论文-广州地质环境与地铁建设研究

广州地质环境与地铁建设的影响研究陈绮雯 邓家伟 印明华南农业大学水利与土木工程学院，广州，510640摘要 随着经济的发展，交通网线的完善，作为国际大都市的广州要发展地下铁路是时代所趋。由于广州地区地质状况异常复杂，地铁建设在选线,确定设计方案和施工方法,计算建设成本和建设周期，以及运营期间的维护等方面都与所处的地质环境有密切的关系；而地铁在建设过程中和建成后也会引起周边地质环境变化，有的地质环境变化会给周边的建筑物、生态环境，甚至人民的生命财产带来危害；本文进一步考察了不同路段地铁工程所采取的施工方法以及技术上的突破，分析了地铁工程施工对沿线地区造成的各种影响。根据以上调查分析，对地铁建设提出了一系列系统的应对措施，并为今后地铁建设指明方向。本文立足于可持续发展的基础上，旨在总结广州地铁工程施工经验，为下一步研究地铁工程的勘察、设计和施工提供科学依据。关键字 广州地铁 地铁工程 地质条件 环境 影响 1 引言随着广州市国民经济的高速发展，城市交通堵塞、事故频发、污染严重等问题日益严重。地下空间作为一种新的资源的开发和利用已经进入了空前发展的时期，而地铁的建设将是21世纪城市地下空间开发的重点。目前，广州地铁已建成开通四条线路，总运营里程116公里，运营日均客运量超100万人次。在建线路包括广州市轨道交通四号线、五号线、六号线、二/八号线延长线、三号线北延段，珠江新城旅客自动输送系统，珠江三角洲城际快速轨道交通广佛线等。到2010年，广州市将建成9条地铁线路，线路总长255公里。地铁的建设，必将受到附近地形地貌、地面特征、地质构造、地层特点、河流水文、地震以及气象等因素的影响；同时，地铁在施工、运营期间，亦必将影响地层的初始应力状态和岩土体的物理、化学、水理性质，而这些地质环境的改变在一定程度上也将影响周围建筑物、地下构筑物以及工程结构本身。因此，建设地铁工程，必须确保施工中及竣工后的地上环境、地下环境、工程结构本身都安全可靠。2 地质条件对地铁建造的影响2.1 广州地质概述广州地区素有“地质博物馆”之称，地质条件异常复杂。在地貌上包括珠江三角洲冲积平原区、台地丘陵区（花岗岩或混合岩）和石灰岩岩溶盆地；岩性上表现为第四纪覆盖层分布不均匀，有厚层软土、淤泥质砂层、松散砂层、残积粉土层等工程性质不良的地层；下伏基岩有白垩纪和第三纪风化不均而局部较软弱层的红层砂岩、泥岩，二叠纪、石炭纪的灰岩溶洞发育并富含裂隙水，以及局部侵入的花岗岩体或者不同程度变质的混合花岗岩；在构造上分布有增城凸起、广花凹陷、东莞盆地和三水断陷盆地。2.1.1广州地区工程地质条件广州大地构造处于华南褶皱系中的粤中拗陷构造单元，受加里东、印支、燕山及喜马拉雅等构造旋迴的作用，区域内发育了不同规模的褶皱和断裂，并发育有沉积岩、岩浆岩和变质岩。其中，北东向的广从断裂和东西向的瘦狗岭断裂将广州划分为三个构造区，并控制各区的第四纪沉积及沉积中心的展布。2.1.2广州地区水文地质条件广州市地处珠江三角洲，河流纵横，地下水丰富，埋深较浅。地下水按赋存方式可分为第四系孔隙水、基岩风化裂隙水及碳酸盐岩岩溶裂隙水。地下水位受季节、潮汐影响明显。第四系孔隙水局部具有承压性，隐伏岩溶中的岩溶裂隙水多具有承压性。另外，广州发育多个褶皱、断裂构造，受构造裂隙和断裂破碎带的影响，水文地质条件复杂。2.1.3 广州地铁沿线的工程地质、水文地质条件的特殊性与复杂性广州地铁沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂，其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差，物理力学特性差异大。