太原地铁1号线工程地质条件及主要地质问题研究

孙宝忠,潘瑞林

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京　100055)



太原地铁1号线工程地质条件及主要地质问题研究

孙宝忠,潘瑞林

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京100055)

摘要：结合太原地铁1号线地铁特有的地层岩性、地质构造、岩土特征、水文地质,分析与地铁隧道、车站建设相关的工程地质条件、水文地质条件特征。研究太原地铁1号线的主要工程地质问题,即交城活动断裂、地面沉降、地震液化、湿陷性土。在此基础上,对地铁车站基坑以及区间隧道开挖可能面临的工程地质问题进行分析和研究,得出结论：交城活动断裂带内不宜设置地下车站,地下站基坑开挖易产生流沙、基坑边坡失稳,地面沉降对工程影响不大。

关键词：太原地铁；工程地质条件；工程地质问题

1概述

太原地铁1号线是山西省第一条城市地铁，由于受太原市区用地条件的限制，1号线地铁线路为地下敷设形式，隧道埋深一般在20 m以内。太原市区浅层分布有厚度较大的砂性土、粉土和可塑的黏性土，该地层易液化、水稳定性和工程稳定性差，这些特有的工程地质条件给1号线地铁建设带来较大的难度和工程风险，在地铁车站基坑、区间隧道工程建设中易发生地面沉降和坍方，威胁施工安全和周边环境，大大增加了工程建设投资成本。结合太原市区地质背景特征， 对1号线地铁的工程地质条件，对车站基坑、隧道工程建设中可能出现的地质问题进行了分析、研究，讨论了建设中出现的主要工程地质问题的原因及其危害，为工程设计、施工提供指导。

2工程概况

太原地铁1号线工程西起西山矿务局站，线路向东延伸途经迎泽大街至太行路，折而向南至龙城大街东站。线位呈倒“L”形分布。线路全长约24.38 km，共设22座车站，含城市轨道交通换乘车站7座，平均站间距为1.08 km。西端设西山停车场1座，南端设马练营车辆段及综合维修基地1座。施工工法：车站为明挖法、区间隧道为盾构法。

3工程地质条件

线路位于太原盆地内，总体上地形起伏不大，地形条件较简单，总体趋势东西两端高，中间低，呈缓坡状。线路所经地貌单元：西山山前冲洪积平原区、汾河冲积平原区、东山黄土台塬区。

3.1地层

太原市位于太原盆地北部，两侧隆起带分别为东、西山区，盆地内基底凹凸不平，但大致由北向南倾斜，出露地层为第四系全新统、上更新统，松散层厚度120～500 m，下伏基岩为三叠系中统砂页岩。工程地质条件主要涉及45 m以浅的地层。

3.1.1第四系全新统

该组地层广泛分布于地表，河床、浅滩及一级阶地，该组地层总厚度12～30 m。

①-1人工填土(Q4ml)：广泛覆盖于地表及道路表层，一般厚0.5～3 m，由杂填土和素填土组成。

①-2黄土状粉土(Q4al+pl)：黄褐色，稍湿，稍密，具有轻微～中等非自重湿陷性，中～高压缩性，厚3.0～5.0 m。分布于西山冲洪积平原区。

①-3冲洪积粉土(Q4al+pl)：分布于汾河漫滩及一级阶地，黄褐色，稍湿～饱和，稍密。

①-4冲洪积粉质黏土(Q4al+pl)：黄褐色，软塑～可塑，中～高压缩性，与粉土呈互层状产出。分布于汾河漫滩及一级阶地。

①-5冲洪积粉细砂(Q4al+pl)：褐色，饱和，稍密。局部相变为中砂，分布于漫滩及一级阶地。

3.1.2第四系上更新统

该组地层多分布于第四系全新统之下，仅在东山黄土台塬区出露于地表，该组地层总厚度20～50 m。

②-1风积黄土(Q3eol)：褐黄色，以粉粒为主，稍密，具大孔隙结构，虫孔发育，垂直节理发育，为自重湿陷性黄土，地基湿陷等级为Ⅱ～Ⅳ级(中等～很严重)，中～高压缩性，本组地层厚10.0～20.0 m。分布于东山黄土台塬区。

