高烈度地區(qū)軌道工程建設(shè)地質(zhì)評(píng)價(jià)與對(duì)策分析

程高軍 侯宗博

(1.中蘭鐵路客運(yùn)專線有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況及地質(zhì)環(huán)境

1.1 工程概況

西寧市城市軌道交通1號(hào)線工程西起西城大街，終止于東川金開(kāi)路，沿五四西路—五四大街—西大街—東大街—東關(guān)大街—共和路—互助路—湟中路—果洛路—昆侖大道布設(shè)。全長(zhǎng)29.5 km，設(shè)23座車站，詳見(jiàn)圖1。

1.2 沿線地形地貌

西寧市地處青藏高原的東部、黃土高原的最西端、黃河上游最大支流湟水河流域的中上游，屬山間河谷地貌，海拔高程在2 184 m～2 274 m之間，四周被南山、北山、西山、大酉山環(huán)抱，北川河、南川河、湟水河沿縱向穿過(guò)河谷，形成“四山夾三河”地貌特征，如圖2所示。西寧市城市軌道交通1號(hào)線工程走形于湟水河兩岸漫灘、Ⅰ級(jí)階地、Ⅱ級(jí)階地，階面地形平緩、開(kāi)闊，地勢(shì)西高東低、南北高中間低。河谷兩側(cè)為黃土塬、梁及低中山，山體陡峻，自然坡度60°～90°，大部分基巖裸露，頂部多覆有風(fēng)積黃土。軌道交通1號(hào)線沿線山谷溝口一帶的沖溝中，多為小型和中型泥石流發(fā)育，雖經(jīng)過(guò)不同程度的工程治理，但仍需注意其對(duì)軌道交通的不良影響。

1.3 場(chǎng)地地層巖性特征

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

西寧位于祁連山褶皺帶中生代斷陷盆地之中，北鄰大阪山，南依拉脊山，東依小峽，與民和盆地相隔，西依日月山和共和盆地相鄰。西寧盆地為新生代斷陷盆地，自第三紀(jì)以來(lái)，隨著青藏高原地質(zhì)活動(dòng)的進(jìn)行，西寧盆地普遍發(fā)生褶皺，并在湟水的長(zhǎng)期強(qiáng)烈侵蝕下，形成了山間河谷地貌景觀。西寧盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱，尤其是盆地腹部更不明顯，但邊界斷裂活動(dòng)十分強(qiáng)烈。西寧市區(qū)及周邊主要分布有北川河西岸、湟水河、南川河、北川河?xùn)|岸、湟水河北岸、沙塘川，共6條斷裂，其中湟水河斷裂(F2)、南川河斷裂(F3)與1號(hào)線斜交通過(guò)，湟水河北岸斷裂(F5)、沙塘川斷裂(F6)距離1號(hào)線工程場(chǎng)地500 m。

1.5 水文地質(zhì)條件

西寧盆地地下水主要來(lái)自于孔隙水。孔隙水廣泛分布于第四紀(jì)殘積、坡積及沖積層中。其中沖積層孔隙水(第四系孔隙潛水)，在盆地區(qū)域內(nèi)均沿河系分布于現(xiàn)代河床及各期臺(tái)地的下部。除此之外，還有少量地下水來(lái)自于基巖裂隙水。

1.6 地震

依據(jù)GB 18306—2015中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，西寧市Ⅱ類場(chǎng)地的設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，反應(yīng)譜特征周期0.45 s，對(duì)應(yīng)抗震設(shè)防烈度為7度。

1.7 凍脹性

西寧地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.34 m，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果顯示，素填土天然含水量平均值16.50%，黃土狀土天然含水量范圍值12.90%～28.0%，平均值19.90%，地下水埋深10.3 m～17.1 m。根據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范初步判定，素填土及黃土狀土為不凍脹土，凍脹等級(jí)為Ⅰ級(jí)，平均凍脹率η≤1%。

