西安市地鐵臨潼線（9號線）主要工程地質問題及對策研究

朱董珠

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西西安710043）

1 工程概況

西安市地鐵臨潼線（9 號線）一期工程西起西安地鐵一、六號線的終點站紡織城站，終止于臨潼區(qū)秦漢大道，臨潼線途經灞橋區(qū)、曲江臨潼國家旅游休閑區(qū)和臨潼區(qū)，線路全長約25km，設15座車站，全為地下站。

西安地區(qū)分布有厚度較大的黃土、黃土狀土及砂類土，黃土特有的濕陷性給地鐵建設帶來較大的困難，同時地裂縫的分布更是加大了工程開挖的施工風險和地面沉降，威脅周邊環(huán)境和管線安全。本文結合西安市地質背景特征，對9號線地鐵工程開挖中可能出現(xiàn)的工程地質問題進行分析、研究，討論地鐵建設中出現(xiàn)的特殊巖土工程問題及其危害，并提出了相應措施，為設計、施工提供指導[1]。

2 工程地質概況

2.1 地形地貌

西安市地鐵臨潼線（9 號線）一期工程呈近東西向展布，沿線地勢開闊，呈東高西低，地面高程409～454m。線路自西向東依次通過近代洪積扇、灞河階地及漫灘區(qū)、銅人塬塬前洪積臺地、洪慶河洪積扇、驪山山前洪積扇、渭河二級階地等地貌單元。

2.2 地層巖性

本線地層主要為第四系全新統(tǒng)（Q4）填土、新近堆積黃土、沖積黃土狀土、殘積黑壚土、沖洪積砂層、粉質粘土、粉土及卵石等；上更新統(tǒng)（Q3）沖洪積粉質粘土、砂層、圓礫、卵石，新黃土、古土壤等，中更新統(tǒng)（Q2）老黃土，沖洪積粉質粘土、砂類土等。

2.3 地質構造

根據(jù)場地地震安全性評價報告結論[2],線路整體位于渭河斷陷盆地，以臨潼—長安斷裂為界，以西為西安凹陷，以東為驪山凸起。對臨潼線線路有影響的斷裂主要有臨潼—長安斷裂、驪山山前斷裂西延段。

臨潼—長安斷裂：臨潼—長安斷裂為晚更新世以來的活動斷裂，總體走向北東35°～45°。根據(jù)現(xiàn)場調查、監(jiān)測、淺層地震及高密電法測試結果表明該斷裂從香王車輛段通過，目前沒有全新世地層垂直錯動的確切證據(jù)。因此，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，可以不考慮地面錯動對地鐵的影響。但臨潼—長安斷裂規(guī)模較大，上斷點埋深很淺，建議重要的地面建設工程盡可能不要跨越斷層，必須跨越的按不均勻地基處理。

驪山山前斷裂西延伸段：線路芷陽五路至芷陽廣場段跨越驪山山前斷裂的西延伸段，驪山山前斷裂西延伸段斷層的主體活動時代在晚更新世晚期至全新世初期，走向總體北東東向，傾向北，傾角為55°～75°，根據(jù)鉆孔資料對比，下更新統(tǒng)底界與中更新統(tǒng)底界在斷裂兩側落差分別為180m 和140m，沿斷裂帶晚第四紀斷層十分發(fā)育，晚更新世和全新世地層中的斷層錯距分別為5～10m、2m，晚更新世以來的平均滑動速率為0.2～0.4mm/a，全新世平均位移速率為0.1～0.2mm/a。全新統(tǒng)黑壚土地層可見破裂面，說明驪山山前斷裂西延伸段全新世有活動。從區(qū)域范圍看，驪山山前斷裂最新活動時代為全新世，線路設計時應考慮地面錯動的影響。

2.4 水文地質

沿線通過地層主要為第四系松散地層，地下水類型主要為第四系孔隙潛水，含水層主要由卵石層、砂礫石、砂類土和粉土組成。

地下水主要接受大氣降水、地表水、灌溉水的補給，排泄方式以人工抽取地下水為主。

沿線地下水位變化較大，近代洪積扇區(qū)潛水埋深10～18m，灞河漫灘區(qū)潛水埋深一般1～2m，灞河階地潛水埋深11～15m，銅人塬塬前洪積臺地潛水埋深15～35m，局部埋深大于50m，驪山山前洪積扇區(qū)潛水埋深10～22m，渭河二級階地區(qū)潛水埋深16～18m。

2.5 不良地質作用

2.5.1 地震液化

根據(jù)地震安評報告結論，本區(qū)地震動峰值加速度值0.20g(相當于地震基本烈度Ⅷ度)，對場地地面下25m深度內可能液化的土層依據(jù)《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（GB50111-2006）（2009年版）進行液化判別，結果顯示擬建場地25m深度內的飽和砂土層和粉土均不液化。

