地铁建设遇土岩复合地层安全风险综合管控技术

张晨光，徐耀德，卢 蓉，刘 丹，林 平，方 磊，张 飒

(1.北京市建设工程安全质量监督总站，北京 101100； 2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

0 引言

“十三五”以来，我国进入轨道交通建设飞速发展阶段，北京市城市轨道交通建设强度、速度位于全国乃至世界前列。根据《北京市城市轨道交通建设规划线网初步方案(2011—2020年)》，北京市地铁要形成“中心城棋盘式+新城放射式”的线网格局，线网规模达到世界领先水平。以2020年为例，北京市城市轨道交通在建线路达16条(段)。随着我国城市规模的不断扩大，地铁线路日趋增多、线路网络不断织密，地上、地下的复杂结构对城市地铁建设技术提出了更高要求。

北京地铁所涉地质条件或地层结构以第四系土质地层为主，但随着北京地铁建设线网的增加，不少线路已经或将要往西、往北方向延伸，会遇到更多的土岩复合地层或基岩隆起情况，因其特殊的突变式地层结构、存在土岩界面且界面起伏较大、组合形式多变、地质突变频繁和赋存基岩裂隙水等特点，给地铁工程建设带来特殊和严重的安全风险，应对此予以足够重视。因此，在北京地铁建设过程中对该类地层进行风险研究非常必要。

1 土岩复合地层(含基岩隆起)特征概述

1.1 土岩复合地层(含基岩隆起)定义

广义的土岩复合地层包含基岩隆起现象，是指工程开挖深度范围内，上面为第四系土层、下面为第三系之前(含)岩体层的2种岩体工程特性相差悬殊的复合式地层结构或地质现象，如图1所示。

图1 某矿山法隧道穿越土岩复合地层或基岩隆起示意

基岩隆起是指工程开挖深度范围内，第四系地层为主、一定区域内存在的凸起基岩层、岩面有一定起伏，且基岩局部隆起明细甚至出露地面的一种特殊土岩复合地层形式或特殊地质现象[1-3]，如图1 及图2所示。

图2 基岩隆起示意

1.2 土岩复合地层(含基岩隆起)分布

北京地区地质条件或地层结构主要由广大的北京平原区和西部、西北部局部分布的浅山区构成。其中主体平原区由五大水系(大清河、永定河、温榆河、潮白河及蓟运河)及其二级河流联合冲洪积而成。

平原区地层主要由人工填土、局部分布的新近沉降土和广泛分布的第四系黏性土、粉土、砂卵石地层组成，相应赋存有上层滞水(局部区段存在水囊)、阶地或层间潜水、潜水或潜水～承压水和承压水等各种松散孔隙水类型，基岩埋深总体较大，局部区域基岩埋深较浅，形成土岩复合地层甚或基岩隆起的特殊地质现象，可能赋存第四系土岩界面水和基岩裂隙水。而京西、京西北的浅山地区及与平原区相结合的区段部位更易形成土岩复合地层甚或基岩隆起现象，土岩界面水和基岩裂隙水赋存相对更普遍[4-7]。

根据工程总结研究，土岩复合地层主要分布于北京地区山前冲洪积平原区域，西部和北部基岩顶面埋深较浅，南部和东部相对较深。基岩上覆第四系土层多以人工填土、新近沉积土、黏性土、卵砾石层和残积土为主，基岩主要为砾岩、泥岩，局部为玄武岩。

基岩隆起多分布于北京市区西部平原区局部区段(公主坟、军事博物馆、北京西站、北宫等一带较为突出)，向西基岩面逐渐抬升，向东基岩面逐渐向地层深部延伸。基岩岩性主要为砾岩和泥岩(相对偏软)，局部砂岩(相对偏硬)，详细分布如表1所示。

表1 已建地铁发现土岩复合地层或基岩隆起分布范围初步统计

1.3 土岩复合地层(含基岩隆起)岩土特性

土岩复合地层的岩石力学特性主要表现为“上软下硬”，其地层上部为土层，下部为岩层。土岩复合地层在工程上既有土层的相对软弱性，又具备基岩的高强度性。

土岩复合地层存在岩土交界面，岩土特性表现为典型的上软(土)下硬(岩)地层；工程开挖范围内土岩界面起伏大，地质突变较频繁，岩体风化程度不一；可能同时存在第四系孔隙水和基岩裂隙水现象，部分地段的基岩与土层的交界面地下水水量较大，局部具有承压性。

