沈陽地鐵一號線地質(zhì)綜合勘察

陶　軍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)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(diǎn)工程，全線長約28 km，均為地下線，試運(yùn)營及正式運(yùn)營一年以來，運(yùn)行狀態(tài)良好。

沈陽地鐵一號線設(shè)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(nèi)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(shè)工程施工中主要采取了明挖法、暗挖法、盾構(gòu)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(zhì)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(jìn)。

流經(jīng)本市的河流有渾河及南、北運(yùn)河。南、北運(yùn)河流經(jīng)城區(qū)的北部與南部，最終匯入渾河。渾河流經(jīng)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(shè)施及地下建筑物復(fù)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(fēng)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(fēng)，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(zhì)構(gòu)造與地震

(1)地層巖性

全線天然地層結(jié)構(gòu)可分為第四紀(jì)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(jì)砂礫巖5個結(jié)構(gòu)層，其中第四紀(jì)全新世人工堆積層主要由市政鋪設(shè)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(xì)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(zhì)黏土、細(xì)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(jì)砂礫巖。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

在區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)上，沈陽市區(qū)位于華北地塊內(nèi)，根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造活動的特點(diǎn)，沈陽市區(qū)位于沈北凹陷地塊內(nèi)，大地構(gòu)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(jù)沈陽市基巖地震動分析結(jié)果，50年P(guān)=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(jù)《中國地震動參數(shù)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(yīng)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(zhì)及工程地質(zhì)條件。提出巖土勘察資料和設(shè)計所需的巖土技術(shù)參數(shù)，對建筑地基作出巖土工程分析評價，并應(yīng)對基礎(chǔ)設(shè)計、地基處理、不良地質(zhì)現(xiàn)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(guān)規(guī)范的要求；其次要查明沿線各類建筑物的地質(zhì)條件；第三為各類工程設(shè)計提供依據(jù)，針對各種施工方法要求，制定詳實(shí)勘察方法，為設(shè)計提供所需的巖土技術(shù)參數(shù)。

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(chǔ)類型、基礎(chǔ)埋深、基坑支護(hù)及降水、施工方法等條件，所取得資料必須滿足設(shè)計的要求?？刂菩钥碧娇滓苏伎偪讛?shù)的1/3～1/4，取樣及原位測試孔的數(shù)量根據(jù)工點(diǎn)大小、取樣，以及原位測試的數(shù)量是否滿足數(shù)理統(tǒng)計、設(shè)計要求等因素確定，不得少于總孔數(shù)的1/2。

區(qū)間隧道結(jié)合車站兩端勘探孔進(jìn)行布置。暗挖法、盾構(gòu)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(cè)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(cè)外1～2倍開挖深度范圍內(nèi)布置，勘探孔間距為30～50 m。地層變化較大及地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)段應(yīng)適當(dāng)增加勘探孔及勘探橫剖面。

地下車站根據(jù)規(guī)模、出入口、通風(fēng)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(cè)外1～2倍開挖深度范圍內(nèi)，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(zhì)條件復(fù)雜區(qū)段應(yīng)適當(dāng)增加勘探孔及勘探橫剖面。蓋挖法施工區(qū)段應(yīng)結(jié)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(yīng)根據(jù)隧道及車站的埋深，地層、地下水等地質(zhì)條件、設(shè)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(yīng)達(dá)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(yīng)滿足明挖法施工要求外，還應(yīng)滿足大直徑樁穩(wěn)定與沉降檢算要求。暗挖法、盾構(gòu)法施工的隧道控制性勘探孔深應(yīng)勘探至隧道結(jié)構(gòu)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(yīng)勘察方法

(1)施工工法要求

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

采用暗挖法、盾構(gòu)法施工的工點(diǎn)，除提供常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目指標(biāo)(顆粒分析、天然含水量、密度、比重、孔隙比、液塑限、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等)外，還需提供靈敏度、泊松比、變形模量、靜止側(cè)壓力系數(shù)、基床系數(shù)、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(hù)壁反循環(huán)鉆進(jìn)，或雙重管、三重管正循環(huán)等鉆進(jìn)。除取土樣段外，全孔連續(xù)取芯?；卮芜M(jìn)尺控制在1.0 m以內(nèi)。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(yīng)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(yīng)有試驗(yàn)依據(jù)。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(dú)分層取樣。每工點(diǎn)取水試樣不少于2組。

(4)原位測試

原位測試方法應(yīng)根據(jù)建筑物類型、巖土工程地質(zhì)條件，以及設(shè)計施工對巖土參數(shù)的要求、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和測試方法的適用性等因素綜合確定。與室內(nèi)土工試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合使用，并應(yīng)進(jìn)行綜合分析。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：

取擾動土樣，鑒別和描述土的類別，評價土的密實(shí)度，計算天然地基承載力，估算地基土變形參數(shù)、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(gòu)筑物應(yīng)執(zhí)行《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》GBJ111—87進(jìn)行液化判定，地面建筑物應(yīng)執(zhí)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011—2001進(jìn)行液化判定。每個車站、區(qū)間在同一地質(zhì)單元體內(nèi)，每主要層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)次數(shù)不少于10個。

