浅谈西安地铁岩土工程勘察
摘 要:本文从地下铁道、轻轨交通工程的特点出发,结合西安地区特定的地质条件和西安地铁一、二号线的工程实践经验,初步总结了西安地铁岩土工程勘察的工作方法和工作重点。
关键词:地下铁道;岩土工程勘察;湿陷性黄土;地裂缝;文物古迹;城市环境
1 前言
随着城市经济和人文社会的日益快速、持续发展,按照西安市“九宫格局、棋盘路网、轴线突出、一城多心”的城市发展格局对城市轨道交通工程进行了规划,未来10年内,古城将拥有两条形成“十字形”的地铁主线路;到本世纪中叶,西安市将形成由6条地铁线路组成的城市快速轨道交通网,总长将达251.8km,共设车站150座,服务范围覆盖全市61个主要客流集散点中的52个,线路直接连接或延伸方向辐射中心城镇和组团,轨道交通客运量占居民出行总量的25%。作为地铁工程建设的先行专业之一的岩土工程勘察工作者,将面临任务重、困难大的新挑战。本文从地铁工程的特点出发,结合西安地区特定的地质条件和西安地铁一、二号线的工程实践经验,初步总结了西安地铁岩土工程勘察的工作重点。
地铁工程按照线路的敷设方式可分为:地面线、地下线和高架线;按照功能可分为车站、区间、车辆段、停车场、变电站、控制中心等;按照施工方法可分为:明挖法、盖挖法、矿山法、沉管法和盾构法等。地铁线路敷设方式和施工方法的多样性,使地铁工程基础类型和结构形式也呈现多样性(如天然地基、复合地基、桩、连续墙、支撑、锚杆等)。因此,地铁岩土工程勘察兼有城市高层建筑、深基坑、铁路隧道工程、水文地质勘察等的工程特点。线路敷设方式、工法和结构形式的不同,要求岩土工程勘察相应地根据其特点有所侧重。
2 西安地区工程地质、水文地质概况
2. 1地质构造
西安市位于渭河断陷盆地中段南部,西安凹陷的东南隅,跨西安凹陷和骊山凸起两个一级构造单元,两者以长安-临潼断裂为界。
骊山凸起自上新世以来,随着长安-临潼断裂活动的加剧,逐渐抬升,致使东南隅的黄土塬地势高亢,第四系(只有黄土)较薄,厚仅百余米。
西安凹陷位于长安-临潼断裂以西,哑柏断裂以东,渭河断裂以南,秦岭山前断裂以北的范围内。是渭河断陷盆地中的沉积中心之一,新生代地层厚逾7000m,边缘地区较薄。该凹陷的东南隅,因受长安-临潼断裂活动和骊山凸起的牵引,其基底东仰西俯,致使第四系厚度东薄西厚,大雁塔一带厚500 ~600m,城区厚800m,三桥一带达1000m。地层微向西北倾斜,倾角最大达11°。这种掀斜运动对西安地区地层成因及地貌演化起着控制作用。自更新世晚期三门湖由东南向西北退缩,黄土逐渐向西北超覆。地势上东部高起西部低平,东部浐灞河各级阶地间高差大,呈河谷型地貌;西部氵皂河各级阶地间高差很小,呈宽阔低平的冲洪积平原景观。
西安处于几个构造体系的复合部位,断裂极为发育,有EW向、NE向和NW向三组。
东西向断裂有渭河南岸断裂(F1),是渭河断裂的南岸分支。渭河断裂是渭河断陷盆地东西向的中轴断裂,其北的东西向断裂南倾,其南的北倾。渭河南岸断裂在西安市北郊渭河一级阶地前缘通过,该断裂与其它方向断裂交汇部位,历史上曾发生过多次地震,表明该断裂带第四纪以来仍有活动。
