朱董珠

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西西安710043）

1 工程概況

西安市地鐵臨潼線（9 號(hào)線）一期工程西起西安地鐵一、六號(hào)線的終點(diǎn)站紡織城站，終止于臨潼區(qū)秦漢大道，臨潼線途經(jīng)灞橋區(qū)、曲江臨潼國(guó)家旅游休閑區(qū)和臨潼區(qū)，線路全長(zhǎng)約25km，設(shè)15座車(chē)站，全為地下站。

西安地區(qū)分布有厚度較大的黃土、黃土狀土及砂類(lèi)土，黃土特有的濕陷性給地鐵建設(shè)帶來(lái)較大的困難，同時(shí)地裂縫的分布更是加大了工程開(kāi)挖的施工風(fēng)險(xiǎn)和地面沉降，威脅周邊環(huán)境和管線安全。本文結(jié)合西安市地質(zhì)背景特征，對(duì)9號(hào)線地鐵工程開(kāi)挖中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析、研究，討論地鐵建設(shè)中出現(xiàn)的特殊巖土工程問(wèn)題及其危害，并提出了相應(yīng)措施，為設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)[1]。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

西安市地鐵臨潼線（9 號(hào)線）一期工程呈近東西向展布，沿線地勢(shì)開(kāi)闊，呈東高西低，地面高程409～454m。線路自西向東依次通過(guò)近代洪積扇、灞河階地及漫灘區(qū)、銅人塬塬前洪積臺(tái)地、洪慶河洪積扇、驪山山前洪積扇、渭河二級(jí)階地等地貌單元。

2.2 地層巖性

本線地層主要為第四系全新統(tǒng)（Q4）填土、新近堆積黃土、沖積黃土狀土、殘積黑壚土、沖洪積砂層、粉質(zhì)粘土、粉土及卵石等；上更新統(tǒng)（Q3）沖洪積粉質(zhì)粘土、砂層、圓礫、卵石，新黃土、古土壤等，中更新統(tǒng)（Q2）老黃土，沖洪積粉質(zhì)粘土、砂類(lèi)土等。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告結(jié)論[2],線路整體位于渭河斷陷盆地，以臨潼—長(zhǎng)安斷裂為界，以西為西安凹陷，以東為驪山凸起。對(duì)臨潼線線路有影響的斷裂主要有臨潼—長(zhǎng)安斷裂、驪山山前斷裂西延段。

臨潼—長(zhǎng)安斷裂：臨潼—長(zhǎng)安斷裂為晚更新世以來(lái)的活動(dòng)斷裂，總體走向北東35°～45°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、監(jiān)測(cè)、淺層地震及高密電法測(cè)試結(jié)果表明該斷裂從香王車(chē)輛段通過(guò)，目前沒(méi)有全新世地層垂直錯(cuò)動(dòng)的確切證據(jù)。因此，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，可以不考慮地面錯(cuò)動(dòng)對(duì)地鐵的影響。但臨潼—長(zhǎng)安斷裂規(guī)模較大，上斷點(diǎn)埋深很淺，建議重要的地面建設(shè)工程盡可能不要跨越斷層，必須跨越的按不均勻地基處理。

驪山山前斷裂西延伸段：線路芷陽(yáng)五路至芷陽(yáng)廣場(chǎng)段跨越驪山山前斷裂的西延伸段，驪山山前斷裂西延伸段斷層的主體活動(dòng)時(shí)代在晚更新世晚期至全新世初期，走向總體北東東向，傾向北，傾角為55°～75°，根據(jù)鉆孔資料對(duì)比，下更新統(tǒng)底界與中更新統(tǒng)底界在斷裂兩側(cè)落差分別為180m 和140m，沿?cái)嗔褞淼谒募o(jì)斷層十分發(fā)育，晚更新世和全新世地層中的斷層錯(cuò)距分別為5～10m、2m，晚更新世以來(lái)的平均滑動(dòng)速率為0.2～0.4mm/a，全新世平均位移速率為0.1～0.2mm/a。全新統(tǒng)黑壚土地層可見(jiàn)破裂面，說(shuō)明驪山山前斷裂西延伸段全新世有活動(dòng)。從區(qū)域范圍看，驪山山前斷裂最新活動(dòng)時(shí)代為全新世，線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮地面錯(cuò)動(dòng)的影響。

2.4 水文地質(zhì)

