廈門地鐵3號線跨海段主要工程地質(zhì)問題及地質(zhì)選線

徐軍政

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

廈門地鐵3號線跨海段主要工程地質(zhì)問題及地質(zhì)選線

徐軍政

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

廈門地鐵3號線跨海段線路為其控制性工程、重難點(diǎn)工程?？绾５囟蔚刭|(zhì)情況極其復(fù)雜，基巖面波動起伏，風(fēng)化深槽發(fā)育，海底地形起伏較大，如何在地質(zhì)復(fù)雜地段進(jìn)行方案比選，是跨海段地質(zhì)勘察的工作重點(diǎn)。從地質(zhì)條件、線路條件、風(fēng)險、工期、造價等因素進(jìn)行分析，對跨海段方案進(jìn)行綜合比選，確定出相對優(yōu)化的推薦方案，為軌道交通跨海段的線位研究提供可借鑒的思路。

軌道交通；跨海段；工程地質(zhì)；地質(zhì)選線

1 工程概況[1]

廈門地鐵3號線是連接廈門本島與翔安東部副中心的西南—東北向骨干線，包含主線和支線兩部分。主線起于廈門火車站，沿湖濱東路、長岸路、湖里大道、枋湖北二路、規(guī)劃鐘宅路、規(guī)劃石厝路、翔安東路敷設(shè)，終至翔安機(jī)場，串聯(lián)了廈門火車站及周邊、湖里老城區(qū)、五緣灣片區(qū)、翔安海西商貿(mào)中心、翔安南部新城、翔安機(jī)場及空港經(jīng)濟(jì)區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域。支線起于浦邊站，沿規(guī)劃石厝路、城場路、翔安南路敷設(shè)至廈大翔安校區(qū)。

3號線全長44.92 km，共設(shè)站30座。其中主線全長37.86 km，地下段長32.10 km，高架段長5.76 km，敞開段長0.45 km；共設(shè)車站 26座(換乘站12座)，其中地下站 23座，高架站3座；支線段全長7.06 km，地下段長1.35 km，高架段長5.57 km，敞開段長0.14 km；共設(shè)站4座，均為高架站。

五緣灣站—會展中心站區(qū)間長5.1 km，五緣灣站為2、3號線換乘車站，車站站位穩(wěn)定，線路出五緣灣站后沿著現(xiàn)狀枋湖北二路前行，線位穩(wěn)定；線路下穿枋鐘路后，進(jìn)入地質(zhì)情況復(fù)雜的海域地段；出海域后進(jìn)入會展中心站與規(guī)劃的會展中心及規(guī)劃的道路下方，站位穩(wěn)定。

跨海段位于主線五緣灣站—會展中心站區(qū)間，海域段長約3.68 km。如圖1所示。

2 自然地理與地質(zhì)環(huán)境

2.1 自然地理特征[2]

跨海段(五緣灣—翔安東界)屬港灣，兩側(cè)為灘涂潮間帶；翔安區(qū)段以坡殘積臺地為主，局部為沖海積階地或海侵洼地。島內(nèi)段沿線主要順延現(xiàn)狀道路或穿越居民區(qū)等建筑密集區(qū)，場地及周邊地下管線、地下構(gòu)筑物及周邊建(構(gòu))筑物繁多，島外段沿線場地環(huán)境條件較為簡單。

圖1 廈門地鐵3號線跨海段隧道工程位置示意

廈門屬亞熱帶海洋性氣候，月平均最低氣溫12.4 ℃(2月)；月平均最高氣溫28.5 ℃(7月)。本地區(qū)降水主要集中于4～8月，多年年平均降水量1183.4 mm，年最多降水量1 998.8 mm，日最大降水量239.7 mm(1973年4月23日)。多年平均霧日數(shù)22 d(能見度≤1 km)。年平均相對濕度78%。本地區(qū)春、夏兩季以SE向風(fēng)為主，秋、冬兩季以NE向風(fēng)為主，每年5～6月下午常有較強(qiáng)的NE或SW向風(fēng)，平均風(fēng)力3～4級，最大風(fēng)力5～6級，瞬時極大風(fēng)力可達(dá)7～8級。

