宋开灼

(福建省华厦能源设计研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

海水入侵指海水通过滨海地带多孔介质向内陆方向运移，致使带内地下淡水达一定深度后，含盐量超过水质标准而无法直接利用[1]。对于地铁工程而言，当地下水含盐量超过一定标准后，容易使混凝土结构中的钢筋发生严重的腐蚀性问题。当腐蚀产物累计到一定程度后会导致混凝土膨胀、开裂，影响地铁工程使用寿命。因此，研究滨海地区海水入侵特征，分析其对地铁工程的影响变得十分关键。目前国内已有大量学者研究海水入侵特征及其地铁工程影响相关研究。黄磊、郭占荣总结了1964年以来我国沿海城市海水入侵历史与现状，总结了海水入侵原因，提出防治对策[2]；孙金华、吴永祥对黄渤海沿海地区海水入侵现状进行监测，分析总结了渤海海水入侵防治技术与方法，提出了适应性管理对策[3]；杨璐嘉通过实海试验，观察了海水环境下混凝土试件中钢筋的腐蚀情况，提出了一种适用于对海水环境下混凝土结构中的钢筋进行腐蚀防护的电化学方法[4]；朱礼廷以大连地铁一号线试验段南关岭站工程为背景，从理论和数值分析两方面分析了注浆圈渗透系数和厚度对隧道涌水量的影响规律,以及海水入侵对地铁隧道结构的影响,并提出工程方案措施[5]。

上述的研究结果表明：海水入侵，一般是特定区域自然与人类社会经济活动两大因素叠加影响的结果。它将导致土壤盐渍化，地下水水质恶化、地下水腐蚀性变强等问题，成为制约滨海地区经济发展的重要因素[6]。地下结构应对海水腐蚀措施主要集中在加强隔离和减缓腐蚀进度两个方面。本文通过地铁6号线延伸线范围内完成的多组水质测试，初步查明福州滨海新城区域海水入侵规律、腐蚀性特征，并提出针对性的防治措施，为该地区地铁工程提供一定的借鉴。

1 福州滨海新城海水入侵特征

福州市作为地处闽江下游、临近入海口的城市，建设滨海新城、发展海洋经济是习近平总书记1992年任市委书记时提出“东扩南进、沿江向海”战略构想的具体实施。2017年初，长乐滨海新城进入具体实施阶段，规划的滨海新城核心区面积86 km2(图1)，其中轨道交通是滨海新城建设过程中重要的市政措施。目前规划有地铁6号线、6号线延伸线、7号线、12号线和机场快线F1。然而福州滨海新城紧邻东海，海岸线直接与新城区相接，拟建的地铁工程也多临海，处于海水入侵范围内。

图1 滨海新城及地铁6号线延伸段位置示意图

以拟建的福州地铁6号线东延伸线工程为例。其起于6号线一期终点万寿站，沿道庆路、漳江路展布，终于国际学校站，线路全长约5.58km，均采用地下线敷设方式，设滨海北站S1、滨海新城站S2、沙尾站S3、金滨路站S4、国际学校站S5 5个站点，分别对应图1中编号S1～S5所在位置。整个线位平行于海岸线布置，距离海岸0.82 km～2.12 km，正好处于长乐地区0.80 km～3.50 km海水入侵范围内[7]。长乐滨海新城区域第四纪地貌单元主要为冲洪积、海积和风积地貌，地势总体较为平坦，区内第四系地层厚度30 m～60 m，总体上厚度变化较小，仅局部基岩隆起区砂土层厚度较薄。第四系地层主要为淤泥、淤泥质土夹砂、风积粉细砂、中细砂、粉质黏土、砂砾石等组成，图2为横穿滨海新城核心区、垂直海岸线的典型地质纵断面图PM-PM’。该地质剖面图表明，滨海新城区域内地层主要为浅部粉质黏土、风积粉细砂层，中部为中细砂、淤泥和淤泥质土透镜体状夹层，下部为淤泥质土夹砂、中细砂、砂砾石和花岗岩及其风化层。地下水由浅部～中部的潜水、中部的微承压水、下部承压水组成[8]。东海海水与浅部潜水和中部微承压水为直接连通关系，正常情况下，地表水和地下含水层中的地下水补给海水。但当过量抽取地下水时，海水将入侵补给地下水，导致海水入侵现象发生。