2.5.2 地裂縫

根據(jù)區(qū)域地質資料以及地裂縫勘察的成果[3]，工程沿線地裂縫較發(fā)育，地裂縫對車站和區(qū)間結構有很大的影響。根據(jù)地裂縫專題報告，沿線地裂縫分布情況見表1。

表1 地裂縫分布情況一覽表

2.5.3 地面沉降

根據(jù)地質災害評估報告[4]，現(xiàn)有的西安市地面沉降資料均為1996年以前的監(jiān)測資料，但自20世紀90年代后期以來，特別是2000年后，由于種種因素的影響，西安幾乎再沒有開展過大范圍的連續(xù)精密水準監(jiān)測。從專題單位的監(jiān)測資料分析，擬建工程線路距沉降中心較遠，評估區(qū)地面沉降活動速率小于5cm/a。在不考慮地裂縫帶可能出現(xiàn)的局部地面差異沉降外，現(xiàn)狀條件下地面沉降危險性小。

另外，施工期間工程降水可能會對地面產生一定的影響，應采取適當?shù)拇胧?，減少因降水引起土層有效自重應力增加而產生的地面沉降或差異沉降等。

2.5.4 黃土陷穴及人為坑洞

據(jù)工程地質調查和勘察結果，灞河河床及漫灘區(qū)存在取砂坑，沿線零星分布有取土坑?？碧竭^程中，在洪慶車站附近發(fā)現(xiàn)一枯井，在埋深約40～50m之間有一空洞。

勘察期間在華清池—廣場路區(qū)間發(fā)現(xiàn)有人防工程，根據(jù)現(xiàn)場調查和訪問，本處人防工程沿東西走向，其規(guī)格約為2.0m（寬）×2.0m（高），長度延伸20m，距地面下約3～5m，建于20世紀70年代，已廢棄。其余地段也有存在防空洞、墓穴、窖、枯井、坑洞、滲井、老窯等的可能，施工過程中應引起注意。

2.6 特殊性巖土

2.6.1 人工填土

主要由雜填土和素填土組成，厚度不均，成分雜亂，均勻性差、未壓實孔隙大，高壓縮性、密實性差是其主要特點，一般不能直接作為地鐵基礎的持力層。

雜填土以各種垃圾為主，含少量粘性土及碎石；素填土以粘性土及碎石為主，含少量磚瓦碎片，結構疏密不均，成份較復雜，具有一定的濕陷性。

2.6.2 濕陷性黃土

在灞河階地、黃土臺塬區(qū)、洪積扇區(qū)上部的第四系新黃土、黃土狀土均存在不同程度濕陷性，第四系中更新統(tǒng)上部部分黃土也存在濕陷性。

對地面以下、水位以上的地基土采用探井為主、鉆孔為輔的取樣方式進行了濕陷性試驗，根據(jù)探井試驗資料結果進行計算，計算結果見表2。

表2 沿線濕陷性黃土分段表

3 主要工程地質問題及應對措施

結合全線的工程設置及沿線主要不良地質作用和特殊性巖土，對本工程影響較大的工程地質問題主要為地裂縫和濕陷性黃土、地表沉降變形。

3.1 地裂縫

根據(jù)地裂縫勘察專題報告，線路經過地裂縫的場地分為兩類：二類地裂縫場地和三類地裂縫場地[5]。

對于二類地裂縫場地，地裂縫活動較為強烈，地層中典型的標志層（紅褐色古土壤）被錯斷，地表變形跡象明顯甚至出現(xiàn)臺階狀錯斷現(xiàn)象，可采用淺埋暗挖法或者盾構法施工，建筑物通過地裂縫時一味加強結構或者對地裂縫進行處理不可行，一般可采取“放”與“防”相結合的原則，“防”可采用擴大斷面尺寸和超前預小導管注漿，注漿一般采用高壓雙液劈裂注漿；而“放”就是每隔一段設沉降縫，縫間填充柔性材料，跨地裂縫地段采用柔性接頭進行處理，并對結構分段設計，同時控制襯砌時間，預留一定可控變形，以結構適應地裂縫變形為主。建議二類地裂縫場地構筑物穿越地裂縫帶的隧道襯砌結構全部采用騎縫式或懸臂式設縫模式，如圖1所示[6]。

圖1 騎縫（或懸臂）設置模式示意圖

對于三類地裂縫場地，基本是河湖相地層，粉質粘土和砂卵石互層，與二類地裂縫場地比較來看，地裂縫活動程度十分微弱，對地鐵隧道影響很小，地裂縫附近的地層適應地裂縫變形和調整自身變形能力強，地層變形傳遞至地下結構上的應力和裹挾位移相對也較小。防治的原則總體上仍然是“以適應地裂縫變形和超前注漿為主”，對于地表有一定變形跡象且地層錯斷埋深較淺（10m以內）的，可按照二類地裂縫場地設防；對于目前地表沒有任何變形痕跡、地層錯斷埋深相對較深（10～15m 以下）的地裂縫場地可以采取淺埋暗挖隧道加強通過，也可采用特殊管片盾構通過[6]。

