历史地形对照分析在地铁建设风险管控中的应用

吕三和，刘方克，刘志刚，宋继庭，张磊，卞立民

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛地铁集团有限公司，山东 青岛 266100； 3 青岛岩土工程技术研究中心，山东 青岛 266032)

1 引 言

城市大规模建设和工业生产、生活导致城市原有地形地貌发生的巨大改变，形成了诸多对地铁规划选址、设计施工有影响的隐伏地貌或地下不利埋藏物，包括隐伏的河道、冲沟、填海区及隐埋的井、塘等。通过历史地形与现状地形的对比分析，结合工程地质调查等综合技术手段，可初步获取拟建地铁沿线隐伏地貌的类型、特征及分布范围，预测隐伏地貌可能对地铁建设造成的安全风险，提前采取针对性的技术控制措施，进而达到有效规避、防范风险的目的。

2 适用条件

历史地形对照分析法主要适用于滨海丘陵型城市地区。该地区的主要特点是基岩埋深浅且起伏大，填土层分布不均匀，受人工改造影响大；临近海岸的滨海潮间带往往经过人工回填造陆；原始地面的河道及冲沟等后期均被填土层覆盖，现状无法分辨。在满足地貌条件的基础上，有效使用该方法仍需对象城市具有相对完整的历史地形资料。以青岛地区为例，青岛市区主要地貌类型为构造剥蚀地貌(低山、丘陵、剥蚀残丘)、山麓斜坡堆积地貌(准平原、堆积斜坡、凹地)及海成地貌，燕山晚期花岗岩体以岩基形式分布于地表或地下一定深度内。另外，青岛市区范围内地形图每年度定期进行更新，历史地形图等基础资料齐全。

3 隐伏地貌类型及特点

基于青岛地区历史地形与现状地貌的对照分析，结合青岛地铁工程建设实际，对地铁规划选址、设计施工影响较大的隐伏地貌类型主要包括隐伏河道、隐伏冲沟和填海区，其成因、特征及分布规律如下。

3.1 隐伏河道

隐伏河道是由原有河流的河床范围在城市化进程中被填埋而形成。其地层构成中大多存在富水砂层，其颗粒大小呈现地层底部粗、顶部细，河道上游粗、下游细的规律。基于富水砂层的基本特性，隐伏河道通常表现为富水、饱水，且水源补给充足，地层渗透性高、自稳性差、流动性强。隐伏河道一般分布在当代河流的河床、河漫滩、河流两岸，现代河流一级阶地、河漫滩相的下部。

3.2 隐伏冲沟

冲沟是由间断流水在地表冲刷形成的沟槽。隐伏冲沟是由第四系土层或人工填土覆盖而隐伏于地下的、对地铁工程建设有影响的冲沟、井、塘等。隐伏冲沟内部充填成分复杂、岩土特征差异较大，冲沟内与冲沟两侧地层变化较大，如图1所示。隐伏冲沟多分布于城市低洼地区，内部常见积水赋存，极易形成水囊或存在径流动水。

图1 典型隐伏冲沟剖面图

3.3 填海区

填海区(如图2)是由人类活动向海域发展，填海造陆而形成的一种特有填土区域，其物质成分较杂乱，均匀性差。根据其组成物质或堆积方式不同可分为素填土、杂填土、冲填土等。填海区回填年限差异较大，导致成分杂乱，密实度变化大。近海区域以碎石、块石为主，透水性极强，且与海水有一定的水力联系。

图2 地铁沿线填海区地貌变化对比图

4 隐伏地貌对地铁建设的影响

隐伏地貌通常表现为工程地质或水文地质条件的突变，地层的物理力学特性及稳定性不具备平缓的过渡区域，这对地铁工程建设的影响非常直接。由于地铁工程建设所采用的工艺工法较为多样，隐伏地貌对各类工法的不同影响所带来的安全风险也极为复杂，如表1所示。因此，提前了解地铁建设沿线隐伏地貌类型及分布范围，对地铁工程建设安全风险管控意义重大。

