济南地铁建设中的岩土工程问题分析
摘 要：地铁工程是一项建 设规模大、工期长、投资多、社会效益备受关注的工程。 济南为岩溶发育区，溶洞分布不均，泉水集中出露，构造异常复杂，具有特殊的工程地质、水文地质条件，地铁施工引起的岩土工程问题及对泉水的影响是建设风险的重要组成部分。立足于规划前期的钻探、物探及水文地质试验揭 示的地质 条件同 时结 合地铁 建设明 挖法、盾构法等主要施工工法，详细分析了可能存在的岩土 工程问 题，意 在 对地铁 建设可能 引发的岩土工程问题有深入的认识，以便采取相应的应对 措施，降低 地铁修 建的 风险以 及避免 地铁修建对济南泉水的影响。
关键词：地铁；岩土工程问题；分析
举世文明的泉城济南，在地形地貌、工程地质与水文地质条件等十分巧妙的配合下，在２．６ｋｍ２范围内出露１００多处泉眼，其中包括久负盛名的趵突泉、黑虎泉、五龙潭、珍珠泉四大泉群，因此，济南素有“泉城”、“泉都”之美称。泉水是济南的城市名片和灵魂。据济南市总体规划，要将济南市发展成为 具有国际影响的区域中心城市，轨道交通作为一项能有效改善济南交通环境、促进经济发展的基础 措施是十分必要的，是济南市可持续发展的必然选择。由于城市轨道交通工程处于繁华的城市中心地带，所处的复杂的地上、地下环境、地质条件和地下工程建设的隐蔽性、复杂性等，同时鉴于济南特殊复杂的地质构造、水文地质条件、岩溶发育等特点，地铁 建设可能引发的岩土工程问题较多且复杂。同时由于轨道交通工程建设的政治敏感性强、公共 安 全要求高、社会影响力大，一旦发生重大安全风险事故，将会造成恶劣的社会影响［１］。因此需对济南地铁建设可能引发的岩土工程问题有深入的认识，以便采取相应的应对措施，降低地铁修建的风险以及避免 地铁修建对济南泉水的影响。
１ 工程概况及地质条件分析
１．１ 基本概况
目前，济南交通问题日益突出，在早晚高峰时段，各条城市主干道均有拥堵现象。建立以轨道交通为骨干的公共交通体系才能解决未来济南所面临的交通问题，为了形成覆盖主城的轨道交通线网，满足城市空间拓展和交通发展需要，计划至２０２０年线网规模为２００ｋｍ，地铁线路达到７条之多。为了查明轨道交通影响深度范围内的地层结构和地下水的问题，在资料搜集的基础上采用在济南市４１条交通主干道上的工程地质钻探、微动探测、陆地声纳、波速测井、钻孔电视、水文地质试验等方法和手段开展现场工作。
１．２ 工程地质概况
济南位于泰山隆起北翼北缘，济南南部山丘地区分布着大面积的寒武、奥陶系石灰岩地层，岩层由东南向西北倾斜倾没于市区地下，形成典型的单斜构造，市区北侧为闪长岩及辉长岩侵入体，奥陶纪灰岩呈舌状为闪长岩及辉长岩所包围。
研究区第四系地层分布广泛，主要分布在山前倾斜平原，北部黄河冲击平原地带。第四系厚度变化较大，总体由南东至北西厚度逐渐增大。燕山晚期侵入的岩浆岩，其主体为燕山晚期侵入的中－基性岩，主要类型为辉长岩类，其边缘相为闪长岩，大部分被第四系覆盖，其下多为亮甲山组白云岩发生蚀变形成的大理岩，主体呈东西向展布，揭露厚度３．０～１５０．０ｍ，总体由南往北厚度逐渐增大，研究区地层分布详见表１。
区内断裂构造发育，主要分布有北北西走向的千佛山断裂、马山断裂、东坞断裂、文化桥断裂，北北东向的港沟断裂和近南北向的炒米店断裂等。
１．３ 水文地质概况
在漫长的地质年代，可溶性灰岩经过多次构造运动和长期溶蚀，岩溶地貌发育，形成大量溶沟、溶孔、溶洞和构造裂隙、溶蚀裂隙等，共同组成了能够储存和运移地下水的脉状地下网络通道，为泉水的补给与排泄提供通道。根据含水介质的特点以及地下水在含水层中的运动、储存的特点，济南地区主要包括三种类型地下水，即松散层孔隙水，赋存于第四系土层中；侵入岩裂隙水，主要赋存于岩浆岩风化裂隙和构造裂隙中；碳酸盐岩裂隙岩溶水，含水介质为石灰岩，多为承压水。三种类型地下水受到相邻隔水层的控制，虽然形成了各自独立的循环条件，但因受构造作用影响，在地下水总循环中又有机地联系在一起。