②-2冲洪积粉土(Q3al+pl)：黄褐色，稍湿～饱和，中密～密实，局部夹粉细砂透镜体，分布于漫滩及一级阶地。

②-3冲洪积粉质黏土(Q3al+pl)：黄褐色，夹有粉土透镜体，可塑～硬塑，具中压缩性。分布于一级阶地、漫滩及河床下部。

②-4冲洪积粉细砂(Q3al+pl)：褐灰色，局部有粉土、粉质黏土夹层，饱和，中密～密实。主要分布于一级阶地、漫滩及河床。

3.2地质构造

3.2.1断裂

从大地构造单元看，设计线路位于太原断陷盆地内部。断陷盆地是喜马拉雅运动期形成的，盆地的东西两侧均为断裂控制，构造形迹以断裂为主。

太原盆地内的隐伏断裂将太原市基底切割成许多块段，由于不均匀沉降，形成次一级隆起与凹陷。盆地基底发育较多性质不明的隐伏断裂，但被厚层第四系所覆盖。近场区地质构造复杂，主要发育近NS向、NE-NNE向和近EW向3组断裂，场地附近断裂主要有交城断裂、南堰断裂、汾河断裂、新城-亲贤断裂、东山山前断裂、田庄断裂(图1)。其中交城活动断裂对工程影响很大。

图1　太原市地质构造略图

3.2.2褶皱

太原地区中部为新生代断陷盆地，被巨厚的松散沉积物所覆盖，褶皱形迹不明显。西部及东北部基岩地区褶皱均较为明显。

4水文地质条件

场地附近地表水较为发育，主要有虎峪河、汾河、迎泽湖水系。地下水在汾河冲积平原区、西山山前冲洪积平原区较为发育。地下水主要赋存于冲洪积层砂类土、粉土中。地下水分为孔隙潜水和承压水。孔隙潜水为浅层地下水，承压水主要为深层地下水。

孔隙潜水在浅滩与漫滩区一般埋深0.5～3.0 m，一级阶地一般埋深2.0～6.0 m，西山山前冲洪积平原区一般埋深6.0～20.0 m，东山黄土台塬区埋深大于25 m。孔隙潜水主要由大气降水和河流侧向补给，排泄方式以蒸发为主。

承压水一般埋深30～60 m，主要由地下水侧向径流补给，排泄方式以人工开采为主。

1号线工程主要受孔隙潜水影响。汾河冲积平原区线路走行于孔隙潜水岩组中，地下水埋深较浅，含水层较厚，渗透系数较大。根据太原市浅层地下水等水位线图(图2)，地下水径流由东、西方向流向盆地中心汾河沿线；黄陵附近发育有浅层水地下水漏斗，地下水由四周流向漏斗中心。

图2　太原市地下水等水位线

水文试验结果显示：地下水水温12 ℃左右，抽水试验最大降深影响半径386～496 m。车站基坑和区间隧道开挖可能发生地下水突水、涌水，对本线影响较大。沿线地下水对混凝土及混凝土中钢筋具弱～中等侵蚀性。

5主要工程地质问题

1号线主要工程地质问题有：交城活动断裂、地面沉降、地震液化、湿陷性土、湿陷性黄土。

5.1交城活动断裂

交城活动断裂于AK3+800～AK4+020(下元车站)段落大角度穿越线路，对地铁工程有重大影响。交城活动断裂位于太原盆地西界，北起黄坡向南经晋祠、清徐、交城至汾阳，全长110 km，总体走向NNE，倾向SE，以正断层活动为主，兼有右旋活动分量，是一条全新世活动断裂。该断裂带进入市区内为第四系覆盖，演变为隐伏断裂。

根据晋祠地震基准台跨断层Ⅰ等短水准高程形变实测资料(表1)，交城断裂现今仍在活动，BM1-BM3水准点于1981～2000年间下降盘累计位移量21.88 mm，年平均位移量1.15 mm，为Ⅰ级强烈活动断裂。

