西安地铁工程降水风险评价及处置措施研究

于文龙，邓国华，亢佳伟

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；2.西安黄土地下工程技术咨询有限公司，陕西 西安 710000；3.西安理工大学，陕西 西安 710048)

降水是地下工程施工最常用、最有效、最经济的地下水控制方法[1]。降水的过程是土体内部自由水排出、土骨架有效应力增加、地层变形持续发展的过程[2]，其对周边环境和地下水环境的影响是评价其可行性的关键。

西安地铁是西安市规模最大的地下工程，线网已覆盖城市主要的地貌单元，自2006年开工以来，采用降水方式控制地下水已完成100多个车站、竖井和暗挖区间的建设，仅有个别车站和区间受特殊地质和周边环境敏感采用了注浆止水的方式。降水和止水的比例超过9∶1。降水实施过程中，部分工程周边环境产生了较大的沉降，引发建筑物破坏、管线破损等一系列周边环境影响问题，给工程建设带来了一定的经济损失，也造成了一定的社会影响[3-5]。

在城市轨道交通地下工程建设中，当前执行的风险评价体系结合地质条件、工法特点、工程规模及周边环境进行了分类分级[6]，有效地指导了工程建设，研究者也提出了地下水、地质对工程建设风险的评价模型[7-8]，但并未提出降水引起的周边环境风险的评价体系和处置措施，主要原因：一是当前我国城市地下工程建设大多采用止水措施；二是各地区地质条件差异较大，降水引起的环境风险差异较大。降水风险主要取决于降水沉降和邻近建(构)筑物(含建筑物、管线、道路等)状态。降水沉降与地质特性、降水规模和建(构)筑物接近程度及状态密切相关；邻近建(构)筑物状态主要取决于地基基础形式、使用时间和维护水平，其允许变形可通过相关规范和鉴定确定。因此，合理的评价降水沉降将成为建立风险评价体系的关键。上文已提及，当前西安地铁建设绝大多数仍采取降水的地下水控制方式，且地质条件虽有差异，但在降水沉降方面，规律性较强。基于此，本文试图在《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》体系内，建立有关西安地铁降水风险评价方法和处置措施。主要方法是在分析和评价西安地质特征的基础上，结合西安地铁10多年的建设经验，从地层特征、降水深度、与建(构)筑物的接近程度等方面出发，提出降水风险评价方法及处置措施，以指导后续工程设计中地下水控制方案的选择。本研究可有效规避西安地下工程施工降水带来的环境风险。需要说明的是，降水对地下水环境的影响也是当前应该重点考虑的问题，本文主要从工程风险的角度出发讨论降水带来的风险，对地下水环境的影响暂不论述。

1 含水层性质及降水特征

1.1 含水层特征

西安地势总体南东高北西低，从南向北依次为黄土台塬、黄土梁洼、渭河阶地，西部主要为皂河阶地，东部主要为浐灞河阶地[9]，如图1所示。具体分布如下：

图1 西安地区地形地貌分布图

黄土台塬地貌上部主要由更新统黄土和古土壤组成，下伏冲洪积粉质黏土和砂层。梁洼区上部主要为更新统黄土古土壤，厚度由南向北逐渐变薄，下部由冲洪积粉质黏土和薄层中粗砂组成。渭河三级阶地上部为更新统黄土和古土壤，下部由更新统冲积粉质黏土夹薄层中、粗砂组成，砂层分布不连续。二级阶地上部为更新统黄土和古土壤，下部为冲洪积中粗砂、局部夹薄层粉质黏土及粉土，分布不连续；一级阶地为冲洪积黄土状土、中粗砂，局部夹薄层粉质黏土及粉土；漫滩区主要为冲洪积黄土状土、中粗砂，局部夹薄层粉质黏土及粉土。皂河阶地：以全新统冲洪积黄土状土、砂、砾、卵石层，局部夹薄层粉质黏土及粉土；浐灞河阶地区：河漫滩区主要为冲洪积砂砾卵石层夹薄层粉质黏土。一级阶地上部为冲洪积黄土状土，下部为冲洪积砂砾卵石层夹薄层粉质黏土。二、三级阶地上部为更新统黄土古土壤，下部为冲洪积砂砾卵石层。

图2 西安地区水文地质剖面图(近南北向)

综合来看，饱和黄土及古土壤层、粉质黏土、砂卵石层是西安地铁降水影响范围内的主要地层。其渗透系数分别为饱和黄土4 m/d～8 m/d，古土壤层3 m/d～5 m/d，粉质黏土层0.2 m/d～1 m/d，砂层15 m/d～40 m/d，砂卵石层25 m/d～55 m/d。在地铁建设过程中，在沿线渭河阶地区、黄土梁洼区、皂河阶地区、黄土台塬等地貌单元内进行了多组现场抽水试验[9]，得到综合渗透系数表1所示。

