成都地鐵工程建設(shè)地質(zhì)災(zāi)害類型及其防治措施★

郎少林 馬顯春

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731)

為緩解成都市城市交通緊張狀況，改善城市環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，完善城市人防工程系統(tǒng)，推動(dòng)和促進(jìn)成都市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，成都市政府推行“成都市地鐵工程”建設(shè)。根據(jù)2020年建設(shè)方案，成都地鐵擬建10條線路［1］。目前，成都地鐵1號(hào)線一期工程于2010年9月投入運(yùn)營(yíng)，2號(hào)線于2012年9月16日正式開通試運(yùn)營(yíng)，處于在建和擬建工程主要有1號(hào)線三期工程、2號(hào)線東西延長(zhǎng)段工程、3號(hào)線一期工程、4號(hào)線一期工程和7號(hào)線工程。根據(jù)成都市國(guó)土資源管理局編制的《成都市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)圖》，成都市域?qū)儆诘刭|(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)，但在工程建設(shè)過程中也曾發(fā)生過滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，如1958年成昆鐵路在成都段開挖路塹時(shí)發(fā)生的獅子山滑坡，雖然規(guī)模不大，但卻因邊治理邊滑坡，歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)兩年之久［2］。為此，本文在總結(jié)已建地鐵工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合在建和擬建工程實(shí)際，提出成都地鐵工程建設(shè)可能引發(fā)和遭受的地質(zhì)災(zāi)害類型，并提出相應(yīng)的防治措施，以避免工程建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生或減小地質(zhì)災(zāi)害所造成的損失，以期達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

1 自然地理及地質(zhì)環(huán)境條件

1．1 自然地理

成都市位于四川省的中部、四川盆地西部，轄區(qū)地理坐標(biāo)為:東經(jīng) 102°54'～104°53'，北緯 30°05'～ 31°26'。東南靠?jī)?nèi)江、東北連德陽，南面通眉山，西南接雅安，西北與阿壩藏族自治州接壤?，F(xiàn)轄10區(qū)(錦江、青羊、金牛、武侯、成華、高新、龍泉驛、溫江、新都、青白江)、4市(都江堰、彭州、邛崍、崇州)、6縣(雙流、郫縣、大邑、蒲江、新津、金堂)。

1．2 氣象與水文

成都市屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，夏無酷暑，冬少嚴(yán)寒。多年平均氣溫16．2℃，極端最高氣溫38．3℃，極端最低氣溫 －5．9℃;多年平均降雨量947．0mm，最大日降雨量195．2 mm，降雨主要集中在5月～9月，占全年的84．1%;多年平均蒸發(fā)量1 020．5 mm;多年平均相對(duì)濕度82%。

成都市主要有沙河、府河、清水河、秀水河、跳蹬河、錦江等地表河流，均屬川西平原岷江水系，具豐富的地表徑流，河道縱坡一般1‰～8‰，水深一般3 m～4 m，是本地區(qū)地下水與地表水之間相互轉(zhuǎn)換的主要途徑和渠道。河流流經(jīng)市區(qū)段落已受到人為改造，河床深度、流量以及洪水位等均已受到人為控制。

1．3 地形地貌

成都市地處四川盆地成都平原，區(qū)域地貌為成都平原沖洪積扇狀平原，次級(jí)地貌為沖洪積扇狀平原岷江水系一、二級(jí)階地，地形開闊、平坦，地勢(shì)總體呈西北高東南低，地面高程約480 m～540 m。

1．4 地層巖性

成都地鐵工程建設(shè)用地地表第四系堆積層廣泛分布，表層多為第四系全新統(tǒng)人工填土(Qml4)夾雜磚屑、卵石角礫等覆蓋，其下為第四系全新統(tǒng)沖積層(Qal4)粘土、卵礫石土夾粉細(xì)砂，上更新統(tǒng)冰水沉積、沖積層(Qfgl+al3)粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、卵石土夾粉細(xì)砂及零星漂石，中更新統(tǒng)冰水沉積、沖積層(Qfgl+al2)卵石土夾砂透鏡體，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖、泥質(zhì)砂巖。

