朱董珠

（陕西铁道工程勘察有限公司，陕西西安710043）

1 工程概况

西安市地铁临潼线（9 号线）一期工程西起西安地铁一、六号线的终点站纺织城站，终止于临潼区秦汉大道，临潼线途经灞桥区、曲江临潼国家旅游休闲区和临潼区，线路全长约25km，设15座车站，全为地下站。

西安地区分布有厚度较大的黄土、黄土状土及砂类土，黄土特有的湿陷性给地铁建设带来较大的困难，同时地裂缝的分布更是加大了工程开挖的施工风险和地面沉降，威胁周边环境和管线安全。本文结合西安市地质背景特征，对9号线地铁工程开挖中可能出现的工程地质问题进行分析、研究，讨论地铁建设中出现的特殊岩土工程问题及其危害，并提出了相应措施，为设计、施工提供指导[1]。

2 工程地质概况

2.1 地形地貌

西安市地铁临潼线（9 号线）一期工程呈近东西向展布，沿线地势开阔，呈东高西低，地面高程409～454m。线路自西向东依次通过近代洪积扇、灞河阶地及漫滩区、铜人塬塬前洪积台地、洪庆河洪积扇、骊山山前洪积扇、渭河二级阶地等地貌单元。

2.2 地层岩性

本线地层主要为第四系全新统（Q4）填土、新近堆积黄土、冲积黄土状土、残积黑垆土、冲洪积砂层、粉质粘土、粉土及卵石等；上更新统（Q3）冲洪积粉质粘土、砂层、圆砾、卵石，新黄土、古土壤等，中更新统（Q2）老黄土，冲洪积粉质粘土、砂类土等。

2.3 地质构造

根据场地地震安全性评价报告结论[2],线路整体位于渭河断陷盆地，以临潼—长安断裂为界，以西为西安凹陷，以东为骊山凸起。对临潼线线路有影响的断裂主要有临潼—长安断裂、骊山山前断裂西延段。

临潼—长安断裂：临潼—长安断裂为晚更新世以来的活动断裂，总体走向北东35°～45°。根据现场调查、监测、浅层地震及高密电法测试结果表明该断裂从香王车辆段通过，目前没有全新世地层垂直错动的确切证据。因此，根据现行规范，可以不考虑地面错动对地铁的影响。但临潼—长安断裂规模较大，上断点埋深很浅，建议重要的地面建设工程尽可能不要跨越断层，必须跨越的按不均匀地基处理。

骊山山前断裂西延伸段：线路芷阳五路至芷阳广场段跨越骊山山前断裂的西延伸段，骊山山前断裂西延伸段断层的主体活动时代在晚更新世晚期至全新世初期，走向总体北东东向，倾向北，倾角为55°～75°，根据钻孔资料对比，下更新统底界与中更新统底界在断裂两侧落差分别为180m 和140m，沿断裂带晚第四纪断层十分发育，晚更新世和全新世地层中的断层错距分别为5～10m、2m，晚更新世以来的平均滑动速率为0.2～0.4mm/a，全新世平均位移速率为0.1～0.2mm/a。全新统黑垆土地层可见破裂面，说明骊山山前断裂西延伸段全新世有活动。从区域范围看，骊山山前断裂最新活动时代为全新世，线路设计时应考虑地面错动的影响。

2.4 水文地质

沿线通过地层主要为第四系松散地层，地下水类型主要为第四系孔隙潜水，含水层主要由卵石层、砂砾石、砂类土和粉土组成。

地下水主要接受大气降水、地表水、灌溉水的补给，排泄方式以人工抽取地下水为主。

沿线地下水位变化较大，近代洪积扇区潜水埋深10～18m，灞河漫滩区潜水埋深一般1～2m，灞河阶地潜水埋深11～15m，铜人塬塬前洪积台地潜水埋深15～35m，局部埋深大于50m，骊山山前洪积扇区潜水埋深10～22m，渭河二级阶地区潜水埋深16～18m。

2.5 不良地质作用

2.5.1 地震液化

根据地震安评报告结论，本区地震动峰值加速度值0.20g(相当于地震基本烈度Ⅷ度)，对场地地面下25m深度内可能液化的土层依据《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）（2009年版）进行液化判别，结果显示拟建场地25m深度内的饱和砂土层和粉土均不液化。