沿線地表水主要分布在海域，廈門東海域水域面積較廣，隧道軸線水域?qū)捈s3.8 km，近廈門島內(nèi)段存在小石虎礁，一般水深20 m，最深處25 m左右；翔安側(cè)水下岸坡平緩，一般水深10 m，海底平坦。島外無常年性河流水系分布，主要接受大氣降水補(bǔ)給，沿線尚零星分布有魚塘。

根據(jù)地下水含水層平面位置及性質(zhì)，可分為陸域地下水和海域地下水兩段。據(jù)其賦存形式分為松散巖類孔隙水、風(fēng)化基巖孔隙裂隙水及基巖裂隙水。

2.2 地層巖性特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和鉆探揭示，沿線場區(qū)地層主要為第四系覆蓋層及燕山期侵入巖兩大類。

沿線地層巖性分布及特征見表1[3-4]。

表1 沿線地層巖性分布及特征

2.3 場地地震效應(yīng)與區(qū)域穩(wěn)定性

廈門地區(qū)的大地構(gòu)造處于大陸板塊邊緣活動帶，在福建省構(gòu)造單元劃分中屬于閩東火山斷拗帶和閩東南沿海變質(zhì)帶，主要是在原有斷裂基礎(chǔ)上的活動，都具有正反向、多期交替活動的特點(diǎn)。構(gòu)造作用主要發(fā)生于中生代，構(gòu)造形跡則表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造為主。斷裂構(gòu)造主要發(fā)育北東、北北東斷裂、東西向斷裂和北西向斷裂。分別受長樂-南澳區(qū)域深斷裂帶、廈門-南靖區(qū)域大斷裂帶和永安-晉江區(qū)域大斷裂帶控制。廈門大陸部分屬于緩慢的不均勻上升區(qū)，相對應(yīng)的海面屬下降區(qū)。

對隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造具有控制意義的斷裂構(gòu)造為長樂-詔安斷裂帶和九龍江斷裂帶。近場區(qū)斷裂主要有北東向鐘宅斷層組(F11穆厝斷層、F12五通斷層、F13官潯斷層等組成，并與 F16尚中斷層交匯)，東排山斷層組(由F27東排山斷層、F28宋洋斷層等組成)。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，廈門市地震動峰值加速度為0.15g(相當(dāng)于抗震設(shè)防烈度7度區(qū))，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組屬第二組。

3 主要工程地質(zhì)問題

3.1 斷裂

地震物探解譯顯示場區(qū)存在3個基巖斷裂破碎帶，斷裂破碎帶巖體風(fēng)化嚴(yán)重，基巖面埋藏深，其中 F1斷裂帶基巖面高程(1985國家高程基準(zhǔn))小于-50 m，F(xiàn)2斷裂帶基巖面高程(1985國家高程基準(zhǔn))小于-55 m，F(xiàn)3斷裂帶基巖面高程(1985國家高程基準(zhǔn))小于-60 m[2]。

3.2 砂土液化

場區(qū)分布在翔安側(cè)海域的4-3層飽和粉細(xì)砂、4-4層飽和中、粗、礫砂在地震烈度為7度時會發(fā)生液化。

3.3 殘積土、深厚全～強(qiáng)風(fēng)化層、風(fēng)化囊

場區(qū)基巖為燕山晚期花崗巖，殘積土一般呈灰黃與灰白相雜的花斑色，除石英顆粒外，其他礦物基本風(fēng)化為高嶺土(屬親水礦物)；土體孔隙率高，干燥狀態(tài)顆粒間有一定結(jié)合力，遇水后由于親水礦物迅速與水相結(jié)合，形成泥狀物，導(dǎo)致強(qiáng)度急劇降低；地下水位以下的0.5 mm以下細(xì)粒土多呈軟塑～流塑狀態(tài)。在動水壓力作用下，細(xì)粒土易流失，使?jié)B透系數(shù)不斷增大，從而產(chǎn)生涌泥和塌坍現(xiàn)象。

