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，形成了諸多對地鐵規(guī)劃選址、設(shè)計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)測隱伏地貌可能對地鐵建設(shè)造成的安全風(fēng)險，提前采取針對性的技術(shù)控制措施，進(jìn)而達(dá)到有效規(guī)避、防范風(fēng)險的目的。

2 適用條件

歷史地形對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象城市具有相對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

基于青島地區(qū)歷史地形與現(xiàn)狀地貌的對照分析，結(jié)合青島地鐵工程建設(shè)實際，對地鐵規(guī)劃選址、設(shè)計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。基于富水砂層的基本特性，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)地貌變化對比圖

4 隱伏地貌對地鐵建設(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，隱伏地貌對各類工法的不同影響所帶來的安全風(fēng)險也極為復(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，對地鐵工程建設(shè)安全風(fēng)險管控意義重大。

表1 隱伏地貌對地鐵建設(shè)的不利影響

5 歷史地形對照分析解決的主要問題

進(jìn)行歷史地形的對照分析，可對目標(biāo)場地內(nèi)存在的隱伏地貌和潛在地質(zhì)風(fēng)險類型進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定性，并可對其分布范圍進(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)會改變原有的地形地貌，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，對地鐵建設(shè)帶來較大的施工風(fēng)險。對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)計施工。

5.3 核實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。通過歷史地形對照分析，并有針對性地進(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)育范圍對地鐵隧道圍巖等級的劃分非常重要。

6 歷史地形對照分析技術(shù)路線

開展地鐵沿線的歷史地形對照分析，可貫穿于地鐵工程建設(shè)全壽命周期?；趯v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 歷史地形對照技術(shù)路線圖

7 歷史地形對照分析在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用

7.1 預(yù)可研階段

在地鐵線路規(guī)劃階段對沿線隱伏地貌進(jìn)行合理避讓，是規(guī)避該項地質(zhì)風(fēng)險的最直接手段；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)險控制在源頭環(huán)節(jié)，在后續(xù)建設(shè)過程中，針對該風(fēng)險的應(yīng)對處置將有充分的技術(shù)措施及管控措施儲備。

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)行過歷史地形對照分析，則可在勘察階段基于其分析成果針對性布置勘察工作；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照分析工作。

基于歷史地形對照分析成果，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，以線路整體為對象，查明對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區(qū)域。

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

7.3 設(shè)計階段

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

設(shè)計階段工作開展前，應(yīng)對歷史地形對照工作情況進(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，并對識別出的隱伏地貌進(jìn)行補(bǔ)勘；若已開展該工作，則對隱伏地貌影響區(qū)域開展專項設(shè)計，采取針對性技術(shù)控制措施，切實有效地降低由隱伏地貌造成的安全風(fēng)險。同時，設(shè)計單位應(yīng)結(jié)合地鐵施工過程中實際揭露的地層情況，與歷史地形對照分析、地質(zhì)勘察所得結(jié)果進(jìn)行對比，動態(tài)調(diào)整設(shè)計方案，確保控制措施的合理性、可靠性。

7.4 施工階段

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

施工階段是檢驗歷史地形對照分析、地質(zhì)勘察成果是否準(zhǔn)確的驗證階段，也是針對隱伏地貌地質(zhì)風(fēng)險所有管控手段的實施階段?？辈靻挝恍韪鶕?jù)實際的地層揭露情況，復(fù)核對施工場地地層條件、設(shè)計參數(shù)等方面評價建議的準(zhǔn)確性，并進(jìn)行動態(tài)調(diào)整；設(shè)計單位需根據(jù)上述調(diào)整結(jié)果，動態(tài)分析當(dāng)前設(shè)計措施對目標(biāo)地質(zhì)風(fēng)險的控制程度和效果；施工單位則需嚴(yán)格落實設(shè)計意圖，并針對隱伏地貌，制定并執(zhí)行完善的專項管控方案、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。

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，提高了勘察報告中的基巖面準(zhǔn)確度，明確了Ⅵ級圍巖的范圍，并對此風(fēng)險源對設(shè)計單位進(jìn)行風(fēng)險提示，設(shè)計單位根據(jù)地質(zhì)資料，進(jìn)行了相應(yīng)的風(fēng)險源專項設(shè)計。

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，驗證了勘察報告中的基巖面埋深與實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，也為工程項目的順利實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照分析，在機(jī)井上方增加勘探點。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)計單位根據(jù)補(bǔ)勘資料，進(jìn)行了針對該隱伏地貌的專項設(shè)計，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)識歷史地形地貌對有效規(guī)避地鐵工程建設(shè)地質(zhì)風(fēng)險具有重要價值。同時，對歷史地形的對照分析工作，在整個地鐵工程建設(shè)壽命周期中，應(yīng)盡可能前置，將對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)險掌控在源頭階段。歷史地形對照分析法對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。