④北东向长安-临潼断裂,它由三条(F2(1)、F2(2)、F2(3))断层组成,走向NE40°~50°,倾向NW,倾角68°~80°,为正断层。F2(1)经唐家寨、三殿、缪家寨、曲江池、东三爻通过; F2(2)经肖家寨、神鹿坊、三兆通过; F2(3))经牛角尖、高桥通过。在断层带内已见到断层面切割了第三系泥岩、第四系黄土,断层两盘的垂直断距随深度增加而增大,第四纪以来显示了断层两盘“边断裂边沉积”的同生断层特征。在地貌上也有明显的显示,在白鹿塬和少陵塬上,由三条高差约30~50m断层陡坎和两个宽1~2km的阶面组成;在其北东段和西南段表现为基岩山地、黄土塬与冲洪积平原的分界线。西安城区为黄土梁洼与黄土塬的分界线。
西安断层组是长安-临潼断裂派生的次一级断裂,其走向NE或近于EW向,倾向SE或S,为正断层组,切断了晚更新世黄土层底部的古土壤层。地貌表现为黄土梁和洼地相间出现。西安断层组是西安地裂缝发育的基础,西安地裂缝也是西安地铁勘察的一个工作重点。
（四）北西向的断层有灞河断裂(F3)、浐河断裂(F4)、氵皂河断裂(F5)、浐灞河断裂(F6)与沣河断裂(F7)。据陕西省地矿局完成的《西安地区区域地壳稳定性与地质灾害评价和研究》,上述断裂在秦岭山区皆有出露,进入平原区为隐伏断层。切割了东西向断层,多种迹象表明第四纪有活动。这些北西向断裂是地表水系发育的基础。
2. 2地层
由北向南,渭河河漫滩及低阶地表层为第四系全新统人工填筑土(
),其下为第四系全新统冲、洪积(
)的黄土状土、砂类土、粉质粘土及粉土;高阶地上部地层为第四系上更新统风积(
)新黄土及残积(
)古土壤,下部为中、上更新统冲积粉质粘土及砂类土;黄土梁洼区上部为上、中更新统风积黄土,其间夹有多层残积的褐色土型古土壤,下部为中更新统冲积粉质粘土及砂类土;长安区附近的橘河、氵皂河漫滩及阶地上部为第四系全新统冲积粉质粘土,中部为全新统冲积砂类土及圆砾,下部为第四系晚更新统冲积粉质粘土及砂类土。
由东向西,浐灞河河漫滩及低阶地表层为第四系全新统人工填筑土(
),其下为第四系全新统冲、洪积(
)的黄土状土、粉质粘土、粉土、砂类土及碎石类土;高阶地上部地层为第四系上更新统风积(
)新黄土及残积(
) 古土壤,下部为中、上更新统冲积粉质粘土及砂类土;黄土梁洼区上部为上、中更新统风积黄土其间夹有多层残积的褐色土型古土壤,下部为中更新统冲积粉质粘土及砂类土;氵皂河河漫滩及阶地上部为第四系全新统冲积粉质粘土,中部为全新统冲积粉质粘土及砂类土,下部为第四系晚更新统冲积粉质粘土及砂类土。
2. 3地下水
西安市规划区新生代以来堆积了巨厚的松散沉积物,蕴藏着较丰富的地下水资源,根据地下水赋存条件和水力特征,分为潜水和承压水两类。地铁勘察时仅涉及对工程建筑有直接影响的潜水,故对于承压水不予赘述。
西安市由于地貌单元较多,潜水含水层的岩性及富水性等水文地质条件也不尽相同。潜水主要赋存在新生代以来的松散沉积物上部,地下水丰富,埋深较浅,水文地质条件复杂。潜水补给有大气降水、地表水渗入和承压水的顶托补给以及区外迳流补给。潜水排泄方式主要为迳流排泄、人工开采、潜水越流排泄及蒸发消耗等。
3 西安地铁岩土工程勘察
笔者曾担任西安市轨道交通一、二号线初、详勘的技术负责人,在西安地铁一、二号线岩土工程勘察实践经验的基础上,结合在二号线建设过程中与施工、设计等单位的配合经验,对西安地铁岩土工程勘察的工作方法和工作重点进行了总结。
3. 1勘察工作量的布置原则
3. 1. 1勘察工作量需满足的一般要求
勘探点的布置应根据各工点的设计需要、地质条件的复杂程度以及有关要求确定,并根据现场实际情况合理布置。初步勘察阶段勘探点间距一般为100~200m,并可根据地质条件复杂程度及设计要求确定,详细勘察阶段勘探点间距如表1所示。