2.5.2 地裂缝

根据区域地质资料以及地裂缝勘察的成果[3]，工程沿线地裂缝较发育，地裂缝对车站和区间结构有很大的影响。根据地裂缝专题报告，沿线地裂缝分布情况见表1。

表1 地裂缝分布情况一览表

2.5.3 地面沉降

根据地质灾害评估报告[4]，现有的西安市地面沉降资料均为1996年以前的监测资料，但自20世纪90年代后期以来，特别是2000年后，由于种种因素的影响，西安几乎再没有开展过大范围的连续精密水准监测。从专题单位的监测资料分析，拟建工程线路距沉降中心较远，评估区地面沉降活动速率小于5cm/a。在不考虑地裂缝带可能出现的局部地面差异沉降外，现状条件下地面沉降危险性小。

另外，施工期间工程降水可能会对地面产生一定的影响，应采取适当的措施，减少因降水引起土层有效自重应力增加而产生的地面沉降或差异沉降等。

2.5.4 黄土陷穴及人为坑洞

据工程地质调查和勘察结果，灞河河床及漫滩区存在取砂坑，沿线零星分布有取土坑。勘探过程中，在洪庆车站附近发现一枯井，在埋深约40～50m之间有一空洞。

勘察期间在华清池—广场路区间发现有人防工程，根据现场调查和访问，本处人防工程沿东西走向，其规格约为2.0m（宽）×2.0m（高），长度延伸20m，距地面下约3～5m，建于20世纪70年代，已废弃。其余地段也有存在防空洞、墓穴、窖、枯井、坑洞、渗井、老窑等的可能，施工过程中应引起注意。

2.6 特殊性岩土

2.6.1 人工填土

主要由杂填土和素填土组成，厚度不均，成分杂乱，均匀性差、未压实孔隙大，高压缩性、密实性差是其主要特点，一般不能直接作为地铁基础的持力层。

杂填土以各种垃圾为主，含少量粘性土及碎石；素填土以粘性土及碎石为主，含少量砖瓦碎片，结构疏密不均，成份较复杂，具有一定的湿陷性。

2.6.2 湿陷性黄土

在灞河阶地、黄土台塬区、洪积扇区上部的第四系新黄土、黄土状土均存在不同程度湿陷性，第四系中更新统上部部分黄土也存在湿陷性。

对地面以下、水位以上的地基土采用探井为主、钻孔为辅的取样方式进行了湿陷性试验，根据探井试验资料结果进行计算，计算结果见表2。

表2 沿线湿陷性黄土分段表

3 主要工程地质问题及应对措施

结合全线的工程设置及沿线主要不良地质作用和特殊性岩土，对本工程影响较大的工程地质问题主要为地裂缝和湿陷性黄土、地表沉降变形。

3.1 地裂缝

根据地裂缝勘察专题报告，线路经过地裂缝的场地分为两类：二类地裂缝场地和三类地裂缝场地[5]。

对于二类地裂缝场地，地裂缝活动较为强烈，地层中典型的标志层（红褐色古土壤）被错断，地表变形迹象明显甚至出现台阶状错断现象，可采用浅埋暗挖法或者盾构法施工，建筑物通过地裂缝时一味加强结构或者对地裂缝进行处理不可行，一般可采取“放”与“防”相结合的原则，“防”可采用扩大断面尺寸和超前预小导管注浆，注浆一般采用高压双液劈裂注浆；而“放”就是每隔一段设沉降缝，缝间填充柔性材料，跨地裂缝地段采用柔性接头进行处理，并对结构分段设计，同时控制衬砌时间，预留一定可控变形，以结构适应地裂缝变形为主。建议二类地裂缝场地构筑物穿越地裂缝带的隧道衬砌结构全部采用骑缝式或悬臂式设缝模式，如图1所示[6]。

图1 骑缝（或悬臂）设置模式示意图

对于三类地裂缝场地，基本是河湖相地层，粉质粘土和砂卵石互层，与二类地裂缝场地比较来看，地裂缝活动程度十分微弱，对地铁隧道影响很小，地裂缝附近的地层适应地裂缝变形和调整自身变形能力强，地层变形传递至地下结构上的应力和裹挟位移相对也较小。防治的原则总体上仍然是“以适应地裂缝变形和超前注浆为主”，对于地表有一定变形迹象且地层错断埋深较浅（10m以内）的，可按照二类地裂缝场地设防；对于目前地表没有任何变形痕迹、地层错断埋深相对较深（10～15m 以下）的地裂缝场地可以采取浅埋暗挖隧道加强通过，也可采用特殊管片盾构通过[6]。

