沈陽地鐵一號線地質綜合勘察

陶 軍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

沈陽市是東北地區(qū)最大的中心城市，也是全國重要的工業(yè)基地和交通樞紐。沈陽市地鐵一號線工程是沈陽市重點工程，全線長約28 km，均為地下線，試運營及正式運營一年以來，運行狀態(tài)良好。

沈陽地鐵一號線設車站22座、車輛段1座、控制中心1座、主變電所2座。線路位于東西向主客流方向，線路貫穿了市內六區(qū)，西起沈陽市開發(fā)區(qū)十三號街，東至黎明文化宮。在建設工程施工中主要采取了明挖法、暗挖法、盾構法等施工方法。

圖1 沈陽市地鐵一號線工程地理位置

沈陽市地鐵一號線工程地理位置如圖1。

2 地質條件綜合評述

2.1 地形與地貌等特征

沈陽城區(qū)東北—東南與天柱山、輝山坡麓相連，西北—西南與遼河平原相連，地勢東北高，西南低，場地地形平坦，地面高程一般在35.5～52.2 m之間。大的地貌單元為渾河沖洪積扇狀平原，線位基本沿扇軸方向行進。

流經本市的河流有渾河及南、北運河。南、北運河流經城區(qū)的北部與南部，最終匯入渾河。渾河流經城區(qū)的南部匯入遼河，地鐵一號線線路穿過衛(wèi)工明渠及新開河兩條河流。

本線穿越沈陽城區(qū)，市政設施及地下建筑物復雜，地下管線密布，多處還有地下人防工程。

2.2 氣象特征

沈陽市屬中溫帶半濕潤的季風性氣候，同時受海洋、大陸性氣候控制，其特征是冬季漫長寒冷，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，春秋季短，冬夏季長。鐵路工程氣候分區(qū)為寒冷地區(qū)。

2.3 地層巖性、地質構造與地震

(1)地層巖性

全線天然地層結構可分為第四紀全新世人工堆積層、沖洪積相地層、晚更新世沖洪積相地層、早更新世冰水沉積相地層、第三紀砂礫巖5個結構層，其中第四紀全新世人工堆積層主要由市政鋪設的路面及碎石墊層、建筑垃圾和生活垃圾等組成；沖洪積相地層主要由黏性土、細砂、中-粗砂、礫砂、圓礫等組成；晚更新世沖洪積相地層主要由黏性土、淤泥質黏土、細砂、中-粗砂、礫砂、圓礫等組成；早更新世冰水沉積相地層主要由黏性土含碎石組成；基底為第三紀砂礫巖。

(2)地質構造

在區(qū)域構造地質上，沈陽市區(qū)位于華北地塊內，根據地質構造活動的特點，沈陽市區(qū)位于沈北凹陷地塊內，大地構造上處于遼東塊隆與下遼河-遼東灣塊陷相交接的部位。

(3)地震

根據沈陽市基巖地震動分析結果，50年P=0.1時，沈陽市計算烈度為6.58度，屬于中國地震烈度區(qū)劃中7度區(qū)的范疇。

根據《中國地震動參數區(qū)劃圖》GB 18306—2001，本工程所在區(qū)地震動峰值加速度為0.10g (對應的地震基本烈度為7度)。

3 勘察目的和要求

查明沿線各類建筑物的水文地質及工程地質條件。提出巖土勘察資料和設計所需的巖土技術參數，對建筑地基作出巖土工程分析評價，并應對基礎設計、地基處理、不良地質現象的防治等具體方案作出論證和建議。

4 勘察方法的分析和研究

勘察方法的分析和研究工作要圍繞勘察目的和要求開展。首先要滿足有關規(guī)范的要求；其次要查明沿線各類建筑物的地質條件；第三為各類工程設計提供依據，針對各種施工方法要求，制定詳實勘察方法，為設計提供所需的巖土技術參數。

4.1 勘探孔布置

(1)平面布置

勘探孔的布置要滿足規(guī)范要求，并綜合考慮基礎類型、基礎埋深、基坑支護及降水、施工方法等條件，所取得資料必須滿足設計的要求。控制性勘探孔宜占總孔數的1/3～1/4，取樣及原位測試孔的數量根據工點大小、取樣，以及原位測試的數量是否滿足數理統(tǒng)計、設計要求等因素確定，不得少于總孔數的1/2。

區(qū)間隧道結合車站兩端勘探孔進行布置。暗挖法、盾構法施工區(qū)段，勘探孔一般距離隧道中線外6～8 m，在隧道兩側交錯布置，勘探孔間距一般為30～50 m；明挖法施工區(qū)段，在基坑開挖輪廓線兩側外1～2倍開挖深度范圍內布置，勘探孔間距為30～50 m。地層變化較大及地質條件復雜區(qū)段應適當增加勘探孔及勘探橫剖面。