1.8 氣象條件

西寧地區(qū)位于青藏高原東部，屬高原半干旱氣候，其特點(diǎn)是干燥多風(fēng)，夏季涼爽，冬季寒冷，降水量少，蒸發(fā)量大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)和晝夜溫差大。據(jù)青海氣象臺(tái)多年觀測(cè)資料，年平均氣溫5.9 ℃；1月份最冷，7月份最熱。年平均降水量379 mm，降水不均，6月～9月降水集中且多暴雨，年平均蒸發(fā)量1 676.8 mm。全年平均無(wú)霜期138 d，標(biāo)準(zhǔn)凍深1.23 m。

2 主要工程地質(zhì)問(wèn)題與對(duì)策

2.1 圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題與對(duì)策

軌道交通隧道屬于城市淺埋隧道，因此對(duì)隧道的圍巖穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求且有一定特殊性。西寧軌道交通建設(shè)的特點(diǎn)是埋深淺、地壓小并且圍巖穩(wěn)定性不佳。由于上覆層多以黃土狀土、卵石以及強(qiáng)風(fēng)化巖層為主，上述圍巖中的卵石層及泥巖(強(qiáng)風(fēng)化)層自穩(wěn)性差，自穩(wěn)時(shí)間短，尤其是局部賦存上層滯水的人工堆積層及卵石土層，一旦有臨空空間，土體極易發(fā)生坍塌，因此在擬建區(qū)間采用盾構(gòu)法施工的同時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的支護(hù)及預(yù)加固措施，保證圍巖的穩(wěn)定性。新奧法施工可以根據(jù)圍巖變形的監(jiān)測(cè)控制圍巖的穩(wěn)定。

當(dāng)軌道交通隧道所經(jīng)區(qū)域遇到破碎圍巖時(shí)，破碎圍巖將會(huì)出現(xiàn)破碎松動(dòng)為主的破壞形式。當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)其屈服強(qiáng)度，圍巖就會(huì)沿各存在的斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切位移產(chǎn)生松動(dòng)，在洞體周圍形成一定規(guī)模的碎裂松動(dòng)帶或松動(dòng)圈。松動(dòng)帶穩(wěn)定性很差，若松動(dòng)帶上部存在地下水，拱頂將極易發(fā)生垮塌、邊墻發(fā)生失穩(wěn)，同時(shí)隨時(shí)間推移松動(dòng)帶的范圍將逐漸增大，因此為了防止此類圍巖破壞應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施。

2.2 地震的影響與對(duì)策

西寧市地處青藏高原邊緣，屬于高烈度地區(qū)。歷史上西寧及周邊地區(qū)也多次發(fā)生地震災(zāi)害，因此對(duì)西寧軌道交通1號(hào)線工程來(lái)說(shuō)，應(yīng)考慮地震對(duì)軌道交通周圍地質(zhì)層的影響。通過(guò)勘察可知，根據(jù)初步勘察結(jié)果，擬建場(chǎng)地20 m深度內(nèi)主要由黃土狀土、卵石及基巖組成，其中卵石層中的大粒徑卵石分布規(guī)律性差，強(qiáng)度差異較大，受擾動(dòng)后地層反應(yīng)靈敏。

因此當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，由于巖體松散、無(wú)膠結(jié)、自穩(wěn)能力差、單個(gè)石塊強(qiáng)度高顆粒之間空隙大、粘聚力小，卵石層發(fā)生擾動(dòng)會(huì)破壞土體顆粒間由摩擦咬合作用達(dá)到的力學(xué)平衡，又由于巖層的流塑性差，卵石層易發(fā)生失穩(wěn)。為了盡可能規(guī)避地震帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，在地下段施工時(shí)可以采取超前注漿、管棚法等方法可以對(duì)周圍巖體起到一定的加固作用，同時(shí)建議對(duì)沿線卵石層進(jìn)行注漿加固地基及地下段周圍巖層的穩(wěn)定性。

