歷史地形對(duì)照分析在地鐵建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管控中的應(yīng)用

呂三和，劉方克，劉志剛，宋繼庭，張磊，卞立民

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266100； 3 青島巖土工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

城市大規(guī)模建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)、生活導(dǎo)致城市原有地形地貌發(fā)生的巨大改變，形成了諸多對(duì)地鐵規(guī)劃選址、設(shè)計(jì)施工有影響的隱伏地貌或地下不利埋藏物，包括隱伏的河道、沖溝、填海區(qū)及隱埋的井、塘等。通過歷史地形與現(xiàn)狀地形的對(duì)比分析，結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查等綜合技術(shù)手段，可初步獲取擬建地鐵沿線隱伏地貌的類型、特征及分布范圍，預(yù)測隱伏地貌可能對(duì)地鐵建設(shè)造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，提前采取針對(duì)性的技術(shù)控制措施，進(jìn)而達(dá)到有效規(guī)避、防范風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2 適用條件

歷史地形對(duì)照分析法主要適用于濱海丘陵型城市地區(qū)。該地區(qū)的主要特點(diǎn)是基巖埋深淺且起伏大，填土層分布不均勻，受人工改造影響大；臨近海岸的濱海潮間帶往往經(jīng)過人工回填造陸；原始地面的河道及沖溝等后期均被填土層覆蓋，現(xiàn)狀無法分辨。在滿足地貌條件的基礎(chǔ)上，有效使用該方法仍需對(duì)象城市具有相對(duì)完整的歷史地形資料。以青島地區(qū)為例，青島市區(qū)主要地貌類型為構(gòu)造剝蝕地貌(低山、丘陵、剝蝕殘丘)、山麓斜坡堆積地貌(準(zhǔn)平原、堆積斜坡、凹地)及海成地貌，燕山晚期花崗巖體以巖基形式分布于地表或地下一定深度內(nèi)。另外，青島市區(qū)范圍內(nèi)地形圖每年度定期進(jìn)行更新，歷史地形圖等基礎(chǔ)資料齊全。

3 隱伏地貌類型及特點(diǎn)

基于青島地區(qū)歷史地形與現(xiàn)狀地貌的對(duì)照分析，結(jié)合青島地鐵工程建設(shè)實(shí)際，對(duì)地鐵規(guī)劃選址、設(shè)計(jì)施工影響較大的隱伏地貌類型主要包括隱伏河道、隱伏沖溝和填海區(qū)，其成因、特征及分布規(guī)律如下。

3.1 隱伏河道

隱伏河道是由原有河流的河床范圍在城市化進(jìn)程中被填埋而形成。其地層構(gòu)成中大多存在富水砂層，其顆粒大小呈現(xiàn)地層底部粗、頂部細(xì)，河道上游粗、下游細(xì)的規(guī)律?；诟凰皩拥幕咎匦?，隱伏河道通常表現(xiàn)為富水、飽水，且水源補(bǔ)給充足，地層滲透性高、自穩(wěn)性差、流動(dòng)性強(qiáng)。隱伏河道一般分布在當(dāng)代河流的河床、河漫灘、河流兩岸，現(xiàn)代河流一級(jí)階地、河漫灘相的下部。

3.2 隱伏沖溝

沖溝是由間斷流水在地表沖刷形成的溝槽。隱伏沖溝是由第四系土層或人工填土覆蓋而隱伏于地下的、對(duì)地鐵工程建設(shè)有影響的沖溝、井、塘等。隱伏沖溝內(nèi)部充填成分復(fù)雜、巖土特征差異較大，沖溝內(nèi)與沖溝兩側(cè)地層變化較大，如圖1所示。隱伏沖溝多分布于城市低洼地區(qū)，內(nèi)部常見積水賦存，極易形成水囊或存在徑流動(dòng)水。

圖1 典型隱伏沖溝剖面圖

3.3 填海區(qū)