地下車站根據規(guī)模、出入口、通風道等具體情況布置勘探孔，外圍勘探孔布置在基坑開挖輪廓線兩側外1～2倍開挖深度范圍內，勘探孔間距為25～40 m，并至少有3個勘探橫剖面，每橫剖面2～5孔，地層變化較大及地質條件復雜區(qū)段應適當增加勘探孔及勘探橫剖面。蓋挖法施工區(qū)段應結合大直徑樁的位置布置勘探孔。

(2)勘探孔深度確定

控制性勘探孔深度應根據隧道及車站的埋深，地層、地下水等地質條件、設計要求、施工方法及降水工程的需要確定。明挖施工的隧道及地下車站，控制性勘探孔深應達到基坑開挖深度的2.0～3.0倍，蓋挖法施工區(qū)段控制性勘探孔深除應滿足明挖法施工要求外，還應滿足大直徑樁穩(wěn)定與沉降檢算要求。暗挖法、盾構法施工的隧道控制性勘探孔深應勘探至隧道結構底板以下20 m，其他勘探孔一般為底板以下6～10 m。

4.2 施工工法要求及選取的對應勘察方法

(1)施工工法要求

采用明挖法施工的工點，除提供常規(guī)試驗項目指標(顆粒分析、天然含水量、密度、比重、孔隙比、液塑限、液性指數、塑性指數、壓縮系數、壓縮模量、粘聚力、內摩擦角等)外，還應提供靜止側壓力系數、基床系數、回彈模量、滲透系數等巖土參數。采用蓋挖法施工的工點，大直徑中間樁還需提供樁基設計參數及沉降檢算所需參數。

采用暗挖法、盾構法施工的工點，除提供常規(guī)試驗項目指標(顆粒分析、天然含水量、密度、比重、孔隙比、液塑限、液性指數、塑性指數、壓縮系數、壓縮模量、粘聚力、內摩擦角等)外，還需提供靈敏度、泊松比、變形模量、靜止側壓力系數、基床系數、有害氣體含量等。

(2)鉆探

鉆探采用普通合金鉆頭，單管泥漿護壁反循環(huán)鉆進，或雙重管、三重管正循環(huán)等鉆進。除取土樣段外，全孔連續(xù)取芯。回次進尺控制在1.0 m以內。巖芯采取率：粉土、黏性土≥90%，砂類土≥70%、圓礫≥50%。每勘探孔均測定地下水初見水位、穩(wěn)定水位，若有承壓水，量測承壓水位及水頭。鉆孔終孔后應及時封堵。

(3)采樣

在取樣勘探孔中，以黏性土為主的素填土、黏性土、粉土、砂類土必須采取原狀土，雜填土、圓礫土、卵石土及部分無法采取原狀樣的礫砂采取擾動樣。其他勘探孔，地層的劃分應有試驗依據。取樣宜自地面以下1.5 m開始分層取樣，間距一般為1.5～2.0 m，層厚大于0.5 m的地層必須單獨分層取樣。每工點取水試樣不少于2組。

(4)原位測試

原位測試方法應根據建筑物類型、巖土工程地質條件，以及設計施工對巖土參數的要求、地區(qū)經驗和測試方法的適用性等因素綜合確定。與室內土工試驗和工程經驗結合使用，并應進行綜合分析。

標準貫入試驗：

取擾動土樣，鑒別和描述土的類別，評價土的密實度，計算天然地基承載力，估算地基土變形參數、單樁極限承載力，評價沉樁可能性，判定飽和粉土或砂土地震液化可能性及液化等級。構筑物應執(zhí)行《鐵路工程抗震設計規(guī)范》GBJ111—87進行液化判定，地面建筑物應執(zhí)行《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011—2001進行液化判定。每個車站、區(qū)間在同一地質單元體內，每主要層標準貫入試驗次數不少于10個。

動力觸探試驗：

劃分地基土層及評定土的均勻性和密實度，估算土的強度，確定土的變形參數、壓縮性、內摩擦角等力學參數，確定地基土的承載力，選擇樁基持力層，估算單樁承載力等。每個車站、區(qū)間在同一地質單元體內，主要地層每層動力觸探試驗次數不少于10個。動力觸探試驗應結合當地地區(qū)經驗并與其他方法相配合使用。

扁鏟側脹試驗：

主要是計算靜止土壓力系數，估算土的側向基床系數。地下車站及區(qū)間隧道根據具體情況在黏性土、粉土、粉砂、細砂中進行扁鏟側脹試驗。

旁壓試驗：

確定土的水平應力、靜止側壓力系數、不排水抗剪強度，估算土的側向基床系數。地下車站及區(qū)間隧道工點在地層不能進行扁鏟側脹試驗情況下做旁壓試驗。

(5)水文地質試驗

確定地下水類型、水位、滲透系數、影響半徑等水文地質參數。各孔均應測量地下水的水溫及初見水位和穩(wěn)定水位。承壓含水層應測定承壓水頭及水位。多層含水層的水位應采取止水措施分層測定。水文地質試驗孔的多層含水層的水位及水文地質參數均應采取止水措施分層測定并取水進行水質評價。