１．４ 地铁车站区间的主要施工方法
地铁车站采用的施工方法主要为明挖法、盖挖顺作法及暗挖法，区间主要采用明挖法、盾构法及暗挖法［２］。
２ 地铁建设中的岩土工程问题分析
２．１ 盾构施工可能引起的岩土工程问题
（１）流砂与管涌：研究区第四系土层主要岩性为砂质粘土、粘质砂土、粘土，沿河流冲积扇堆积有砂砾石层。在砂土、砂质粉土等易液化的土层中盾构掘进，刀盘切削挤压扰动，加上过高的水头压力，液化砂土随地下水沿盾尾和隧道接缝渗漏进入隧道内，可能出现局部地基掏空、隧道下沉、地面沉降较大等问题。
（２）球状风化问题：由于岩浆岩的风化均匀性很差，在岩浆岩的全风化中形成许多球状风化体，球状风化体空间分布具有较大的随机性，很难找到规律，不易被钻探发现，故给盾构施工造成较大的困难。对施工和设备的影响主要表现在刀具磨损严重，刀具磨耗和大块石的排出是影响盾构掘进的两个主要问题。
（３）软硬不均地层：研究区基岩面起伏较大，石灰岩岩溶发育，局部分布溶洞。浅层５０ｍ范围内同时分布着第四纪土层、岩浆岩体和灰岩，地层结构十分复杂。隧道范围内局部会同时遇到第四系松散沉积物、灰岩和岩浆岩等不同地层，软硬不均地层对施工的影响主要是容易引起盾构施工曲线偏离设计方向，盾构掘进控制难度大，工况转换频繁。在上软下硬地层中掘进，必须做好掘进姿态控制，以较均衡速度推进，确保同步注浆的数量和质量，及时进行刀具更换。注意做好地表及地面地下建（构）筑物的沉降控制，保护建（构）筑物。
（４）泥饼：残积土层、全风化岩层和强风化岩层易在盾构掘进过程中容易形成泥饼。泥饼是盾构刀盘切削下来的细小颗粒，碎屑在密封仓内和刀盘区重新聚集而成半固结或固结的块状体。泥饼的形成，轻则造成扭矩、总推力的大幅增大，推进速度减慢，刀具磨损，重则造成掘进困难，在富水地层诱发喷涌，甚至发生地表塌方和盾构机严重损坏。
（５）突水问题：研究区内断裂构造发育，主要分布有北北西走向的千佛山断裂、文化桥断裂，北北东向的港沟断裂和近南北向的炒米店断裂等，这些断裂岩体破碎，基本为透水性断裂，导水性较强，盾构掘进穿越时容易发生较大的突水问题，当隧道在地表水体下通过时，易造成盾构淹水等问题。
（６）溶洞：千佛山断裂与文化桥断裂之间为地垒，该区域泉水集中出露，构造异常复杂，灰岩隆起，基岩面起伏较大，石灰岩岩溶发育，局部分布溶洞。勘探时发现位于经十东路上钻孔中揭露的最大溶洞，直径有７～８ｍ，超过地铁隧道本身６ｍ的范围，充填物不均，大小不等。由于溶洞的不均匀性和富水性，盾构机掘进中盾构机刀盘切削面软硬不均，方向不易控制。可能因纠偏量过大，易发生较大地面沉降，也可能会产生岩溶泥砂溃塌与突水问题。当溶洞位于隧道底时，会产生盾构沉陷和差异沉降问题等。
２．２ 明挖法施工可能引起的岩土工程问题
（１）基坑周围地表沉降变形问题：在深基坑开挖进程中，所产生的地面沉降主要来自两个方面：一是地下水疏干产生的差异性地面沉降；另一种是由于护坡设施的侧向变形引起的地面沉降。在工程降水过程中，由于过大的降低地下水使地下降水漏斗逐渐扩大，土层的有效自重应力增大，引起土层进一步压缩，造成周围地面不同程度的沉降及地面开裂，建筑物产生裂缝。
（２）基坑支护失稳问题：支护结构失效将极大地影响和改变地质环境，最直接的影响是造成基坑边坡失稳，进而引起地面沉降，房屋开裂，甚至倒塌。支护体系破坏形式很多，破坏原因往往是多方面的。
（３）基坑涌砂问题：当基坑以下的土为疏松的砂土层时，而且又作用着向上的渗透水压，当产生的动水力坡度大于砂土层的极限动水力坡度时，砂土颗粒就会处于悬浮状态，在渗透力作用下，土体向上涌出，发生流土破坏。由于粘性土层和含水层相间分布，在止水帷幕失效或由于降水未达到要求时，在含有粉细砂含水层的地区，因过大的水压力，就会发生基坑大量涌砂，造成基坑失稳使附近地面不均匀下沉。