1．5 地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)域地殼穩(wěn)定性

成都平原處于我國(guó)新華夏系第三沉降帶之川西褶帶的西南緣，介于龍門山隆褶帶山前江油～灌縣區(qū)域性斷裂和龍泉山褶皺帶之間，為一斷陷盆地。該斷陷盆地內(nèi)，西部的大邑～彭縣～什邡和東部的蒲江～新津～成都～廣漢兩條隱伏斷裂將斷陷盆地分為西部邊緣構(gòu)造帶、中央凹陷和東部邊緣構(gòu)造帶三部分。

成都平原及其周邊山地新構(gòu)造活動(dòng)是比較強(qiáng)烈的，更新世以來至今一直有構(gòu)造活動(dòng)，但在不同地段其活動(dòng)強(qiáng)度存在差異。根據(jù)GB 18306-2001中國(guó)地震動(dòng)數(shù)區(qū)劃圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)第1號(hào)修改單，成都地鐵通過地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0．10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為 0．45 s。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2．1 工程地質(zhì)條件

成都地鐵工程建設(shè)用地表層為人工填土、粘性土及卵礫石土夾粉細(xì)砂，厚度一般4m～6m，粘性土多屬成都粘土(膨脹土)，夾少量灰白色粘土條帶，硬塑狀，局部可塑狀，具弱膨脹性，粘土層裂隙發(fā)育且多呈陡傾角;砂土及粉土多為液化土。其下為沖積、冰水沉積砂卵石土，砂呈透鏡體狀分布，規(guī)律性較差，卵石土中含漂石，漂石分布不均，含量一般為60%～90%，單軸極限抗壓強(qiáng)度一般為 67 MPa ～120 MPa，個(gè)別可達(dá) 150 MPa，充填物為砂粒［3，4］。下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖、泥質(zhì)砂巖，具一定的膨脹性，風(fēng)化層厚度變化較大，質(zhì)較軟，遇水易軟化，基巖埋深差異較大。地鐵多穿行于砂卵石層中。地鐵工程沿線地下水十分發(fā)育，地下水位高，一般為3 m～5 m。砂卵石層強(qiáng)透水，滲透系數(shù)K=15 m/d～40 m/d［5］，地下水流速較大。因此，總體上說，成都地鐵沿線各巖土層均一性、自穩(wěn)能力較差，總體工程地質(zhì)條件較差。

2．2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)成都地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)資料和已建、在建工程巖土工程勘查資料［3］，按地下水賦存條件，沿線地下水主要有四種類型:賦存于粘土層之上的上層滯水;賦存于粘土中的裂隙水;第四系孔隙潛水;基巖裂隙水。

1)上層滯水。上層滯水主要賦存于粘土層之上的填土層中，大氣降水、溝渠和附近居民的生活用水為其主要補(bǔ)給源。水量、水位變化大，且不穩(wěn)定。2)粘土中的裂隙水。山前臺(tái)地區(qū)分布的粘土層中賦存有少量裂隙水，粘土中裂隙水主要是靠上層滯水或粘土本身的毛細(xì)水補(bǔ)給。其水量受季節(jié)性變化明顯，具有雨季獲得補(bǔ)充，積存一定水量，旱季水量逐漸耗失的特點(diǎn)。粘土裂隙水動(dòng)態(tài)變化顯著，無穩(wěn)定水位，難以形成貫通的自由水面。3)第四系孔隙潛水。該層地下水主要分布于二級(jí)階地地區(qū)，主要賦存于上更新統(tǒng)(Q3)的砂、卵石土中，水量較豐富，部分地段由于地形和上覆粘性土層控制，具微承壓性，含水層有效厚度約為3．2 m～10．1 m。根據(jù)成都地區(qū)水文地質(zhì)資料，該層砂、卵石土綜合含水層滲透系數(shù)K約為10 m/d～20 m/d，為強(qiáng)透水層。4)基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖、泥質(zhì)砂巖，地下水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙中，含水量一般較小，但在巖層較破碎的情況下，常形成局部富水段。根據(jù)相關(guān)水文地質(zhì)資料，滲透系數(shù) K 約為0．027 m/d ～2．01 m/d，平均為0．44 m/d，屬弱 ～ 中等透水層。成都地區(qū)地下水的補(bǔ)給充足，補(bǔ)給源包括岷江河口(NW)方向地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給、西郊農(nóng)灌及縱橫交錯(cuò)的渠系滲漏和部分降水補(bǔ)給，以泄流方式向河流排泄是地下水最主要的排泄途徑［5］。成都市區(qū)地下水的天然動(dòng)態(tài)總體穩(wěn)定，但在地鐵工程建設(shè)沿線，由于地下車站等工程大量深基坑排水的影響，地下水動(dòng)態(tài)較為紊亂。

