摘要：指出了福州地铁沿线场区地貌类型复杂，地层多变，地下水丰富，地质条件复杂，地铁规划建设中的地质环境问题较为突出。结合福州特有的地质背景，分析了地铁规划区的地质环境特征，探讨了地铁建设过程中几个主要的地质环境问题：包括隧道与基坑突涌、地下热水、软土地基的沉降变形、砂土液化和软土震陷、残积土及花岗岩风化孤石、地层软硬突变等对地铁施工的影响，并提出了相关建议。
关键词：地质环境问题；地铁隧道；福州
1引言
福州地铁目前规划了7条路线，贯穿整个福州盆地，个别线路（如6、7号线）延伸至长乐滨海一带，线路总长度为179.79km。其中地铁1号线已完成了勘察、施工工作，地铁2号线正在进行勘察工作，其他3～7号线目前处于规划阶段。福州地铁规划区内低丘、残丘广泛分布，内河众多，闽江和乌龙江穿城而过。多条地铁规划路线需跨越丘体或江河，地貌类型复杂，地层变化快，加之地铁隧道工程的特殊性，福州地铁规划建设过程中的地质环境问题不可避免，对其进行分析研究尤为必要。
2地质环境特征
2.1地形地貌特征
福州地铁规划区主要涉及福州盆地和长乐东部滨海平原两个区域。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3～5m，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；长乐东部滨海平原高程约2～5m，地形平坦开阔，其西部以中低山、丘陵为主，海拔高程约177～611m。
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。福州地铁7条路线主要穿越冲积、冲海积平原，局部穿越低丘、残丘地貌。
2.2地层发育与岩土体特征
福州地铁规划区第四系地层厚度约50～70m，主要发育全新统长乐组、东山组及晚更新统龙海组，第四系底部局部发育残积层。第四系地层下部主要发育南园组（J3n）火山岩，燕山晚期（γ53）花岗岩侵入其中，构成了规划区整个基岩底座。其上覆盖厚度的第四系沉积物。福州地铁规划区地层特征见表1。
区内岩土体总体上呈现以下发育规律：地表表层主要以人工填土、粘性土（硬壳层）或河道冲积砂土为主（长乐东部沿海局部地区地表表层发育风积砂土），第四系上部土体以砂土、淤泥及其混合物为主，中下部主要发育砂砾卵石及薄层粉质粘土，底部为残积土和基岩风化物。各层岩土体的基本特征如下。
（1）人工填土在区内地表广泛分布，厚度一般为0.5～3m，局部较厚可达6～7m，工程地质性能较差，承载力约60～80kPa；地表表层粘性土（俗称“硬壳层”）厚度一般为2～5m，承载力约130～160kPa。
（2）第四系上部土体主要发育厚度为20～30m的全新世长乐组冲积（Qh2-3cal）、冲海积（Qh2-3cal-m）砂土、淤泥类软土，或砂与淤泥的混合土体（局部夹薄层粉质粘土），埋深5～25m，其中砂土承载力120～160kPa，淤泥类软土承载力45～65kPa。
（3）第四系中下部土体一般为晚更新世龙海组冲洪积（Qp3lapl）、冲积（Qp3lal）地层（极个别处发育全新统东山组冲积、冲海积粘性土及砂土，厚度1～3m），岩性主要以含泥中细砂、砂砾卵石为主，局部发育冲海积（Qp3lal-m）粉质粘土或淤泥质土。该层砂土一般埋深于25m之下，厚度变化于15～25m之间，承载力为180～250kPa；砾卵石层顶面埋深一般在27～35m之间，厚度变化于2.5～17m，承载力为400～500kPa。