地铁围岩既有十分松软富水的淤泥质土、中细砂层，又有较坚硬的砂砾岩、花岗片麻岩、混合岩，以及介于上述两类岩土之间具有不同风化程度的软塑、硬塑状粘性土层。软硬相间的红色砂泥层是地铁隧道施工的主要地层。广州地区地质条件复杂,影响地铁工程的不良地质作用多,如断裂、岩溶（含白垩系红层溶蚀及空洞）、采空区、花岗岩残积层及风化带、球状风化、风化深槽、软土、硬岩等。因此，这样复杂的地质条件无论在勘察，还是设计、施工，甚至是地铁运营后都产生巨大影响。2.2 地质条件对地铁工程勘察、设计、施工的影响2.2.1 地质条件对地铁工程勘察的影响地铁工程勘察的对象是建设场地的地质、环境特征和岩土工程，具体而言主要是指场地岩土的岩性或土层性质、空间分布和工程特征，地下水的补给、贮存、排泄特征和水位、水质的变化规律，以及场地及其周围地区存在的不良地质作用和地质灾害情况。广州地质条件极其复杂，地铁工程勘察工作必须查明情况，提供各种相关的技术数据，分析和评价场地的地质条件并提出解决工程地质问题的建议，以保证地铁建设安全高效进行，促进社会经济的可持续发展。2.2.2地质条件对地铁工程设计的影响（1）地铁的线路敷设方式地铁的线路敷设方式，应根据城市总体规划和地理环境条件因地制宜选择。在城市中心区，往往建筑密集，道路狭窄，交通拥挤，环境及地面景观要求严格保护，为了减少建设中的困难，降低噪声和振动等对城市的影响，地铁宜设置在地下。如广州地铁的一号线、二号线。图2：地铁四号东涌黄阁高架桥在郊区，地面建筑稀少，路面宽阔，应以高架线和地面线路为主，以减少工程造价。如广州地铁四号线区间9东涌黄阁中间的一段采用的就是高架线（如图2）。此外，由于地质条件的限制，地铁由地下通过比较困难或由地下通过成本较高时，可考虑采用高架线。如广州地铁五号线的大坦沙站，由于大坦沙是断层地质，地铁不能从地下通过，只能是在地面架设高架线。（2）地铁的选线地铁交通网线布局，对城市轨道交通的效率、建设费用，对沿线建筑文物的保护、噪声防治及城市景观等都会产生巨大影响。合理的布局对城市发展起着重要的推动作用。城市轨道交通网线的布局，除考虑地区的繁华程度、人口稠密程度外，还须考虑到轨道交通网线具有调整优化城市布局和用地功能的潜在优势，即所谓的“廊道效应”。而在这诸因素中，工程的地质水文条件成为地铁选线的决定因素。根据地铁设计规范（GB 50157-2003）对选线和轨道设计的相关规定，地铁的线路平面位置和高程应根据城市现状与规划的道路、地面建筑物、管线和其他构筑物、文物古迹保护要求、环境与景观、地形与地貌、工程地质与水文地质条件、采用的结构类型与施工方法，以及运营要求等因素，经技术经济综合比较后确定。地铁选线除考虑社会需要及人文因素外，还要考虑避开不利地质环境地段：地震及新构造运动；地表物理地质现象：包括自然产生的岩崩、滑坡及泥石流；地热；岩石中存在的天然放射性及有害物质；地下及地表水体中天然存在的有害元素；岩溶、软土、冻土、膨胀土、湿陷性土。在无法避开这些地段时，地铁设计就要采用非常有的形式，如地铁线路下有软土，而软土下部深处有较坚硬基岩，地铁线路可考虑采用高架型式或采用桩上浇筑钢筋混凝土板的“地下桥”型式；如果通过受新构造运动影响的构造带，除了采用抗震设计外还可考虑适当增加伸缩缝。地铁线路的选择往往不是由某个条件决定的，而是在全面综合研究各种地形地质因素的基础上，结合地铁工程不同部位的特点和要求进行综合评价和选择的。2.2.3地质条件对地铁工程施工的影响施工方法对地铁车站和区间隧道结构型式的确定以及地铁土建工程造价有决定性影响。