2.3 特殊地質(zhì)條件與對(duì)策

西寧市城市軌道交通1號(hào)線工程走形于湟水河兩岸，地勢(shì)西高東低、南北高中間低。河谷兩側(cè)山體陡峻，大部分基巖裸露，頂部多覆有風(fēng)積黃土。同時(shí)西寧地區(qū)降水分配不均勻，并且具有7月～9月降水集中、暴雨多的特點(diǎn)。因此這樣的地形和氣候條件造成了軌道交通1號(hào)線沿線山谷溝口一帶沖溝較多，且多為小型和中型泥石流發(fā)育。在暴雨季節(jié)西寧軌道交通1號(hào)線將可能會(huì)受到泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的影響。因此對(duì)西寧軌道交通1號(hào)線沿線的邊坡及沖溝進(jìn)行防治。在原有治理工程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行生物防治、植樹(shù)育林、涵養(yǎng)水土，同時(shí)根據(jù)地形因勢(shì)利導(dǎo)，修建引水、蓄水工程，從而避免泥石流等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)軌道交通造成的威脅。

軌道交通隧道在經(jīng)過(guò)特殊巖土區(qū)域時(shí)，通常需要根據(jù)其性質(zhì)的差異來(lái)具體制定措施進(jìn)行施工。不同性質(zhì)的巖土差異很大。而擬建1號(hào)線場(chǎng)地分布的黃土狀土為濕陷性土，濕陷性土層下限深度約13.5 m，雖然黃土狀土具有一定的自穩(wěn)性，但黃土狀土遇水濕陷，強(qiáng)度變低，豎井開(kāi)挖時(shí)易發(fā)生基坑坍塌。兩端靠近車站附近盾構(gòu)區(qū)間部分涉及該土層，同時(shí)在施工豎井開(kāi)挖過(guò)程中需及時(shí)對(duì)該土層進(jìn)行支護(hù)，以免對(duì)基坑開(kāi)挖造成不利影響。

而黃土狀土層以下的卵石層，其自穩(wěn)能力較差，難以形成自應(yīng)力拱。盾構(gòu)區(qū)間部分位于該層，開(kāi)挖后極易坍塌失穩(wěn)，施工難度較大，在施工豎井及聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖過(guò)程中需及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。該層中卵礫石(尤其是大粒徑卵礫石)分布規(guī)律性差，強(qiáng)度差異較大，受擾動(dòng)后地層反應(yīng)靈敏。該地層巖體松散、無(wú)膠結(jié)、自穩(wěn)能力差、單個(gè)石塊強(qiáng)度高顆粒之間空隙大、粘聚力小、滲透系數(shù)大，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)、磨損及地面沉降有一定影響，在盾構(gòu)施工過(guò)程中易造成異常停機(jī)、刀具磨損快但掘進(jìn)慢、刀具抱死等問(wèn)題，但因其最大粒徑一般不超過(guò)20 cm，大于20 cm的漂石未成層分布，因此，當(dāng)選用適宜的刀具和掘進(jìn)壓力，應(yīng)能正常施工。但須充分考慮卵石粒徑的不均勻性及局部存在的大粒徑漂石對(duì)施工的影響，做好應(yīng)急預(yù)案。

2.4 滲透變形問(wèn)題與對(duì)策

1號(hào)線所經(jīng)區(qū)域的地下水位高于結(jié)構(gòu)底板，含水層為卵石層，如果施工豎井和聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)帶水開(kāi)挖，會(huì)產(chǎn)生坑壁坍塌、涌砂、涌水及卵石層內(nèi)水的倒灌，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。因此施工豎井和聯(lián)絡(luò)通道在開(kāi)挖前應(yīng)采取妥善的地下水控制措施。

西寧軌道交通擬建區(qū)間隧道底板埋深最大約在15.0 m～24.0 m，位于第1層地下水位以下。在地下水的動(dòng)水壓力作用下，易發(fā)生側(cè)壁土流失，在施工豎井及聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程中應(yīng)考慮進(jìn)行施工降水，并制定適宜的降水方案，采用有效的地下水控制措施，保證施工豎井及聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。建議卵石層中的地下水可采用抽降或坑內(nèi)抽降、管井降水、阻水等地下水控制方案；下部為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，局部可能賦存基巖裂隙水，建議可采用明排方法進(jìn)行處理，對(duì)于裂隙富集、水量較大地段可根據(jù)具體情況采取適當(dāng)?shù)淖{封堵措施。