基岩隆起区周围地层与基岩的岩土力学性能差异明显，“周软中硬”特征突出，即岩石强度显著高于周围地层，力学差异明显。同时，岩面有一定起伏，凹槽处易存留第四系孔隙水，基岩隆起区段地下水常有“水丘”现象。

2 地铁建设遇土岩复合地层(含基岩隆起)易引发安全风险

2.1 明挖法工程

明挖法在土岩复合(含基岩隆起)地层中施工，主要存在的风险为明挖基坑在基岩面起伏较大的情况下，易产生围护结构变形及围护桩嵌固深度不足而造成的基坑失稳坍塌，且岩层界面会向坑内发生倾斜，存在土岩界面滑动风险。基岩隆起的地层还会发生基坑开挖过程中围护桩渗漏风险，如图3所示。

图3 基坑桩间土渗流水

2.2 矿山法工程

矿山法施工遇到土岩复合(含基岩隆起)地层易引起开挖面的失稳坍塌、初支结构的突然变形、隧道或掌子面的坍塌、泥沙倒灌及地表沉陷等风险，如图4所示。除此之外，基岩隆起结合地下水的影响，由松散地层向基岩隆起开挖的过渡带，易形成软弱滑动面，出现土体坍塌风险。地下水易在土岩分界面(岩体表面)汇集成水流，易引发隧道渗漏、涌水涌砂风险。

图4 导洞渗漏水并导致拱顶及右侧拱腰处出现局部土体松动与滑塌

2.3 盾构法工程

盾构法施工中盾构机穿越土岩复合地层时，上部软弱地层较易被刀盘切削进入土仓，但下部坚硬岩层不易被刀盘破碎，易出现盾构转速难以控制、盾构偏移轴线、刀盘开裂、刀具卡死、盾构损坏、隧道变形难以控制、前方土体反复过大扰动导致地层坍陷风险，并易引发地面沉陷、管线破裂、渗水、周边建(构)筑物破坏等施工风险，如图5所示。遇到基岩隆起情况，会造成盾构穿越区土层性质不均匀，造成始发接收加固不佳、盾构姿态难以控制及裂隙水突涌渗漏等。

图5 盾构管片渗水

3 地铁建设遇土岩复合地层(含基岩隆起)安全风险控制关键技术

3.1 勘察要求及技术要点

不论采用何种工作进行施工作业，土岩复合(含基岩隆起)地层在进行勘察时要查明建设工程范围内的土岩分界面，土层与基岩隆起的过渡段若对工程影响较大，则应加密勘探点。还需探明岩石产状、风化带特性、抗压强度、裂隙发育情况及富水特性等。土岩分界面是地下水的汇集界面，也需查明基岩界面水的分布。

除以上勘察要点外，针对矿山法与盾构法施工情况，还需对隧道拱顶存在的砂土、粉土等地层的分布特点及黏粒含量等进行重点探测。尤其在土岩结合面附近进行施工时，应加强超前地质预报，关注地层突变，地层变化较大时应进行补充勘察。必要时结合设计、施工等进行动态勘察，及时调整相关参数。

3.2 风险控制设计技术措施

3.2.1明挖法工程

明挖法设计措施包含适当加长围护桩的嵌固深度，或加长锚杆(索)长度。对土岩交界面及下部的界面水和基岩裂隙水进行基坑内径向注浆止水。若一个基坑采用不同支护形式，在支护体系转换处应采取加固措施，减小桩间距、增加嵌固深度。

3.2.2矿山法工程

矿山法工程遇土岩复合(含基岩隆起)地层，应采取合理布置槽眼、合理选用炸药品种及其用量、尽量防止欠挖等设计措施。采用半断面深孔注浆时，应对上覆散粒砂卵石层进行加固。当基岩存在裂隙水，设计时应当做好相应计算，并进行应急设计。

3.2.3盾构法工程

盾构法工程遇土岩复合(含基岩隆起)地层应加强基岩裂隙水处理，必要时在加固前采用止水、降水综合治理方式。盾构机宜采用复合式刀盘，盾构机采用主动铰接形式，根据地层强度特性选择匹配的刀具，配备超挖刀，并根据地层情况进行设计。合理布置滚刀与先行刀的比例，制定合理的刀具更换计划，在进入特殊地层前进行刀具更换。当地层水压过大时，宜采用泥水平衡盾构机，并具备泥浆/泡沫功能。在地表沉降控制较困难地区，设置试验段，用以调整盾构掘进设计参数。