地铁6号线延伸段勘察过程中，为了详细查明海水入侵规律，每个工点均布置一定数量不同深度的取水试验孔，分别采取分层和混合地下水水样，并按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)、《地下水质检验方法》(DZ/T0064-1993)要求测试地下水中各离子的含量。表1为6号线延伸线各工点采取的48个混合地下水样中的部分数据；图3为各工点象征海水入侵特征的氯离子、硫酸根和矿化度分布曲线图。从表1和图1～图3分析，可得出如下几点结论：

图3 地铁6号线延伸线地下水各主要成分含量分布图

表1 地铁6号线延伸线各车站混合地下水主要成分试验成果(节选部分)

(1)地下水中氯离子、硫酸根和矿化度与距离海岸线的距离具有正相关性。距离海岸线越近，浓度越高，越远则越低。如滨海新城站距离海岸线最近，各离子浓度明显高于其它工点。

(2)地下水中氯离子、硫酸根和矿化度与地下水抽排力度具有正相关相关性，如起点的滨海北站附近区域的周边房地产地下室和地铁，均在施工过程中，大量抽排地下水，导致各离子浓度明显高于其它工点。

(3)沿着6号线延伸线前进方向，地下水中氯离子、硫酸根和矿化度整体呈逐渐下降趋势。分析原因，为距离海岸线距离逐渐变大，另外一主要原因为地表淡水补给量增大。如金滨路站、国际学校站距离文武砂水库距离变近，文武砂水库作为一座淡水-微咸水水库，其大量地表水体对周边地下水补给量较大，总体上降低了地下水中各离子的含量。

(4)线路范围内分布的河道、沟渠且与海水导通的地表水体对地下水中各离子存在一定的影响。6号线延伸段范围内分布的多条河道、沟渠，具有明显的涨落潮特征，海水可顺着河道、沟渠直接进入地下水中。因此，从曲线中可以看出，有地表水分布的地方，地下水中离子浓度略高于其它区域，整体曲线呈锯齿状分布。

为了查明不同深度的海水入侵规律，在6号线延伸线各车站的不同深度采取水样，分析代表海水入侵的氯离子、硫酸根和矿化度含量。如表2为沙尾站S3不同深度处采取的14组地下水样；图4为该工点各主要离子分布曲线图。从该曲线可知，出场地地下水呈现出明显的上淡下咸现象，浅部(0～13m)地下水氯离子浓度为179～386 mg/l，硫酸根浓度为52～134 mg/l，矿化度为944～1158 mg/l，属于陆地淡水补给区特征；深部(30 m～45 m)地下水氯离子为3955～5795 mg/l，硫酸根浓度为427～507 mg/l，矿化度为7116～9424 mg/l，呈现出典型海水特征，为海水入侵楔状体分布区域；中间深度13 m～30 m范围为淡水与咸水过渡区域，属于淡水和咸水离子相互混合区域，根据以上不同深度绘制的滨海新城区域海水入侵状态,如图5所示。

图4 沙尾站不同深度地下水主要成分含量分布图

图5 滨海新城海水入侵过程示意图

表2 沙尾站不同深度地下水主要成分试验成果(mg/l)

2 地下水腐蚀性特征分析

福州地区属湿润区，结构范围内分布有大厚度强透水层，按地层渗透性属A类。场地内地下水水位较高，地下结构一般为一侧暴露大气中，一侧与地下水接触，根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001，2009年版)附录G划分场地环境类型，地铁结构属I类、桩基属II类。滨海新城场地周边存在较大规模建设开发(含地下室降水等施工等)，近20年场地地下水位标高的变化幅度约-3.00 m～5.60 m，车站和围护结构在地下水位变动范围内的部分处于干湿交替环境，-3.00 m以下的结构处于长期浸水状态。因此，评价地下水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性条件，按长期浸水和干湿交替考虑。

各工点抽取分层和混合地下水，并进行地下水腐蚀性判定。根据表3，表明地下水对混凝土结构和混凝土结构中的钢筋均有不同程度的腐蚀性，超标离子主要为氯离子和硫酸根离子，腐蚀性强弱程度与前述章节中的海水入侵程度关联性较强。即距离海岸线越近、受地表淡水补给越少和抽排地下水量大的区域腐蚀性越强，表现为中腐蚀-强腐蚀。如滨海北站-滨海新城区间为强腐蚀性；越远、受地表淡水补给越多和抽排地下水量少的区域则越低，表现为弱腐蚀-中腐蚀，如金滨路站-国际学校站区间为弱腐蚀性。

