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地铁隧道穿越断层破碎带的工法选择及辅助施工措施分析

随着我国城市化进程的不断加快，修建地铁已成为不少城市缓解交通压力的选择。我国现已规划发展城市轨道交通的城市已超过54个，全部规划线路超过400条，总里程超过15000km。到2020年，将有40个城市建有地铁，总里程可达7000km。我国城市地铁建设方兴未艾，已经从一线城市延伸至二、三线城市。但由于地铁建设规模的不断扩大和受到城市空间格局的限制，在地铁建设过程中会不可避免地遇到一些不良地质地段，其中穿越断层破碎带及其影响区域就是地铁建设面临的重难点问题。因此笔者以福州地铁6号线穿越严义山断层破碎带为例，对比分析了不同工法的可行性及应对措施，以为类似工程提供参考与借鉴。
1 断层破碎带特征及工法选择难点
断层破碎带是岩层受各种地应力作用后发生断裂的结果，断层破碎带的宽度有大有小，与断层的规模和力学性质有关。按形成时的受力状况可分为压性、扭性和张性3种断层破碎带。其主要特征为破碎性和波动性，部分断层破碎带内的裂隙由矿物充填，呈网状脉络，规模大致相当于断裂带范围；部分断层破碎带内充填有由断层壁撕裂下来的岩石碎块、碎石和断层作用而成的黏土物质，有的被重新胶结起来形成破碎岩、断层角砾岩等。断层破碎带往往具备规模差异大、物质成分复杂、地下水丰富、力学性质突变等特征。
目前，我国地铁隧道施工技术较为成熟的工法有：盾构法、矿山法、隧道掘进机法（TBM）和明挖法，但以上各种工法都有其难点，如盾构法需要提前解决断层破碎带内直径较大的岩石碎块和孤石；矿山法在施工过程中要面临断层破碎带的涌水涌砂、地层坍塌、冒顶等风险；隧道掘进机法（TBM）面临断层破碎带的涌水涌砂、隧道掘进机卡死等问题；明挖法需要降水、基坑支护，且需要严格控制开挖深度。
2 工程案例
2.1 工程概况
福州地铁6号线整体呈东西走向，是福州市轨道交通主要线路，西起仓山区南台岛会展中心，东至长乐国际机场。严义山断层破裂带位于地铁6号线的第10个区间（吴航站—鹤上站区间）范围内，该区间从吴航站出发，沿现状东鹤路行进一段后，下穿严义山、鹤梅线和北山村村庄，终于鹤上站，该区间总长为1359m。该区间内有1、2号2个施工竖井，将区间划分成3个小区间（见图1）。其中2号竖井—鹤上站小区间长约为337m，地质情况较差，主要为冲洪积成因的淤泥质土、粉质黏土、薄砂层，已经确定采用盾构法施工。对于长为200m的吴航站—1号竖井小区间和长为822m的1号竖井—2号竖井小区间，因存在区域断层破碎带和穿越严义山隧道路段，工法选择困难。

2.2 地质水文条件
根据多种勘察成果表明，严义山断层破碎带范围内主要有中微风化花岗岩地层、凝灰岩地层、碎裂凝灰岩地层、辉绿岩地层和正长斑岩地层，该断层存在2个主断层破碎带和多个次断层破碎带，其中第1个主断层破碎带靠近吴航站，线路内的影响宽度为200m，构造带内主要为断层泥地层、构造角砾岩地层、碎块状强风化地层。该构造带具有明显的富水特征，现场地下水甚至沿着钻孔的孔口直接溢出地表，抽水试验结果表明，其渗透系数为7.79～21.10m/d，属于中等透水～强透水地层。第2个主断层破碎带位于严义山的山腰部位，主要表现为沿岩脉两侧不对称分布的糜棱岩化带、构造角砾岩带、劈理化带以及密集节理带。各个带之间无明显界面，呈渐变过渡关系。严义山断层破碎带空间分布见图2，各地层相关参数见表1。