（4）第四系底部局部发育残积粘性土（Qpel），其下为基岩风化带。区内残积土发育厚度一般为1～8m，局部缺失，岩性以含砂粘性土为主，承载力为200～330kPa。基岩风化带包括全风化、强风化、中风化和微风化基岩，其中全-强风化基岩顶面埋深一般在55～65m之间，岩性以灰白色、灰黄色、青灰色粉质粘土或砂质粘土，局部含角砾，承载力为200～500kPa；中风化基岩顶面埋深一般变化于60～70m，岩心呈碎裂状或短柱状，工程地质性能较好，承载力为700～1200kPa；微风化基岩顶面埋深一般大于70m，岩性较完整，裂隙不发育，承载力一般在1500kPa以上。
2.3软土的基本特征
福州地区软土发育广泛，共发育三层[1]。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2.2～21.2m，顶板埋深1.5～22m，呈深灰色，饱和，流塑，高压缩性，天然含水量50%～60%左右，剪切波速为100～200m/s，承载力约45～50kPa；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4.5～14m，顶面埋深15～35m，呈深灰色，饱和，流塑或软塑，中-高压缩性，天然含水量约42%～47%，剪切波速为160～220m/s，承载力约45～65kPa；第三层软土为晚更新世龙海组上部的淤泥质土层，层厚2～20m，顶面埋深25～37mm，呈深灰色，饱和，软塑，中-高压缩性，天然含水量约38%～43%，剪切波速一般在200～250m/s范围，承载力约50～70kPa。
2.4地下水特征
福州地铁规划场区主要位于平原区，场区内地下水类型主要以第四系松散层孔隙潜水和承压水为主，少量涉及风化残积孔隙裂隙水和基岩裂隙水（图1[2]）。
2.4.1第四系松散层孔隙水
按照埋藏条件的不同，区内第四系松散层孔隙水分为潜水和承压水。潜水含水层一般为在闽江、乌龙江沿岸一带的沙洲或长乐滨海的浅部砂层，与地表水力联系大，水位较浅，一般为0.5～1.2m之间，含水量丰富，单孔涌水量可达1885.19m3/d，渗透系数为25.01m/d；承压水分为上下两层，上层承压水赋存于第四系上部发育的全新世长乐组河流相冲积砂层，最大单孔涌水量可达1778m3/d，渗透系数为9.48～19.09m/d；下层承压水赋存于第四系中下部发育的晚更新世龙海组泥质砂砾卵石和泥质中细砂中，水量丰富，最大单孔涌水量1427m3/d，水位埋深2.07～4.87m，渗透系数2.44～5.68m/s[3]。
2.4.2风化残积层孔隙裂隙水
该类含水层主要分布在低山、丘陵、残丘山麓边缘，主要由残积粘性土层和基岩风化物组成，厚度从几米至几十米不等，地下水主要活动于残积层、全风化层的孔隙及中风化层的裂隙之中。该类地下水水质较好，水量受季节性影响变化大，单孔出水量一般为10～100m3/d。
2.4.3基岩裂隙水
基岩裂隙水主要赋存于区内的四周群山中，或隐伏在平原区第四系松散层之下，主要赋存在断裂破碎带、脉岩带及其与花岗岩接触带中，多呈条带状分布，水质较好，富水性大小主要取决于断裂或脉岩破碎程度及汇水条件，单孔出水量一般小于100m3/d，局部100～500m3/d之间。
3主要地质环境问题分析
3.1隧道、基坑突涌
福州地区水位埋深浅（1～4m），地铁隧道一般埋深于地表以下15～21m的深度范围，越江段埋深为20～26m，隧道结构体处于地下水位以下。区内富水含水层主要分布于沿江、沿海一带的砂层及砂砾卵石层中，大部分路段的地铁隧道需穿越该层。由于富水含水层中地下水的水量较大，水头压力大，含水层渗透性强，隧道施工、基坑施工过程中的地下水突涌问题无可避免。局部路段（尤其是越江段）进行盾构施工时易发生突水事故，导致地下水与隧道贯通，对地铁施工造成危险，施工时需采取相应的隔水措施；当采用明挖法进行基坑开挖时，在一定水头压力下易产生流砂、管涌、流土等现象，造成基坑壁倒塌或围岩失稳，需及时采取降水、排水措施。
