柳文广

（福建省地质调查研究院，福州 350013）

福州地铁二号线主要工程地质问题探讨

柳文广

（福建省地质调查研究院，福州 350013）

福州市地铁二号线是福州市轨道交通东西主轴线，沿线工程问题复杂，盾构施工条件困难，主要有孤石问题、过江的富水砂层及冲蚀深槽问题、过河的冒顶突水问题和软硬接触等。通过福州城市地质调查工作搜集的20余万个钻孔资料，标准化3000余个有效钻孔，补充以专项调查及少许钻探，总结孤石发育规律，分析孤石等主要工程地质问题的发育特征，推断它们可能出现的路段，指出它们可能给施工造成的危害，提出初步处理建议。同时，针对福州地区特有的有害气体、温泉等进行了补充说明，对规划线路优选具有重要的指导意义。同时，为详勘、施工前勘察奠定了一定的工作基础。

福州地铁；二号线；工程地质问题；孤石；冲蚀深槽

根据2013年9月发布的《福州市城市轨道交通线网规划（2012年修编）》，地铁二号线是福州市轨道交通东西主轴线，全长28.10km，共设23座车站，2座车辆综合基地，5座换乘站。起于上街苏洋村，途经大学城、金山、鼓台核心区、晋安组团，终点至下院，连接福州主要文教科研区、主要工业区、历史文化发展中心、大型居住区。二号线延伸线全长约5.23km，设三座车站，起自苏洋村站、向北延伸至竹岐片区。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

沿线场地地貌类型主要为冲积、海积平原，地形平坦，湖沼、水系发达。闽江和乌龙江横穿福州盆地，将场地分为江北平原、南台岛平原和上街平原3个区段。江北平原属海积平原，乌山、于山等部分场地为剥蚀残丘，南台岛平原、上街平原属冲积平原，局部如福州大学一带为剥蚀残丘。

1.2 地质构造

图1 福州地铁二号线沿线场地工程地质略图Fig.1 Engineering geological thumbnail of the fi eld along Fuzhou metro line two

沿线场地0～50m深度范围内的地层主要有：更新统残积层零星出露于地表，沿山麓坡脚呈裙状分布，分布于乌山、于山一带。上更新统上段与全新统下段厚约5.0～8.60m，顶板埋深约为11～22m，主要为冲（洪）积的粉质粘土、砂、（砂砾）卵石。全新统中段广泛分布，海积淤泥、淤泥质土为主，兼有海陆交互相和陆相冲洪积的淤泥夹砂、粉质粘土等。全新统上段主要发育于沿岸河漫滩、心滩，冲积砂为主（图1）。

以燕山晚期花岗岩类为主，广泛分布于第四系松散层之下，部分呈孤岛状出露，构成了沿线场地的整个基岩底座，岩性主要为碱性花岗岩、钾长花岗岩、二长花岗岩、闪长岩等。

影响沿线场地的主要断裂有6条，分别为八一水库—尚干断裂（F1、图1）、鼓山山前断裂（F2）、桐口—洪山桥断裂（F3）、闽侯—南屿断裂（F4）、于山—东山断裂（F6）、飞凤山—前屿断裂（F7）。

1.3 水文地质条件

第四系松散岩类孔隙水主要储存于全新统、上更新统上段的砂、砂砾卵石层中，在闽江、乌龙江两岸为潜水，水位多在2.70～7.20m，水量丰富，单孔涌水量可达3696m3/d，渗透系数多为9.50～30.02m/d，水化学类型以HCO3-Ca·Na为主。其他地段多为承压水，水量中等—丰富，渗透系数多在2.65～14.97 m/d，水化学类型多为HCO3·Cl-Na·Ca型。

风化残积层孔隙裂隙水和基岩裂隙水主要赋存于残积粘性土、基岩风化带及构造裂隙之中，一般水量贫乏，季节性变化大，水化学类型多为HCO3-Ca·Na型。

2 工程地质问题

根据地铁二号线施工采用的站点场址明挖和隧道盾构施工等方法，结合1：2.5万工程地质调查资料，沿线场地存在的主要工程地质问题归结为3类：孤石问题、过江过河问题及软硬接触问题。

2.1 孤石问题

（1）工程危害

孤石的分布与工程选址布局、持力层判定、施工方法选择、工期、造价等密切相关。基础施工时导致持力层误判、不均匀沉降、上部结构失稳、施工困难、延误工期等问题，盾构施工时会导致刀盘受压不均、姿态难以控制、掘进速度缓慢、扰动上覆土层等问题，使盾构机卡刀、斜刀、掉刀偏磨等（林生凉，2013），俗称盾构施工的“癌症”。

