歷史地形對照分析在地鐵建設風險管控中的應用

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.青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266100； 3 青島巖土工程技術研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

城市大規模建設和工業生產、生活導致城市原有地形地貌發生的巨大改變，形成了諸多對地鐵規劃選址、設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、填海區及隱埋的井、塘等。通過歷史地形與現狀地形的對比分析，結合工程地質調查等綜合技術手段，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，預測隱伏地貌可能對地鐵建設造成的安全風險，提前采取針對性的技術控制措施，進而達到有效規避、防范風險的目的。

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。該地區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，現狀無法分辨。在滿足地貌條件的基礎上，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。以青島地區為例，青島市區主要地貌類型為構造剝蝕地貌(低山、丘陵、剝蝕殘丘)、山麓斜坡堆積地貌(準平原、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。另外，青島市區范圍內地形圖每年度定期進行更新，歷史地形圖等基礎資料齊全。

3 隱伏地貌類型及特點

基于青島地區歷史地形與現狀地貌的對照分析，結合青島地鐵工程建設實際，對地鐵規劃選址、設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，其成因、特征及分布規律如下。

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程中被填埋而形成。其地層構成中大多存在富水砂層，其顆粒大小呈現地層底部粗、頂部細，河道上游粗、下游細的規律。基于富水砂層的基本特性，隱伏河道通常表現為富水、飽水，且水源補給充足，地層滲透性高、自穩性差、流動性強。隱伏河道一般分布在當代河流的河床、河漫灘、河流兩岸，現代河流一級階地、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、對地鐵工程建設有影響的沖溝、井、塘等。隱伏沖溝內部充填成分復雜、巖土特征差異較大，沖溝內與沖溝兩側地層變化較大，如圖1所示。隱伏沖溝多分布于城市低洼地區，內部常見積水賦存，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

填海區(如圖2)是由人類活動向海域發展，填海造陸而形成的一種特有填土區域，其物質成分較雜亂，均勻性差。根據其組成物質或堆積方式不同可分為素填土、雜填土、沖填土等。填海區回填年限差異較大，導致成分雜亂，密實度變化大。近海區域以碎石、塊石為主，透水性極強，且與海水有一定的水力聯系。

圖2 地鐵沿線填海區地貌變化對比圖

4 隱伏地貌對地鐵建設的影響

隱伏地貌通常表現為工程地質或水文地質條件的突變，地層的物理力學特性及穩定性不具備平緩的過渡區域，這對地鐵工程建設的影響非常直接。由于地鐵工程建設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險也極為復雜，如表1所示。因此，提前了解地鐵建設沿線隱伏地貌類型及分布范圍，對地鐵工程建設安全風險管控意義重大。

表1 隱伏地貌對地鐵建設的不利影響

5 歷史地形對照分析解決的主要問題

進行歷史地形的對照分析，可對目標場地內存在的隱伏地貌和潛在地質風險類型進行較為準確的定性，并可對其分布范圍進行初步劃定，很好地彌補工程地質勘察在特定區域地層調查準確性低的不足。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

城市建設更新過程中，大挖、大填等大規模開發建設會改變原有的地形地貌，通過調閱歷史地形圖，可以作為劃分地貌單元的有力依據。

5.2 查明地下不利埋藏物

地鐵建設過程中，隱藏于地下的不利埋藏物往往不容易被揭露，對地鐵建設帶來較大的施工風險。對比分析歷史地形可以發現現狀地形圖上無法發現的墓穴、機井、加油站及人防洞室等不利埋藏物，指導后續設計施工。

5.3 核實鉆孔之間的地層界線

在丘陵城市地區，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生較大的變化。通過歷史地形對照分析，并有針對性地進行勘探孔位置的布置，可以準確勾勒出相鄰兩鉆孔間的地層界線及地質構造。

5.4 初步了解構造斷裂的分布

在基巖地區，構造破碎帶發育的區域，巖石破碎易受到外動力地質作用形成溝谷，故查明歷史地形圖中溝谷的位置，可以有針對性地進行鉆探和物探工作，查明構造破碎帶的位置及發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全壽命周期。基于對歷年地形圖資料的收集，分析場地范圍內地面標高、地貌及地物的變化，根據地鐵建設不同階段采取相對應的技術措施，其具體技術路線如圖3所示。