表1 地铁抽水试验成果汇总表

西安地铁的线路埋深一般15 m～35 m，工程降水涉及的深度一般45 m～50 m，根据区域含水层的划为，地铁降水工程只涉及潜水，属松散岩类孔隙水，富水性因地貌地质条件而有所不同，一般漫滩和低阶地区富水性较强，高阶地和黄土塬区富水性较弱。从不同地貌单元的渗透系数分布规律来看，低阶地和漫滩的砂卵石含水层，渗透系数大，影响半径大，而高阶地和黄土梁洼区的弱透水土层，渗透系数小，影响半径小，黄土台塬区更小。

1.2 地下水位埋深特性

西安地区潜水位埋深变化较大，且与地形地貌、水文地质条件密切相关，大致分为以下几个区，如图3所示。黄土台塬区：地势较高，含水层以弱透水的黄土为主，受蒸发影响较小，潜水位埋深大于30 m。黄土梁洼区：分布范围较广，含水层以弱透水的黄土中的水为主，受侧向降水、蒸发、补给等因素综合影响，水位埋深7 m～20 m。渭河阶地区：二、三级阶地区含水层为冲洪积粉质黏土及中粗砂透镜体，地下水位埋深10 m～20 m；一级阶地和漫滩区含水层主要为冲洪积中粗砂，局部存在粉质黏土隔水层，一般地下水位埋深5 m～10 m。皂河阶地区：二、三级阶地区含水层为弱透水黏性土；含水层局部存在相对隔水层，地下水位埋深约10 m～20 m；皂河一级阶地区含水层为透水性较强的中、粗砂夹薄层粉质黏土。浐灞河阶地区：三级阶地，含水层为冲洪积中粗砂，局部有粉质黏土透镜体，水位埋深20 m～30 m；二级阶地，含水层主要为透水性较强的砂砾、卵石，水位埋深10 m～15 m；一级阶地，主要为透水性较强的砂卵石，局部存在相对隔水层，水位埋深7 m～15 m。

图3 西安地区潜水位埋深图

2 降水风险评价体系

现有的西安地区降水风险的评价主要依据相近地质特征下类似工程的实施经验进行工程类比确定，暂未有相对系统、标准化的评价体系。现行的《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》[6](GB 50652—2011)主要依据地质条件、工程埋深、结构特性等风险因素综合确定工程自身影响风险等级；利用不同施工工法下工程和周边环境设施的位置关系确定工程接近程度；利用接近程度和环境设施的重要性确定地下工程施工环境影响的风险分级。本文拟建立的降水风险评价体系应能全面考虑导致风险发生的关键因素，且风险评价体系应与《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》[6](GB 50652—2011)相适应。结合工程实践及相关研究成果，我们不难看出，地层特性、降水深度、建(构)筑物的接近程度是关键。且西安地区的降水工法多采用管井降水工法，地质特征是导致降水工程实施过程中沉降响应特征的主要原因。周边环境的接近程度主要受水位降深的影响。降水工程风险主要受降水深度和建(构)筑物的接近程度等所确定。本文结合区域地质特征和西安地铁的实际情况进行一一分析。

2.1 地层特性分类

在西安地区不同地质特征条件下的降水工程实践过程中，沉降风险具有相对显著的差异表现。降水工程实施过程中，沉降变形的诱因主要由土层内水分排出所引起的有效应力增加。水位下降范围内土层特性的不同，沉降累积效应具有相应的差异表现。从不同区域地质特征下降水沉降特征来看，高阶地和黄土梁洼区的降水沉降显著。饱和软黄土作为典型的欠压密黄土层，在地下水长期作用之下，大孔隙结构相对保存完整，具有较高的变形发展潜力[10-15]，这是本文需要重点考虑的地层；其大孔隙、高含水率状态下，表现出软流塑特征和高压缩特征，在土层降水固结所产生的有效应力增量的作用下，土体自身抗变形能力较弱，图4统计得到了8个场地饱和软黄土和饱和黄土的孔隙比、含水率、液性指数、压缩系数和压缩模量。从中可以看出，饱和黄土可以分为两类，即欠压密饱和黄土和压密饱和黄土，两类饱和黄土性质差异较大。饱和软黄土正属于欠压密饱和黄土，其具有较大孔隙比、高含水率、高液性指数和中、高压缩性。而一般的饱和黄土因浸水过程中已经产生湿陷而充分压密，多处可塑和低压缩性状态。两类饱和黄土的物性状态和压缩特性差异决定降水工程实施过程中的风险差异。

