从广州地铁五号线看地质勘察局限性

当地铁建设的热潮席卷中国大城市时，人们发现城市的地下千差万别，有的地层修建地铁相对容易，有的却很难。广州地铁5 号线即将于2009年12月全线开通，回首建设历程，惊叹其穿越的极端复杂的地层，但是为了解决不堪重负的城市交通，地铁建设必须克服无法避免的艰险。

图：盾构机挖掘出来的隧道需要由管片支撑。用混凝土制成的管片每6 片拼接成一环，一环向前走1.5 米，抗压强度50 兆帕。图为记者与黄钟晖正在刚贯通的隧道中。

如果你习惯了北京、西安那样严整的城市街道，遇到了广州不规则的交叉路口，很可能会摸不着头绪。但是少有人知道的是，埋在广州城之下的地层，是一片更险峻的峰林迷宫。广州刚刚贯通的地铁5 号线隧道，就在这片看不见的地层丛林中穿行，它的修建难度远大于其它城市的地铁。

图：广州5 号线地铁，西村至火车站标段的工地，正在为地铁的开通继续施工。

灾害有时无法避免

“隧道内涌出高压地下水， 盾构机尾部击穿！”2007 年10 月一天深夜，地铁建设总部5 号线土建工程负责人黄钟晖刚刚入睡，忽然接到了施工现场的电话。这是非常严重的险情，碗口粗的地下水正在涌入，盾构机和里面的工人都可能被淹没。5 号线的修建过程一直伴随着各种困难，但这一次完全出乎黄钟晖的预料。

这里本不该出现地下水。这段隧道属于火车站至西村站区间，早在施工之前就已经打了间隔25~30 米的地质钻孔，探明了这里的地下是“红层”。红层是一种广泛分布于中国南方的岩层，形成于侏罗纪到白垩纪之间，而广州这一片红层属于白垩纪，那个年代的气候炎热干燥，使得沉积的岩层呈现氧化铁的褐红色，因此被称为红层。这种岩石经过风化后没有发达的裂隙，很难储存地下水。但是这一段隧道却遇到了富含水的空洞，这种情况非常罕见。

“大自然的力量是很强的。有时候其实灾害不可避免。”黄钟晖回忆时这样说道。密封盾构机的机尾刹最多能承受3.5 巴（bar）的压力，相当于35 米的水深。但是事发处是在深达39 米的隧道，机尾无法承受压力而被击穿。涌水量很快达到了每小时200 立方米，盾构机内1/3 已经被淹没。除了人员和机器受到威胁，地下水大量涌出还会造成地面沉降，上面的房屋桥梁也会跟着沉。遇到这样的紧急意外，只能依靠经验当机立断。由于水势过大，涌水点早已被淹没。黄钟晖安排人员一方面快速抽水，一方面用快凝水泥将其他被击穿的位置一一堵住，唯独留下涌水点，通过一个带阀的导管导水，让压力得到释放，以防止机器再次被击穿。盾构机内的水渐渐少了。

可是盾构机外土层中的水怎么办？唯一的方法是在地面钻孔，向土层中注入水泥浆取代水的位置，把水排挤到盾构机掘进范围之外。可是盾构机还在土层中，如果直接注浆，势必把盾构机卡死在土层中。紧急关头，黄钟晖想到了聚氨酯，这是一种经常用来作填充的泡沫材料，质地比较松软。在注入泥浆之前，先用聚氨酯给盾构机“穿一件衣服”，于是既保护了盾构机，又充填了水道。经过事后的勘测，认为这次涌水的原因是地下的一个次生断裂。断裂附近破碎的岩层中填充着灰岩块，在其中形成了溶洞。所幸这个断裂在数万年间都没有继续活动的迹象，对地铁隧道设计应该不会造成影响。

图：地铁火车站站的站台，它是用矿山法挖掘的。这种挖掘方法就是通过竖井直接挖下去，适用于车站等不规则断面。盾构机也是从这里放下去的。

每个城市的地下都不一样

给5 号线地铁修建带来巨大困难的，主要是广州复杂的地下状况。中国大城市都在竞相投入地铁建设，但是建地铁的难易程度各不相同，因为它们的地下是不同的世界。上海的地层最简单，这个城市建立在长三角冲积平原之上，地下基本上是淤泥和沙层，打到80 米都见不到岩石，对地铁的盾构机掘进来说是最容易的，只需要控制好沉降，其他都不用担心。北京和西安的地下情况也类似，地下文物保护的问题也并不严重，因为人类生活在第四系的浅表地层，而地铁隧道的挖掘是在几十米深处，已经远超出了人类活动层。山城重庆的地貌看起来非常复杂，但是大多是单一的岩石，而且重庆大量使用了高架轻轨，问题也不难解决。地层最复杂的还是要数广州。