（４）降水施工引发的岩土工程问题：浅埋暗挖的区间隧道与车站结构施工，需要首先进行施工降水，基坑施工过程中由于施工降水的作用，造成坑内水头差，产生因动水压力引起的渗流破坏，主要表现为流砂和管涌，容易引起基坑塌陷、坑壁失稳和地面沉降。千佛山断裂与文化桥断裂之间为地垒，石灰岩隆起，基岩面起伏较大，石灰岩中岩溶发育，局部分布溶洞，溶洞分布不均，大小不一，充填物不均。地铁施工排水在浅覆盖岩溶区可能造成地面塌陷、变形等问题。
地铁工程规模大、工期长，施工降水引起的水资源的浪费不可忽视，尤其施工降水会对泉水喷涌造成较大的影响，因此在济南地区地铁施工应尽量避免施工降水，可以采用地连墙或帷幕隔水等围护结构，进行坑内降水或回灌等针对性措施，避免对济南泉水造成影响。
（５）基坑突涌、突水问题：松散层孔隙水、侵入岩裂隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水三种类型地下水之间水力联系密切，互为补给，其中岩溶水具有较高水头压力、水量很大，地下水控制较为复杂。开挖基坑减少了含水层上覆不透水层的厚度，在厚度减小到一定程度时，承压水的水头压力就能顶裂或冲毁基坑底板，承压水可能沿着裂隙、垂向径流通道大量涌出，会造成突涌、突水现象。
２．３ 地铁运营期可能存在的问题
（１）围坝阻水：地铁在运营中对地下水环境的影响是大范围的，在时间上具有明显的滞后性，并且这种影响具有累积效应。如东西向布置的地铁结构与含水层相截以后，尤如围堰截住了地下水的径流，使得地下水难以及时排泄，可能会对泉水喷涌产生一定的影响。另一方面，隧道建成后将改变地下水的径流条件。地铁对地下水的拦截必将导致迎水面地下水位的抬升和背水面地下水位的下降。水位的变化，将影响到该区的生态环境，此外由于其迎水面和背水面的地下水位的不同使得地铁两侧的土质工程地质特性有所不同，承载力不同，压缩性也有所差异。
（２）对径流通道的阻挡：从钻探揭露的地层来看，承压性极高的岩溶水有的是通过天窗（石灰岩埋深较浅，其上为第四纪碎石土，隔水性较差）与孔隙水发生水力联系，有的是通过风化成砂状的透水性较好的风化深槽或裂隙带与孔隙水及裂隙水发生水力联系。布设地铁结构线可能会占据部分径流通道，对地下水径流状态产生一定影响。
（３）对地下水水质的影响：地铁建设可能引起的对地下水水质的影响分为以下几个方面：施工降水往往造成局部地下水动力场和化学场发生变化，引起地下水中某些物理化学组分和微生物含量的变化，可能导致地下水污染及污染加剧，比如降水引起的局部受污染的地下水回流补给、降水引起越流污染；地铁建成后阻碍地下水的径流，使过水断面发生明显改变，造成隧道迎水面的水位抬升。地下水位抬升以后有可能达到浅部的污染源，从而导致地下水的污染；施工注浆对地下水水质的影响产生主要是浆液的影响。
（４）岩溶塌陷：石灰岩中岩溶发育，局部分布溶洞，溶洞分布不均，大小不一，充填物不均，运营期的地铁长期的震动可能会加剧岩溶塌陷的速度，破坏岩土结构的平衡。
３ 结论
（１）地铁施工前应开展试验段研究工作，对可能产生的岩土工程问题有充分的认识，增强安全风险意识，采取相对应的措施，以指导后续地铁施工。
（２）鉴于济南地铁施工地质条件的复杂性，地铁施工应采用先进的施工工艺方法，如采用不降水的施工方法或采取回灌等相应的措施；应采用钻探与物探相结合的综合勘探手段，详细查明溶洞的空间位置及其分布范围，真实地揭示实际的地质情况。
（３）济南为岩溶发育区，溶洞分布不均，泉水集中出露，构造异常复杂，具有特殊的工程地质与水文地质条件，地铁施工难度较大，存在岩溶塌陷、盾构机沉陷、基坑突涌、突水、对地下水环境产生影响等一系列复杂的岩土工程问题。
参考文献：
［１］ 关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３．
［２］ 孙钧．城市地下工程活动的环境岩土工程问题（上）、（中）、（下）［Ｊ］．地下工程与隧道，１９９９（３）、（４）；２０００（１）
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