施工方法的选择，受沿线工程地质和水文地质条件、周围环境条件、线路平面位置、隧道埋置深度等多种因素的制约，同时对施工期间的地面交通和城市居民的正常生活、施工工期、工程的难易程度等产生直接影响。广州地质条件的复杂，不同地段根据实际情况采用不同的施工方法，例如：（1）二号线南延段的石壁站，根据当地地质条件，淤泥质粉细砂层厚度约为4.0-4.5米，地表为密集苗圃及水塘，地表及地下水丰富，主体结构底板主要位于第7、8层，采用明挖法施工；（2）一、二号线隧道施工中，尤其是过天河村、林和村、越秀山、解放路段等特殊地段，考虑到折返线、渡线、联络通道等复杂断面结构，采用矿山法施工取得了显著的社会和经济效益；（3）三号线的天-华区间段，地质状况变化比较大，采用盾构法施工，突破重重难关；（4）一号线过珠江段采用了沉管法施工，使我国大陆首条以沉管法施工建成的水下隧道广州珠江隧道顺利竣工。地铁工程施工方法一览表（表1）施工方法环境场地要求优点缺点工程实例明挖法市郊施工场地开阔，软岩和土体进度快，工作面大，便于机械和大量劳动力投入破坏环境生态，影响交通，带来尘土和噪声污染广州地铁二号线南延段石壁站矿山(钻爆法)岩石和坚硬土体地面干扰小，造价低进度慢（约1-1.5m/d）,劳动强度高，风险大广州地铁一、二号线过天河村、林和村、越秀山、解放路等段暗挖法(软土)埋深较浅对土体进行冻结、注浆、深层搅拌桩加固地基，管棚法加固，浅埋车站地面干扰小，造价低，便于土法上马机械化程度低，劳动强度高，环境恶劣，风险大广州地铁二号线穿越华南路段盾构和顶管法城市软地层、深埋隧道地面影响小，机械化程度高，安全，工人劳动强度低，进度快（日均8-10米）机械设备复杂，价格昂贵，施工工艺繁琐，专业施工队伍广州地铁三号线天华-区间沉管法跨越江河湖海，软地基造价省，速度快，隧道断面大封锁江河水面，专门的驳运、下沉、对接机具，水下作业，风险大广州地铁一号线穿越珠江段凿岩机法（TBM）坚硬岩石地质速度快，机械化程度高，安全，地面无干扰造价高，使用掌握复杂，刀具易磨损广州地铁四号线小新硬岩区间沉井(连续沉井)软弱地层，地域空广，地下水位高造价省，速度快，工艺成熟对环境影响，泥浆污染，地面下沉广州地铁二号线江南西站2.2.4施工实例广州地铁三号线天-华区间，盾构机碰到世界罕见的上软下硬，且有“地下石林”的孤石群地层。广州地铁建设者大胆采用了一系列新技术、新工艺，攻克这些工程难点。天河客运站至华师站区间北段矿山法隧道穿过花岗岩残积土层，隧道顶部为淤泥质土和砂层。砂层为主要含水层，透水性强，在度地震作用下会发生轻微-中等液化。隧道左线地质情况从上往下依次为：人工填土层，为杂填土，厚2-3m。河湖相沉积层，为淤泥质土，厚2-3m。冲积-洪积砂层，为中砂层，厚3-5m。花岗岩残积土，为砂质粘性土，厚7-10m。下部为花岗岩全风化层。隧道右线地质情况从上到下依次为：人工填土层，为杂填土，厚4-5m。冲积-洪积土层，主要为粉质粘土，厚3-4m。冲积-洪积砂层，为细砂层，厚1-2m。花岗岩残积土，为砂质粘性土。下部为花岗岩全风化层。隧道拱顶约1m进入冲积-洪积砂层。广东省工程勘察院的工程措施建议：“对花岗岩和花岗片麻岩区：存在深厚的花岗岩深槽，花岗岩残积土厚度大，土质均匀性差。从地铁隧道穿过的地层分析，主要为可塑、硬塑状的花岗岩风化残积土-砾质粘性土和砂质粘性土，含砂量多，为相对含水层且透水性好，尤其是残积土遇水易软化分解，水浸泡易发生崩解和流砂，甚至塌方，隧道围岩整体上稳定性较差，属于特殊性的土层。”