福州地铁勘察过程中若干难点问题探讨

程 庭

(福州市勘测院 福建福州 350001)

0 引言

根据《福州市轨道交通网络规划》(2012 年修编)，福州市轨道交通线网拟由9条线组成，总长338.12km，设站 216 个[1]。目前，1号线一期工程已通车运营，1号线二期工程、2号线计划2019年通车， 4、5、6号线和机场快线也正在如火如荼的建设之中，预计从2019年开始福州将实现每年贯通一条地铁线路的态势。大规模的地铁工程建设带来了大量的岩土工程勘察工作，地铁工程的勘察涉及的内容较多，本文拟从地铁工程的特点出发，同时结合福州地区特定的地形、地貌和地质特点，挑选出几个在福州地铁勘察过程常见但容易出现差错的难点问题进行探讨，比如，地层定名、钻孔孔深、地下水水位量测、渗透系数、地下水腐蚀评价等问题，以期总结过去的不足之处，为后续的福州地铁勘察提供经验。

1 福州地形地貌、地质特点

福州盆地是一山间断陷盆地，盆地四周山岭环抱，城区在盆心，盆地边缘为山地和丘陵，海拔高程均在500m 以上，盆地内部是冲积海积平原，高程约3m～5m，平原上分布着诸多岛状花岗岩残丘，如高盖山、乌山、于山、屏山等，闽江、乌龙江穿越盆地中心。 区内地貌类型，主要包括山地地貌(构造侵蚀中低山、低山)、丘陵地貌(侵蚀高丘、侵蚀低丘、剥蚀残丘)、 堆积平原地貌(冲积平原、冲洪积平原、冲海积平原、风积平原)以及河谷地貌[2]。

福州盆地浅部地层为第四系地层，深部地层为侏罗系上统南园组火山岩和燕山晚期(γ53)侵入的中粗粒黑云母花岗岩、钾长花岗岩、花岗闪长岩形成的复式岩体。第四系堆积层层布于盆地之中，披覆于燕山晚期侵入岩及火山岩之上，地表可见的火山岩主要分布于盆地边缘的崇山峻岭。

福州盆地地层从上及下，主要为全新统长乐组、全新统东山组、上更新统龙海组、更新统残积层，底部为火山岩或花岗岩及其风化层地层。其中，长乐组地层分布广泛，为福州地铁建设影响最大的地层，为一套海陆交互相沉积，地层相对复杂，最大厚度 77.91m，其不整合覆盖于东山组之上；该套地层的冲洪积、海积层为灰黑色淤泥、粘土、砂质粘土、中细砂、砂砾卵石。东山组地层以灰白、黄绿色粘土、砂质粘土、含泥中细砂为主，局部夹薄层泥质砂。龙海组地层以棕黄、灰黄、灰色泥质砂砾卵石为主，局部夹薄层棕黄，灰绿色砂质粘土，为陆相冲洪积沉积。残积层主要由花岗岩类岩石和火山岩类岩石经长期物理化学和生物化学风化作用而成，与母岩成过渡关系，分布在盆地低缓残丘边部[3]。

2 地铁勘察过程中难点问题分析

福州地铁相对于全国其它城市的建设时间相对较晚，于2009年才开始地铁1号线的可行性勘察，之后于2013年开始2号线的勘察，从2015年之后陆续开始了地铁6号、5号、4号和机场快线的勘察工作。由于福州地铁勘察和建设相对缺乏经验，在福州特定的水文地质和工程地质条件下，勘察过程中或多或少走了一些弯路。下文选择其中5个难点问题进行分析。