交城活动断裂上下盘的持续活动，易造成隧道工程发生错动、开裂，严重影响地铁工程的安全。断裂带范围应以区间隧道形式通过，而且不适宜盾构法施工。用矿山法加大隧道断面，可以调节活动断裂对隧道错动。断裂带范围内不适宜设置车站。

5.2地面沉降

根据太原市地面沉降等值线图(图3)，线路涉及到的地面沉降中心主要为下元沉降中心和吴家堡沉降中心。线路AK4～AK10段穿越下元沉降漏斗区，AK10～AK13+600段线路穿越吴家堡漏斗区的北部边缘。

表1　交城活动断裂下盘位移量与地面沉降量对照

资料来源：山西省地质环境监测中心2012年6月

资料来源：山西省地质环境监测中心2012年6月图3　太原市地面沉降等值线

太原市地面沉降历史，可划分为4 个沉降阶段：

(1)沉降中心形成阶段(1956～1980年)；

(2)沉降快速发展阶段(1981～1989年)；

(3)沉降急剧扩张阶段(1990～2000年)；

(4)沉降趋缓阶段(2000 年以后)。

1956～2000年下元沉降中心区，线路地面累计沉降量1 000～1 550 mm，沉降幅度较大。

2000年以后由于采取引入黄河水、城区关井限采地下水措施，各沉降漏斗的沉降趋势趋于平缓，地面沉降趋于缓和(表2)。

表2　2000～2012年线路地面沉降趋势　m

资料来源：山西省地质环境监测中心2013年12月

从表2中数据可以看出，2000～2012年地面沉降呈逐年下降趋势，线路沿线最近几年多数地段地面沉降幅度多小于0.010 m/年，下元沉降中心附近地面沉降幅度最大(0.010～0.076 m/年)。最近2年西山矿务局和太原站地段地面沉降处于稳定状态。

线路沿线地面沉降具有区域性、渐变性。沿线未发现因地面沉降造成建筑物或其他设施的破坏和损失，地面沉降主要造成了地面高程减小，现状条件下地面沉降地质灾害危险性小。

5.3地震液化

线路沿线地震动峰值加速度为0.20g，对应抗震设防烈度为8度，地震动反应谱特征值为0.45 s[6]。

汾河冲积平原区地下水埋深2.0～6.0 m，场地20 m以上全新统饱和粉土、粉细砂为稍密状态。通过标贯试验进行地震液化判别，结果显示：①-2黄土状粉土、①-3粉土、①-5粉细砂层均存在不同程度的液化。液化层底面深度一般13.0～15.0 m，局部深度达16.0～19.0 m。汾河河床与漫滩区地基土液化等级为中等～严重；一级阶地地基土液化等级为轻微～中等。地震液化对本线影响较大，可能导致地基承载力不足和隧道抗浮失效等问题，应根据工程设置情况，采取相应的消液化处理措施。

地震液化对浅基础、基坑的影响较大，设计中应采取有效、经济可行的消除液化措施。区间隧道有条件可以通过加大隧道埋深，使隧道埋深处于地震液化层面以下，消除地震液化对区间隧道的影响。

5.4湿陷性土

西山山前坡状冲洪积平原区局部地段分布有黄土状粉土。场地采取土样试验结果显示：地基土湿陷系数δs=0.001～0.044，自重湿陷系数δzs=0～0.001，湿陷起始压力118 kPa。计算得：湿陷量Δs=26.40 cm，自重湿陷量Δzs=7.5 mm，地基湿陷等级为Ⅰ级(轻微)，非自重湿陷性场地，湿陷土层深度一般小于10 m。

东山黄土台塬区上部地层分布有湿陷性黄土。采取土样试验结果显示：地基土湿陷系数δs=0.016～0.204，自重湿陷系数δzs=0.015～0.125。黄土样埋深2～10 m范围，湿陷起始压力30～90 kPa；黄土样埋深10～20 m范围，湿陷起始压力90～170 kPa。计算得：湿陷量Δs=57.25～120.25 cm，自重湿陷量Δzs=157.5～622.5 mm，地基土湿陷等级为Ⅱ～Ⅳ级(中等～很严重)，为自重黄土湿陷性场地，湿陷性土厚一般小于20.0 m。