图4 饱和软黄土与饱和黄土物理力学性质对比

饱和软黄土层的大孔隙和软弱性使得其成为西安地区降水沉降最大的地层，其压缩模量3.8 MPa～5.0 MPa，降水实施过程中有效应力作用下可产生较大的沉降变形量，统计饱和软黄土区域降水沉降，根据降水深度的不同，其沉降值可达50 mm～300 mm；而饱和黄土和古土壤层作为高阶地、黄土梁洼区和黄土塬区的又一典型地层，较饱和软黄土层相比，已经历了相对彻底的压密过程，压缩模量多在5 MPa～10 MPa左右，根据降水深度的不同，降水沉降多处于在10 mm～50 mm；粉质黏土和砂卵石地层的压缩模量多在10 MPa以上，较为稳定，降水沉降可控制在20 mm以内。依据工程降水实施经验和土层压缩变形特征指标，本文将西安地区含水层地层特征划分为A、B、C三类，如表2所示。根据实际经验，将饱和软黄土单独划为A类，符合当前绝大多数降水风险事故均发生在该地层中的客观事实。将饱和黄土与古土壤层、粉质黏土及砂卵石层划分为 B、C类，但需强调的是，砂层中降水必须防止细颗粒被抽出。且在大厚度砂层内降水工程实施过程中，具有较大出水量，对地下水环境可产生较大的影响。

表2 降深范围内含水层分类

2.2 降水深度分级

降水深度是决定降水沉降的另一个关键因素，水位降深越大，影响半径越大，沉降越大。根据西安地铁工程特点，一般的降水深度多在5 m～25 m，为此将降水深度分为如表3所示的三个等级。

表3 降水深度分级

2.3 降水对周边环境的影响等级

降水对周边环境的影响等级主要取决于地层特征和降水深度。地层失水沉降越大，降水深度越大，则降水对周边环境的影响越强烈。地层失水沉降越小，降水越小，则降水对周边环境的影响越弱。结合工程实践和有关标准，我们将降水对周边环境的影响分为三个等级，依次为强烈影响、显著影响、一般影响。具体组合如表4所示。

表4 降水周边环境影响等级

2.4 降水影响接近程度

建(构)筑物和管线的破坏主要受沉降或差异沉降控制，其与降水点的接近程度密切相关。建(构)筑物和管线距降水点越远，降水影响越小；距离降水点越近则影响越大，这与降水影响半径密切相关。降水影响半径与降深和地层特征有密切关系。降深越大，渗透性越强，降水影响半径越大；降深越小，渗透性越差，降水影响半径越小。从地层角度出发，砂卵石降水影响半径大，但沉降小，且其降水漏斗曲线相对平缓，造成周边环境差异沉降较小；而黄土层，降水影响半径小，但其降水漏斗曲线变化大，产生的差异沉降大，对周边环境不利。在降水影响接近程度判断中，为了便于使用，本文主要依据黄土地层降水的规律来进行分级。实践表明，当建(构)筑物的平面距离小于2.5倍的降深时，影响较大；当大于5倍的降深时，影响较小。据此，将周边环境的接近程度分为如表5所示的三个等级。

表5 周边环境接近程度判定

2.5 降水引起周边环境风险评定

参考《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》，降水所引起的环境风险可根据影响等级和接近程度两大因素进行综合判定。分为如表6所示四个级别，依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，风险由高至低当降水自身属于强烈影响，且建(构)筑物距离降水点接近时，风险最高。当降水自身属于一般影响，且建(构)筑物与降水点不接近时，风险最低。此外，需要重点说明的是本文所建立的评价体系并未考虑建(构)筑物自身的使用状态和地基基础形式。当建(构)筑物和管线自身存在缺陷时，应适当调整风险等级。同时，建构物的基础型式、地基处理也影响风险状态。若建筑物采用桩基，且桩基深度远超过降水深度，此时降水对建筑物影响不大，应进行降级处理。

表6 降水引起周边环境风险评定表

3 降水风险处置措施

降水风险评价是手段，工程中采取何种地下水控制措施是关键。基于降水风险评价结论，确定合理的地下水控制措施显得尤为重要。参考《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》[6](GB 50652—2011)的风险接受和处置原则，制定风险接受准则与处置措施如表7所示。风险接受准则与处置措施是工程设计的直接依据。由表7可知，本文在评价体系建立中重点考虑降水带来的风险，当降水风险为Ⅰ级时，需改变地下水控制方式，比如采用止水方案等；但风险为Ⅲ、Ⅳ时，可采取降水方式，当仍要根据不同情况开展监测或巡查工作。当降水等级为Ⅱ级时，应根据具体情况具体分析。上述处置原则密切结合西安地铁当前实际情况。需要强调的是风险接收准则和处理措施与工程造价及工期密切相关，是投资与风险的平衡，应结合工程实际具体分析，如建(构)筑物的使用性能、地基型式，管线的状态和承受变形能力等具体确定。