動力觸探試驗(yàn)：

劃分地基土層及評定土的均勻性和密實(shí)度，估算土的強(qiáng)度，確定土的變形參數(shù)、壓縮性、內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，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(zhì)單元體內(nèi)，主要地層每層動力觸探試驗(yàn)次數(shù)不少于10個。動力觸探試驗(yàn)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐貐^(qū)經(jīng)驗(yàn)并與其他方法相配合使用。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)：

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

旁壓試驗(yàn)：

確定土的水平應(yīng)力、靜止側(cè)壓力系數(shù)、不排水抗剪強(qiáng)度，估算土的側(cè)向基床系數(shù)。地下車站及區(qū)間隧道工點(diǎn)在地層不能進(jìn)行扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)情況下做旁壓試驗(yàn)。

(5)水文地質(zhì)試驗(yàn)

確定地下水類型、水位、滲透系數(shù)、影響半徑等水文地質(zhì)參數(shù)。各孔均應(yīng)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(yīng)測定承壓水頭及水位。多層含水層的水位應(yīng)采取止水措施分層測定。水文地質(zhì)試驗(yàn)孔的多層含水層的水位及水文地質(zhì)參數(shù)均應(yīng)采取止水措施分層測定并取水進(jìn)行水質(zhì)評價。

(6)室內(nèi)土工試驗(yàn)與水質(zhì)分析

室內(nèi)土工試驗(yàn)的項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)工程的類別、工程性質(zhì)、基礎(chǔ)類型、土的性質(zhì)、施工方法等對巖土物理力學(xué)參數(shù)的需求確定，對所取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)必須滿足數(shù)理統(tǒng)計和設(shè)計檢算要求。

室內(nèi)土工試驗(yàn)的目的主要用于土層定名、土層劃分、工程力學(xué)性質(zhì)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(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

①物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)

對所取不擾動土樣及砂樣應(yīng)進(jìn)行物理性質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：顆粒分析、滲透系數(shù)、天然含水量、重度、比重、孔隙比、液塑限、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、滲透系數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量(有機(jī)質(zhì)土)。對所取擾動的砂樣、圓礫土、卵石土樣進(jìn)行顆粒分析。繪制顆粒級配曲線、計算曲率系數(shù)、不均勻系數(shù)等。

②力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

固結(jié)(壓縮)試驗(yàn)：

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

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)：

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)包括直接剪切試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，剪切試驗(yàn)的試驗(yàn)方法應(yīng)根據(jù)設(shè)計、施工要求，盡量考慮與施工實(shí)際情況相適宜的方法。

③側(cè)壓力系數(shù)(靜止土壓力系數(shù))試驗(yàn)

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

④基床系數(shù)試驗(yàn)

在室內(nèi)宜采用三軸試驗(yàn)或固結(jié)試驗(yàn)的方法，選擇部分土樣進(jìn)行地基土的基床系數(shù)K測定。

⑤室內(nèi)滲透試驗(yàn)

通過滲透儀可以測定土層水平及垂直向滲透系數(shù)。

⑥熱物理指標(biāo)

選擇數(shù)個代表性地下工點(diǎn)取樣進(jìn)行各巖土層的天然含水量、天然密度、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、比熱容測定試驗(yàn)。

⑦其他特殊試驗(yàn)

土的腐蝕性實(shí)驗(yàn)、有機(jī)土的灼燒試驗(yàn)及化學(xué)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(yīng)分析所需的場地土的動力參數(shù)；計算設(shè)計動力機(jī)器基礎(chǔ)和計算結(jié)構(gòu)物與地基土共同作用所需的動力參數(shù)；判定碎石土的密實(shí)度。每個車站、區(qū)間在同一地質(zhì)單元內(nèi)，其波速試驗(yàn)孔數(shù)不應(yīng)少于4個。

壓縮波速Vp和剪切波速Vs的測試深度：應(yīng)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(guān)規(guī)定執(zhí)行。

土壤電阻率測試：

測試主體結(jié)構(gòu)下0～15 m以內(nèi)的地層電阻率值。各車站測試為1～2孔。操作方法應(yīng)按《鐵路物探規(guī)程》TB/T10013—98的有關(guān)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(zhì)調(diào)查、鉆探、地球物理勘探、原位測試試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、水文地質(zhì)試驗(yàn)等綜合勘察方法。

6　結(jié)論

沈陽地鐵采用地質(zhì)調(diào)查、鉆探、地球物理勘探、原位測試試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、水文地質(zhì)試驗(yàn)等綜合勘察方法是可行的，既查明了沿線的地質(zhì)條件，為設(shè)計提供了設(shè)計所需的各種巖土參數(shù)。

沈陽地區(qū)地層中砂類土、圓礫土的滲透系數(shù)大，地下車站、隧道大部位于地下水位以下的強(qiáng)透水層之中。明挖法設(shè)計和施工中應(yīng)加強(qiáng)基坑支護(hù)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(gòu)法設(shè)計和施工中應(yīng)考慮砂土、圓礫土層的不均勻性對盾構(gòu)的影響。暗挖法設(shè)計與施工應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)、防水、排水、支護(hù)，必要時采取超前支護(hù)，以防止產(chǎn)生洞內(nèi)涌水、涌砂、涌泥、坍塌、地面塌陷等現(xiàn)象。

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

[2]GB 50007—2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)技術(shù)規(guī)范[S]