另外，福州地铁1、3号线在穿越闽江河道砂性土层到达闽江南岸时即遇上花岗岩岩体（图2），该处岩体裂隙发育，在两种地层交界处易同砂层中的地下水发生水利联系，从而发生透水、突水事故。由于地下水的存在，在两种地层交界处改变施工方法、更换施工器械也存在较大困难。
3.2地下热水
福州地热田区北起思儿亭、南到象园、西自五四路、五一路、东至六一路，长约5km，宽约2km，呈北北西向条带展布。福州多条地铁规划路线经过地热田区。福州地热田主要发育两种性质不同的热储层：一为花岗岩类岩石构造裂隙脉状承压热水，二为第四系孔隙层状承压热水。基岩裂隙脉状承压热水主要富水带沿断裂构造带分布，储存深度一般在70m以下，上部覆盖有40～65m厚度的第四系地层，孔口最高水温97.5℃，孔底最高水温108℃，深部热储温度可达130～155℃；第四系孔隙层状热水含水层由泥质砂砾卵石组成，热储层厚度为10～25m，埋深一般在15m以下，该层地热水温度一般可达45～65℃[4]。
福州多条地铁规划路线经过地热田区，尤其是地铁2、4号线（五四路-六一路段）横跨地热田长度达300～600m，地铁隧道隧道埋深一般为15～20m左右，地热田区的地铁隧道主要穿越部分第四系孔隙热储含水层（图3），基本不涉及基岩裂隙热储层[5]。因此，第四系孔隙层状承压热水可能对地铁施工建设产生一定影响，建议施工时采取隔热保护措施。
3.3软土地基的沉降变形
福州地铁沿线工程场地广泛分布第四系海相沉积的淤泥、淤泥质土等软土，且厚度一般达15～40m。该类土体具有天然含水量大、压缩性高、强度低、灵敏度高和透水性低等特点，流变时效明显，在恒载下将产生较大差异沉降和工后沉降，如不作处理，工程地基的次固结和流变沉降将持续十几年或数十年，最终导致地基失稳与土体结构强度破坏[6]。大面积的厚层软土给福州地铁工程带来的风险包括[7]：
（1）软土蠕变及长期强度变化可能导致地铁结构长期处于沉降状态，最终使管片之间裂隙加大，发生漏水、渗水，甚至造成灾害性事故。
（2）车站基坑开挖时，使基坑支护、周围建（构）筑物及地下管线的加固费用增加，同时施工风险也随之增大。
（3）软土分布和厚度不均容易使地铁构造物（隧道衬砌、车站结构、联络通道等）在软硬地层过渡段产生差异沉降，导致结构损坏。
3.4砂土液化与软土震陷
福州地区饱和砂土液化区的分布，明显受闽江、乌龙江及长乐沿海平原一带等河流相冲洪积层和盆地内海相沉积砂层的控制。地铁路线所经过的沿江两岸一带及沿海一带20m深度范围内广泛存在着饱和砂性土，这些地区的饱和砂土一般均存在不同程度的液化性，液化程度一般为轻微-中等等级，局部为严重液化区或不液化区。其中，1～5号线饱和砂土普遍比长乐沿海一带分布的6、7号线的液化程度要低（表2）。一般来讲，本工程场地中液化程度在中等以上的区域主要分布在长乐沿海地区，福州盆地内除个别地区（如乌龙江、城门三江口一带）为严重液化外，其他地区一般为轻微等级，甚至无液化趋势。
福州地区软土剪切波速基本上均大于90m/s，特别是第二、三层软土基本不存在震陷可能。但对于城市新区等地新近沉积的较纯的淤泥，当天然含水量平均值达到65%～70%时，等效剪切波速平均值为80～90m/s左右，此时宜考虑震陷的可能性[8]，如福州地铁2号线的上街镇沙堤站附近地表河流发育，该处上层软土的剪切波速值仅81m/s左右，存在局部震陷的可能。
3.5残积土与风化孤石