沿線通過(guò)地層主要為第四系松散地層，地下水類(lèi)型主要為第四系孔隙潛水，含水層主要由卵石層、砂礫石、砂類(lèi)土和粉土組成。

地下水主要接受大氣降水、地表水、灌溉水的補(bǔ)給，排泄方式以人工抽取地下水為主。

沿線地下水位變化較大，近代洪積扇區(qū)潛水埋深10～18m，灞河漫灘區(qū)潛水埋深一般1～2m，灞河階地潛水埋深11～15m，銅人塬塬前洪積臺(tái)地潛水埋深15～35m，局部埋深大于50m，驪山山前洪積扇區(qū)潛水埋深10～22m，渭河二級(jí)階地區(qū)潛水埋深16～18m。

2.5 不良地質(zhì)作用

2.5.1 地震液化

根據(jù)地震安評(píng)報(bào)告結(jié)論，本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值0.20g(相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度)，對(duì)場(chǎng)地地面下25m深度內(nèi)可能液化的土層依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50111-2006）（2009年版）進(jìn)行液化判別，結(jié)果顯示擬建場(chǎng)地25m深度內(nèi)的飽和砂土層和粉土均不液化。

2.5.2 地裂縫

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料以及地裂縫勘察的成果[3]，工程沿線地裂縫較發(fā)育，地裂縫對(duì)車(chē)站和區(qū)間結(jié)構(gòu)有很大的影響。根據(jù)地裂縫專(zhuān)題報(bào)告，沿線地裂縫分布情況見(jiàn)表1。

表1 地裂縫分布情況一覽表

2.5.3 地面沉降

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估報(bào)告[4]，現(xiàn)有的西安市地面沉降資料均為1996年以前的監(jiān)測(cè)資料，但自20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，特別是2000年后，由于種種因素的影響，西安幾乎再?zèng)]有開(kāi)展過(guò)大范圍的連續(xù)精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。從專(zhuān)題單位的監(jiān)測(cè)資料分析，擬建工程線路距沉降中心較遠(yuǎn)，評(píng)估區(qū)地面沉降活動(dòng)速率小于5cm/a。在不考慮地裂縫帶可能出現(xiàn)的局部地面差異沉降外，現(xiàn)狀條件下地面沉降危險(xiǎn)性小。

另外，施工期間工程降水可能會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生一定的影響，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減少因降水引起土層有效自重應(yīng)力增加而產(chǎn)生的地面沉降或差異沉降等。

2.5.4 黃土陷穴及人為坑洞

據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查和勘察結(jié)果，灞河河床及漫灘區(qū)存在取砂坑，沿線零星分布有取土坑?？碧竭^(guò)程中，在洪慶車(chē)站附近發(fā)現(xiàn)一枯井，在埋深約40～50m之間有一空洞。

勘察期間在華清池—廣場(chǎng)路區(qū)間發(fā)現(xiàn)有人防工程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和訪問(wèn)，本處人防工程沿東西走向，其規(guī)格約為2.0m（寬）×2.0m（高），長(zhǎng)度延伸20m，距地面下約3～5m，建于20世紀(jì)70年代，已廢棄。其余地段也有存在防空洞、墓穴、窖、枯井、坑洞、滲井、老窯等的可能，施工過(guò)程中應(yīng)引起注意。

2.6 特殊性巖土

2.6.1 人工填土

主要由雜填土和素填土組成，厚度不均，成分雜亂，均勻性差、未壓實(shí)孔隙大，高壓縮性、密實(shí)性差是其主要特點(diǎn)，一般不能直接作為地鐵基礎(chǔ)的持力層。

雜填土以各種垃圾為主，含少量粘性土及碎石；素填土以粘性土及碎石為主，含少量磚瓦碎片，結(jié)構(gòu)疏密不均，成份較復(fù)雜，具有一定的濕陷性。

2.6.2 濕陷性黃土

在灞河階地、黃土臺(tái)塬區(qū)、洪積扇區(qū)上部的第四系新黃土、黃土狀土均存在不同程度濕陷性，第四系中更新統(tǒng)上部部分黃土也存在濕陷性。

對(duì)地面以下、水位以上的地基土采用探井為主、鉆孔為輔的取樣方式進(jìn)行了濕陷性試驗(yàn)，根據(jù)探井試驗(yàn)資料結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 沿線濕陷性黃土分段表

