浅析成都地铁建设的工程地质特点及施工方法

汪中杰， 杨义奎

(1.成都市轨道建设工程保障中心，四川成都 611731；2.四川诚正工程检测技术有限公司，四川成都 610041)

成都，地处四川盆地西部、成都平原腹地，境内地势平坦、河流众多。近年来，成都城市地铁的发展迅猛：截止目前已开通运营地铁1～5号、7号、10号等7条线路(总里程约302 km)；在建地铁8号线一期、9号线一期等线路(总里程约213 km)预计2020年将陆续开通；未来5年将实施8号线二期、10号线三期等线路(总里程约207 km)。地铁建设具有：工程地质条件复杂、周边环境复杂、自然环境复杂、建设规模大、技术复杂难度大、工程协调工程量大、控制标准严格等特点。工程建设的基本要求是安全可靠、经济高效、效益显著，而对于地铁的设计施工乃至运营均离不开工程环境的支撑，掌握好、利用好工程地质的特点，不仅能保证建筑物的安全，又能减少不必要的处理措施、缩短工期，达到良好的经济效益和社会效益。

1 成都地铁建设的工程地质概况

工程地质是一个综合概念，主要包括地形地貌条件、岩土类型及其工程地质性质、地质结构与地震、水文地质等因素。

1.1 地形地貌条件

成都地铁工程区域地处成都平原岷江冲洪积扇状平原的南东边缘、区内地形平坦，地势受扇状平原的控制，总体上西高东低、北高南低，海拔高程484～540 m，市内地貌类型单一，均为侵蚀、堆积地貌，其主体地貌单元为冰水堆积扇状平原二级阶地(图1)。

图1 成都地形示意

1.2 岩土类型及其工程地质性质

地层按成因与时代划分自上而下主要为第四系全新统人工填筑土层、第四系全新统粉质黏土及砂砾卵石土层、上更新统上段粘类土及砂砾卵石土层、上更新统下段粘类土及砂砾卵石土层、白垩系上统灌口组，按照岩性分为：黏土、粉质黏土、砂土等细粒土和砂砾卵石粗粒土、砂岩及泥岩。

根据目前已有的部分地铁勘察资料，线路地质条件见表1。

表1 成都地铁部分线路主要地层类型

由表1可知，成都地铁建设的工程地质类型主要分为砂卵石地层、泥岩砂岩地层，同时均伴有高富水、富含大漂石等特点。砂卵石是岩石与流水在河床相互作用、长期搬运的产物，具有卵石含量高(占比70 %左右，含大漂石)、卵石强度高(单轴抗压强度达50～150 MPa)、地下水位高(水位埋深一般2～5 m)的“三高”特点。

1.3 地质结构与地震

成都平原在构造位置上处于我国新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘，界于龙门山隆褶带山前江油～灌县区域性断裂和龙泉山褶皱带之间，为一断陷盆地。该断陷盆地内，西部的大邑—彭县—什郁和东部的蒲江—新津—成都—广汉两条隐伏断裂将断陷盆地分为西部边缘构造带、中央凹陷和东部边缘构造带三部分。

龙泉山构造褶皱断裂带，展布于中江、龙泉驿、仁寿一带，长约20 km，宽约15 km，为一系列压扭性逆断层组成，走向北东，构造形态狭长，现期断裂活动甚少。

龙门山构造带为滑脱逆冲推复构造带，经青山、灌县至二郎山，长达500 km，宽24～40 km，是规模巨大、结构异常复杂的北东向构造带。

成都市区距离龙泉山褶皱带20 km，距龙门山隆褶带50 km，区内断裂构造及地震活动较微弱，历史上从未发生过强震，从地壳的稳定性来看应属于基本稳定区，按现行规范，成都市地震基本烈度为Ⅶ度(图2)。

图2 成都地震带示意

1.4 水文地质条件

市区多年平均年降水总量947 mm，最大日降水量195 mm。降水年内分配主要集中在5～9月，占全年80 %以上。

区内为岷江、都江堰、内江水系在平原区的尾水部分，由于受东部台地的阻挡，原本在平原区以北西—南东流向的河流在市区内逐步转为近南北向。成都境内的河流主要为沙河、小沙河、府河、南河、江安河、清水河等河流，其中沙河为人工河道。河流的总体水文特征是径流量与水位明显受区内降水量周期变化规律控制，夏秋流量大，冬春流量小且上游支流多断流。河流的水位、流量受降雨以及都江堰水利工程的人为调配的影响。

根据区域水文地质资料、场地土层及地下水的赋存条件，地下水主要有两种类型：一是赋存于填土里的上层滞水，二是赋存于卵石层的孔隙潜水。地下水位浅(一般而言地下开挖2 m可见地下水分布)，且具有水流交替循环强烈、水位迅速恢复的特点。

1.4.1 上层滞水

上层滞水主要赋存于黏土层之上的填土层中，大气降水、沟渠和附近居民的生活用水为其主要补给源。水量、水位变化大，且不稳定。由于其水量相对小，对地下工程影响较小。

1.4.2 卵石土层中的孔隙潜水

水量较丰富的孔隙潜水主要赋存于I级阶地地区第四系全新统(Q4)和上更新统(Q3)卵石上中，地下水位埋深多大于6 m，水位变化较小，含水层有效厚度为2～40 m不等，大气降水和上游地下水补给为其主要补给源。根据成都地区水文地质资料，砂、卵石土综合含水层渗透系数K为24～28 m/d，为强透水层。