大约6000 年前，广州市所在的地方还处于海岸附近。那时全新世的冰期已经过去，冰川消融，海水上涨淹没了曾经的河谷，形成一个宽阔的海湾，地质上称为溺谷湾，今天在七星岗还能见到当年海浪冲刷的海蚀遗迹。而珠江水深河宽，约有4 千米宽。到了秦汉之际，泥沙逐渐淤积，珠江两岸才逐渐收窄。泥沙沉积慢慢掩埋了岩石，但是还有一些山丘耸立在泥沙之上，既有沉积岩形成的丘陵，也有火成岩形成的孤峰。而今天的广州地铁就要穿越这些迷宫一样的岩层和泥沙。

红层、花岗岩地层、灰岩地层、混合岩地层、淤泥砂层、溶洞、断裂带。广州的地质层不仅复杂多样，被称为“地质博物馆”，而且变化很大，有时候相隔两米，岩石的起伏方向就不一样。地铁技术人员对于单独某一种地层的性质，例如压力、抗压强度等都比较清楚，但是有时需要临时应变。

正在施工的地铁3 号线北延段，遇到的困难是地下密集的孤石。它们的学名是花岗岩球状风化。花岗岩在风化成泥土的过程中，就像洋葱一样层层剥落，只剩下坚硬的岩芯成为了孤石，有的七八米高，有些两三米。这些孤石成了盾构机的噩梦，就像按不住的螺母，盾构机无法发力，刀盘一直转，就是掘进不了。而且由于孤石群位于南方医院住院部大楼旁，不能采取冲孔或者爆破这样震动较大的方法，只能通过地面挖孔，再切割爆破，有时也能通过盾构机开仓处理。这些孤石在确定地铁线路时并未发现，当时进行的初步勘测并没有发现孤石，直到2007 年底在施工前的详细勘测，才发现这一带地下遍布的孤石群。

图：勘测可以了解地下大致情况，但对地层更详细的细节，它是无能为力。

勘测不是万能的

为什么地质灾害无法在施工之前就勘测出来？地下施工屡屡遇到意外，有人认为是广东地质调查的不足，导致如广州地铁、新白云机场等大型项目开工前根本无地质数据可依，结果往往选在地质灾害区，开工后麻烦不断。但是黄钟晖认为，勘探只能以点盖面，总是会遇到意外的，例如前文所述的红层涌水事件就是如此。

按照地铁施工规定，施工前必须进行每25~30米1 孔的地质钻孔勘测，每往下打1 米需要花费300 元。在勘测中没有发现含水层，但是要想高密度地打孔摸清楚地下情况，又是不现实的。一个隧道的直径是6 米，影响的范围可达18 米，而广州地铁五号线全长32 千米，如果每隔1 米钻1 个勘测孔，要耗费60 多亿元巨资。而且很多地面条件不允许打孔，比如居民区、道路、管线、桥梁。虽然广州在2006 年就启动了针对全市的地质调查工作，并且将于2009 年底制作成广州地下三维图，但那也只能是对地层的普遍特性、分布、形成年代、成因等作一个大致描述，而对一些断裂，尤其是比较细小的次生断裂，还无法作出细致入微的调查。只有在将来地质钻孔越来越密的时候，它才能接近真实的变化中的地质状况。

地质勘测详尽与否，更大程度上取决于工程师主观的经验判断，如果事先感觉到地层复杂，就会有意地加密勘测。5 号线经过草暖公园时，在预先的勘探中知道了那一片是石灰岩地层，有十几米高的溶洞，于是黄钟晖带领施工人员针对性地增加了勘测钻孔，做到每1.5 米一个孔，并且就像医院的CT 扫描那样，用反射波探测溶洞的分布情况。虽然这是国内陆铁首次遇到大规模溶洞群，盾构机还是顺利地通过了。

地质勘探并不是万能的，地铁建设正是在这个前提下为城市交通承担风险。地铁线路是规划局在详细勘探工作之前就定下来的，除非会遇到重大地质灾害，例如穿越活动断层，地层错动可能让建好的隧道遭受毁坏，否则线路不会更改。而地铁工程属于市政项目，社会效益是其主要目标。广州地铁5 号线大部分是穿越广州老城区，能缓解老城区地面交通负担，在每千米约5 亿元的造价下，盈利的可能性不大。“一切为规划服务，再难我们也得上。”黄钟晖这样描述他们的工作。(本文来源：新知客 作者：赵妍)