3 主要工程地質(zhì)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

結(jié)合全線的工程設(shè)置及沿線主要不良地質(zhì)作用和特殊性巖土，對(duì)本工程影響較大的工程地質(zhì)問(wèn)題主要為地裂縫和濕陷性黃土、地表沉降變形。

3.1 地裂縫

根據(jù)地裂縫勘察專(zhuān)題報(bào)告，線路經(jīng)過(guò)地裂縫的場(chǎng)地分為兩類(lèi)：二類(lèi)地裂縫場(chǎng)地和三類(lèi)地裂縫場(chǎng)地[5]。

對(duì)于二類(lèi)地裂縫場(chǎng)地，地裂縫活動(dòng)較為強(qiáng)烈，地層中典型的標(biāo)志層（紅褐色古土壤）被錯(cuò)斷，地表變形跡象明顯甚至出現(xiàn)臺(tái)階狀錯(cuò)斷現(xiàn)象，可采用淺埋暗挖法或者盾構(gòu)法施工，建筑物通過(guò)地裂縫時(shí)一味加強(qiáng)結(jié)構(gòu)或者對(duì)地裂縫進(jìn)行處理不可行，一般可采取“放”與“防”相結(jié)合的原則，“防”可采用擴(kuò)大斷面尺寸和超前預(yù)小導(dǎo)管注漿，注漿一般采用高壓雙液劈裂注漿；而“放”就是每隔一段設(shè)沉降縫，縫間填充柔性材料，跨地裂縫地段采用柔性接頭進(jìn)行處理，并對(duì)結(jié)構(gòu)分段設(shè)計(jì)，同時(shí)控制襯砌時(shí)間，預(yù)留一定可控變形，以結(jié)構(gòu)適應(yīng)地裂縫變形為主。建議二類(lèi)地裂縫場(chǎng)地構(gòu)筑物穿越地裂縫帶的隧道襯砌結(jié)構(gòu)全部采用騎縫式或懸臂式設(shè)縫模式，如圖1所示[6]。

圖1 騎縫（或懸臂）設(shè)置模式示意圖

對(duì)于三類(lèi)地裂縫場(chǎng)地，基本是河湖相地層，粉質(zhì)粘土和砂卵石互層，與二類(lèi)地裂縫場(chǎng)地比較來(lái)看，地裂縫活動(dòng)程度十分微弱，對(duì)地鐵隧道影響很小，地裂縫附近的地層適應(yīng)地裂縫變形和調(diào)整自身變形能力強(qiáng)，地層變形傳遞至地下結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力和裹挾位移相對(duì)也較小。防治的原則總體上仍然是“以適應(yīng)地裂縫變形和超前注漿為主”，對(duì)于地表有一定變形跡象且地層錯(cuò)斷埋深較淺（10m以內(nèi)）的，可按照二類(lèi)地裂縫場(chǎng)地設(shè)防；對(duì)于目前地表沒(méi)有任何變形痕跡、地層錯(cuò)斷埋深相對(duì)較深（10～15m 以下）的地裂縫場(chǎng)地可以采取淺埋暗挖隧道加強(qiáng)通過(guò)，也可采用特殊管片盾構(gòu)通過(guò)[6]。

3.2 濕陷性黃土

濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓密土，具有大孔隙和垂直節(jié)理，在自然條件下，其壓縮性不高，強(qiáng)度較高，但遇水浸濕飽和時(shí)，土的強(qiáng)度急劇降低，在附加壓力下會(huì)產(chǎn)生附加沉降，對(duì)建筑物危害較大；地基土受水浸泡后和附加壓力造成地基土不均勻沉降，致使地基失穩(wěn)，從而造成建筑物變形或破壞。

根據(jù)規(guī)范，濕陷黃土發(fā)生沉降的條件主要有兩個(gè)：一是大于起始?jí)毫Φ膽?yīng)力狀態(tài)，二是地下或地表水的入滲[7]。而對(duì)于修建完成的工程，最主要的是做好工程的防水措施，注意管線等滲漏和地下水作用。

從表2可以看出，臨潼線沿線濕陷性黃土以大厚度自重濕陷性黃土為主，濕陷等級(jí)高且濕陷性土層厚度大，對(duì)工程影響較大。根據(jù)規(guī)范，地鐵工程大部分屬于甲類(lèi)建筑，應(yīng)消除地基的濕陷性或?qū)⒒A(chǔ)設(shè)置在非濕陷性黃土層上；出入口和風(fēng)道屬于丙類(lèi)建筑，應(yīng)消除地基的部分濕陷量。