（2）发育特征

二号线沿线孤石母岩均为花岗岩类，直径较大，多在2～5m，大者可达10余米。发育的微风化花岗岩类孤石约占60%，岩质坚硬，内部一般无裂隙，表面仅有数厘米厚的风化层薄壳；中风化孤石约占40%，其强度和完整性较微风化孤石稍差。

（3）分布规律

孤石发育在强风化层中的比例最高，在残积层和全风化层中比例相当。其分布具有如下特点：①主要分布于残积土、全风化和强风化带中，离散性大、埋藏深度大、空间赋存特征不规则。②当风化程度增强时，体积会减少、数量会增多，在垂直风化剖面上具有“上多下少”、“上小下大”的特点（李国祥等，2012）。③大于5m的孤石多分布在强风化层中。④在残积土、全风化层中多为中风化孤石，在强风化层多为微风化孤石。⑤孤石埋深主要集中在0～-40m之间。⑥与母岩成分和构造关系密切，据福州市现有勘察资料统计，母岩为闪长岩的地段孤石发育概率达100%，母岩为花岗闪长岩的地段孤石发育概率约为60%，母岩花岗斑岩、二长花岗岩的地段概率约为40%，福州平原NNW向断裂带发育孤石的概率较高，NE向发育孤石的概率较小。⑦基岩地形隆起发育多，低洼处发育少。

（4）分布范围

在福州城市地质调查收集20余万个钻孔资料的基础上，通过网络化筛选出3000多个有效钻孔，将其地层层序标准化，绘制了50条地质剖面，并建立了福州城市地质信息管理服务系统，实现了地层结构三维可视化。在此基础上，借鉴广州地铁施工孤石揭露情况与勘察经验，结合福州数十年来桩基础及地下工程施工中已发现的孤石分布特征，尤其是近三年来福州地铁1号线遇到的孤石分布情况，对地铁二号线路可能存在的孤石分布范围进行了推测，推测的分布范围见图2、表1。

图2 福州地铁二号线孤石分布范围三维立体示意图Fig.2 Three dimensional diagram of boulder distribution range in Fuzhou metro line two

表1 福州地铁二号线沿线孤石可能分布位置一览表Tab.1 Possible distribution list of boulder along Fuzhou metro line two

（5）处理建议

在施工前应对孤石可能分布的地段进行必要的专项勘察，考虑到孤石隐伏性较强，仅靠钻孔识别难以查明，且成本较高，考虑到孤石与周边相对软弱岩土不均匀性、不连续性和离散性较强，可采用地质雷达、反射波法和跨孔超高密度电阻率法（李红立等，2010）等物探方法作为主要的应用手段（王浩等，2011），进一步查清孤石的具体分布范围和深度，先行采取工程措施爆破清除，以大幅度减少施工成本、缩短工期。如遇个别孤石，及时采取保持土压平衡、控制掘进速度和出土量、采用膨润土置换土仓石渣、严格控制同步注浆量和浆液质量等措施，能确保盾构机顺利通过，并有效控制浅基础建筑的变形（林生凉，2013）。

2.2 过江过河问题

地铁二号线将穿越的河流主要有乌龙江、闽江两条大江，洪湾河、晋安河等十条内河。其中，穿越乌龙江的线路长1370m，水深在1.80～10.30m，穿越闽江的线路长457m，水位受潮汐影响显著，潮型为正规半日潮，解放大桥下潮位站潮位资料显示，最高潮位为8.22m（1998年），最低潮位为0.44m（1996年）。隧道穿越江河产生的主要工程地质问题有：

（1）富水砂层

乌龙江河道及两岸分布有厚层砂、卵石（图3），尤其是闽江古河道一带，表层粗中砂厚度多在15.75～30.50m之间，最大可达35.40m（金山花溪路附近），其下往往为厚层卵石，厚度多在15.70～26.0m，最大超过30m，最深处可达67m，乌龙江西部地段中间夹有厚度不等的淤泥层。厚层砂、卵石层中赋存有丰富的潜水，水位埋深3.40～5.66m，渗透能力强，富水性好，与乌龙江水有直接的水力联系，主要接受侧向径流、大气降水补给，向乌龙江排泄或以人工开采方式排泄，如橘园洲站的抽水试验，中粗砂的渗透系数达107m/d，此外受乌龙江水位变化影响，与地表水时常发生补给、排泄的相互转换。车站基坑明挖段主要在上部砂层中，施工过程中极易产生突水、流砂、管涌等现象，造成基坑侧壁的失稳、坍塌；隧道盾构施工穿越上述3个地层，均易产生流动型渗透变形，威胁堤防工程及两岸建筑，此外巨大的水头压力增加了换刀难度。