3.2 濕陷性黃土

濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓密土，具有大孔隙和垂直節(jié)理，在自然條件下，其壓縮性不高，強度較高，但遇水浸濕飽和時，土的強度急劇降低，在附加壓力下會產生附加沉降，對建筑物危害較大；地基土受水浸泡后和附加壓力造成地基土不均勻沉降，致使地基失穩(wěn)，從而造成建筑物變形或破壞。

根據(jù)規(guī)范，濕陷黃土發(fā)生沉降的條件主要有兩個：一是大于起始壓力的應力狀態(tài)，二是地下或地表水的入滲[7]。而對于修建完成的工程，最主要的是做好工程的防水措施，注意管線等滲漏和地下水作用。

從表2可以看出，臨潼線沿線濕陷性黃土以大厚度自重濕陷性黃土為主，濕陷等級高且濕陷性土層厚度大，對工程影響較大。根據(jù)規(guī)范，地鐵工程大部分屬于甲類建筑，應消除地基的濕陷性或將基礎設置在非濕陷性黃土層上；出入口和風道屬于丙類建筑，應消除地基的部分濕陷量。

結合西安市建設工程建設的經驗，對于場地濕陷性可根據(jù)結構和場地不同采取不同的處理措施，對于濕陷土層厚度較小的地段，設計可采用水泥土換填、震動夯實等方法即可處理[8]。而臨潼線約14km范圍內分布黃土較厚，結構底板以下仍有剩余濕陷量，要全部消除濕陷性則費時費力費錢。結合《西安地鐵臨潼線、五號線穿越濕陷性黃土層處理原則與措施研究》研究報告[9]，對于車站和區(qū)間根據(jù)不同地質條件采用不同的方式：

車站地基處理方法：①基底以下濕陷黃土層厚度小于2.5m時，可采用水泥土墊層方法進行處理；②基底以下濕陷黃土層厚度2.5～4.0m時采用震動碾壓法。③車站基底以下濕陷性黃土厚度大于4.0m 時，可采用DDC樁和擠密樁法進行處理。

礦山法施工地基處理方案：①隧道基底以下濕陷性土層厚度小于2.0m 時，建議采用水泥土墊層方法處理；②基底濕陷性土層厚度大于2.0m時，建議采用擠密樁（短螺旋法或者靜壓法）進行處理。

盾構隧道地基處理方法：建議采用洞內高壓雙液注漿法或地表三重管法進行處理。劈裂注漿可使黃土變密實，提高土的承載力、抗變形性和水穩(wěn)性能，處理范圍為底板正西方及周邊，深入非濕陷地層1.0m。

3.3 地表沉降變形

地鐵施工誘發(fā)的地表沉降是地鐵常見地質問題之一，目前能夠準確預測的方法很少，開展常見地層地鐵施工引發(fā)的地表變形及周邊環(huán)境破壞規(guī)律預測極為必要，可為地表沉陷監(jiān)測方案的制定和變形防治措施提供理論依據(jù)。

FLAC 3D目前在巖土、隧道工程中應用較多，用于模擬三維的巖土體力學變形特征（具體模型示意圖見圖2），尤其適合于模擬材料的變形特征。目前應用較廣，經多個案例分析發(fā)現(xiàn)該數(shù)值軟件同實際變形比較接近。

圖2 FLAC 3D數(shù)值分析變形示意圖

根據(jù)數(shù)值分析條件不同工況，發(fā)現(xiàn)盾構法施工和暗挖法施工在變形特征有所不同，在同一工況條件下，采用不同施工方法，采用數(shù)值分析得出（見表3）。

表3 不同施工方法變形分表

4 結論

（1）西安地鐵9 號線主要工程地質問題為黃土濕陷、地裂縫和地面沉降，地震液化、人工填土等對工程建設影響較小。

（2）對于地鐵隧道穿越地裂縫帶，建議根據(jù)不同的類型，有針對性地采取措施，如預劈裂注漿加固、局部加強結構。

（3）對于大厚度濕陷性黃土地段，首先做好工程防水措施，避免工程沿線管線滲漏等情況的出現(xiàn)。

（4）對于車站工程應根據(jù)濕陷土層厚度，選擇換填或者水泥土擠密樁、DDC樁；對于礦山法隧道應根據(jù)濕陷土層厚度，選用擠密樁或短螺旋法處理；盾構隧道根據(jù)情況采用預注漿法或地表三重管處理。

（5）地面沉降是地鐵施工遇到的常見地質問題，需要做好變形監(jiān)測，同時對監(jiān)測進行風險預警，根據(jù)地質條件、工程特點、周邊環(huán)境，劃分成不同的危險區(qū)域，以便采取不同的應對措施。