表3 地铁6号线延伸线各工点混合地下水腐蚀性评价及超标离子

具体到同一个车站，不同深度的地下水腐蚀性方面，滨海新城区域也表现出不同深度的腐蚀性存在强弱差异性，呈现出明显的上弱下强的特征(表4)。如沙尾站在上部0～15 m所取水样表现为微腐蚀-弱腐蚀性，中部15 m～30 m所取水样表现为弱腐蚀-中腐蚀性，下部30 m～45 m所取水样表现为中腐蚀-强腐蚀性。

表4 沙尾站不同深度地下水腐蚀性评价及超标离子(节选部分)

3 海水入侵对地铁工程影响分析

据前述章节分析表明，福州地铁6号线延伸线所有工点均处于海水入侵范围内。不同位置和不同深度的海水入侵程度差异性较大，给地铁工程施工和运营均构成了较大的不利影响。借鉴利用国内外和临近工程经验，应对措施主要集中在加强隔离和减缓腐蚀进度。具体表现在于以下几个方面：

(2)入侵海水更能溶解混凝土中的盐碱等物质，增大其孔隙率，导致海水渗入混凝土的内部，与混凝土中有关物质发生物理化学反应并析出，从而降低混凝土的密实度，或加剧电化学反应，使混凝土结构中的钢筋锈蚀加速而逐步导致破坏[9]。因此，需要提高混凝土标号，外掺加粉煤灰、矿渣微粉、纤维类物质、橡胶粉、活性粉末等材料增加混凝的密实度，提高混凝土抗拉、抗折和抗裂性能，加大混凝土保护层厚度。此外，要具备预应力钢筋混凝土结构的部件，尽量采用预应力钢筋混凝土结构[10]。

(3)水下混凝土一旦开裂，水中大量游离态的 Cl-先渗透达到混凝土中的钢筋破坏其钝化膜，导致其生锈、混凝土保护层剥落、钢筋外露等连锁破坏反应。因此，为了减缓钢筋混凝土中的钢筋腐蚀速度，建议内掺钢筋阻锈剂，钢筋材料。在加工过程中，采用镀层钢筋或涂防腐漆等，使其符合结构耐久性要求。

(4)地下车站在不同深度表现出不同的腐蚀性，浅部腐蚀性较弱，以弱腐蚀为主，深部腐蚀性较强，以中腐蚀-强腐蚀为主。但在福州滨海新城开发过程中，在周边地块开挖地下室时，不断抽取地下水的周边环境，淡水与咸水的分界线可能会进一步上移，导致浅部地下水腐蚀性加强。因此，设计单位应按最不利影响考虑地下结构的防腐蚀措施。

(5)地铁工程应遵循“以防为主，刚柔结合，多道设防，因地制宜，综合治理”的原则，采取与其相适应的防水措施。设计宜考虑通过防水材料和构造措施等进行防水，确保地铁工程防水和防腐的可靠性，提高结构的使用寿命。

4 结论

海水入侵，是自然与人类社会经济活动两大因素叠加影响的结果。它将导致土壤盐渍化、地下水水质恶化、地下水腐蚀性变强等问题。本文借助福州地铁6号线延伸段工程勘察，对沿线各工点采取了分层和混合地下水，并对所取水样进行的水质全分析。分析表明：

(1)福州滨海新城区域海水入侵在在平面分布上，表现为距离海岸线越近、受地表淡水补给越少和抽排地下水量大的区域，海水入侵越严重，地下水的腐蚀性也越强。反之，距离海岸线越远、受地表淡水补给越多、抽排地下水量少的区域，则海水入侵越越弱，地下水的腐蚀性也越弱。

(2)在滨海区域的同一位置垂直空间分布方面，地下水也具有上淡下咸、腐蚀性上弱下强的特征。当车站上下部结构腐蚀性程度存在差异时，建议按最不利影响考虑地下结构的防腐蚀措施。

(3)地下结构应对海水腐蚀措施方面，主要体现在：施工时应进行必要的泥浆配合比试验，确认基槽开挖和泥浆配合的适用性。运营时应尽量提高混凝土标号，外掺加粉煤灰、矿渣微粉、纤维类物质等材料增加混凝的密实度，提高混凝土抗拉、抗折和抗裂性能，并加大混凝土保护层厚度。钢筋材料在加工过程中，采用镀层钢筋或涂防腐漆等，减缓钢筋的腐蚀速度，并内掺钢筋阻锈剂。