填海區(qū)(如圖2)是由人類活動(dòng)向海域發(fā)展，填海造陸而形成的一種特有填土區(qū)域，其物質(zhì)成分較雜亂，均勻性差。根據(jù)其組成物質(zhì)或堆積方式不同可分為素填土、雜填土、沖填土等。填海區(qū)回填年限差異較大，導(dǎo)致成分雜亂，密實(shí)度變化大。近海區(qū)域以碎石、塊石為主，透水性極強(qiáng)，且與海水有一定的水力聯(lián)系。

圖2 地鐵沿線填海區(qū)地貌變化對(duì)比圖

4 隱伏地貌對(duì)地鐵建設(shè)的影響

隱伏地貌通常表現(xiàn)為工程地質(zhì)或水文地質(zhì)條件的突變，地層的物理力學(xué)特性及穩(wěn)定性不具備平緩的過渡區(qū)域，這對(duì)地鐵工程建設(shè)的影響非常直接。由于地鐵工程建設(shè)所采用的工藝工法較為多樣，隱伏地貌對(duì)各類工法的不同影響所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)也極為復(fù)雜，如表1所示。因此，提前了解地鐵建設(shè)沿線隱伏地貌類型及分布范圍，對(duì)地鐵工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)管控意義重大。

表1 隱伏地貌對(duì)地鐵建設(shè)的不利影響

5 歷史地形對(duì)照分析解決的主要問題

進(jìn)行歷史地形的對(duì)照分析，可對(duì)目標(biāo)場地內(nèi)存在的隱伏地貌和潛在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)類型進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定性，并可對(duì)其分布范圍進(jìn)行初步劃定，很好地彌補(bǔ)工程地質(zhì)勘察在特定區(qū)域地層調(diào)查準(zhǔn)確性低的不足。采用歷史地形對(duì)照分析，可主要解決以下問題：

5.1 還原原始地貌單元

城市建設(shè)更新過程中，大挖、大填等大規(guī)模開發(fā)建設(shè)會(huì)改變?cè)械牡匦蔚孛?，通過調(diào)閱歷史地形圖，可以作為劃分地貌單元的有力依據(jù)。

5.2 查明地下不利埋藏物

地鐵建設(shè)過程中，隱藏于地下的不利埋藏物往往不容易被揭露，對(duì)地鐵建設(shè)帶來較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)比分析歷史地形可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀地形圖上無法發(fā)現(xiàn)的墓穴、機(jī)井、加油站及人防洞室等不利埋藏物，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)施工。

5.3 核實(shí)鉆孔之間的地層界線

在丘陵城市地區(qū)，后期人工回填改造使得原地形中的沖溝、水塘、陡坎等對(duì)地層變化影響較大的地貌產(chǎn)生較大的變化。通過歷史地形對(duì)照分析，并有針對(duì)性地進(jìn)行勘探孔位置的布置，可以準(zhǔn)確勾勒出相鄰兩鉆孔間的地層界線及地質(zhì)構(gòu)造。

5.4 初步了解構(gòu)造斷裂的分布

在基巖地區(qū)，構(gòu)造破碎帶發(fā)育的區(qū)域，巖石破碎易受到外動(dòng)力地質(zhì)作用形成溝谷，故查明歷史地形圖中溝谷的位置，可以有針對(duì)性地進(jìn)行鉆探和物探工作，查明構(gòu)造破碎帶的位置及發(fā)育范圍對(duì)地鐵隧道圍巖等級(jí)的劃分非常重要。

6 歷史地形對(duì)照分析技術(shù)路線

開展地鐵沿線的歷史地形對(duì)照分析，可貫穿于地鐵工程建設(shè)全壽命周期?；趯?duì)歷年地形圖資料的收集，分析場地范圍內(nèi)地面標(biāo)高、地貌及地物的變化，根據(jù)地鐵建設(shè)不同階段采取相對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施，其具體技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 歷史地形對(duì)照技術(shù)路線圖

7 歷史地形對(duì)照分析在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用

7.1 預(yù)可研階段

在地鐵線路規(guī)劃階段對(duì)沿線隱伏地貌進(jìn)行合理避讓，是規(guī)避該項(xiàng)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的最直接手段；若部分隱伏地貌無法避讓，則可結(jié)合線路周邊環(huán)境、建設(shè)條件、征遷條件等因素綜合研判最優(yōu)線路。因此，歷史地形對(duì)照分析應(yīng)作為地鐵預(yù)可研階段線路規(guī)劃的重要依據(jù)之一。在地鐵規(guī)劃階段提前掌握隱伏地貌類型及分布范圍，無疑是將該地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)控制在源頭環(huán)節(jié)，在后續(xù)建設(shè)過程中，針對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)處置將有充分的技術(shù)措施及管控措施儲(chǔ)備。