引文来源  广州地铁建设遭遇奇难地层_网易新闻中心

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　　经过房屋千栋 6次下穿铁路
　　与数百高架桥桥墩擦肩而过

　　据介绍，地铁五号线全线隧道穿越的房屋超过1000栋，而且以老房子居多，部分甚至是上世纪60年代的砖木结构房屋，任何轻微的沉降均可导致房屋沉降开裂，严重的甚至可能危及房屋及居民安全；地铁车站的深基坑与地面房屋距离最近的仅有1.5米；在环市路下，有超过5公里的线路与内环路并行，涉及数百个内环路桥墩，高架桥上车辆川流不息，任何突遇的地质灾害，如控制不当，极易造成桥墩下沉桥体开裂，危及行车安全；盾构机6次下穿繁忙的广茂铁路大动脉，地下在挖地铁隧道，地面每天有100多趟火车飞驰而过，沉降要求极高，必须控制在4毫米以内，如掘进控制不当而造成路基坍塌，将可能导致列车脱轨、翻车的灾难性事故。
　　记者了解到，地铁五号线还是拆迁最为艰难的一条线路：2003年下半年启动拆迁工作，最早动工的点珠江新城站2004年5月开始施工，拆迁最难的一个点杨箕站2008年10月才进场施工，比原动工时间整整晚了5年。

　　为广州地铁史上最难建线路

　　创造多个全国第一
　　第一个盾构机成功穿越溶洞的线路；
　　第一次用盾构机挖出最小曲线半径只有206米的隧道；
　　第一次采用先隧道后车站的创新工法施工，施工点五羊邨站；
　　第一次在珠江新城站至猎德站地下富水砂层进行暗挖施工；
　　第一次采用矿山法洞内桩基托换；
　　第一次采用网络监测系统进行信息化施工。

　　创造多个广州之最
　　地质最复杂：7次穿断裂带，2次穿珠江，还首次碰到巨大溶洞群；
　　风险最大：6次穿广茂铁路，与200多根高架桥桥墩“擦肩而过”；
　　需保护的建筑物最多： 穿越上千栋房屋，以老房子居多；
　　采用盾构法施工最多的线路：长达22.2公里，占全线的69%；
　　暗挖车站最多：暗挖车站的施工难度非常大，多达7个；
　　跨度最大的车站：区庄站，长达24米；
　　地铁线路中隧道最高：动物园站，隧道高达21米，是一般隧道高度的2倍。

　　行全线如逛广州地质博物馆
　　地铁五号线被称为广州有地铁建设以来最难的一条线路。

　　记者采访了解到，地铁五号线所穿越的地质最为复杂，32公里长的线路所到之处，一个不落地把广州的“地质博物馆”“逛”了一遍：红层、花岗岩地层、灰岩地层、混合岩地层、淤泥砂层，穿越了断裂带、富水破碎地层、溶洞，目前广州已建成的地铁一、二、三、四号线，也遇到过许多复杂地质形态，但没有一条像五号线一样，一个不少地全部穿过。5年的建设过程，不断遇到地质灾害，有时甚至是险象环生，惊心动魄，每前进一米，都如履薄冰。

　　拐了一个急弯 考验列车运行
　　据介绍，五号线所穿越的环市路及大坦沙岛灰岩区的溶洞，大的高达几十米，分布极其不规律，盾构穿越溶洞，随时可能发生盾构陷入溶洞，“机毁人亡”的灾难事故。
　　另据介绍，越秀山脚花岗岩地层，岩石抗压强度高达120兆帕以上，而普遍的水泥柱强度约为25兆帕左右，而且都是非常完整的花岗岩，以盾构机的刀具去挖这种超硬的石头，磨损严重，掘进非常困难。环市西路广州汽车站前后地段存在富水的空洞和破碎带，每小时突发涌水量高达200立方米以上，突发的涌水随时可以导致盾构机及隧道淹没，2007年曾遇到隧道内涌出高压地下水，而且涌水量每小时达400立方米，巨大的压力能将盾构机的尾部击穿。多处富水砂层中进行浅埋矿山法和深基坑施工，时刻存在涌水涌砂导致隧道及基坑坍塌，继而造成周边路面塌陷，建筑物沉降的事故。施工方负责人赵合全告诉记者，“这是我们碰到最难的地铁施工项目，不过都一一克服了。”
　　由于增加了动物园站，地铁线路在此处拐了最小半径206米的急弯，对地铁隧道施工以及今后列车的运行也是个新考验。
广州地铁五号线详细地图 [点击图片可见难得的精彩大图]