2.3 不同工法对比分析
1）吴航站—1号竖井小区间
吴航站—1号竖井小区间隧道结构底板埋深为21～36m，且全部位于第1个主断层破碎带范围内，线路范围内主要有构造破碎带、砂土状强风化凝灰岩地层和碎块状强风化凝灰岩地层，局部底部为中风化凝灰岩地层，另外在区间范围内包含有4块孤石，具体地质剖面见图3。根据以上地质情况对比分析盾构法、矿山法和明挖法3种工法的优缺点，见表2。

从表2可以看出，盾构法的缺点明显多于优点，而且性价比较低，首先予以排除。矿山法和明挖法各有优点和缺点，但是从工程造价、社会风险和环境影响角度考虑，矿山法优于明挖法，因此建议吴航站—1号竖井小区间采用矿山法施工较为可行。但是该工法施工须进行必要的地下水防治措施，以洞外降水为主、洞内止水为辅，建议在沿隧道轴线外各布置1排降水井，降水井间距为20～30m不等，将洞内水位降到隧道洞底以下方可采用矿山法进行开挖。第1个主断层破碎带范围内降水井布置见图4。

2）1号竖井—2号竖井小区间
1号竖井—2号竖井小区间隧道结构底板埋深为25～108m，且遇到第2个主断层破碎带和多个次断面，线位范围内主要有节理裂隙密集带、构造破碎带、中-微风化花岗岩地层、中-微风化凝灰岩地层以及后期侵入的辉绿岩地层、正长斑岩岩脉地层。根据以上地质情况对比分析矿山法和隧道掘进机法（TBM）2种工法的优缺点，见表3。

从表3可以看出，1号竖井—2号竖井小区间路段从工程风险、经济性和工期考虑选择矿山法较为可行。
2.4 矿山法辅助施工措施
1）针对矿山法特点，穿越严义山断层破碎带应按照“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”的原则进行组织施工，开挖初支施工完毕后，加强仰拱距掌子面、二衬距掌子面的步距控制，及时施作仰拱和二衬施工，合理安排二次衬砌并尽快封闭成环，以确保现场施工安全。
2）在断层破碎带范围内，考虑到岩体十分破碎，地下水丰富，开挖前应进行完整的排水系统设计，合理布置隧道内积水坑和排水管道，及时排出涌出的构造裂隙水，防止拱脚受到长期浸泡被腐蚀。
3）隧道采用台阶法施工时，应严格控制下半台阶开挖厚度及用药量，减小扰动，防止拱部围岩失稳。同时按设计及施工规范要求对水平收敛值、拱顶下沉值进行严格监控量测，并将量测结果及时反馈，以便指导施工。
4）在开挖前必须用地质雷达、超前小导坑等做好超前地质预报工作，同时做好预加固、预支护等辅助施工措施。
3 结语
我国各大城市的地铁建设均已进入了大发展时期，在建设过程中将不可避免地遇到各类性质的断层破碎带，断层破碎带往往具备规模差异大、物质成分复杂、地下水丰富、力学性质突变等特征，目前地铁隧道施工常用的盾构法、矿山法、隧道掘进机法（TBM）和明挖法4种工法，均有其适用的地层，也各有自己的优缺点。因此只有从技术、风险、经济、工期等多方面考虑，才能选择出最适合的工法。在福州地铁6号线穿越严义山断层破碎带工程中，吴航站—1号竖井小区间存在盾构法、矿山法和明挖法3种工法可供选择，1号竖井—2号竖井小区间存在矿山法和隧道掘进机法（TBM）2种工法可供选择，经过各项对比分析后最终采用矿山法进行施工，并针对该工法提出了各种辅助施工措施。目前该隧道工程已经顺利施工过半，证明了以上工法的选择和辅助施工措施是正确而有效的。

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