表7 降水引起周边环境风险处置措施

4 应用实例

在设计阶段选择地下水控制方案时，具体可采用以下步骤(见图5)进行判断。

图5 降水风险等级评价技术路线

本文选4个实际工程进行评价示例。4个场地包含了西安地区不同地质特征、不同降水深度、不同接近程度。具体如下：

(1) 案例1(8号线某竖井)。降水深度分级：17.2 m>15 m；含水层分类：降水影响内地层以饱和软黄土和饱和Q2黄土(软塑)层为主；降水影响分级：强烈影响；接近程度：控制性建筑物为地上15层，地下1层筏板基础高层建筑；距离降水井最近距离25 m<2.5h=2.5×17.2=43 m；判定为接近；降水引起周边环境风险评定：Ⅰ级。

风险处置措施：降水造成周边环境风险高，应采取其他地下水控制措施。

实施效果：方案初期采用降水方案，在施工中沉降量严重超限，建筑物沉降超过100 mm，停止了降水，采取了隔离措施，竖井施作了二衬。

(2) 案例2(14号线某车站)。降水深度分级：5 m<14.5 m<15 m；含水层分类：降水影响范围内地层以中砂夹粉质黏土为主；降水影响分级：一般影响；接近程度：施工周边无控制性建(构)筑物；以保护管线和地表沉降控制为主；降水引起周边环境风险评定：Ⅳ级。

风险处置措施：降水造成周边环境风险小，需开展日常巡查工作。

实施效果：工程降水所引起的平均沉降量为6.6 mm，最大沉降不超过7.62 mm。

(3) 案例3(1号线某竖井)。降水深度分级：5 m<13.59 m<15 m;含水层分类：降水影响范围内地层以饱和软黄土层为主；降水影响分级：强烈影响；接近程度：控制性建筑物为6层天然地基老旧房屋，距离12 m<2.5h=2.5×13.59=33.98 m，判定为接近；降水引起周边环境风险评定：Ⅰ级。

风险处置措施：降水造成周边环境风险高，应采取其他地下水控制措施。

实施效果：实际采用了降水方案，房屋差异沉降达80 mm；多次抢险和停工，最终采取了止、降结合的地下水控制方式。

(4) 案例4：(1号线某竖井)。降水深度分级：5 m<9 m<15 m；含水层分类：降水影响范围内地层以Q3古土壤、老黄土层、粉质黏土层为主；降水影响分级：显著影响；接近程度：控制性建筑物为地上13层高层建筑；距离降水井最近距离20 m<2.5h=2.5×9=22.5 m；判定为较接近；降水引起周边环境风险评定：Ⅲ级。

风险处置措施：降水造成周边环境风险可控，需开展监测工作。

实施效果：工程降水开挖引起距离降水位置处建筑物最大沉降量17.9 mm，过程中加强监测和巡视巡查，未造成直接经济损失和严重的后果。

上述四个实例是目前西安地铁已完成和正在建设中的案例，均采用了降水的方案，但2个案例根据本文所制定的评价标准均为Ⅰ级，施工过程中均出现了沉降超限，停水加固的实际情况，存在较大安全风险，且给工程投资和工期都带来了影响。

5 结 论

降水是保证西安地铁工程施工安全的最主要措施，但同时也带来了众多环境保护问题。本文通过分析西安地区的含水层特性和地铁工程特点，结合10多年的建设经验，首次制定了降水风险评价体系，并提出了风险处置措施。

(1) 根据地层降水沉降特性，将降水范围内的含水层分为3种类型，即饱和软黄土、饱和黄土与古土壤和饱和粉质黏土及砂卵石层。

(2) 根据实际的降水深度，将降深分为了三个等级。结合地层特性和降水深度综合评定降水影响等级，划分为三类：强烈影响、显著影响、一般影响。

(3) 根据降水点与建构筑的距离关系，在综合考虑降水影响半径的基础上，提出了接近、较接近、不接近的划分原则。

(4) 综合降水影响等级和接近程度制定了降水引起周边环境的风险等级，并据此提出了相应的处置措施。

(5) 结合西安地铁以往工程实例，对这一方法进行了验证，表明了本文所提出的评价体系和处置措施是符合实际的、可行的。研究的结论已纳入正在编制的陕西省地方标准《湿陷性黄土场地城市轨道交通工程建设技术标准》。