3. 1. 2详细勘察阶段对主要结构部位的要求
车辆段及综合维修基地采用横断面控制,横断面间距30~50m,横断面上钻孔间距约40~100m。
④综合维修基地内比较确定的房屋建筑等采用断面控制,钻孔间距20~30m,规模小的点式建筑用一个钻孔控制。
(四)出入段线一般路基段落原则上采用左右线中心交错布置,间距30~80m。与国铁接轨线的一般路基段落原则上布置在线路中线上,间距30~80m。
出入段线高架线段落、与国铁接轨线高架线段落原则上每墩一孔,较宽的大跨或特殊结构采用横断面控制。
地下车站原则上采用横断面控制,断面间距30~50m,钻孔布置在结构外3~5 m,横通道、风井等通道较窄时采用结构外3~5m交错布置,钻孔间距30~60m。较宽通道采用横断面控制,横断面与钻孔间距均为40~60m。
地下区间原则上采用左右线结构外3~5m交错布置,钻孔间距30~80m。
⑧路基挖方段落采用横断面控制,横断面、钻孔间距均为30~80m,路堑段落钻孔原则上布置在路堑中部。
（七）路基填方段落钻孔间距30~80m,交错布置在线路左右线中心线上。
高架区间线路采用左右线中心线交错布置,原则上逐墩钻探,钻孔间距20~40m,部分地质条件简单段落可适当减少。
高架车站原则上根据基础类型,按有关要求布置勘探点,原则上逐墩钻探,并结合桩距和桩网列数综合确定,实施过程中可根据地质条件复杂程度适当增减,车站通道、站台、楼梯等根据柱距及柱网的情况进行确定。
‘绕行段落沿结构外3~5m布置勘探点,勘探点间距30~80m。
17.在钟楼、城墙、护城河等重要建筑位置及地层出入较大段落,勘探工作量视具体情况适当增加,适当预留部分勘探工作量。
⒀地裂缝勘察时,勘探点原则上由地裂缝两侧向中间采用内插孔法布置,勘探点间距由宽逐渐变窄,由20m最终控制至5m左右。
3. 1. 3详细勘察阶段其它方面的要求
同一工点内的不同地质单元应有勘探点控制。地质复杂地段应适当加密勘探点。
④详勘勘探点布置时必须充分考虑可行性研究阶段及初勘阶段勘探点的利用。原则上可行性研究阶段及初勘阶段的资料全部利用。
（四）技术孔的数量原则上(含控制孔)不少于勘探孔总数的2/3,控制性钻孔不少于勘探孔总数的1/3,一般性孔约占勘探孔总数的1/3。
根据西安地区湿陷性黄土的特点,钻探应与挖探(探井)、物探及原位测试试验结合进行,包括标准贯入试验、静力触探试验、动力触探试验、旁压试验、扁铲侧胀试验、十字板剪切试验、波速试验及基床系数试验等。
对可能涉及工程降水或为满足盾构计算掌子面涌水量的需要,应有针对性地进行水文地质勘察,内容包括抽降水试验、压水试验等,提供地层的分层水文地质参数(渗透系数、流向、流速等)和综合水文地质参数。
3. 2勘察成果需包括的主要内容
场地岩土类型、成因、分布及其工程性质。
④场地不良地质作用及特殊地质问题。
（四）地下水情况,包括地下水类型、水位、水量、流向、流速及水质等。
设计参数主要包括岩土物理指标、力学指标及热物理指标等。勘察时应根据工程的类别、工程性质、基础类型、土的性质、施工方法等对岩土物理力学参数的需求来确定,对所取得的试验数据必须满足数理统计和设计检算要求。土工常规试验按土类确定,其他试验项目的确定可根据所取样品的种类、工程性质及施工方法等确定。