湿陷性黄土对本线浅基础、基坑的影响较大，应采取适当措施进行工程处理。

5.5流砂

1号线地铁车站基坑开挖揭露的砂、粉性土层主要为上述的①-3粉土、①-5粉细砂层。1号线均为地下车站，需进行基坑开挖。在基坑开挖过程中需进行降水，从而使坑外地下水位大于坑内。由于汾河冲积平原区地下水位较高，施工过程中往往发生流砂问题。流砂发生时造成大量的土体流动，引发基坑边坡失稳、塌方及塌陷等地质灾害，使周围环境受到严重破坏，特别是当地下工程从汾河地表水体以下穿越时，流砂造成的管涌可能使大量泥砂和地表水体涌入地下结构物，造成重大财产损失或人员伤亡。

5.6基坑突涌水

由于汾河冲积平原区线路沿线浅部东西两侧地下水头高，中心地段地下水头低，地下空间开发中常受浅部含水层地下水影响而发生基坑突涌现象[8]。基坑突涌主要发生在车站基坑开挖以及联络通道施工等过程中。当基坑开挖超过一定深度，在高水头地下水作用下，坑底下地基土不足以抵抗承压水水头压力，可能会使坑底土层产生隆起现象甚至破坏，严重时地下水和砂土一起突然涌出，淹没已开挖的基坑，从而造成地面塌陷或基坑边坡失稳，不仅对工程本身安全造成影响，对周围环境也带来严重影响。

根据上述水文地质条件可知，地下水头较高， 基坑开挖面或盾构施工时易形成较大的水头差， 极易诱发基坑突涌问题。1号线易产生突涌问题土层主要为①-3粉土、①-5粉细砂层。因此，在地铁车站基坑开挖施工工程中，应特别重视该两层土引发的基坑突涌问题，施工时做好降水工作。

6结论

(1)太原地铁1号线主要工程地质问题为交城活动断裂、地面沉降、地震液化、湿陷性土。

(2)交城活动断裂为至今仍在活动的I级强烈活动断裂，活动断裂造成隧道开裂、错动，对地铁工程影响重大。断裂带范围内不宜设置地下车站。

(3)盾构在性质上下差异较大的土层中，易导致土体发生坍塌与挤密，产生超挖或欠挖现象；盾构推进会对周边土体产生扰动，易引起地层变形而造成地面沉降。

(4)地铁车站基坑开挖中产生的主要工程地质问题为流砂、基坑突涌以及基坑边坡失稳。

(5)地铁车站和区间隧道建设中面临的主要工程地质问题为地面沉降。应建立地面沉降监测网，进行长期专业监测，尤其是下元地面沉降漏斗附近为监测重点,防止不均匀沉降对轨道正常运营带来的不利影响，确保地铁运营安全。

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Study of Engineering Geological Conditions and Major Geological Problems in Taiyuan Metro Line-1Sun Bao-zhong, Pan Rui-lin

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：In perspective of the particular stratum, geological structure, geotechnical characteristics and hydrogeology in Taiyuan metro line-1, this paper analyzes the characteristics of engineering geological and hydro-geological conditions related to the construction of metro tunnel and station project. Primary geological problems in Taiyuan metro line-1 are analyzed, such as the Jiaocheng active fault, ground sedimentation, seismic deliquescence and collapsibility of soil. On the basis of the above, the major engineering geological problems involved in Taiyuan metro line station base pit and tunnel excavation are studied and conclusions are reached: underground station should not be set in Jiaocheng active fault, quicksand and loss of stabilization are encountered in the course of excavation, and ground sedimentation has little impact on metro engineering.

Key words：Taiyuan metro; Engineering geological condition; Engineering geological problems

中图分类号：U231+.1

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.023

文章编号：1004-2954(2015)02-0095-05

作者简介：孙宝忠(1968—)，男，高级工程师，1996年毕业于中国科学院研究生院，理学硕士。

收稿日期：2014-02-28； 修回日期：2014-03-24