2.5 地基沉降問(wèn)題與對(duì)策

西寧軌道交通1號(hào)線總長(zhǎng)約29.5 km，沿線巖土類型變化較大，由于不同巖土類型物理力學(xué)性質(zhì)的差異，從而會(huì)導(dǎo)致其地基沉降量的不一致，進(jìn)而造成地基的差異沉降;同時(shí)，人工擾動(dòng)斷層、建筑物荷載等因素也是可以引起差異沉降的因素。

為了防止地基的沉降問(wèn)題，需要對(duì)不同狀況進(jìn)行不同的處治措施。對(duì)斷層破碎帶等不良地段可以采取管棚法、超前注漿、淺埋暗挖法等方法來(lái)有效降低差異沉降;在各巖土層的接觸面上可設(shè)計(jì)沉降縫來(lái)預(yù)防沉降產(chǎn)生;如若隧道通過(guò)地區(qū)含水量較大、巖土性質(zhì)不良(如1號(hào)線中經(jīng)過(guò)位于第一層地下水位以下的卵石層)，則建議盾構(gòu)法施工，并要做好施工的防水處理和對(duì)局部軟弱段的預(yù)加固。當(dāng)隧道施工到路面建筑物底部時(shí)，應(yīng)該加大隧道埋深以減少建筑物的影響。若無(wú)法規(guī)避建筑物，則對(duì)建筑物進(jìn)行加固增加其結(jié)構(gòu)剛度，從而能夠抵消地基土變形對(duì)建筑物的影響;此外，擬建區(qū)間位于五四西路，道路車輛較多，為避免車輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的影響，施工期間應(yīng)充分考慮進(jìn)行交通導(dǎo)改，避免過(guò)路車輛及重載交通荷載對(duì)路基沉降的影響;在整個(gè)施工周期中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水位變化、巖土變形、建筑物變形的監(jiān)測(cè)。

3 對(duì)勘察工作的幾點(diǎn)建議

1)進(jìn)一步查明場(chǎng)地地層、地下水及有無(wú)影響線路穩(wěn)定的不良地質(zhì)作用。

2)詳細(xì)查明沿線地層的工程地質(zhì)特性，結(jié)合設(shè)計(jì)施工方法的要求，提出設(shè)計(jì)、施工所需的詳細(xì)巖土參數(shù)。

3)進(jìn)一步查明場(chǎng)地內(nèi)的卵石層的分布、粒徑情況。

4)青海西寧地處青藏高原邊緣，生態(tài)環(huán)境脆弱，不良地質(zhì)多發(fā)，屬于高烈度地區(qū)。因此建議有必要進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估、地震安全性評(píng)價(jià)和水影響評(píng)價(jià)，以更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)西寧軌道交通1號(hào)線所經(jīng)區(qū)域的初步勘察和工程地質(zhì)評(píng)價(jià)研究得到了以下主要結(jié)論：

1)西寧軌道交通1號(hào)線所經(jīng)區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖土體種類差異大、分布變化多，因此導(dǎo)致的工程地質(zhì)問(wèn)題也較多，對(duì)此應(yīng)重點(diǎn)研究解決。

2)西寧軌道交通1號(hào)線的工程地質(zhì)問(wèn)題主要有圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題，基坑穩(wěn)定問(wèn)題，特殊巖土問(wèn)題和滲透變形問(wèn)題，以及軌道交通隧道建成后的地基沉降問(wèn)題。

3)對(duì)西寧軌道交通建設(shè)中遇到的各類工程地質(zhì)問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際的工況，進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)、制訂相應(yīng)的施工對(duì)策，可以得到有效的控制和解決。

4)西寧軌道交通的巖土勘察工作應(yīng)充分考慮到施工和設(shè)計(jì)的需求，綜合利用各類勘察技術(shù)手段進(jìn)行精準(zhǔn)而有效的勘察。