巖體風(fēng)化分帶比較明顯，一般隨著深度的增加，自上而下巖體的風(fēng)化程度由全風(fēng)化帶向中微風(fēng)化帶呈漸變過渡。本次鉆探深度范圍內(nèi)主要為全風(fēng)化帶及散體狀強(qiáng)風(fēng)化帶。除石英外其他礦物基本風(fēng)化為黏土礦物(主要為高嶺土)，巖石結(jié)構(gòu)仍可辨，顆粒間結(jié)合力完全喪失，巖體呈礫質(zhì)黏性土或砂質(zhì)黏性土狀，水穩(wěn)性差，遇水即崩解，地下水位以下細(xì)粒土呈軟塑～流塑狀[4-5]。

花崗巖風(fēng)化帶的另一個顯著特點(diǎn)是差異風(fēng)化特別明顯，殘積層及全～強(qiáng)有強(qiáng)風(fēng)化巖體囊狀風(fēng)化特征，風(fēng)化帶的均勻性差，風(fēng)化界面復(fù)雜，增加了巖土工程勘察和施工的難度。風(fēng)化帶中普遍存在中等～微風(fēng)化殘余體(球狀風(fēng)化特征)，中等風(fēng)化帶中也會有強(qiáng)風(fēng)化巖體囊狀風(fēng)化特征，風(fēng)化帶的均勻性差，風(fēng)化界面復(fù)雜，增加了巖土工程勘察和施工的難度。

圖3 線位1方案縱剖面

本段共有8處揭示風(fēng)化殘余體，其中水域段5孔，陸域段3孔；殘余體揭示塊徑在0.6～6.6 m，大部分為中等風(fēng)化殘余體，少量為微風(fēng)化殘余體。

4 地質(zhì)選線

4.1 概述

跨海地段地質(zhì)情況極其復(fù)雜，基巖面波動起伏，風(fēng)化深槽發(fā)育，海底地形起伏較大，在對水文、地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)勘察的基礎(chǔ)上，如何在既定的工期內(nèi)，在確保施工及運(yùn)營期結(jié)構(gòu)安全的前提下，選擇最優(yōu)的跨海線位、適合的線路埋深及安全可靠的跨海施工方案是專題研究的重難點(diǎn)[6]。

根據(jù)該海域地質(zhì)情況綜合分析得出，適合該工程的施工方法為盾構(gòu)法及礦山法，同時結(jié)合區(qū)域物探成果，確立了地質(zhì)及施工方法確定線位的原則。分析該片海域的物探成果可得出，北側(cè)區(qū)域基巖、風(fēng)花槽呈“島”狀分布，南側(cè)區(qū)域基巖呈現(xiàn)“條帶”狀分布[7]。西側(cè)基巖面較高，局部深槽發(fā)育；東側(cè)基巖面較低，局部基巖突起，該片海域物探成果詳見圖2。

注：圖中藍(lán)色越深代表中等風(fēng)化基巖面埋深越大圖2 海域段物探成果

礦山法選線盡量讓隧道洞身在中、微風(fēng)化地層中穿越，避開風(fēng)化深槽、軟弱地層；盾構(gòu)法選線盡量讓隧道洞身穿越軟弱地層，避開基巖突起地段[8]。按依據(jù)上述原則，分別選定了5條平面線位?，F(xiàn)將5條線位分述如下。

4.2 礦山+盾構(gòu)方案[9-10]

4.2.1 線位1(礦山+盾構(gòu)方案)

分析物探成果：近本島側(cè)海域基巖面較高適合礦山法施工，近翔安側(cè)海域基巖面較低適宜盾構(gòu)法施工，因此無論單純采用盾構(gòu)法還是礦山法均無法很好適宜該類地層的施工，依據(jù)全國海底隧道施工的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新性提出了“礦山+盾構(gòu)”的施工方案。

線位1按礦山法選線原則確定線位平面，平面選線盡可能避開物探成果平面圖中深色區(qū)域，線路全長5 068 m，線路縱剖面詳見圖3。五緣灣站—本島岸邊陸域段長1 204 m，隧道洞身穿越地層主要為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，該段地層適宜采用盾構(gòu)法施工；海域段K15+303.756～K17+785.767段，洞身穿越中、微風(fēng)化花崗巖，適宜采用礦山法施工，該段采用礦山法施工需要穿越風(fēng)化深槽、軟弱地層段為1 098 m；海域段K17+785.767 0～會展中心段長1 538 m，洞身穿越全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，適宜采用盾構(gòu)法穿越該段地層，該方案工期為49個月。該方案平面區(qū)間5個，其中反向區(qū)間2個，線路最大坡度為28‰，線路全長5 068 m，曲線長度為1 783 m，曲線占35.18%。