工程难点及措施：（1）矿山法开挖断面大，最大开挖断面宽14.7m，高10.007m，而隧道覆土厚度薄，仅7.8m，隧道顶上有2-3m厚含水砂层及淤泥层，在花岗岩地层进行如此大断面的浅埋暗挖法施工在国内少见。（2）矿山法隧道上方为广汕公路及北环高速元岗特大桥，车流量及人流量极大，道路下方有电信电缆、给排水管、煤气管等管线密布，且元岗特大桥51号桥墩条形基础位于隧道正上方，坐落在砂层上，距离隧道顶部仅3.8m，在如此复杂环境条件下进行如此大断面隧道开挖在国内更是少见的。根据已有的设计情况和地质状况，并结合前期摸索出的经验，经过不断总结，提出较适合于本地质情况的设计方案，促进本工程的实施。即以变更设计图为主，地面旋喷桩加固(结合管线加固布孔)与洞内双层超前小导管相结合为辅，局部掌子面小导管注浆；无法进行旋喷桩加固的位置(元岗桥下)在地表做钢花管注浆，掌子面预案为全断面做深孔预注浆的施工方案。此施工方案在国内时首创的，在国际上也是罕见的。实践证明，此方案是合理的、可行的并具有一定的经济和社会效益，同时也得到业内专家的认同，值得在同类工程中推广。3 广州地铁的建造对周围环境带来的影响3.1地铁建设产生的地质环境问题地铁施工过程或建成后会对周边的地质环境造成一定的影响，产生的地质环境问题。例如，地铁施工排水作用在浅覆盖岩溶区可能造成地面塌陷、变形，也会造成地下水资源减少；还可能因排水破坏地下水平衡而诱发轻微地震；在沿海地带还可能因地铁施工排水引起（地下）海水入侵。掘进过程可引起采空塌陷，岩溶泥砂溃塌或突水，这些地质环境的变化可改变生态环境，影响人民的生存环境。如果地铁在地面水体下穿过，地面水可能通过顶部的裂隙倒灌入地铁内。此外地铁施工过程中在穿过断层带或含水层时还可能遭遇断层或含水层突水。这些都会造成人员和设备损失，拖延工期，增大投资。地铁建设产生的地质环境问题主要有：（1）地铁施工排水疏干引起的环境问题：地面变形（浅覆盖岩溶区地面塌陷）；地下水资源减少、枯竭；地面水倒灌；诱发地震；施工排水造成的污染；海水入侵。（2）掘进引起的环境问题：包括岩体失稳、岩崩、滑坡以及岩溶泥砂溃塌。（3）施工污染的问题：如生态污染、水资源污染、土壤污染及放射性污染。（4）坑道突水：包括断层突水、含水层突水及局部突水。（5）掘进技术条件引起的：如岩尘爆及各种坑道变形。3.2 地铁建设对建（构）筑物的影响3.2.1地铁工程产生的建筑物沉降地铁工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，隧道的开挖施工将不可避免地扰动地下岩土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。地下岩土体的开挖会引起地表沉降和变形，地表沉降到一定的程度，将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。而地铁线路一般都会穿过人口密集、地面建筑物林立、地下管网密布的市中心繁华地段，该区段对施工产生的地表位移和变形的要求都很高，施工方法的选择如稍有失误，将会造成不可估量的损失。因此隧道开挖施工时，要与保护城市中有历史意义和经济、社会意义的设施协调起来。随着城市地铁工程在我国的蓬勃发展和大量持续的修建，为了保证隧道工程的进行以及周围建（构）筑物的安全，必须控制由隧道开挖引起的地表移动及变形。3.2.1.1地铁工程引起地表沉降的程度主要因素：（1）地层和地下水条件；例如，在广州地铁二号线越秀公园站的施工过程中， 北基坑在人工挖孔桩施工时，因失水问题出现了不均匀沉降，使得紧邻北基坑的广州体育馆拱部出现细微开裂，在东侧大厅隔墙出现大量斜向裂缝等。（2）隧道埋深和直径。（3）施工方法。其中，施工方法的影响更为明显。