新建地铁项目工程水文地质安全风险

改造者：周 鑫

新建地铁项目工程水文地质安全风险

改造者：周 鑫

本文对影响天津中心城区新建地铁工程及运营安全的不良地质条件、软土及地下水等工程地质和水文地质风险因素进行了简要分析，并提出了工程各阶段相应的安全保障措施，以利于有效规避工程建设风险。

天津中心城区将陆续启动建设地铁7、11号线等项目，工程地质安全风险是新建地铁项目建设和运营过程中需要高度重视的问题。

不良地质条件对地铁工程及运营的安全风险

区域性地面沉降对地铁工程及运营的安全风险

天津市引起地面沉降的主要原因是地下水的超量开采。位于中心城区的地铁7、11号线等线路工程建设应重视地面沉降的影响。自1923年天津市开始开发利用地下水资源，地面沉降相应发生，年沉降量仅几毫米。新中国成立后随着工农业的发展，地下水开采量逐渐增加，地面沉降越发严重，1950～1957年沉降速率7～12mm/ a，1958～1966年沉降速率30～46mm/a，沉降中心逐步形成，1967～1985年沉降速率达80～100mm/a。1986年后开始治理沉降，加大了地下水资源的保护和控采，市区大部分地区沉降速率降低到10～15mm/a，沉降减缓明显。但外环线附近局部地区沉降速率仍然较大，局部达到约30～60mm/a，控沉任务仍然艰巨。

地铁线路为线状延伸的工程，不同的线路区段其地面沉降值差别较大。过大的地面沉降将引起地下构筑物结构变形和渗漏；对高架工程，地面沉降将引起设计高程损失或引起纵坡的变化，影响地铁的运营安全；对地面工程，过大的地面沉降不仅引起高程损失，还可能诱发内涝集水，增加维修养护成本。因此，在地铁工程建设的各阶段应考虑运营过程后地面沉降对地铁构筑物的长期影响。根据国家工程建设的有关规定，对重点工程应开展专项工程地质灾害危险性评估工作。因此对重点工程设计采用的沉降量和灾害发育危险程度应根据工程地质灾害危险性评估报告结果确定。

液化层对地铁工程及运营的安全风险

处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震力短暂时间作用时将趋于密实，孔隙水压力急剧上升，这种急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使有效应力减小，当有效应力完全消失时，土颗粒处于悬浮状态。此时，土体失去抗剪强度而显示出近于液体的特性，此现象称为地震液化。

地铁7、11号线等线路位于中心城区，设计施工过程中应考虑地震液化的影响。天津市区的液化层主要为20m深度以上的部分饱和的粉土和粉细砂层，分布在新近沉积层、第Ⅰ陆相层和第Ⅰ海相层中，深度范围一般为3～15m，液化层一般厚度为0～3.5m，一般以透镜体的形式零星分布，液化等级为轻微-中等。

对地下结构工程而言，地震液化引起的不均匀沉降造成建筑物上部结构变形，破坏梁板等水平构件及其节点，引起墙体开裂。尤其是地震液化层位于结构底板以下时设计施工应给予足够的重视；对高架工程而言，桩基础的设计要考虑地震液化层的影响；对地面工程而言，要考虑基底液化层对上部结构物产生过度下沉或整体倾斜的破坏和影响。

软土对地铁工程及运营的安全风险

天然孔隙比≥1.0，且天然含水量＞液限的细粒土称之软土，是在静水或水流缓慢的环境中沉积，并有微生物的参与，含有较多有机质的疏松软弱粘性土。

位于中心城区的地铁7、11号线等线路工程建设应重视软土的影响。天津市区在新近沉积层、第Ⅰ陆相层及第Ⅰ海相层中分布有淤泥和淤泥质土，分布的深度范围一般在15.0m以上，单层厚度一般0～3m，多以透镜体的形式零星分布，位于市区的东南部软土层的分布相对规模较大。

软土含水量高、透水性低、含有机质、呈流塑状、高压缩性、抗剪强度低，以及不均匀性，其工程性质很差。对地下工程而言，软土的低强度和触变性极易诱发地表沉降，对周边环境造成影响；当基底以下位于较厚的软土层时，不仅是建（构）筑物前期沉降值大，工后沉降延续时间特别长，往往对工程形成缓慢的变形和破坏，因此需要采取换填或加固措施。对高架工程而言，应考虑软土对桩基负摩擦的影响。对地面路基及过渡段而言，应根据检算情况进行适当的地基加固处理措施。