图3 厚庭站-洪湾站工程地质剖面图Fig.3 Engineering geological prof i le of Houting-Hongwan station

闽江河道及两岸上部分布厚层砂（图4），厚度多在6.0～15.80m，赋存有丰富的潜水，水位埋深为4.06～4.11m，渗透能力强，富水性好，与闽江水有直接的水力联系，水位受潮汐影响显著；中部为厚层淤泥和粉质粘土组成的隔水层，下部为厚层卵石，卵石顶板标高在-42.80～-27.28m，厚度多在1.40～29.30m，局部粉细砂层，两者地下水连通，赋存丰富的承压水，据福州市勘测院资料，该层水位埋深约5.20m，承压水头为38.94m。车站基坑开挖主要在上部砂层及淤泥层顶部，其危害同乌龙江一致。而隧道穿越闽江时主要在上部砂层、中部淤泥、粘土层中，部分地段位于淤泥层底部，靠近下部粉细砂、卵石层，除上述危害外，还存在隧道低距承压水顶板间距较小，承压水头易冲破隔水顶板而发生透水事故。

图4 金祥站—祥坂站工程地质剖面图Fig.4 Engineering geological prof i le of Jinxiang-Xiangban station

（2）冲蚀深槽

二号线闽江西侧江底发育一处冲蚀深槽（图4），据上海市地调院资料，该深槽宽约50m、深约8m，总体走向北西40°，最深处距隧道顶部仅12m左右，受河道走势及人工丁字坝等影响，由江水冲刷下切而成。由于河床切割较深，隧道施工在上部覆土突然变薄时，易产生冒顶通透水和隧道上浮事故，导致管片破损、上浮、盾尾漏水等灾害性事故；若冲蚀深槽继续下切，将严重威胁地铁安全。

（3）冒顶透水

隧道过河时顶板厚度较小时易导致冒顶透水，如晋安河底距隧道顶部仅5.50m左右，且均为淤泥，在高水头压力下，掌子面的土压平衡难以建立，若盾构机密封失效，河水将从扰动土体的裂缝中进入，导致盾构机被淹没、甚至隧道报废的巨大风险。

（4）处理建议

①富水砂层：尽量避开雨季与洪水季节，施工前对潜水进行降水或隔水处理，对承压含水层进行减压处理，设置一定数量的减压井以降低承压水位，减少突涌危害。城市地面不具备布设降水井条件时，可采用水平降水井真空复合降水技术（刘伍等，2007）。基坑开挖时尽量避免进行基坑外降水，做好基坑的止水措施，最大限度的减少对周边建筑及路面的影响。降水过程中，应加强对地下水位、周边建筑及路面的沉降监测。

②冲蚀深槽：充分发挥水口电站的调度作用，必要时在河道修筑丁字坝等方式预处理，改变水流环境，加强堤岸保护，控制上游河砂开采量，禁止非法采砂。同时，选择合适的盾构过江方案与参数，保证盾构机平稳、快速的通过，加强河床、堤坝及周边水工建筑物的沉降监测。

③冒顶透水：尽量减少对隧道土层的扰动，选取合适的施工工艺及参数，防止涌砂、突水现象及“冒顶”突发事故发生；必要时修筑围堰，截断流水，保证盾构机平稳、快速的通过，严防设备带病工作，加强河面河床监测，制定应急预案。

2.3 软硬接触问题

（1）工程危害

软硬接触面分为上下和左右两种软硬接触。在闽江、乌龙江两岸，上部为细砂，下部为中等风化花岗岩层。在覆盖层下基岩隆起地带一侧为中风化花岗岩，另一侧为软土或砂层。岩层突变使得受力不均，软岩研磨快，硬岩研磨慢，使得刀具磨损较快，可能产生盾构线路偏离、盾构上抛、卡壳、刀具磨损严重、江底塌方、发生突水等风险（图5、图6）。

（2）分布范围

通过钻孔信息化统计分析，并与系列地层厚度等值线图进行比对，推测出岩层突变可能分布的位置（表2）：

（3）处理建议

图5 盾构上抛示意图Fig.5 Diagram of the shield upthrowing

图6 盾构线路左右偏离示意图Fig.6 Diagram of the left-right deviation of shield line

表2 软硬接触面可能分布的位置一览表Tab.2 Possible distribution list of the soft-hard contact surface