2.1 地层定名问题

福州盆地受闽江的多次变道、闽江水量差异变化和全新世“长乐海侵”事件等影响[3]，盆地内地层多呈相互交杂、包裹、透镜体状分布，混合土的特征较为突出，不同地区不同深度的地层差异较大，很难形成诸如上海、华东、华北地区大范围内相对稳定的沉积地层。因此，在福州地区，精确的地层定名成了地铁这类复杂地下工程的首要任务。根据省标《岩土工程勘察规范》(DBJ13-84-2006)要求，关于混合土的定名分成了两大类，即并列类名称和前缀类名称，其中碎石类土、砂类土自身之间相互混合的土层应采用并列类名称；而对于碎石类土和砂类土与粉土和黏性土之间的混合，应采用前缀类名称。如，当含泥量或含砂、砾石量较小时(<10%)一般不加前缀；当含泥量或含砂、砾石量增多时(10%～25%)，一般在加上前缀“(含泥)”或“(含少量***)”；而当含泥量或含砂、砾石量大于25%时，则加上“(泥质)”或“(含***)”前缀名称。此外，当同一土层相间呈韵律沉淀，当薄层与厚层之比大于1/3应定为 “互层”，厚度比为1/10～1/3时应定为“夹层”，厚度比小于1/10时，且多次出现时应定“夹薄层”。

在勘察过程中，若将地层的定名过于简单化，本该按照混合土进行定名和分类定成了单一定名，很容易误导设计单位将本身透水的地层当作隔水地层使用，从而可能导致车站的基坑降水过程存在较大的偏差。省标要求当地层内砂土的含量小于10%时，一般不加以前缀，但是根据地下工程的特点，其对地层的含水量和渗透特征十分敏感，即使粉土或黏性土内夹杂的少量砂土也影响了该地层的渗透系数。如，表1中的1～3号土样，当土样较为纯净时其水平和垂直渗透系数数量级为10-7cm/s，但是当土层内夹有少量粉砂时(4～7号土样)，其水平和垂直渗透系数数量级变为10-6cm/s，且具有水平向的渗透系数明显大于垂直向，说明该沉积地层具有层理关系，因此在地铁勘察过程中，最终4～7号土样定名为淤泥质土夹薄层砂。当地层中的砂土含量进一步增多时，如将图1所示土样采取于闽江两侧路段，深度为23.2m～32.6m，根据土工试验结果其<0.075mm粒径的含量比例为63.1%～89.9%，余下的成份以粉砂和细砂为主，如仅仅按照室内土工结果定名，可定为(含少量粉细砂)淤泥质土或(含粉细砂)淤泥质土，但是结合到野外描述的地层特征，砂层与淤泥质土呈韵律沉淀规律，且两种地层之比大于1/3，其水平和垂直渗透系数数量级为10-6～10-5cm/s(8～10号土样)，因此该地层最终定为淤泥质土与粉细砂交互层。

图1 淤泥质土与粉细砂交互层地层

综上分析，在福州地区地铁勘察前，应充分调研本区的地层特点，做到有的放矢。在土的定名过程中，应以现场描述为基础，同时结合实验室的开土记录和土工试验结果综合确定，尽量避免单一途径来定名。另外，鉴于地下工程对地下水十分敏感的特征，在定名过程应尽可能将土层里面是否含砂和含砂量多少的特征描述出来，从而引起地铁各参与方的重视，避免在方案选择时出现差错。

表1 部分土样室内渗透系数及其定名

2.2 关于车站钻孔深度问题

福州地区的软土和强透水砂层、卵砾石层发育广泛，且厚度差异较大，据区域调查资料表明盆地内软土发育了3层：第一层软土为全新世长乐组上部的淤泥，为河口海湾相沉积，厚 2.2m～21.2m；第二层软土为全新世长乐组中下部的淤泥或淤泥夹砂，层厚4.5m～14m；第三层软土为晚更新世龙海组上部的淤泥质土层，层厚2.0m～20m[2]。强透水的各类砂层、砾石、卵石孔隙水，也可大致分成3个不同的含水层，即表层潜水含水地层、上层承压含水层和下层承压含水层，含水地层的厚度差别较大，局部厚度甚至达30.0m[4]。