4.2.2 線位2(礦山+盾構(gòu)方案)

在選定線位1的基礎(chǔ)上，嘗試向北盡可能多地避開風(fēng)化深槽、軟弱地層等不良地質(zhì)，按礦山+盾構(gòu)方案的選線思路確定線位2。線路全長5 203 m，線路縱剖面，見圖4。

圖4 線位2方案縱剖面

五緣灣站～本島岸邊陸域段長1 204 m，隧道洞身穿越地層主要為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，該段地層適宜采用盾構(gòu)法施工；海域段K15+304.624～K17+535.954段，洞身穿越中、微風(fēng)化花崗巖，適宜采用礦山法施工，該段采用礦山法施工需要穿越風(fēng)化深槽、軟弱地層段為1 098 m；海域段K17+535.954～會展中心段長1 921 m，洞身穿越全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，適宜采用盾構(gòu)法穿越該段地層，該方案工期為63個月。

該方案平面區(qū)間5個，其中反向區(qū)間2個，線路最大坡度為28‰，線路全長5 203 m，曲線長度為1 250 m，曲線占24.02%。

4.3 全盾構(gòu)方案

復(fù)合式盾構(gòu)是近年來軟硬不均等復(fù)雜地質(zhì)條件催生而出的一種盾構(gòu)工法形式。該類型盾構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)是能夠同時開挖軟硬不均地層，能夠更好地適應(yīng)地質(zhì)條件的變化。廣深港客運(yùn)專線深港隧道、獅子洋隧道都是國內(nèi)采用復(fù)合式盾構(gòu)的成功案例[11]。

該方案平面選線依次通過控制點(diǎn)1、2、3，控制點(diǎn) 1為避開基巖面較高地段，控制點(diǎn)2～5為風(fēng)化深槽發(fā)育地段，該方案線路平面詳見圖5。

圖6 線位3方案縱剖面

圖5 線路平面控制點(diǎn)示意

線路出五緣灣站后，隧道洞身穿越地層主要為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，適合盾構(gòu)法施工，因此在該段區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，因五緣灣站僅預(yù)留盾構(gòu)接收條件，因此盾構(gòu)機(jī)需在區(qū)間風(fēng)井始發(fā)，在五緣灣站接收，該段區(qū)間長1 100.989 m。區(qū)間風(fēng)井～會展中心站長4 000 m，該段區(qū)間隧道洞身穿越全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部基巖面突起，地層適宜采用盾構(gòu)法施工，采用2臺泥水平衡盾構(gòu)從會展中心站始發(fā)，在海中與礦山法區(qū)間對接。

經(jīng)過分析后，海中泥水盾構(gòu)管片直徑可選擇11 m單洞雙線大盾構(gòu)、8.5 m雙洞中盾構(gòu)方案、6.7 m三洞小盾構(gòu)方案及7.7 m雙洞中盾構(gòu)方案。該段地鐵區(qū)間需多次穿越上軟下硬地層，盾構(gòu)推進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制。相對于直徑6.7 m小盾構(gòu)方案，該方案線路縱斷面需下壓8.8 m，且會展中心站為側(cè)式車站，影響車站使用。因此該方案不適合本區(qū)間。

4.3.1 線位3(全盾構(gòu)方案)

線位3按盾構(gòu)法選線原則確定線位平面，平面選線盡可能避開物探成果平面圖中淺色區(qū)域，線路全長5 083 m，線路縱剖面詳見圖6。隧道洞身穿越地層主要為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中、微風(fēng)化花崗巖，隧道穿越中微風(fēng)化花崗巖長度為759 m，該方案工期為43個月。

該方案平面區(qū)間7個，其中反向區(qū)間2個，線路最大坡度為28‰，線路全長5 083 m，曲線長度為2 155 m，曲線占42.04%。

4.3.2 線位4(全盾構(gòu)方案)

線位四按盾構(gòu)法選線原則確定線位平面，平面選線盡可能避開物探成果平面圖中淺色區(qū)域，線路全長5 119 m，線路縱剖面詳見圖7。隧道洞身穿越地層主要為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中、微風(fēng)化花崗巖，隧道穿越中微風(fēng)化花崗巖長度為1 027 m，該方案工期為46個月。