适当放慢掘进速度，使盾构刀盘能正面对坚硬岩层进行充分破碎；优化选取合适的施工参数，提高盾构掘进过程中的轴线控制能力，控制好盾构轴线位置和隧道坡度，对下部或左右部硬岩部分适量扩挖以避免盾构上抛。

3 其他问题

沿线局部地段分布有厚层杂填土，下伏第四系冲海积砂层，具备甲烷等有害气体的产生与赋存条件，如五一广场、于山东侧等地，可能存在的有害气体威胁施工人员健康和安全。据福建省海岸带地质地貌综合调查资料，天然气埋深4.50～13.60m，气层层数1～3层，气层厚0.02～5.60m，成分以甲烷为主（75.75%～92.75%）。20世纪90年代末在基础施工时由于有害气体中毒曾经发生过多起人员伤亡，应加强监测与通风。

此外，台风带来的强降雨使城市内涝时有发生，南门站—五里亭站之间穿越温泉区，地下管线、深基础、地下洞室及文物墓穴均对隧道施工造成影响。局部地段分布有较多采用浅基础的低矮民居及其它建筑物，土层扰动易造成负面社会效应。

处理上可综合采用隧道多媒体监测技术进行实时监测，按照应急预案及时处理。如用GPS、摄像机、三维扫描仪、测量机器人、电子水准仪等现代测量仪器监测地表、隧道内及沿线建筑物的三维变形信息（李祥瑞等，2012），采用倾斜仪、温度气压传感器、气体浓度测量仪及应变传感器等监测其他环境信息。

4 建议

建议针对孤石问题、过江过河、软硬接触等重大问题进行专项研究，达到施工精度要求，对其他工程地质问题应在施工前勘察中重点查明。

建议加强外部地质环境与施工监测，如闽江下切、有害气体浓度、隧道沉降、管片变形、50m红线内施工影响等，运营期建立系统科学的永久性动态监测，建立健全预警预报系统，编制应急预案。

本文在完成过程中得到了福建省地质调查研究院周国华高级工程师及福建省地质矿产勘查开发局余德林工程师的大力支持，在此一并表示感谢！

刘伍，赵云峰，程剑，2007. 北京地铁工程中复合降水技术的开发应用[J]. 城市地质，2(3)：43-47.

李红立，张华，汪传斌，2010. 跨孔超高密度电阻率法在花岗岩球状风化体勘探中的试验研究[J].工程勘察，39(8)：88-92.

李国祥，杜坤乾，杨勇，等，2012. 花岗岩风化地层中“孤石含量百分比”的确定方法[J]. 地质与勘探，48(3)：629-636.

李祥瑞，王若尧，王志武，2012. 多媒体技术在地铁隧道变形监测中的应用[J]. 城市地质，7(2)：45-47.

林生凉，2013. 地铁盾构施工穿越浅基建筑时遇到孤石的技术控制[J]. 福建建筑，32(11)：96-97.

王浩，刘成禹，陈志波，2011. 闽东南花岗岩球状风化不良地质发育特征及其工程地质问题[J]. 工程地质学报，19(4)：564-569.

Discussion on the Main Engineering Geological Problems of the Fuzhou Metro Line 2

LIU Wenguang

(Fujian Institute of Geology Survey and Research, Fuzhou,350013)

Fuzhou Metro Line 2 as the main axis of East-West in Fuzhou track traffics is full of complex engineering problems along the line. The construction conditions for shield is hard, the key problems consist of boulder, the sand layers crossing the river is rich aqueous and the deep groove due to erosion, as well as the roof falling, water inrush problem and the contact surface between the hard layer and soft layer, etc. According to the data of more than 200 thousand drill holes that through Fuzhou geological survey, among which no less than 3000 drill hole is standardized and supplement exploration with special engineering geological survey along with a little supplementary drill investigation, come up with the sections of the line which the main engineering geological problems may appear. It summarizes the development rules of the boulder, analyzes the development characteristics of main engineering geological problems such as the boulder, and infers the possible road sections. It also points out the construction damage from the boulder and puts forward the preliminary proposal. At the same time, some further explanations are done aiming at the special harmful gas, hot springs, etc in Fuzhou. It has important guiding signif i cance to the planning of optimal route selection and lays a foundation for the detailed exploration and pre construction survey work at the same time.

Fuzhou metro line 2; The main engineering geological problems; Boulder; Deep groove due to erosion

P 642；U412.22

A

1007-1903（2017）01-0050-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.008

闽江口地区地质环境调查（福州城市地质调查）资助。

柳文广（1984- ），男，工程师，从事水工环、第四纪地质调查。