2 成都地铁建设中主要施工方法

2.1 明挖法

明挖法可适用于不同的地层类型，它本质上是一种深基坑工程技术，主要利用竖向围护结构(地下连续墙、土钉墙、抗滑桩)、横向水平支撑(混凝土结构、钢结构及斜支撑)提供的空间，进行主体结构的施工(图3)。

图3 明挖车站示意

明挖法具有施工速度快、工程隐患可视化、施工安全、造价较低等优点。一般用于浅埋的地铁车站的修建或地下轨道交通复杂地段，有时也兼做盾构的始发井与接收井。

明挖施工通常涉及到房屋拆迁、绿化迁移、管线迁改等配合工作，故而对地面空间要求高，长期占用城市地面影响交通疏解，噪声振动对环境影响较大。

2.2 盖挖法

盖挖法是首先修筑地下结构的顶板或临时路面的盖板，然后在顶板或盖板的遮护下修建地下结构其它部分的半明挖施工方法的统称(图4)。盖挖法施工是明挖基础上的改进方法。按其主体结构的施工工序，主要分为盖挖顺作、盖挖逆作、盖挖半逆作。

图4 盖挖法示意

盖挖法比较适应当前城市对地面交通的需求，但施工工期较长、土方运输困难、造价较高。

2.3 盾构法

盾构法是一种使用盾构在地下掘进，一边防止软基开挖面土砂崩塌和保持开挖面稳定，一边在机内安全进行隧道的开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工法(图5)。

图5 盾构机结构示意

盾构施工法由于具有开挖和衬砌安全，掘进速度快，盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工安全、劳动强度低，以及对地面交通与设施影响较小等优点，成为城市地铁建设的首选方法。

目前盾构施工按照盾构机的设备主要分为两种类型：土压平衡式盾构及泥水平衡式盾构。

2.3.1 土压平衡式盾构机

土压平衡式盾构机(Earth Pressure Balance)，当盾构推进时，刀盘旋转切削土体，切削土体进入土舱，当切削土体充满土舱，此时盾构机内外达到土压力平衡，从而保持稳定。由于盾构的推进作用，致使切削土体对切削面加压，当螺旋输送机排出土舱内的土体，使得螺旋出土器中的出土量与刀盘的切土量相等，从而一直保持刀盘及整个盾构机的土压平衡，使得盾构机在地下边掘进边排土(图6)。

图6 盾构机前体结构

如前所述，成都地铁中遇到的时常是高富水且含大漂石的地段，一方面高富水的存在使得地下水位高、动水压力大、渗透压力带走土中骨架(土中主要受力的结构)增加孔隙、土中结构材料缺失，从而增加沉降，另一方面大漂石的高强度、大直径，常使盾构机刀盘受损严重经常更换甚至刀盘卡顿不得不停工。

2.3.2 泥水平衡盾构机

泥水式盾构机是通过向削切面注入提高土体流塑性和抗渗性的添加剂等材料，使其与土舱内的削切土混合成为流塑性较好和不透水的泥状土，进而既排土顺畅又能保持削切面稳定的一类盾构机(图7)。

图7 泥水平衡盾构机示意

泥水平衡盾构机需在地面专门制作泥浆液，而城市地面环境往往复杂、建筑物密集、交通繁忙，泥水处理设备需要额外占用地表土地资源，使得泥水平衡式盾构的使用受到较大的制约。

2.4 矿山法

采用钻眼爆破开挖断面、矿山开拓巷道的方法，称为矿山法，属于暗挖法的一种，一般用于岩质隧道，工艺简单灵活、信息化反馈施工。喷锚支护出现后矿山法发展成新奥法，是软弱围岩(软弱破碎围岩地段)修筑隧道的一种基本方法，形成复合式内外两道衬砌支护，初次支护承担全部荷载，二次支护作为安全储备，按衬砌施工顺序，可分为先拱后墙法及先墙后拱法(台阶法、全断面法、漏斗棚架法等)，其基本思路是“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”(图8)。

图8 矿山法衬砌示意

由于环境敏感等问题，城市轨道交通建设一般不允许爆破作业，严格控制城市地表的变形量、地下水的影响等都使此方法的使用受到限制。

2.5 浅埋暗挖法

浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法(图9)。按照“十八字”原则(即管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测)进行隧道的浅埋暗挖法设计、施工，采用多种辅助工法，超前支护(如小导管超前注浆或长管棚超前注浆)，改善加固围岩，调动部分围岩的自承能力；并采用不同的开挖方法及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系；在施工过程中应用监控量测、信息反馈和优化设计，实现不塌方、少沉降、安全施工等，并形成多种综合配套技术。

图9 浅埋暗挖法示意

一般而言，富水砂卵石中采用采用浅埋暗挖法应注意降水施工，由于砂卵石地层松散，伴有胶结性差、自稳性差的特点，开挖前必须对拱顶进行超前支护(注浆加固、预埋钢筋)，以提高砂卵石地层自稳、减少围岩变形、防止坍塌。

浅埋暗挖法因施工机械化程度较低、需人工施工劳动强度大，采用降水施工作业，进而施工工期较长，对水位高的地区防水施作困难较大。

2.6 施工方法的比较

根据前述几种施工方法的内容及优缺点，其特点及适应性对比见表2。

表2 施工特点对比

总之，任何一种施工方法都有其相应的优点及缺点，工程实践经验表明，施工方法的选择常常受限于地质、地形、环境条件、施工难易程度、环保、工程造价等多种因素的制约，选择何种施工方法往往是一个综合命题，有时往往兼而有之。