7.2 勘察階段

地質(zhì)勘察是查明隱伏地貌類型、分布及規(guī)模等特征的主要手段，而歷史地形對(duì)照分析應(yīng)作為地鐵勘察階段的前置工作之一。若在地鐵預(yù)可研階段已進(jìn)行過歷史地形對(duì)照分析，則可在勘察階段基于其分析成果針對(duì)性布置勘察工作；若在地鐵預(yù)可研階段未進(jìn)行該工作，在地鐵勘察施工開始前，則需先行開展歷史地形對(duì)照分析工作。

基于歷史地形對(duì)照分析成果，在地鐵勘察各階段可依次開展的具體工作如下：

(1)可研勘察階段，采用傳統(tǒng)工程地質(zhì)調(diào)查手段，充分走訪、調(diào)研、收集、分析地鐵線路附近相關(guān)資料，以線路整體為對(duì)象，查明對(duì)線路方案有影響的隱伏地貌分布。

(2)初勘階段，初步查明地鐵沿線隱伏地貌的類型、成因、分布、規(guī)模及工程性狀，并圈定詳勘階段探查工作的重點(diǎn)區(qū)域。

(3)詳勘階段，應(yīng)針對(duì)初勘階段所圈定的重點(diǎn)區(qū)域，采用工程地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)等相結(jié)合的綜合勘察手段，進(jìn)行針對(duì)性重點(diǎn)勘察，必要時(shí)開展專項(xiàng)勘察工作。

7.3 設(shè)計(jì)階段

工程及水文地質(zhì)資料是開展地鐵工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，因此，是否進(jìn)行歷史地形對(duì)照分析，進(jìn)而探明地鐵線路周邊隱伏地層工程特性及設(shè)計(jì)參數(shù)，是地鐵設(shè)計(jì)階段工作開展的重要前提。

設(shè)計(jì)階段工作開展前，應(yīng)對(duì)歷史地形對(duì)照工作情況進(jìn)行復(fù)核。若尚未開展該工作，應(yīng)由地鐵建設(shè)單位組織線路勘察單位完善該工作，并對(duì)識(shí)別出的隱伏地貌進(jìn)行補(bǔ)勘；若已開展該工作，則對(duì)隱伏地貌影響區(qū)域開展專項(xiàng)設(shè)計(jì)，采取針對(duì)性技術(shù)控制措施，切實(shí)有效地降低由隱伏地貌造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)單位應(yīng)結(jié)合地鐵施工過程中實(shí)際揭露的地層情況，與歷史地形對(duì)照分析、地質(zhì)勘察所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，確?？刂拼胧┑暮侠硇浴⒖煽啃?。

7.4 施工階段

在地鐵工程正式開工前，歷史地形對(duì)照分析工作應(yīng)全部完成，對(duì)潛在隱伏地貌的勘察、設(shè)計(jì)及施工管控方案應(yīng)全部完備。

施工階段是檢驗(yàn)歷史地形對(duì)照分析、地質(zhì)勘察成果是否準(zhǔn)確的驗(yàn)證階段，也是針對(duì)隱伏地貌地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)所有管控手段的實(shí)施階段。勘察單位需根據(jù)實(shí)際的地層揭露情況，復(fù)核對(duì)施工場地地層條件、設(shè)計(jì)參數(shù)等方面評(píng)價(jià)建議的準(zhǔn)確性，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；設(shè)計(jì)單位需根據(jù)上述調(diào)整結(jié)果，動(dòng)態(tài)分析當(dāng)前設(shè)計(jì)措施對(duì)目標(biāo)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的控制程度和效果；施工單位則需嚴(yán)格落實(shí)設(shè)計(jì)意圖，并針對(duì)隱伏地貌，制定并執(zhí)行完善的專項(xiàng)管控方案、監(jiān)測方案及應(yīng)急預(yù)案。