(6)室內土工試驗與水質分析

室內土工試驗的項目應根據工程的類別、工程性質、基礎類型、土的性質、施工方法等對巖土物理力學參數的需求確定，對所取得的試驗數據必須滿足數理統(tǒng)計和設計檢算要求。

室內土工試驗的目的主要用于土層定名、土層劃分、工程力學性質評價，為地基土承載力計算、穩(wěn)定和變形檢算等提供必要的地基土物理力學性質指標。

①物理性質指標試驗

對所取不擾動土樣及砂樣應進行物理性質試驗。試驗內容包括：顆粒分析、滲透系數、天然含水量、重度、比重、孔隙比、液塑限、液性指數、塑性指數、滲透系數、有機質含量(有機質土)。對所取擾動的砂樣、圓礫土、卵石土樣進行顆粒分析。繪制顆粒級配曲線、計算曲率系數、不均勻系數等。

②力學性質試驗

固結(壓縮)試驗：

固結(壓縮)試驗是測定土體在壓力的作用下的變形特性，通過試驗可以測定土體的壓縮系數、壓縮模量、固結系數、前期固結壓力、壓縮指數、回彈指數等，進行地基變形檢算、壓縮性評價，了解場地應力史等。固結(壓縮)試驗最大加壓力值除應滿足有關規(guī)范的要求繪制完整的e-p曲線外，還應大于自重壓力和附加壓力之和，但不低于400 kPa。高壓固結試驗，施加的最大壓力應滿足繪制完整的e-lgp曲線的要求。

抗剪強度試驗：

抗剪強度試驗包括直接剪切試驗、三軸剪切試驗、無側限抗壓強度試驗，剪切試驗的試驗方法應根據設計、施工要求，盡量考慮與施工實際情況相適宜的方法。

③側壓力系數(靜止土壓力系數)試驗

通過三軸壓縮儀法或側壓力儀法，可以測定土的側壓力系數(靜止土壓力系數)及泊松比。

④基床系數試驗

在室內宜采用三軸試驗或固結試驗的方法，選擇部分土樣進行地基土的基床系數K測定。

⑤室內滲透試驗

通過滲透儀可以測定土層水平及垂直向滲透系數。

⑥熱物理指標

選擇數個代表性地下工點取樣進行各巖土層的天然含水量、天然密度、導熱系數、導溫系數、比熱容測定試驗。

⑦其他特殊試驗

土的腐蝕性實驗、有機土的灼燒試驗及化學成份分析等。

(7)地球物理勘探

波速測試：

計算場地卓越周期，劃分場地土的類型、判別地基土液化的可能性，提供地震反應分析所需的場地土的動力參數；計算設計動力機器基礎和計算結構物與地基土共同作用所需的動力參數；判定碎石土的密實度。每個車站、區(qū)間在同一地質單元內，其波速試驗孔數不應少于4個。

壓縮波速Vp和剪切波速Vs的測試深度：應按《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》GB50307—1999及《地基動力特性測試規(guī)范》GB/T50269—97的有關規(guī)定執(zhí)行。

土壤電阻率測試：

測試主體結構下0～15 m以內的地層電阻率值。各車站測試為1～2孔。操作方法應按《鐵路物探規(guī)程》TB/T10013—98的有關規(guī)定執(zhí)行。

5 勘察方法的確定

通過上述的分析和研究，沈陽地鐵一號線采用了地質調查、鉆探、地球物理勘探、原位測試試驗、室內試驗、水文地質試驗等綜合勘察方法。

6 結論

沈陽地鐵采用地質調查、鉆探、地球物理勘探、原位測試試驗、室內試驗、水文地質試驗等綜合勘察方法是可行的，既查明了沿線的地質條件，為設計提供了設計所需的各種巖土參數。

沈陽地區(qū)地層中砂類土、圓礫土的滲透系數大，地下車站、隧道大部位于地下水位以下的強透水層之中。明挖法設計和施工中應加強基坑支護和堵水、截水、排水及回灌，以避免地面塌陷、地面沉降、基坑坍滑等；盾構法設計和施工中應考慮砂土、圓礫土層的不均勻性對盾構的影響。暗挖法設計與施工應加強通風、防水、排水、支護，必要時采取超前支護，以防止產生洞內涌水、涌砂、涌泥、坍塌、地面塌陷等現象。

[1] 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1992

[2] GB 50007—2002 建筑地基基礎設計規(guī)范[S]

[3] GB 50307—1999 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范[S]

[4] GB 50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[5] DB21/907—2005 建筑地基基礎技術規(guī)范[S]