同样的地质条件和设计，不同的施工方法引起的地表沉陷会有很大的差异。（4）地铁工程邻近的载荷：地铁邻近的建筑载荷；地铁邻近基坑开挖；隧道近距离穿越；地铁列车振动。广州地铁工程的埋深较浅，一般在25m以内，无论是车站的明挖还是区间的暗挖形式，在土质较差的地层中，由于施工过程的降水、排水，不可避免地引起地面沉降。当沉降量较小时，沉降对建筑物一般不会有严重的影响，但如果沉降量过大将会导致开挖基坑周围或隧道顶面建筑物和地下构筑物的损坏（如图3）。因此在地铁设计、施工时必须保证建筑物地基变形计算值不大于地基变形允许值。例如：（1）地铁二号线公园前-纪念堂区间，穿过东风中路段隧道长约60米，埋深12米，工程开挖量达5000立方米，整个过街施工过程中，没有发生过一起塌方事故，地面沉降控制在1厘米，是国家标准3厘米的三分之一，施工对路面行车造成的影响几乎为零。图3：地铁三号线某区间地面沉降情况（2）地铁三号线下穿番禺区大石镇厦滘村近400米，出现深达1米的大面积塌陷，其沿线20多幢房屋已出现不同程度的墙面地面开裂、屋体倾斜等现象。目前已有十多户居民被迫搬离。3.2.1.2 地铁工程产生建筑物沉降的解决对策对于可能发生地面沉降的区域，主要通过预测地面沉降发生的可能性及其危害程度，具体方法有：（1）通过沉降观测，进行信息化施工并预估沉降量，预测其发展趋势；（2）合理采取先进的施工工艺及施工方案，预先对可能发生的地面沉降量作充分考虑；（3）结合水资源评价，研究确定地下水资源的合理开采方案，控制地下水超采。3.2.2地铁工程对地下管线的影响3.2.2.1 地铁工程影响地下管线的主要原因大规模的地铁工程建设势必对城市地下管线造成影响。严重的会导致地下管线因变形过大而破坏, 甚至造成严重的经济损失和社会影响。因此，对于地铁工程影响邻近地下管线的问题必须给予足够的重视。广州市地下埋设的各种管网，如给水、排水、电力、燃气及通讯管线等，地铁隧道和车站施工将进行大量的土方开挖，使周围土压力发生变化和土体位移，可能导致邻近管道的位移和不均匀下沉而造成损坏，甚至可能会引发管线泄漏、中断；同时施工勘察施钻时也容易直接对管线造成破坏。例如：（1）广州地铁三号线首通段的体育西路站，四周都是高层商用楼和住宅小区，地下管线密集。建设地铁车站，需要把原来埋在地下的各种电线、水管、煤气管道迁移到周边小区地下。（2）广州地铁五号线在黄埔区港湾路和大沙东路交接处下钻勘察时，不小心把煤气管道钻破，造成煤气泄漏，造成附近数万人紧急疏散。3.2.2.2减少地铁工程对地下管线影响的对策 解决这个问题的关键首先是在施工前要能正确的预测管线的受力和变形, 然后综合考虑管线的使用功能、埋设年代、材质构造、接头型式等因素, 借助已有的控制标准对管线的安全性做出评价。防止施工对地下管线的损害可以采取如下措施：（1）在工程的开挖或掘进过程中，根据地质条件和地下水情况进行有效的土壁支护，如板桩支撑、壁板式或柱列式连续墙，既可挡水又可防水，对邻近地下管线和建筑物影响较小；（2）随着超声波探测、电磁波探测的发展，尽可能将地铁施工影响范围内的管线情况调查清楚；（3）对无法回避或直接受影响的管线进行迁移。3.2.3 地铁工程产生的振动带来的影响振动的影响包括：施工期机械设备振动对周围居民、有保护价值建筑物的影响；运营期列车运行时的振动对周围居民、有保护价值建筑物的影响。3.2.3.1 地铁工程振动影响的主要原因地铁线路一般会经过城市人口和建筑物密集的地区。地铁运行时产生的振动通过高架线、隧道等结构，经由岩土介质向周边地层表面和建筑物基础传播，引发地铁周边建筑物和环境的振动，以及由振动引起的结构二次噪声，从而影响地铁周边居民的工作和生活。