3.3 现场施工风险管控及技术措施

3.3.1明挖法施工

明挖法施工措施包含进行地质条件核查时，应对该类型复合地层情况进行重点核查；施工前应进行超前地质预报，对该复合地层及其界面裂隙水提前采取应对措施。编制试桩方案进行试桩，确定相关施工参数。对于硬度较高的基岩隆起，主要有旋挖钻+合金筒钻取芯处理法与全套管全回转钻机取芯处理法。采取围护结构外侧深孔注浆止水、止水帷幕和降水等措施进行地下水控制。土方开挖前应对影响基坑稳定性的基岩隆起上覆不良地层，尤其是富水砂层提前加固，必要时采用物探、钻探取样等方法对加固效果进行检测。

3.3.2矿山法施工

矿山法在土岩复合(含基岩隆起)地层中所采取的施工措施有通过探孔对基岩风化程度和强度突变及地下水情况进行等超前探测，同时对掌子面进行地质素描，对前方塌方的可能性进行预判，并提前采取应对措施。对影响隧道稳定性的基岩隆起上覆不良地层尤其是富水砂层提前进行加固，必要时可采用物探、钻探取样等方法对加固效果进行检测。制订分部爆破方案解决临时竖撑掘进过程中吊脚的通病。

3.3.3盾构法施工

盾构法施工在遇到土岩复合(含基岩隆起)地层时掘进施工前可采用超声波障碍物探测手段，进一步详细探明土岩结合面和基岩隆起的具体情况。可采用主动破除突出基岩的方式，提高始发接收范围内土层、岩层的地层参数均匀性。盾构始发及接收时提前对隧道周边软弱土层进行加固改良，减少软硬差异，防止盾构机偏离轴线。防止盾构机抬头，在始发掘进时将盾构中心线适当调低。采用竖直抽芯和水平探孔相结合的检测方式检查洞门加固效果。对于出现超挖超排的位置，做好记录，盾尾到达时，有针对性增加浆液注入量。根据周边围岩选择合适的同步注浆材料，掘进过程中及时进行足量注浆；根据测量数据及时进行二次注浆。掘进过程中注意观察盾构机掘进的异常情况及掘进参数的异常变化(如速度突然变慢、推力及扭矩突然增大、刀盘振动、盾构机有异响声等)，判断是否碰到基岩凸起，掘进过程中随时监测刀具和刀盘的受力状态，确保其不超载并观测刀盘是否受力不均，以防刀盘产生变形等。

3.4 施工监控量测及应急措施

3.4.1监控量测

针对土岩复合(含基岩隆起)地层施工中需对地表水、裂隙水等地下水进行监测，对于地质突变区段，须进行地质超前探测，加强包括爆破振动、噪声和地表沉降等监测工作。开挖过程中，应做好支护结构、地表及周边环境监测，以监测数据动态指导施工。根据设计图纸中的监测项目、频率和预警控制值做好地面、洞内及围岩压力等各项监测及其预警、反馈及控制工作。在施工影响范围内有重要建(构)筑物、重要管线或管道和密集住宅小区等，需设置深层监测点，加强对路面沉降的监测。

3.4.2应急管理

现场应准备必要的应急物资和设备，在开挖面桩间出现失稳或渗漏征兆时，应及时采取补强加固等措施。矿山法施工时若出现坍塌，则应先封闭掌子面，再进行回填、注浆。如发生涌水、涌砂，无补给的涌水、涌砂以疏排为主，有补给的涌水、涌砂优先考虑截断水源。

险情发生后及时按应急预案程序向有关单位报告险情并及时组织抢险，避免事态扩大，避免事故次生灾害和衍生灾害发生。

4 案例分析

4.1 工程概况

某地铁车站C出入口由敞口段和通道段2部分组成，其中敞口段长26.5m、宽7.2m、深度最大为14m，采用明挖分仓倒挂井壁法施工；通道段长58m、宽6m、高4.6m，采用CRD暗挖法施工，导洞采用台阶法施工(见图6)，标准段及人防段采用拱顶直墙结构形式(其中人防段通道宽7.5m、高5.3m)，标准段下穿热力管线段为平顶直墙结构形式，高3.9m。对埋深较大的2，4号导洞开挖，遇岩层时采用钻爆法施工。

图6 C出入口及开挖工法分段示意

该附属结构施工存在暗挖通道下穿5 000mm×3 000mm热力管沟(通道顶距离热力管沟底板垂直竖向距离最近为0.64m)、下穿1 800mm×1 500mm雨水盖板、下穿DN1 200雨水管和下穿DN300污水管等地下管线或设施(见图7)，为加强对这些环境风险源的保护，分别在C出入口车站方向与明挖竖井方向马头门处施工前采取φ108管棚超前支护措施(见图8)，管棚采用顶进法施工。

