沈阳地铁一号线地质综合勘察

陶 军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

沈阳市是东北地区最大的中心城市，也是全国重要的工业基地和交通枢纽。沈阳市地铁一号线工程是沈阳市重点工程，全线长约28 km，均为地下线，试运营及正式运营一年以来，运行状态良好。

沈阳地铁一号线设车站22座、车辆段1座、控制中心1座、主变电所2座。线路位于东西向主客流方向，线路贯穿了市内六区，西起沈阳市开发区十三号街，东至黎明文化宫。在建设工程施工中主要采取了明挖法、暗挖法、盾构法等施工方法。

图1 沈阳市地铁一号线工程地理位置

沈阳市地铁一号线工程地理位置如图1。

2 地质条件综合评述

2.1 地形与地貌等特征

沈阳城区东北—东南与天柱山、辉山坡麓相连，西北—西南与辽河平原相连，地势东北高，西南低，场地地形平坦，地面高程一般在35.5～52.2 m之间。大的地貌单元为浑河冲洪积扇状平原，线位基本沿扇轴方向行进。

流经本市的河流有浑河及南、北运河。南、北运河流经城区的北部与南部，最终汇入浑河。浑河流经城区的南部汇入辽河，地铁一号线线路穿过卫工明渠及新开河两条河流。

本线穿越沈阳城区，市政设施及地下建筑物复杂，地下管线密布，多处还有地下人防工程。

2.2 气象特征

沈阳市属中温带半湿润的季风性气候，同时受海洋、大陆性气候控制，其特征是冬季漫长寒冷，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润，春秋季短，冬夏季长。铁路工程气候分区为寒冷地区。

2.3 地层岩性、地质构造与地震

(1)地层岩性

全线天然地层结构可分为第四纪全新世人工堆积层、冲洪积相地层、晚更新世冲洪积相地层、早更新世冰水沉积相地层、第三纪砂砾岩5个结构层，其中第四纪全新世人工堆积层主要由市政铺设的路面及碎石垫层、建筑垃圾和生活垃圾等组成；冲洪积相地层主要由黏性土、细砂、中-粗砂、砾砂、圆砾等组成；晚更新世冲洪积相地层主要由黏性土、淤泥质黏土、细砂、中-粗砂、砾砂、圆砾等组成；早更新世冰水沉积相地层主要由黏性土含碎石组成；基底为第三纪砂砾岩。

(2)地质构造

在区域构造地质上，沈阳市区位于华北地块内，根据地质构造活动的特点，沈阳市区位于沈北凹陷地块内，大地构造上处于辽东块隆与下辽河-辽东湾块陷相交接的部位。

(3)地震

根据沈阳市基岩地震动分析结果，50年P=0.1时，沈阳市计算烈度为6.58度，属于中国地震烈度区划中7度区的范畴。

根据《中国地震动参数区划图》GB 18306—2001，本工程所在区地震动峰值加速度为0.10g (对应的地震基本烈度为7度)。

3 勘察目的和要求

查明沿线各类建筑物的水文地质及工程地质条件。提出岩土勘察资料和设计所需的岩土技术参数，对建筑地基作出岩土工程分析评价，并应对基础设计、地基处理、不良地质现象的防治等具体方案作出论证和建议。

4 勘察方法的分析和研究

勘察方法的分析和研究工作要围绕勘察目的和要求开展。首先要满足有关规范的要求；其次要查明沿线各类建筑物的地质条件；第三为各类工程设计提供依据，针对各种施工方法要求，制定详实勘察方法，为设计提供所需的岩土技术参数。

4.1 勘探孔布置

(1)平面布置

勘探孔的布置要满足规范要求，并综合考虑基础类型、基础埋深、基坑支护及降水、施工方法等条件，所取得资料必须满足设计的要求。控制性勘探孔宜占总孔数的1/3～1/4，取样及原位测试孔的数量根据工点大小、取样，以及原位测试的数量是否满足数理统计、设计要求等因素确定，不得少于总孔数的1/2。

区间隧道结合车站两端勘探孔进行布置。暗挖法、盾构法施工区段，勘探孔一般距离隧道中线外6～8 m，在隧道两侧交错布置，勘探孔间距一般为30～50 m；明挖法施工区段，在基坑开挖轮廓线两侧外1～2倍开挖深度范围内布置，勘探孔间距为30～50 m。地层变化较大及地质条件复杂区段应适当增加勘探孔及勘探横剖面。