地下水对地铁工程及运营的安全风险

天津市区地下水在100m深度范围内，分为上部潜水和下部的几层承压水层。上部潜水的稳定水位埋深一般0.5～2m，一般分布在深度20m以上的填土和粉土和粉细砂层中；第Ⅱ陆相层及以下分布有三-四层承压含水层，主要赋存在粉土和粉细砂地层中，其间以粉质粘土和少量的粘土形成相对隔水层，市区的稳定水位一般约2～5m，各承压含水层分布规律性较差。由于粉质粘土层的相对隔水性，各含水层之间仍存在一定的水力联系。各层地下水对混凝土结构具有微-中等腐蚀性；对混凝土中钢筋一般具有弱-强腐蚀。

天津市的地下水位埋深较浅，对地铁工程的建设影响较大。地下工程应考虑地下水对地下结构物的抗浮问题和腐蚀性影响；要结合地下结构物的埋深、地质条件和地下水的分布等，加强对周边既有建（构）筑物和地下管线的监测和保护。对明挖基坑工程应重视围护结构的施工质量，避免发生渗流、潜蚀或漏水现象，从而对地表环境造成影响；当基底土抗突涌稳定性不满足要求时，应设置减压井降水减压；采取降水减压设计时要严格控制降水井施工质量，同时要严格执行“分层降水，按需降水”和“降压不降水，出水不出砂”的原则。

当区间盾构下穿河流等环境复杂地段时，应优先使用泥水加压平衡式盾构；严格控制盾构进、出土量和推进速度，加强同步和二次注浆，同时加强地表沉降监测，以减少对地表环境的影响；对盾构隧道穿过含有承压水的地层，需考虑涌水、涌砂的可能性，避免造成开挖面失稳和地表塌陷，以免对地表环境的造成影响；在盾构区间的接收（始发）段、联络通道设计施工过程中，应详细分析论证地下水的影响程度，必要时采用冻结法施工。

保障措施

为有效规避工程建设风险，在地铁项目建设的各个阶段应做好如下工作。

1）在新线规划设计阶段应充分搜集既有的区域地质资料，调研和分析沿线的不良地质和软土分布情况；掌握地下水的分布和性质，并提前做好相关的安全风险分析和评估。

2）在可行性研究阶段主要是通过对既有资料的分析研究，初步掌握场区的工程地质和水文地质条件，对线路通过区的工程地质条件进行初步评价；启动专项地质灾害评估工作；必要时进行代表性勘探工作；从工程地质角度论证工程方案的可靠性与合理性，对比选方案进行同精度分析评价。

3）岩土工程的初步勘察阶段是在可行性研究勘察的基础上，针对不同的线路敷设型式和不同的地质单元实施初步勘察工作，对不同的比选方案进行同精度勘察；初步查明沿线的工程地质和水文地质条件；初步查明沿线的不良地质和软土，以及地下水的性质和分布；并应识别设计、施工中与地质有关的风险因素，对线路通过地区的工程地质和水文地质条件进行分析评价。

4）岩土工程的详细勘察阶段应在初步设计的基础上针对不同的工点、不同的结构形式及施工方法详细查明沿线的工程地质和水文地质条件；评价工程的适应性，并对设计施工提出相应的措施和建议。

5）位于待开发区域的建设线路，工程活动和降水会引起周边地层沉降。通过在地下车站与区间设置变形缝，盾构区间管片之间为非刚性连接，明挖区间隔一定距离设置变形缝，可以减小因周边降水导致地层不均匀沉降对地铁结构产生的影响；待开建设项目建设时，地铁结构作为既有建筑，新建项目应采取一定措施例如注浆等方式来保证地铁结构的不均匀沉院、侧向位移等，以保证地铁的结构安全及运营安全。

6）施工过程中的施工勘察应结合设计和施工进展情况，进行详细的地质风险因素辨识与地质风险评估。

7）线路运营后也要做好长期监测工作，研究监测数据变化情况，保证地铁线路运营安全。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.039