圖3 歷史地形對照技術路線圖

7 歷史地形對照分析在地鐵建設中的應用

7.1 預可研階段

在地鐵線路規劃階段對沿線隱伏地貌進行合理避讓，是規避該項地質風險的最直接手段；若部分隱伏地貌無法避讓，則可結合線路周邊環境、建設條件、征遷條件等因素綜合研判最優線路。因此，歷史地形對照分析應作為地鐵預可研階段線路規劃的重要依據之一。在地鐵規劃階段提前掌握隱伏地貌類型及分布范圍，無疑是將該地質風險控制在源頭環節，在后續建設過程中，針對該風險的應對處置將有充分的技術措施及管控措施儲備。

7.2 勘察階段

地質勘察是查明隱伏地貌類型、分布及規模等特征的主要手段，而歷史地形對照分析應作為地鐵勘察階段的前置工作之一。若在地鐵預可研階段已進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；若在地鐵預可研階段未進行該工作，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，采用傳統工程地質調查手段，充分走訪、調研、收集、分析地鐵線路附近相關資料，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、規模及工程性狀，并圈定詳勘階段探查工作的重點區域。

(3)詳勘階段，應針對初勘階段所圈定的重點區域，采用工程地質調查、鉆探、物探、原位測試、室內試驗等相結合的綜合勘察手段，進行針對性重點勘察，必要時開展專項勘察工作。

7.3 設計階段

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

設計階段工作開展前，應對歷史地形對照工作情況進行復核。若尚未開展該工作，應由地鐵建設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行補勘；若已開展該工作，則對隱伏地貌影響區域開展專項設計，采取針對性技術控制措施，切實有效地降低由隱伏地貌造成的安全風險。同時，設計單位應結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、地質勘察所得結果進行對比，動態調整設計方案，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全部完成，對潛在隱伏地貌的勘察、設計及施工管控方案應全部完備。

施工階段是檢驗歷史地形對照分析、地質勘察成果是否準確的驗證階段，也是針對隱伏地貌地質風險所有管控手段的實施階段。勘察單位需根據實際的地層揭露情況，復核對施工場地地層條件、設計參數等方面評價建議的準確性，并進行動態調整；設計單位需根據上述調整結果，動態分析當前設計措施對目標地質風險的控制程度和效果；施工單位則需嚴格落實設計意圖，并針對隱伏地貌，制定并執行完善的專項管控方案、監測方案及應急預案。

8 案例分析

8.1 工程案例一

青島地鐵某區間，位于青島市重慶中路以西，采用礦山法施工。勘察單位在勘察工作開始前，通過歷史地形的對照分析，發現在區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間拱頂，存在很大的施工風險。

圖4 推測沖溝范圍及補勘沖溝位置剖面圖

根據初步確定的沖溝范圍，勘察單位在沖溝底部進行了加密鉆孔，并通過歷史地形圖，詳細調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確度，明確了Ⅵ級圍巖的范圍，并對此風險源對設計單位進行風險提示，設計單位根據地質資料，進行了相應的風險源專項設計。

區間施工階段，勘察單位通過跟蹤調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，勘察單位例行進行地質風險排查，通過調閱立交橋施工前的歷史地形圖(1979年)，發現在擬建地鐵車站主體上方存在已被填埋的機井(如圖5所示)，直徑約 8 m，深度不詳。

圖5 歷史地形圖(1979年)及補勘機井位置剖面圖

勘察單位通過歷史地形對照分析，在機井上方增加勘探點。通過鉆探揭示，場區基巖面陡降，機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，自穩性極差；拱頂圍巖為強風化花崗巖，覆巖厚度僅為 1.5 m。

設計單位根據補勘資料，進行了針對該隱伏地貌的專項設計，增設地面注漿加固、洞內超前注漿，并嚴格控制開挖斷面及開挖進尺。施工單位通過加強監測、超前地質預報等措施，避免了因地下不利埋藏物而產生工程事故的可能。

9 結 論

隨著城市的發展，地形的演變不可避免，經過大規模的人工改造和干預，歷史的地形地貌已逐漸演化為當前進行城市軌道交通建設的基礎地質條件。因此，充分認識歷史地形地貌對有效規避地鐵工程建設地質風險具有重要價值。同時，對歷史地形的對照分析工作，在整個地鐵工程建設壽命周期中，應盡可能前置，將對隱伏地貌的分析探查作為地鐵線路選址、工程地質勘察的前置工作，這將非常有利于將因不良地質引發的建設安全風險掌控在源頭階段。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工程有著廣泛的應用前景，值得大力推廣。