結(jié)合西安市建設(shè)工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于場(chǎng)地濕陷性可根據(jù)結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地不同采取不同的處理措施，對(duì)于濕陷土層厚度較小的地段，設(shè)計(jì)可采用水泥土換填、震動(dòng)夯實(shí)等方法即可處理[8]。而臨潼線約14km范圍內(nèi)分布黃土較厚，結(jié)構(gòu)底板以下仍有剩余濕陷量，要全部消除濕陷性則費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢(qián)。結(jié)合《西安地鐵臨潼線、五號(hào)線穿越濕陷性黃土層處理原則與措施研究》研究報(bào)告[9]，對(duì)于車(chē)站和區(qū)間根據(jù)不同地質(zhì)條件采用不同的方式：

車(chē)站地基處理方法：①基底以下濕陷黃土層厚度小于2.5m時(shí)，可采用水泥土墊層方法進(jìn)行處理；②基底以下濕陷黃土層厚度2.5～4.0m時(shí)采用震動(dòng)碾壓法。③車(chē)站基底以下濕陷性黃土厚度大于4.0m 時(shí)，可采用DDC樁和擠密樁法進(jìn)行處理。

礦山法施工地基處理方案：①隧道基底以下濕陷性土層厚度小于2.0m 時(shí)，建議采用水泥土墊層方法處理；②基底濕陷性土層厚度大于2.0m時(shí)，建議采用擠密樁（短螺旋法或者靜壓法）進(jìn)行處理。

盾構(gòu)隧道地基處理方法：建議采用洞內(nèi)高壓雙液注漿法或地表三重管法進(jìn)行處理。劈裂注漿可使黃土變密實(shí)，提高土的承載力、抗變形性和水穩(wěn)性能，處理范圍為底板正西方及周邊，深入非濕陷地層1.0m。

3.3 地表沉降變形

地鐵施工誘發(fā)的地表沉降是地鐵常見(jiàn)地質(zhì)問(wèn)題之一，目前能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的方法很少，開(kāi)展常見(jiàn)地層地鐵施工引發(fā)的地表變形及周邊環(huán)境破壞規(guī)律預(yù)測(cè)極為必要，可為地表沉陷監(jiān)測(cè)方案的制定和變形防治措施提供理論依據(jù)。

FLAC 3D目前在巖土、隧道工程中應(yīng)用較多，用于模擬三維的巖土體力學(xué)變形特征（具體模型示意圖見(jiàn)圖2），尤其適合于模擬材料的變形特征。目前應(yīng)用較廣，經(jīng)多個(gè)案例分析發(fā)現(xiàn)該數(shù)值軟件同實(shí)際變形比較接近。

圖2 FLAC 3D數(shù)值分析變形示意圖

根據(jù)數(shù)值分析條件不同工況，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)法施工和暗挖法施工在變形特征有所不同，在同一工況條件下，采用不同施工方法，采用數(shù)值分析得出（見(jiàn)表3）。

表3 不同施工方法變形分表

4 結(jié)論

（1）西安地鐵9 號(hào)線主要工程地質(zhì)問(wèn)題為黃土濕陷、地裂縫和地面沉降，地震液化、人工填土等對(duì)工程建設(shè)影響較小。

（2）對(duì)于地鐵隧道穿越地裂縫帶，建議根據(jù)不同的類(lèi)型，有針對(duì)性地采取措施，如預(yù)劈裂注漿加固、局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

（3）對(duì)于大厚度濕陷性黃土地段，首先做好工程防水措施，避免工程沿線管線滲漏等情況的出現(xiàn)。

（4）對(duì)于車(chē)站工程應(yīng)根據(jù)濕陷土層厚度，選擇換填或者水泥土擠密樁、DDC樁；對(duì)于礦山法隧道應(yīng)根據(jù)濕陷土層厚度，選用擠密樁或短螺旋法處理；盾構(gòu)隧道根據(jù)情況采用預(yù)注漿法或地表三重管處理。

（5）地面沉降是地鐵施工遇到的常見(jiàn)地質(zhì)問(wèn)題，需要做好變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，根據(jù)地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)、周邊環(huán)境，劃分成不同的危險(xiǎn)區(qū)域，以便采取不同的應(yīng)對(duì)措施。