3 地質(zhì)災(zāi)害類型

根據(jù)國(guó)土資源部《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)要求(試行)》(國(guó)土資發(fā)［2004］69號(hào)附件一)，地質(zhì)災(zāi)害是指包括自然因素或者人為活動(dòng)引發(fā)的危害人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的山體崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等與地質(zhì)作用有關(guān)的災(zāi)害。

成都地鐵工程建設(shè)主要包括地下車站、地下區(qū)間隧道、車輛段及出入段線。地下車站主要采用明挖法施工，地下區(qū)間隧道主要采用明挖法、礦山法和盾構(gòu)法施工，其中成都地鐵在通過市區(qū)的絕大部分區(qū)間隧道均采用盾構(gòu)法施工。

根據(jù)成都地鐵沿線地層巖性，結(jié)合其施工工藝，成都地鐵工程建設(shè)可能引發(fā)和遭受的地質(zhì)災(zāi)害有［6］:

1)地下車站深基坑開挖施工降水以及部分區(qū)間隧道暗挖施工引起地面與臨近建(構(gòu))筑物地基基礎(chǔ)沉降;2)地下車站等工程的深基坑開挖引發(fā)邊坡變形、坍塌、滑移;3)地震或施工震動(dòng)引起粉土、砂土地層液化。

例 2：“It’s a Cheshire cat,”said the Duchess.“That’s why.Pig!”

3．1 地面與地基基礎(chǔ)沉降

成都地鐵工程建設(shè)地下車站及部分區(qū)間隧道采取明挖施工法，基坑開挖施工前需將基坑深度之上富水性較好、透水性較強(qiáng)的第四系孔隙潛水含水層中的水疏干。另外，若部分地段采用暗挖礦山法施工，也必須首先進(jìn)行施工降水。由此可能出現(xiàn)以下三種不良地質(zhì)作用:

1)降水井抽水時(shí)，若大量出砂，會(huì)引起地層結(jié)構(gòu)破壞而造成地面沉降。2)群井抽水將形成大范圍降水漏斗。在地下水位降深范圍內(nèi)，含水層孔隙水壓力會(huì)發(fā)生不同程度的降低，土的有效應(yīng)力增加，從而含水層產(chǎn)生附加固結(jié)變形，將引起房屋地基、城區(qū)街道地面出現(xiàn)不同程度的沉降。3)區(qū)間隧道采用暗挖法施工時(shí)，由于砂卵石土為松散、無膠結(jié)、無自穩(wěn)能力的地層，因此也可引起地面出現(xiàn)不同程度的沉降。

由于基坑開挖施工降水以及區(qū)間隧道暗挖施工引起地面與地基基礎(chǔ)沉降的存在，將不可避免影響區(qū)內(nèi)目前的地形測(cè)量標(biāo)志和測(cè)量成果，造成一定程度的危害或不利影響。若變形沉降量過大，則可能造成附近的交通道路排水失效、地下管線扭曲破裂，市政設(shè)施以及建筑物傾斜等危害。