地下车站根据规模、出入口、通风道等具体情况布置勘探孔，外围勘探孔布置在基坑开挖轮廓线两侧外1～2倍开挖深度范围内，勘探孔间距为25～40 m，并至少有3个勘探横剖面，每横剖面2～5孔，地层变化较大及地质条件复杂区段应适当增加勘探孔及勘探横剖面。盖挖法施工区段应结合大直径桩的位置布置勘探孔。

(2)勘探孔深度确定

控制性勘探孔深度应根据隧道及车站的埋深，地层、地下水等地质条件、设计要求、施工方法及降水工程的需要确定。明挖施工的隧道及地下车站，控制性勘探孔深应达到基坑开挖深度的2.0～3.0倍，盖挖法施工区段控制性勘探孔深除应满足明挖法施工要求外，还应满足大直径桩稳定与沉降检算要求。暗挖法、盾构法施工的隧道控制性勘探孔深应勘探至隧道结构底板以下20 m，其他勘探孔一般为底板以下6～10 m。

4.2 施工工法要求及选取的对应勘察方法

(1)施工工法要求

采用明挖法施工的工点，除提供常规试验项目指标(颗粒分析、天然含水量、密度、比重、孔隙比、液塑限、液性指数、塑性指数、压缩系数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角等)外，还应提供静止侧压力系数、基床系数、回弹模量、渗透系数等岩土参数。采用盖挖法施工的工点，大直径中间桩还需提供桩基设计参数及沉降检算所需参数。

采用暗挖法、盾构法施工的工点，除提供常规试验项目指标(颗粒分析、天然含水量、密度、比重、孔隙比、液塑限、液性指数、塑性指数、压缩系数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角等)外，还需提供灵敏度、泊松比、变形模量、静止侧压力系数、基床系数、有害气体含量等。

(2)钻探

钻探采用普通合金钻头，单管泥浆护壁反循环钻进，或双重管、三重管正循环等钻进。除取土样段外，全孔连续取芯。回次进尺控制在1.0 m以内。岩芯采取率：粉土、黏性土≥90%，砂类土≥70%、圆砾≥50%。每勘探孔均测定地下水初见水位、稳定水位，若有承压水，量测承压水位及水头。钻孔终孔后应及时封堵。

(3)采样

在取样勘探孔中，以黏性土为主的素填土、黏性土、粉土、砂类土必须采取原状土，杂填土、圆砾土、卵石土及部分无法采取原状样的砾砂采取扰动样。其他勘探孔，地层的划分应有试验依据。取样宜自地面以下1.5 m开始分层取样，间距一般为1.5～2.0 m，层厚大于0.5 m的地层必须单独分层取样。每工点取水试样不少于2组。

(4)原位测试

原位测试方法应根据建筑物类型、岩土工程地质条件，以及设计施工对岩土参数的要求、地区经验和测试方法的适用性等因素综合确定。与室内土工试验和工程经验结合使用，并应进行综合分析。

标准贯入试验：

取扰动土样，鉴别和描述土的类别，评价土的密实度，计算天然地基承载力，估算地基土变形参数、单桩极限承载力，评价沉桩可能性，判定饱和粉土或砂土地震液化可能性及液化等级。构筑物应执行《铁路工程抗震设计规范》GBJ111—87进行液化判定，地面建筑物应执行《建筑抗震设计规范》GB50011—2001进行液化判定。每个车站、区间在同一地质单元体内，每主要层标准贯入试验次数不少于10个。

动力触探试验：

划分地基土层及评定土的均匀性和密实度，估算土的强度，确定土的变形参数、压缩性、内摩擦角等力学参数，确定地基土的承载力，选择桩基持力层，估算单桩承载力等。每个车站、区间在同一地质单元体内，主要地层每层动力触探试验次数不少于10个。动力触探试验应结合当地地区经验并与其他方法相配合使用。

扁铲侧胀试验：

主要是计算静止土压力系数，估算土的侧向基床系数。地下车站及区间隧道根据具体情况在黏性土、粉土、粉砂、细砂中进行扁铲侧胀试验。

旁压试验：

确定土的水平应力、静止侧压力系数、不排水抗剪强度，估算土的侧向基床系数。地下车站及区间隧道工点在地层不能进行扁铲侧胀试验情况下做旁压试验。

(5)水文地质试验

确定地下水类型、水位、渗透系数、影响半径等水文地质参数。各孔均应测量地下水的水温及初见水位和稳定水位。承压含水层应测定承压水头及水位。多层含水层的水位应采取止水措施分层测定。水文地质试验孔的多层含水层的水位及水文地质参数均应采取止水措施分层测定并取水进行水质评价。

