬6m、高4.6m，采用CRD暗挖法施工，導(dǎo)洞采用臺階法施工(見圖6)，標(biāo)準(zhǔn)段及人防段采用拱頂直墻結(jié)構(gòu)形式(其中人防段通道寬7.5m、高5.3m)，標(biāo)準(zhǔn)段下穿熱力管線段為平頂直墻結(jié)構(gòu)形式，高3.9m。對埋深較大的2，4號導(dǎo)洞開挖，遇巖層時采用鉆爆法施工。

圖6 C出入口及開挖工法分段示意

該附屬結(jié)構(gòu)施工存在暗挖通道下穿5 000mm×3 000mm熱力管溝(通道頂距離熱力管溝底板垂直豎向距離最近為0.64m)、下穿1 800mm×1 500mm雨水蓋板、下穿DN1 200雨水管和下穿DN300污水管等地下管線或設(shè)施(見圖7)，為加強(qiáng)對這些環(huán)境風(fēng)險源的保護(hù)，分別在C出入口車站方向與明挖豎井方向馬頭門處施工前采取φ108管棚超前支護(hù)措施(見圖8)，管棚采用頂進(jìn)法施工。

圖7 C出入口所涉環(huán)境風(fēng)險源示意

圖8 管棚剖面

圖9 C出入口地層及結(jié)構(gòu)剖面

工程區(qū)域內(nèi)巖性主要為玄武巖，上覆以黏性土、黏性土與碎石混合土為主的第四紀(jì)地層，向南碎石混合土層有層厚變大趨勢，上覆黏性土層相應(yīng)變薄；基巖埋深變化較大，由幾米變至五六十米，為典型的土巖復(fù)合地層結(jié)構(gòu)，且開挖面范圍內(nèi)(平縱剖面)地層變化和巖土界面起伏大，上覆土體較松散、穩(wěn)定性差。

場地主要賦存3層地下水：潛水(分布于埋深較淺的碎石類土層中，水位變化較大)、承壓水或土巖界面水(分布于埋深約25m以上的碎石類土層和混合土中，承壓性強(qiáng)且承壓水頭變化較大)和基巖裂隙水(賦存于深部的玄武巖中，具有一定承壓性)。總體上工程區(qū)域地下水較豐富，尤其近幾年來受地表水生態(tài)放水補(bǔ)償?shù)叵滤徒邓肯鄬ζ蟮扔绊?，施工期間地下水位變化且抬升較大的概率較大。地下水控制方案為洞內(nèi)深孔注漿阻水+洞內(nèi)集水抽排措施。

4.2 工程安全風(fēng)險概況

C出入口敞口段明挖豎井施工開挖期，豎井附近地表監(jiān)測點(diǎn)累計值最大-6.58mm，速率最大測點(diǎn)為0.61mm/d，遠(yuǎn)低于變形控制值(見圖10)，地表和豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險可控。但明挖豎井曾出現(xiàn)坑底積水隱患，經(jīng)加強(qiáng)集水坑明排后及時消除。

圖10 C出入口明挖豎井及附近監(jiān)測點(diǎn)分布

但C出入口暗挖通道1號導(dǎo)洞下穿DN300污水管施工中，曾出現(xiàn)2次監(jiān)測橙色預(yù)警情況：一次是因拱頂覆土淺、污水管線滲漏水可能導(dǎo)致地層疏松或水囊，深孔注漿控制不合理，導(dǎo)致注漿堆積，使地面發(fā)生局部隆起而發(fā)生地表隆起累計值和速率橙色預(yù)警；另一次是受開挖施工反復(fù)擾動和開挖位置上方道路社會車輛多的影響，且深孔注漿漿液凝固產(chǎn)生一定空隙，使地面發(fā)生局部收縮沉降，發(fā)生地表沉降速率橙色預(yù)警，如圖11與表2所示。

圖11 C出入口暗挖通道部分監(jiān)測點(diǎn)分布

表2 1號導(dǎo)洞引起部分測點(diǎn)監(jiān)測預(yù)警

同時，1號導(dǎo)洞開挖過程中，因下臺階地層為碎石土含卵石地層，含水量較大，拱腳位置滲水、積水較嚴(yán)重，但掌子面和初支結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，3號導(dǎo)洞基本未發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。因此，總體研判為1號導(dǎo)洞暗挖施工存在一定風(fēng)險。

4.3 風(fēng)險管控及效果分析

基于上述情況，經(jīng)四方會商和專家論證，項目部立即加強(qiáng)了引流、積水抽排等洞內(nèi)抽排措施，及時進(jìn)行初支背后回填注漿和補(bǔ)充注漿，深孔注漿時嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量，并根據(jù)監(jiān)測和注漿效果優(yōu)化注漿參數(shù)。

后續(xù)施工中，2，4號井將進(jìn)入巖層施工，要求正式鉆爆施工前應(yīng)進(jìn)行試爆，并按實(shí)施方案裝藥量的80%，90%，100%逐步進(jìn)行控制；針對開挖面前方可能的地質(zhì)變化，加強(qiáng)地層超前探測預(yù)報工作，以制訂合理的深孔注漿方案和地下水控制方案；對即將由標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)入人防段施工和下穿通過DN1 200污水管風(fēng)險源的區(qū)段，應(yīng)強(qiáng)化超前加固措施，斷面轉(zhuǎn)換處采取逐步擴(kuò)挖、挑高過渡施工措施。

另外，鑒于深層承壓水和近期地下水位可能抬升的影響，在C出入口地表一定范圍內(nèi)增設(shè)了7口減壓井和1口觀測井，進(jìn)行管井降水抽排，以有效降低區(qū)域性地下水位，進(jìn)一步降低開挖施工時的地下水殘留及滲漏影響，提高施工期的結(jié)構(gòu)和開挖面安全度。

經(jīng)采取上述綜合處理措施后，后續(xù)施工期間，各項監(jiān)測值趨于穩(wěn)定且未再發(fā)現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警，洞內(nèi)滲漏水現(xiàn)象大為緩解。截至2022年7月底，C出入口通道已與車站站臺層結(jié)構(gòu)貫通，安全風(fēng)險管控取得明顯效果。

5 結(jié)語

本文集中介紹了北京地區(qū)典型地層即土巖復(fù)合地層(含基巖隆起)對地鐵工程建設(shè)的風(fēng)險。通過分析其巖土地層特性并結(jié)合具體施工工法，總結(jié)出不同工法遇到土巖復(fù)合地層(含基巖隆起)時易產(chǎn)生的安全風(fēng)險，并結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)從勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測以及應(yīng)急5個方面提出相應(yīng)的風(fēng)險管控措施，給出具體工程風(fēng)險管控案例，為后期再遇該類特殊地層的地鐵工程安全建設(shè)提供依據(jù)。