3．2 邊坡變形、坍塌、滑移

1)邊坡變形失穩(wěn)。成都地鐵工程地下車站及部分區(qū)間隧道采取明挖施工法，基坑開挖深度一般在15 m～20 m，局部可達(dá)30 m左右，基坑開挖范圍長(zhǎng)、深度大，且沿線樓宇眾多、交通繁忙、地下管線密布。在此環(huán)境條件下進(jìn)行深基坑開挖，如果不采取合理的邊坡支護(hù)措施，邊坡易出現(xiàn)變形，甚至坍塌、滑移等邊坡失穩(wěn)的可能。而且，沿線大部分地段上覆0．8 m～7．5 m厚的粘土層，硬塑狀，局部可塑狀，為弱膨脹土，下伏白堊系灌口組紫紅色、褐紅色泥巖，為弱膨脹巖;弱膨脹性巖土體遇水軟化、崩解，強(qiáng)度急劇降低，其在地下水作用下也易引發(fā)邊坡變形，甚至坍塌、滑移等邊坡失穩(wěn)的問題。一旦邊坡變形量過大引發(fā)邊坡坍塌、滑移，不僅威脅到工程作業(yè)人員與施工設(shè)備安全，還將危及附近建筑物、相鄰街面道路、車輛行人、市政設(shè)施與各類地下管網(wǎng)線的安全和正常使用，造成的危害較大。

已有的工程實(shí)踐和邊坡變形觀測(cè)結(jié)果表明，深基坑在采取合理的支護(hù)措施后，可大大地降低基坑失穩(wěn)的可能性，邊坡變形也可控制在允許范圍內(nèi)，不至于對(duì)既有建(構(gòu))筑物及其他設(shè)施的安全和正常使用造成大的影響。

2)滑坡。成都地鐵大部分地段上覆0．8 m～7．5 m厚的粘土層，夾少量灰白色粘土條帶，硬塑狀，局部可塑狀，具弱膨脹性。粘土層裂隙發(fā)育且多呈陡傾角，這些裂隙破壞了土體的完整性，并成為地下水聚集的場(chǎng)所和滲透的通道;更為重要的是，因水解作用沿裂隙面次生了灰白色粘土條帶，灰白色粘土條帶的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)低于正常粘土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，成為正常粘土層中的軟弱帶，劣化了其工程性能。隨著粘土吸水膨脹，失水收縮，加劇了裂隙的發(fā)育、發(fā)展，當(dāng)人工開挖邊坡出現(xiàn)臨空面時(shí)，在不利條件下，土體往往沿裂隙面灰白色粘土條帶產(chǎn)生滑動(dòng)。

成都地鐵沿線雖然存在滑坡發(fā)生的條件，但自然地勢(shì)平緩開闊，所以在自然狀態(tài)下，滑坡不發(fā)育。但沿線部分地下車站、區(qū)間隧道頂部以及主體結(jié)構(gòu)位于粘土層中。隨著地下車站和區(qū)間隧道基坑開挖，會(huì)使?jié)撛诨瑒?dòng)面(裂隙面)臨空，在降雨或地表水等不利條件影響下，可能引發(fā)滑坡。結(jié)合場(chǎng)地地形條件、地層巖性和分布特點(diǎn)以及基坑開挖深度等情況推斷，在地鐵工程建設(shè)中可能誘發(fā)產(chǎn)生的滑坡以小型滑坡為主，危及地鐵工程建設(shè)以及滑坡范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物和市政工程設(shè)施的安全和正常使用，造成一定的危害。

3．3 粉土、砂土地層液化

所謂砂土液化，是指飽和砂土或粉土在地震力作用下或在受到強(qiáng)烈振動(dòng)后，土粒處于懸浮狀態(tài)，致使土體失去強(qiáng)度而造成地基失效的現(xiàn)象。場(chǎng)地內(nèi)液化土層多為薄層狀或透鏡體粉土和砂土，松散～稍密，厚度一般較薄，深度較淺，根據(jù)《成都地鐵7號(hào)線工程可行性研究階段巖土工程勘察報(bào)告》的結(jié)論，其液化等級(jí)為嚴(yán)重。成都地鐵沿線部分地下車站及區(qū)間隧道的基礎(chǔ)位于卵石土及透鏡砂層之上，透鏡砂層較為松散，地層液化對(duì)路基工程、淺基礎(chǔ)工程、基坑開挖和支護(hù)影響較大。

4 防治措施建議

4．1 工程措施

根據(jù)上述觀點(diǎn)，成都地鐵工程建設(shè)在規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工過程中，必須加強(qiáng)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，盡量減輕人類工程對(duì)地質(zhì)環(huán)境的不利影響，盡可能避免引發(fā)和加劇地質(zhì)災(zāi)害行為的發(fā)生，避免和減少因地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失。建議按如下工程措施進(jìn)行防治:

1)對(duì)施工降水引發(fā)的地面與地基基礎(chǔ)沉降，應(yīng)注意控制降水井出砂量，尤其在砂夾層和砂透鏡體較多地段，更應(yīng)嚴(yán)格控制降水井出砂量，以防止出砂量過大對(duì)地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，從而引起過大的地面與地基基礎(chǔ)沉降。施工順序應(yīng)先降水、支護(hù)，而后再開挖，并應(yīng)選擇適合地層特點(diǎn)的施工方法和施工設(shè)備，在通過河流及鄰近建筑物基礎(chǔ)地段，也可考慮采取對(duì)周圍地層進(jìn)行注漿加固處理等措施。2)對(duì)深基坑開挖引發(fā)的邊坡變形、坍塌、滑移等災(zāi)害，應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)幕又ёo(hù)措施。本工程基坑深度大，周邊建(構(gòu))筑物密集，適宜采用擋土樁進(jìn)行邊坡支護(hù)，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)樁體采取錨拉措施。對(duì)部分基坑深度不大且周邊無重要建(構(gòu))筑物或尚有一定間距時(shí)，也可采用土釘墻(噴錨結(jié)構(gòu))支護(hù)措施。邊坡工程應(yīng)做好降水或地表水的疏排工作，防止邊坡土層受水沖刷或浸泡。3)對(duì)粉土、砂土地層液化，工程建設(shè)中應(yīng)選擇合適的基礎(chǔ)持力層，必要時(shí)應(yīng)采取換填或預(yù)加固處理措施。

4．2 監(jiān)測(cè)措施

工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)采取信息化管理，對(duì)工程建設(shè)可能引發(fā)或遭受的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)災(zāi)前期動(dòng)態(tài)信息、發(fā)展演變趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作。通過監(jiān)測(cè)結(jié)果，適時(shí)發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警，并可有針對(duì)性地采取工程措施，以避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

根據(jù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)果，監(jiān)測(cè)工作除對(duì)本地下工程基坑、隧道等進(jìn)行必要監(jiān)測(cè)外，尚須對(duì)既有房屋、重要地下管線、既有地下工程及其外圍街面道路進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容為水平位移、垂直沉降位移、傾斜，以及地下水位、地下水壓力、流量等。

5 結(jié)語

本文在總結(jié)已建地鐵工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合在建和擬建工程實(shí)際，提出成都地鐵工程建設(shè)可能引發(fā)和遭受的地質(zhì)災(zāi)害類型，建議從工程建設(shè)開始就采取合理的工程防范措施，并配合必要的監(jiān)測(cè)預(yù)警措施，以達(dá)到預(yù)防、消除或減輕地質(zhì)災(zāi)害造成的危害，確保工程建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期的安全，避免對(duì)城市環(huán)境造成不良影響。

在施工過程中，應(yīng)注重生態(tài)工程，以防止水土流失;并應(yīng)合理選擇棄渣場(chǎng)位置，避免引發(fā)次生災(zāi)害。施工期間，應(yīng)派專人巡視檢查，預(yù)報(bào)預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，做好地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防工作。

［1］成都地鐵7號(hào)線工程可行性研究報(bào)告［R］．成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2012．

［2］王恭先．滑坡學(xué)與滑坡防治技術(shù)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．

［3］成都地鐵7號(hào)線工程可行性研究階段巖土工程勘察報(bào)告［R］．成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2012．

［4］《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫委員會(huì)．工程地質(zhì)手冊(cè)［M］．第4版．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007．

［5］徐則民，張倬元，劉漢超，等．成都地鐵環(huán)境工程地質(zhì)評(píng)價(jià)［J］．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2002，13(2):63-69．

［6］成都地鐵7號(hào)線工程建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告［R］．成都:中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，2012．

［7］饒?zhí)鞆?qiáng)，石振華．基坑降水手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006．

［8］李秀珍，孔紀(jì)名，王成華，等．地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃的多態(tài)系統(tǒng)可靠性分析方法［J］．災(zāi)害學(xué)，2009，24(2):1-6．