3.2 湿陷性黄土

湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔隙和垂直节理，在自然条件下，其压缩性不高，强度较高，但遇水浸湿饱和时，土的强度急剧降低，在附加压力下会产生附加沉降，对建筑物危害较大；地基土受水浸泡后和附加压力造成地基土不均匀沉降，致使地基失稳，从而造成建筑物变形或破坏。

根据规范，湿陷黄土发生沉降的条件主要有两个：一是大于起始压力的应力状态，二是地下或地表水的入渗[7]。而对于修建完成的工程，最主要的是做好工程的防水措施，注意管线等渗漏和地下水作用。

从表2可以看出，临潼线沿线湿陷性黄土以大厚度自重湿陷性黄土为主，湿陷等级高且湿陷性土层厚度大，对工程影响较大。根据规范，地铁工程大部分属于甲类建筑，应消除地基的湿陷性或将基础设置在非湿陷性黄土层上；出入口和风道属于丙类建筑，应消除地基的部分湿陷量。

结合西安市建设工程建设的经验，对于场地湿陷性可根据结构和场地不同采取不同的处理措施，对于湿陷土层厚度较小的地段，设计可采用水泥土换填、震动夯实等方法即可处理[8]。而临潼线约14km范围内分布黄土较厚，结构底板以下仍有剩余湿陷量，要全部消除湿陷性则费时费力费钱。结合《西安地铁临潼线、五号线穿越湿陷性黄土层处理原则与措施研究》研究报告[9]，对于车站和区间根据不同地质条件采用不同的方式：

车站地基处理方法：①基底以下湿陷黄土层厚度小于2.5m时，可采用水泥土垫层方法进行处理；②基底以下湿陷黄土层厚度2.5～4.0m时采用震动碾压法。③车站基底以下湿陷性黄土厚度大于4.0m 时，可采用DDC桩和挤密桩法进行处理。

矿山法施工地基处理方案：①隧道基底以下湿陷性土层厚度小于2.0m 时，建议采用水泥土垫层方法处理；②基底湿陷性土层厚度大于2.0m时，建议采用挤密桩（短螺旋法或者静压法）进行处理。

盾构隧道地基处理方法：建议采用洞内高压双液注浆法或地表三重管法进行处理。劈裂注浆可使黄土变密实，提高土的承载力、抗变形性和水稳性能，处理范围为底板正西方及周边，深入非湿陷地层1.0m。

3.3 地表沉降变形

地铁施工诱发的地表沉降是地铁常见地质问题之一，目前能够准确预测的方法很少，开展常见地层地铁施工引发的地表变形及周边环境破坏规律预测极为必要，可为地表沉陷监测方案的制定和变形防治措施提供理论依据。

FLAC 3D目前在岩土、隧道工程中应用较多，用于模拟三维的岩土体力学变形特征（具体模型示意图见图2），尤其适合于模拟材料的变形特征。目前应用较广，经多个案例分析发现该数值软件同实际变形比较接近。

图2 FLAC 3D数值分析变形示意图

根据数值分析条件不同工况，发现盾构法施工和暗挖法施工在变形特征有所不同，在同一工况条件下，采用不同施工方法，采用数值分析得出（见表3）。

表3 不同施工方法变形分表

4 结论

（1）西安地铁9 号线主要工程地质问题为黄土湿陷、地裂缝和地面沉降，地震液化、人工填土等对工程建设影响较小。

（2）对于地铁隧道穿越地裂缝带，建议根据不同的类型，有针对性地采取措施，如预劈裂注浆加固、局部加强结构。

（3）对于大厚度湿陷性黄土地段，首先做好工程防水措施，避免工程沿线管线渗漏等情况的出现。

（4）对于车站工程应根据湿陷土层厚度，选择换填或者水泥土挤密桩、DDC桩；对于矿山法隧道应根据湿陷土层厚度，选用挤密桩或短螺旋法处理；盾构隧道根据情况采用预注浆法或地表三重管处理。

（5）地面沉降是地铁施工遇到的常见地质问题，需要做好变形监测，同时对监测进行风险预警，根据地质条件、工程特点、周边环境，划分成不同的危险区域，以便采取不同的应对措施。