根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》 GB50307-2012要求，地铁车站的钻孔深度应进入结构地板以下的中风化和微风化地层不小于3m～5m，其它地层为控制孔不小于25m，一般孔不小于15m[5]。在地铁2号线勘察初期，为了节省勘察费用，钻孔深度严格按照规范要求执行，仅少量控制性钻孔穿透了软土和强透水的砂卵石地层，大部分钻孔没有完全揭穿软土和强透水地层，尤其在闽江沿江地段强透水的含水层深度较大区域，如地铁2号线的祥坂站，车站底板底部为<3-8>卵石地层，该层底埋深42.00m～68.00m(标高-60.29m～-35.07m)，在基坑底部与<3-8>卵石地层之间存在相对隔水的粉质黏土和淤泥质土地层又多不连续的情况下，因多数钻孔深度未达到含水层底板，导致设计单位在采用连续墙落地方案，还是采用基坑坑底止水方案的选择上存在困难。为了最终确定支护方案，该车站选择了部分钻孔进行补充勘察，从而导致了勘察工作反复和工期延误。在后续勘察过程中，经业主和设计单位进行协商后，调整了车站勘察钻孔的深度，要求所有车站主体结构钻孔均穿透软土和强透水地层，并进入含水层底板3m～5m，基本上解决了勘察孔深度满足规范要求，但不满足设计要求的尴尬问题。此问题也体现出地铁勘察过程中勘察与设计单位及时沟通的重要性，受前期勘察工作深度和精度的影响，在后续地铁勘察的过程中经常会遇到前期工作未曾揭露的地层，有些地层的深度和厚度也发生了一些变化，而这些变化有可能影响到设计单位最终的设计方案，因此建议勘察单位在前期的外业勘察阶段，就应经常性邀请总体单位和设计单位进行外业巡查，在巡查过程中及时发现问题并解决问题。

2.3 渗透系数问题

根据地区经验，福州盆地内的淤泥、淤泥质土、黏土、砂层和卵砾石等地层很少呈单一地层出现，尤其在闽江古河道和现状河道附近，基本上都是两种或两种以上地层交互或包裹在一起,如图1所示。因此，在地层渗透性和各项物理力学指标上与纯净的地层存在较大差别，其中渗透性差别尤为突出，如表1中纯净的淤泥、淤泥质土和黏土地层的渗透系数数量级一般为10-7cm/s，可认为不透水地层，但是在福州盆地内以上地层一般夹杂薄层～中厚层砂，有些地方甚至表现为混砂，这些含砂淤泥、淤泥质土和黏土地层出现弱～中等透水性特征，局部甚至强透水性特征。此外，福州地区的地层渗透系数，表现出水平向的渗透系数明显大于垂直向渗透系数的特征，如表1内的1～8号土样，有时水平向甚至高出垂直向1～2个数量级，如表1内的9～10号土样，该特征与含砂地层的成层状沉积过程密切相关。

此外，福州盆地内的强透水砂、卵石地层的渗透系数，受其间填充的物质不同，不同位置和不同深度也表现出较大的差异。比如，五四北浅层的龙海组(含泥)碎卵石、(泥质)碎卵石地层和南台岛中南部的深层泥质砂砾卵石地层渗透系数就相对较小，渗透系数在5.00～9.05m/d范围内(表2中编号1～4)；而对于闽侯上街、乌龙江两侧附近区域的卵石地层渗透系数则高达到40～55m/d(表2中编号5～6)。因此，在福州地区各地，不同深度的渗透系数均差异性较大，有时甚至在名字看起来相近甚至类似，但是受其所处的地质年代不同，卵石的粒径、组成物的比例和卵石填充物不同，其渗透系数差异较大，有时甚至是数量级上的差异。因此，基于福州盆地内强透水砂卵石地层以上特点，在地铁勘察过程中不能简单地照搬套用该类参数，而是应以现场抽水试验成果为依据，并综合分析区域地质资料、砂卵石地层成份及其填充物等因素，综合确定该地层的渗透系数。