3.2.3.2 减少地铁工程振动影响的对策该问题的解决可从两方面入手，即减轻“振源”的振动和控制上部结构的动力响应。减轻“振源”的振动相当于减少输入土层的能量。但如果仅从地铁自身减振问题入手，对于很多情况（既有线路、建筑物距离线路较近，线路上部空间开发利用和特殊的地质地貌以及“振源”自身减振技术的限制等）而言，地铁沿线建筑物的振动效应很难被控制在令人满意的范围之内。此时，从建筑物自身入手，根据地铁诱发的沿线建筑物振动的特性和规律，研发相应的减振理论和装置，是可以达到把地铁系统及其沿线建筑物的振动控制在满足人们工作和生活乃至安全需求范围内的。3.3 地铁工程给周围环境带来不良影响的解决对策：（1）积极保护方法。按照不同的工程地质和水文地质条件，做好盾构选型，施工方案的综合比较，施工技术参数优化，精心设计精心施工，使得对周围环境的干扰最小，从而减少周围建筑物、管线搬迁，加固维修的费用。（2）工程保护方法。根据对地面沉降和土层扰动的预测，吸取同类工程的经验教训，对各种在影响范围内的地面建筑和公用设施具体分析，采取不同的方法。建筑物的工程保护方法有：地基托换、主体加固、隔水墙、保护墙、土壤加固、向加固基础底板下预注浆加固、紧跟沉降发展跟踪注浆、以减少建（构）筑物沉降和不均匀沉降。对地下公用设施管线保护主要有跟踪注浆地基加固或开挖暴露并悬吊保护。盾构和顶管施工应尽量避开建筑群，特别是高层建筑的桩基，因为土压平衡盾构及顶管的刀盘难以切割高层建筑的钢筋混凝土桩体，同时高层建筑进行基础托换也非常困难。4 结束语（1）随着全球经济的发展和城市化进程的加快，地下轨道作为一种新的资源的开发和利用已进入空前发展的时期，广州市紧跟国际步伐正以强劲的势头发展城市轨道交通。广州地铁建设是在人口密集、大型建筑物密集、管线密布等工程条件下进行的，它具有投资巨大，施工周期长、工程地质条件复杂、地下水对地铁建设影响大、施工工艺复杂、周边建（构）筑物错综复杂等特点，因此广州地铁的建设必将伴随着一系列的环境岩土工程问题。（2）随着广州地铁建设进程的加快，地铁工程面临着一系列的机遇和挑战。如地铁四号线地面线一段，应如何在实际中解决占用土地、生态保护和经济效益等问题。在地铁施工过程中，除了对建（构）筑物、地下管线等造成影响，还在不同程度上对生态环境、人民生活，经济发展乃至整个社会秩序造成影响。因此，在地铁建设时，应综合考虑各个方面的影响因素，确保地铁施工中及竣工后的地上环境、地下环境、工程结构本身都安全可靠，从而更大地发挥地铁的功能，实现其社会价值。（3）为减少地铁沿线地质环境对地铁建设的不良影响：首先，应以预防为主，即采取合理的施工工艺和技术方案，将产生的地面沉降、深层土体扰动降低到工程变形允许范围内；其次，对既有建筑物和地下管线进行监测、托换、补强、加固等工程措施，保证在施工扰动发生后不致产生较大的影响；再次，在开工前应对沿线建筑物及管线做好详细记录，包括摄影和录像。根据不同的结构形式、使用功能和地质环境条件采取不同的保护对策。此外，相关部门还应密切结合广州地区的实际情况，分析地铁工程对环境的影响以及可能出现的环境岩土工程问题，并提出解决这些问题的方法和建议，在地铁建设过程中不断总结，对地铁工程的评价应从定性分析向定量分析转变，改进勘察、设计和施工方法，并不断地进行技术创新，以便为今后的勘察、设计和施工提供科学依据。（4）地铁建设在勘察、选线、确定设计方案和施工方法、计算建设成本和建设周期以及运营期间的维护等方面都与所处的地质环境有密切的关系。地质环境影响地铁建设，地铁建设又会改变地质环境或产生新的地质环