8 案例分析

8.1 工程案例一

青島地鐵某區(qū)間，位于青島市重慶中路以西，采用礦山法施工?？辈靻挝辉诳辈旃ぷ鏖_始前，通過歷史地形的對(duì)照分析，發(fā)現(xiàn)在區(qū)間小里程段存在已被掩埋的隱伏沖溝(如圖4所示)，寬度近 30 m，且沖溝底部已侵入到區(qū)間拱頂，存在很大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 推測沖溝范圍及補(bǔ)勘沖溝位置剖面圖

根據(jù)初步確定的沖溝范圍，勘察單位在沖溝底部進(jìn)行了加密鉆孔，并通過歷史地形圖，詳細(xì)調(diào)查出沖溝的溝頂及溝底的范圍，有效地勾勒出了基巖面起伏狀況，提高了勘察報(bào)告中的基巖面準(zhǔn)確度，明確了Ⅵ級(jí)圍巖的范圍，并對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)提示，設(shè)計(jì)單位根據(jù)地質(zhì)資料，進(jìn)行了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)源專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

區(qū)間施工階段，勘察單位通過跟蹤調(diào)查洞室開挖后的掌子面揭露情況，驗(yàn)證了勘察報(bào)告中的基巖面埋深與實(shí)際揭露的基巖面埋深誤差僅不到半米，有效提高了勘察的精度，也為工程項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了有力的幫助。

8.2 工程案例二

青島地鐵某車站，位于青島市山東路與寧夏路交口，采用礦山法施工。在車站施工過程中，勘察單位例行進(jìn)行地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)排查，通過調(diào)閱立交橋施工前的歷史地形圖(1979年)，發(fā)現(xiàn)在擬建地鐵車站主體上方存在已被填埋的機(jī)井(如圖5所示)，直徑約 8 m，深度不詳。

圖5 歷史地形圖(1979年)及補(bǔ)勘機(jī)井位置剖面圖

勘察單位通過歷史地形對(duì)照分析，在機(jī)井上方增加勘探點(diǎn)。通過鉆探揭示，場區(qū)基巖面陡降，機(jī)井位置的第四系厚度 12.5 m，主要為人工填土層，由回填砂土、碎磚塊、碎石、混凝土塊等組成，夾有塊石及大塊混凝土塊；4.5 m以下以回填淤泥質(zhì)砂為主，夾雜大量塑料袋，樹枝，木棍等生活垃圾，成分雜亂，不均勻程度高，自穩(wěn)性極差；拱頂圍巖為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，覆巖厚度僅為 1.5 m。

設(shè)計(jì)單位根據(jù)補(bǔ)勘資料，進(jìn)行了針對(duì)該隱伏地貌的專項(xiàng)設(shè)計(jì)，增設(shè)地面注漿加固、洞內(nèi)超前注漿，并嚴(yán)格控制開挖斷面及開挖進(jìn)尺。施工單位通過加強(qiáng)監(jiān)測、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等措施，避免了因地下不利埋藏物而產(chǎn)生工程事故的可能。

9 結(jié) 論

隨著城市的發(fā)展，地形的演變不可避免，經(jīng)過大規(guī)模的人工改造和干預(yù)，歷史的地形地貌已逐漸演化為當(dāng)前進(jìn)行城市軌道交通建設(shè)的基礎(chǔ)地質(zhì)條件。因此，充分認(rèn)識(shí)歷史地形地貌對(duì)有效規(guī)避地鐵工程建設(shè)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)具有重要價(jià)值。同時(shí)，對(duì)歷史地形的對(duì)照分析工作，在整個(gè)地鐵工程建設(shè)壽命周期中，應(yīng)盡可能前置，將對(duì)隱伏地貌的分析探查作為地鐵線路選址、工程地質(zhì)勘察的前置工作，這將非常有利于將因不良地質(zhì)引發(fā)的建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)掌控在源頭階段。歷史地形對(duì)照分析法對(duì)于歷史地形資料豐富的濱海丘陵型城市的地下空間開發(fā)工程有著廣泛的應(yīng)用前景，值得大力推廣。