针对各工点工法的不同进行岩土工程分析评价。例如,对于明挖法和盖挖法,岩土工程勘察需进行如下分析评价:管涌、浮托破坏的可能性;砂土及粉土层的液化特征;基坑降水的可能性;土石可挖性分级;基坑开挖施工对环境的影响;提供围护结构(桩、墙、土钉、锚杆)及永久性桩基设计所需的岩土参数(如重度、抗剪强度、泊松比、无侧限抗压强度、静止侧压力系数、基床系数、桩基承载力特征值、岩土与锚固体的粘结强度等)。
3. 3西安地铁勘察工作的重点
3. 3. 1不良地质作用
西安地裂缝,是西安地区分布的主要不良地质作用。如前所述,西安断层组是西安地裂缝发育的基础。根据目前西安地裂缝研究资料,西安地区由北向南共分布13条地裂缝(f1~f13),且部分是主地裂缝和次生地裂缝组合。
地裂缝场地勘察可分为地裂缝勘察阶段和地裂缝补充勘察阶段。对特大型地裂缝场地宜进行初步的地裂缝勘察,然后分区进行地裂缝勘察和地裂缝补充勘察。
地裂缝在地铁设计使用期内的最大垂直错位量是西安地铁线路穿越地裂缝结构设计的一个十分重要的参数,再者就是地裂缝的平面位置。针对西安地铁建设的地裂缝场地勘察,可在充分收集既有西安地裂缝研究资料的基础上,进行地面调查,并结合槽探、钻探、物探等方法,确定地表破裂或隐伏地裂缝的位置(坐标)。一类场地应采用槽探、钻探等方法,确定地表破裂与地裂缝的关系,选择典型地面破裂点,测量其平面坐标,测点间距宜为10~20m;二类场地采用以钻探为主的勘探方法,应查明上更新统或中更新统红褐色古土壤的产状和错断位置,确定二类标志层错断的勘探孔间距不宜大于4m;三类场地采用人工浅地震反射波法勘探和钻探,并结合钻探查明隐伏地裂缝的位置,确定三类标志层错断的勘探孔间距不宜大于10m。
3. 3. 2黄土的湿陷性
在湿陷性黄土场地进行岩土工程勘察,应查明下列内容,并应结合建筑物的特点和设计要求,对场地、地基作出评价,对地基处理措施提出建议。
黄土地层的时代、成因;④湿陷性黄土层的厚度;（四）湿陷系数、自重湿陷系数和湿陷起始压力随深度的变化; 场地湿陷类型和地基湿陷等级的平面分布; 变形参数和承载力; 地下水等环境水的变化趋势;⑧其他工程地质条件。
西安市湿陷性黄土主要分布于黄土梁洼及河流二、三级阶地,自重湿陷性黄土多分布于东郊浐灞河二、三级阶地及黄土梁洼,南郊黄土梁洼地貌的黄土梁上部,北郊渭河二、三级阶地及黄土梁(古龙首塬)。黄土地基的湿陷等级因地势不同而有所差异,在东郊浐灞河二、三级阶地及黄土梁洼为
~
级(局部
级);在南郊黄土梁洼地貌的黄土梁上部为
~
级(局部
级);在西郊氵皂河二级阶地局部为
级;在北郊渭河二、三级阶地及黄土梁(古龙首塬)为
~
级;在其它地区(包括西安市区)多为iv级。
在湿陷性黄土场地进行岩土工程勘察,应采取不扰动土样,必须保持其天然的湿度、密度和结构,并应符合Ⅰ级土样质量的要求。应布置足够数量的探井,其数量应为取土勘探点总数的1/3~1/2,并不宜少于3个。探井的深度宜穿透湿陷性黄土层。
另外,在兴庆公园及其附近区域,受兴庆湖的影响,分布饱和软黄土,其工程性质较差,钻探过程中不易取得质量较好的土样。地铁线路穿过这些区域时,应注意加强勘探取样和静力触探等工作。
3. 3. 3粉土及砂土液化
西安地区抗震设防烈度为8度,应进行粉土及砂土液化判别。西安市东郊浐灞河、西郊氵皂河及北郊渭河的河漫滩及低阶地,饱和粉土及砂土的液化呈零星状分布,液化等级为轻微~中等级。地铁线路穿过这些区域时,应注意加强对粉土及砂土液化判别的勘察工作量,并采取标准贯入试验、剪切波速测试等方法。地震液化的判别深度应根据结构物的基础形式和基础埋深而定,一般取15m或20m,;勘察报告中除应阐明可液化的土层、各孔的液化指数外,尚应根据各孔液化指数综合确定场地液化等级,并提出相应的地基处理措施建议。