图7 C出入口所涉环境风险源示意

图8 管棚剖面

图9 C出入口地层及结构剖面

工程区域内岩性主要为玄武岩，上覆以黏性土、黏性土与碎石混合土为主的第四纪地层，向南碎石混合土层有层厚变大趋势，上覆黏性土层相应变薄；基岩埋深变化较大，由几米变至五六十米，为典型的土岩复合地层结构，且开挖面范围内(平纵剖面)地层变化和岩土界面起伏大，上覆土体较松散、稳定性差。

场地主要赋存3层地下水：潜水(分布于埋深较浅的碎石类土层中，水位变化较大)、承压水或土岩界面水(分布于埋深约25m以上的碎石类土层和混合土中，承压性强且承压水头变化较大)和基岩裂隙水(赋存于深部的玄武岩中，具有一定承压性)。总体上工程区域地下水较丰富，尤其近几年来受地表水生态放水补偿地下水和降水量相对偏大等影响，施工期间地下水位变化且抬升较大的概率较大。地下水控制方案为洞内深孔注浆阻水+洞内集水抽排措施。

4.2 工程安全风险概况

C出入口敞口段明挖竖井施工开挖期，竖井附近地表监测点累计值最大-6.58mm，速率最大测点为0.61mm/d，远低于变形控制值(见图10)，地表和竖井围护结构安全风险可控。但明挖竖井曾出现坑底积水隐患，经加强集水坑明排后及时消除。

图10 C出入口明挖竖井及附近监测点分布

但C出入口暗挖通道1号导洞下穿DN300污水管施工中，曾出现2次监测橙色预警情况：一次是因拱顶覆土浅、污水管线渗漏水可能导致地层疏松或水囊，深孔注浆控制不合理，导致注浆堆积，使地面发生局部隆起而发生地表隆起累计值和速率橙色预警；另一次是受开挖施工反复扰动和开挖位置上方道路社会车辆多的影响，且深孔注浆浆液凝固产生一定空隙，使地面发生局部收缩沉降，发生地表沉降速率橙色预警，如图11与表2所示。

图11 C出入口暗挖通道部分监测点分布

表2 1号导洞引起部分测点监测预警

同时，1号导洞开挖过程中，因下台阶地层为碎石土含卵石地层，含水量较大，拱脚位置渗水、积水较严重，但掌子面和初支结构相对稳定，3号导洞基本未发现渗漏水现象。因此，总体研判为1号导洞暗挖施工存在一定风险。

4.3 风险管控及效果分析

基于上述情况，经四方会商和专家论证，项目部立即加强了引流、积水抽排等洞内抽排措施，及时进行初支背后回填注浆和补充注浆，深孔注浆时严格控制注浆压力和注浆量，并根据监测和注浆效果优化注浆参数。

后续施工中，2，4号井将进入岩层施工，要求正式钻爆施工前应进行试爆，并按实施方案装药量的80%，90%，100%逐步进行控制；针对开挖面前方可能的地质变化，加强地层超前探测预报工作，以制订合理的深孔注浆方案和地下水控制方案；对即将由标准段进入人防段施工和下穿通过DN1 200污水管风险源的区段，应强化超前加固措施，断面转换处采取逐步扩挖、挑高过渡施工措施。

另外，鉴于深层承压水和近期地下水位可能抬升的影响，在C出入口地表一定范围内增设了7口减压井和1口观测井，进行管井降水抽排，以有效降低区域性地下水位，进一步降低开挖施工时的地下水残留及渗漏影响，提高施工期的结构和开挖面安全度。

经采取上述综合处理措施后，后续施工期间，各项监测值趋于稳定且未再发现监测预警，洞内渗漏水现象大为缓解。截至2022年7月底，C出入口通道已与车站站台层结构贯通，安全风险管控取得明显效果。

5 结语

本文集中介绍了北京地区典型地层即土岩复合地层(含基岩隆起)对地铁工程建设的风险。通过分析其岩土地层特性并结合具体施工工法，总结出不同工法遇到土岩复合地层(含基岩隆起)时易产生的安全风险，并结合现场经验从勘察、设计、施工、监测以及应急5个方面提出相应的风险管控措施，给出具体工程风险管控案例，为后期再遇该类特殊地层的地铁工程安全建设提供依据。