(6)室内土工试验与水质分析

室内土工试验的项目应根据工程的类别、工程性质、基础类型、土的性质、施工方法等对岩土物理力学参数的需求确定，对所取得的试验数据必须满足数理统计和设计检算要求。

室内土工试验的目的主要用于土层定名、土层划分、工程力学性质评价，为地基土承载力计算、稳定和变形检算等提供必要的地基土物理力学性质指标。

①物理性质指标试验

对所取不扰动土样及砂样应进行物理性质试验。试验内容包括：颗粒分析、渗透系数、天然含水量、重度、比重、孔隙比、液塑限、液性指数、塑性指数、渗透系数、有机质含量(有机质土)。对所取扰动的砂样、圆砾土、卵石土样进行颗粒分析。绘制颗粒级配曲线、计算曲率系数、不均匀系数等。

②力学性质试验

固结(压缩)试验：

固结(压缩)试验是测定土体在压力的作用下的变形特性，通过试验可以测定土体的压缩系数、压缩模量、固结系数、前期固结压力、压缩指数、回弹指数等，进行地基变形检算、压缩性评价，了解场地应力史等。固结(压缩)试验最大加压力值除应满足有关规范的要求绘制完整的e-p曲线外，还应大于自重压力和附加压力之和，但不低于400 kPa。高压固结试验，施加的最大压力应满足绘制完整的e-lgp曲线的要求。

抗剪强度试验：

抗剪强度试验包括直接剪切试验、三轴剪切试验、无侧限抗压强度试验，剪切试验的试验方法应根据设计、施工要求，尽量考虑与施工实际情况相适宜的方法。

③侧压力系数(静止土压力系数)试验

通过三轴压缩仪法或侧压力仪法，可以测定土的侧压力系数(静止土压力系数)及泊松比。

④基床系数试验

在室内宜采用三轴试验或固结试验的方法，选择部分土样进行地基土的基床系数K测定。

⑤室内渗透试验

通过渗透仪可以测定土层水平及垂直向渗透系数。

⑥热物理指标

选择数个代表性地下工点取样进行各岩土层的天然含水量、天然密度、导热系数、导温系数、比热容测定试验。

⑦其他特殊试验

土的腐蚀性实验、有机土的灼烧试验及化学成份分析等。

(7)地球物理勘探

波速测试：

计算场地卓越周期，划分场地土的类型、判别地基土液化的可能性，提供地震反应分析所需的场地土的动力参数；计算设计动力机器基础和计算结构物与地基土共同作用所需的动力参数；判定碎石土的密实度。每个车站、区间在同一地质单元内，其波速试验孔数不应少于4个。

压缩波速Vp和剪切波速Vs的测试深度：应按《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》GB50307—1999及《地基动力特性测试规范》GB/T50269—97的有关规定执行。

土壤电阻率测试：

测试主体结构下0～15 m以内的地层电阻率值。各车站测试为1～2孔。操作方法应按《铁路物探规程》TB/T10013—98的有关规定执行。

5 勘察方法的确定

通过上述的分析和研究，沈阳地铁一号线采用了地质调查、钻探、地球物理勘探、原位测试试验、室内试验、水文地质试验等综合勘察方法。

6 结论

沈阳地铁采用地质调查、钻探、地球物理勘探、原位测试试验、室内试验、水文地质试验等综合勘察方法是可行的，既查明了沿线的地质条件，为设计提供了设计所需的各种岩土参数。

沈阳地区地层中砂类土、圆砾土的渗透系数大，地下车站、隧道大部位于地下水位以下的强透水层之中。明挖法设计和施工中应加强基坑支护和堵水、截水、排水及回灌，以避免地面塌陷、地面沉降、基坑坍滑等；盾构法设计和施工中应考虑砂土、圆砾土层的不均匀性对盾构的影响。暗挖法设计与施工应加强通风、防水、排水、支护，必要时采取超前支护，以防止产生洞内涌水、涌砂、涌泥、坍塌、地面塌陷等现象。

[1] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1992

[2] GB 50007—2002 建筑地基基础设计规范[S]

[3] GB 50307—1999 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范[S]

[4] GB 50021—2001 岩土工程勘察规范[S]

[5] DB21/907—2005 建筑地基基础技术规范[S]