表2 福州地区不同区域卵石地层渗透系数对比表

2.4 地下水水位量测问题

因地铁车站和区间大部分均位于地下，均涉及到地下水抗浮、抗突涌、抗渗流问题，因此，地下水水位测量是否准确，直接影响到涉及方案以及工程造价。福州盆地内地下水普遍埋深浅，受砂卵石层、黏性土层、淤泥土层沉积韵律的影响，地下水往往表现为多个地下含水层，各层地下水受相对隔水地层的间隔影响，地下水在小范围内、短时间内呈现出不同的水位标高；但是，福州地区的隔水地层往往呈透镜体状分布，在某个车站范围内表现为上下两个含水地层为完全隔断状态，而一旦尺度拉大到一个或者几个区间来看，则上下两个含水地层存在连通的窗口，有时甚至两层并为同一个地层，如图2所示。该车站所在范围内的淤泥质粉细砂地层和深部的含泥中粗砂地层之间存在隔水的粉质黏土地层，但是当空间尺寸拉大后，在车站相邻右侧区间范围内隔水的粉质黏土地层缺失了，上下两个强透水地层完全连在一起。前期勘察过程中，在该车站勘察孔内测得上部淤泥质粉细砂地层的水位埋深为4.35m～6.72m，下部含泥中粗砂地层水位埋深为6.10m～8.65m，下两个砂层含水层的水位差别达2m～3m，但是在后续抽水试验过程中，随着抽水时间的加长，上下两个含水层基本导通，如图2中抽水孔1和抽水孔2地下水流线的源头基本趋同，上下两个含水层测得的水位基本持平。

因此，在地铁勘察过程中，若仅限于某一个局部位置分析地下水含水层结构，可能会得出错误的结论，应适当拉大地层空间，分析上下不同含水层之间是否存在导通的可能性。

另外，在地铁勘察过程中，关于各含水层水位测量时，应尽可能采用抽水试验孔的试验数据；而对于勘察钻探孔内测试的数据，因为其洗孔往往不够彻底，且地下水稳定时间相对较短，测得的地下水水位一般误差较大。

图2 地铁2号线某车站抽水时地下水流线图

2.5 地下水腐蚀性评价问题

地下的车站和区间混凝土结构，多数处于长期浸水或者干湿交替交替状况，地下水的腐蚀性以及腐蚀性介质的不同，对地铁的结构影响重大，一旦勘察不准确或者出现偏差，将导致设计出现较大变更，工程造价增加显著。

表3 福州地区不同区域地下水腐蚀性特征

另外，在地铁勘察过程中，部分车站和区间表现为侵蚀性CO2腐蚀性特征，比如6号线吴航站、5号线凤山路站等均表现出该特征，如表3所示，福州地区属于非灰岩地区，侵蚀性CO2超标主要与地下水内有机质含量有关。根据周边环境调查表明，一般侵蚀性CO2超标路段附近均存在水产、家禽养殖区和地表水明显富营养化的河道、池塘区域，且不同季节和时间段测得的侵蚀性CO2数据差异较大。分析此项超标的原因，即：地表水的有机物经过地下水的循环进入地下，经过微生物的作用，形成侵蚀性CO2超标现象。

综上分析，在地下水腐蚀性评价时，应尽量采集抽水试验孔内的地下水作为腐蚀性判断依据，因为抽水试验是经过严格洗孔和长时间的抽水，在其孔内所取的地下水样能够代表该含水层的水质特征；另外，对于导致腐蚀的物质应分析其来源，是短暂效应还是长期效应，对于短期效应的腐蚀性来源应多次采取水样进行复核，避免出现误判。

3 结语

福州盆地是一山间断陷盆地，盆地内除了岛状花岗岩残丘外，主要为冲积海积平原，受贯穿盆地内闽江的多次变道、水量差异变化和全新世“长乐海侵”事件影响，盆地范围内地层多呈相互交杂、包裹、透镜体状分布，不同地区不同深度的地层差异十分巨大，由此形成了特有的福州地区的地层和地下水分布情况。本文根据已经完成勘察工作的地铁线路情况，挑选几个福州地铁勘察过程中经常遇见的难点问题进行探讨分析，比如地层定名、钻孔孔深、水位、渗透系数、地下水腐蚀等问题，这些问题看似简单，但是一旦疏忽容易出现差错，因此建议在以后勘察过程中，应结合福州本地区的水文地质和工程地质特点，同时充分考虑地铁作为地下工程结构特点，以现场试验和室内试验为基础进行综合性判定，尽可能准确地反映出真实水文和地质情况。