3. 3. 4文物古迹
西安是十三朝古都,深厚的历史文化积淀和浩瀚的文物古迹遗存使西安享有“天然历史博物馆”的美称,西安城区内有大雁塔、小雁塔、城墙、钟楼、鼓楼、碑林等重要文物古迹。在西安建设地下铁道、轻轨交通时,应避免对文物古迹造成损坏。在文物古迹区域进行勘察时,除应采取必要的施工措施减少对文物古迹的震动等破坏外,在文物古迹的重要部位应埋设变形观测点,在勘察施工(尤其是必要的水文地质勘察)期间进行变形观测。应收集文物古迹的资料,包括结构形式、填料性质(城墙等)、基础形式、基础埋深及地基处理方法等;在勘察工作量的布置时,应侧重于采取文物古迹基础下土样和基础外天然土样,进行比照试验,为设计提供必要的地基土物理指标和力学参数(固结系数、压缩系数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角等)。
3. 3. 5城市环境
地下铁道、轻轨交通线路设计的主要目的为吸收和引导客流,线路穿行在繁华的商业区和密集的居民区,交通、地面建筑、地下管线等均制约着勘察施工的顺利展开。
地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察多在市区进行,应避免因地铁勘察引发环境问题。地铁岩土工程勘察可能会引发两类环境问题: 勘察对周边环境造成不良影响,如施工影响交通,噪声及泥浆污染环境,钻探破坏地下管线等;④勘察施工引起环境改变妨碍地铁后期施工,如钻探终孔后封孔不良,导致地下水沿钻孔渗入地下施工作业通道,并可能诱发地面变形。
进行勘察方案设计时,在满足设计要求的前提下,勘探孔应尽量绕开或避开对交通、管线等造成不利影响的地段。外业施工过程中,应严格控制工作流程,首先对管线等进行必要的探查,在确保安全的情况下进行钻探施工。钻孔终孔后,做好回填、封孔等工作。
西安地铁一、二号线岩土工程勘察实行勘察总体管理制度,市区内施工时,采用全围蔽施工,并于钻探作业场地内进行塑料彩条布铺设,对钻探用水、泥浆、废旧塑料彩条布等统一进行处理,钻机钻探前进行管线调查及探测,终孔后对封孔(下部采用岩芯夯实回填, 0~-6m采用水泥砂浆封灌)进行旁站监理,在维护城市环境方面收到了较好的效果。
依据标准及参考文献:
[1]国家标准《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》GB50307—1999
[2]国家标准《岩土工程勘察规范》GB50021—2001
[3]《铁路工程地质钻探规程》TB—98
[4]《铁路工程地质原位测试规程》TB10018-2003
[5]国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004
[6]《西安城市工程地质图集》西安市城市规划管理局
[7]地方标准《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》DBJ61-6-2006
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