圖7 線位4方案縱剖面

4.4 線位5(礦山+盾構(gòu)方案、全盾構(gòu)方案)

線位5按盾構(gòu)法選線原則確定線位平面，平面選線盡可能避開物探成果平面圖中淺色區(qū)域，線路全長5 077 m，線路縱剖面詳見圖8。隧道洞身穿越地層主要為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中、微風(fēng)化花崗巖，隧道穿越中微風(fēng)化花崗巖長度為1 411 m，該方案工期為56個月。

圖8 線位5方案縱剖面

4.5 方案比選

綜合分析地質(zhì)條件、線路條件、風(fēng)險、工期、造價等因素(表2)，線位1線路平面順直、工期及不良地段的長度均較優(yōu)，因此推薦線位1(礦山+盾構(gòu))方案。

表2 方案比較

5 結(jié)論

目前，廈門地鐵3號線過海隧道工程專題研究報告專家咨詢會推薦線位1(礦山+盾構(gòu))方案作為初步設(shè)計(jì)階段工作的依據(jù)。

跨海段屬濱海堆積區(qū)，通過主要地層為黏性土、全強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖、中微風(fēng)化花崗閃長巖，局部為中風(fēng)化輝綠巖巖脈，場地復(fù)雜程度屬中等復(fù)雜，沿線環(huán)境條件復(fù)雜程度屬中等復(fù)雜。通過對跨海段5個方案進(jìn)行綜合比較，從地質(zhì)條件、線路條件、風(fēng)險、工期、造價等因素進(jìn)行分析，綜合考慮縮短跨海段線路長度，降低工程風(fēng)險，縮短工期等因素，確定出相對優(yōu)化的推薦方案[12]?？梢钥闯?，地質(zhì)條件優(yōu)略對跨海段工程的風(fēng)險、投資、可實(shí)施性等有著不同程度的影響，前期線位選擇中需要考慮場區(qū)的地質(zhì)條件。

[1] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.廈門市軌道交通 3 號線工程可行性研究報告[R].天津：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2014.

[2] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.廈門市軌道交通 3 號線過海隧道工程專題研究報告[R].天津：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2014.

[3] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2007.

[4] 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊[M].4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[5] 楚涌池.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[6] 何振寧.區(qū)域工程地質(zhì)與鐵路選線[M].北京:中國鐵道出版社，2004.

[7] 韓毅，李雋蓬.鐵路工程地質(zhì)[M].北京:中國鐵道出版社，1988.

[8] 龔彥峰，胡威東，梅江兵.鄭州軌道交通1號線盾構(gòu)法區(qū)間隧道技術(shù)總結(jié)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(11)：88-91.

[9] 彭萬利.通灌鐵路選線設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(9)：29-32.

[10]李劍明.盾構(gòu)空推過礦山法隧道新工藝[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(11)：93-96.

[11]李洪祺.復(fù)合式盾構(gòu)在重慶地區(qū)復(fù)合地層的適應(yīng)性分析[J].建筑與工程，2011(9)：678-683.

[12]馬輝.廈門軌道交通2 號線跨海段線路方案比選研究[J].鐵道勘測與設(shè)計(jì)，2013(5)：46-53.

Major Problems in Geological Engineering and Alignment of Xiamen Metro Line 3 Cross-sea Section

XU Jun-zheng

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an710043， China)

The cross-see section is a critical part of Xiamen metro line 3 with extremely complex geological conditions and fluctuated bedrock surface wave， weathered deep groove and big submarine topography fluctuation. How to fulfill scheme comparison remains a key issue in geological investigation of the cross-sea section. Cost and other factors are analyzed with respect to geological conditions， line conditions， risks， progress schedule of the project， and comprehensive comparison is conducted to determine relatively optimized scheme and provide concepts to study the alignment of rail transit line cross-sea section.

Rail transit; Cross-sea section; Engineering geology; Geological alignment

2015-03-04；

2015-03-13

徐軍政(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于長安大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：13993764@qq.com。

1004-2954(2015)11-0018-05

U231+.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.005