福州盆地基底以燕山晚期花岗岩为主，花岗岩残积土分布十分广泛。该类土层兼具粘性土和砂土的性质，在天然状态下工程性能较好，但遇水受扰动后易软化崩解，力学性质显著降低，基坑开挖过程中易造成涌土、涌水现象，施工期间需对该层进行降水措施，保证该层在干燥条件下施工。
在残积土及花岗岩风化层中常有孤石及球状风化核的存在，直径从几十厘米到几米不等。因其岩质坚硬，岩质风化核与周边土体性质差异明显，且其分布特征无规律可循。若遇上较大孤石，可能需进行爆破或搅碎处理，不仅延误工期，而且对桩基和地下连续墙等工程的施工，尤其是盾构隧道施工会造成极大困难。
3.6地层软硬突变
福州地区地质条件复杂，地层发育较多且变化快，地铁隧道在穿越岩土体时经常遇到地层软硬突变的问题，例如从淤泥类软弱土层突变为硬度较大的花岗岩风化层。地层软硬的连续性变化可能产生盾构中心线偏移、盾构上抛、盾构卡壳、刀具磨损严重等一系列问题。另外，由于地层软硬突变而频繁更换盾构器械，给地铁施工带来诸多不便。
4结语
福州地铁规划场区地形地貌变化大，地质环境条件复杂，地铁规划建设过程中遇到的主要地质环境问题主要有：区内沿江、沿海一带的饱和砂土、砂砾卵石等含水层富水性大、透水性强，水头压力大，隧道开挖和基坑开挖过程中易产生突涌问题。福州地铁个别路线局部段需穿越福州地热田第四系孔隙热储含水层，该层地下热水对地铁施工建设可能产生一定影响，建议采取隔热保护措施。区内广泛发育的厚层软土在恒载下易产生较大差异沉降，导致地基失稳与土体结构破坏、强度降低，最终造成地铁结构长期处于沉降状态发生管片开裂现象，从而引起漏水、渗水事故。地铁规划沿线一带20m深度范围内饱和砂性土的液化程度一般为轻微-中等等级，局部为严重液化区或不液化区，中等液化以上的区域主要分布在长乐沿海地区，福州盆地内一般为轻微液化或不液化；区软土剪切波速基本上均大于90m/s，基本不存在震陷可能，但对于城市新区等地新近沉积的较纯的淤泥，宜考虑局部震陷的可能性。区内花岗岩残积土分布广泛，遇水受扰动后易软化崩解，基坑开挖过程中易造成涌土、涌水现象，施工时需采取降水措施；花岗岩残积土风化层中常有孤石等球状风化残核的存在，较大孤石对地铁施工易造成较大困难。区内地层多变，地层软硬突变问题频现，易产生盾构中心线偏移、盾构上抛、盾构卡壳、刀具磨损严重等一系列问题，增加施工难度。
除此之外，区内还存在明浜和暗浜、地下建筑桩基障碍物、城市内涝、人工填土等不利因素，这些因素的存在也给福州地铁规划、建设与施工带来了不利影响，施工过程中应予以重视。
参考文献：
[1] 朱金芳.福州市活断层探测与地震危险性评价[M].北京：科学出版社，2005.
[2] 福建省水文工程地质队.1∶20万区域水文地质普查报告（福安幅、三沙幅、福州幅、浮鹰岛幅）[R].福州：福建省水文工程地质队，1977.
[3] 福建省第二水文地质工程地质队.福州盆地水文地质勘探报告[R].福州：福建省第二水文地质工程地质队，1985.
[4] 福建省第二水文地质工程地质队.福州地热田特征研究报[R].福州：福建省第二水文地质工程地质队，1985.
[5] 中铁第四勘察设计院.福州市轨道交通建设及网络规划环境影响报告书[R].武汉：中铁第四勘察设计院，2007.
[6] 简文彬.福州轨道交通建设中的岩土工程问题[J].工程地质学报，2010，18（5）：751.
[7] 福州城市地铁有限责任公司.福州市轨道交通1号线一期工程施工安全风险评估报告[R].福州：福州城市地铁有限责任公司，2011.
[8] 兰坚强.福州地区软土震陷分析[J].福建建设科技，2006（4）：11～16.