表1 隐伏地貌对地铁建设的不利影响

5 历史地形对照分析解决的主要问题

进行历史地形的对照分析，可对目标场地内存在的隐伏地貌和潜在地质风险类型进行较为准确的定性，并可对其分布范围进行初步划定，很好地弥补工程地质勘察在特定区域地层调查准确性低的不足。采用历史地形对照分析，可主要解决以下问题：

5.1 还原原始地貌单元

城市建设更新过程中，大挖、大填等大规模开发建设会改变原有的地形地貌，通过调阅历史地形图，可以作为划分地貌单元的有力依据。

5.2 查明地下不利埋藏物

地铁建设过程中，隐藏于地下的不利埋藏物往往不容易被揭露，对地铁建设带来较大的施工风险。对比分析历史地形可以发现现状地形图上无法发现的墓穴、机井、加油站及人防洞室等不利埋藏物，指导后续设计施工。

5.3 核实钻孔之间的地层界线

在丘陵城市地区，后期人工回填改造使得原地形中的冲沟、水塘、陡坎等对地层变化影响较大的地貌产生较大的变化。通过历史地形对照分析，并有针对性地进行勘探孔位置的布置，可以准确勾勒出相邻两钻孔间的地层界线及地质构造。

5.4 初步了解构造断裂的分布

在基岩地区，构造破碎带发育的区域，岩石破碎易受到外动力地质作用形成沟谷，故查明历史地形图中沟谷的位置，可以有针对性地进行钻探和物探工作，查明构造破碎带的位置及发育范围对地铁隧道围岩等级的划分非常重要。

6 历史地形对照分析技术路线

开展地铁沿线的历史地形对照分析，可贯穿于地铁工程建设全寿命周期。基于对历年地形图资料的收集，分析场地范围内地面标高、地貌及地物的变化，根据地铁建设不同阶段采取相对应的技术措施，其具体技术路线如图3所示。

图3 历史地形对照技术路线图

7 历史地形对照分析在地铁建设中的应用

7.1 预可研阶段

在地铁线路规划阶段对沿线隐伏地貌进行合理避让，是规避该项地质风险的最直接手段；若部分隐伏地貌无法避让，则可结合线路周边环境、建设条件、征迁条件等因素综合研判最优线路。因此，历史地形对照分析应作为地铁预可研阶段线路规划的重要依据之一。在地铁规划阶段提前掌握隐伏地貌类型及分布范围，无疑是将该地质风险控制在源头环节，在后续建设过程中，针对该风险的应对处置将有充分的技术措施及管控措施储备。

7.2 勘察阶段

地质勘察是查明隐伏地貌类型、分布及规模等特征的主要手段，而历史地形对照分析应作为地铁勘察阶段的前置工作之一。若在地铁预可研阶段已进行过历史地形对照分析，则可在勘察阶段基于其分析成果针对性布置勘察工作；若在地铁预可研阶段未进行该工作，在地铁勘察施工开始前，则需先行开展历史地形对照分析工作。

基于历史地形对照分析成果，在地铁勘察各阶段可依次开展的具体工作如下：

(1)可研勘察阶段，采用传统工程地质调查手段，充分走访、调研、收集、分析地铁线路附近相关资料，以线路整体为对象，查明对线路方案有影响的隐伏地貌分布。

(2)初勘阶段，初步查明地铁沿线隐伏地貌的类型、成因、分布、规模及工程性状，并圈定详勘阶段探查工作的重点区域。

(3)详勘阶段，应针对初勘阶段所圈定的重点区域，采用工程地质调查、钻探、物探、原位测试、室内试验等相结合的综合勘察手段，进行针对性重点勘察，必要时开展专项勘察工作。

7.3 设计阶段

工程及水文地质资料是开展地铁工程设计的主要依据，因此，是否进行历史地形对照分析，进而探明地铁线路周边隐伏地层工程特性及设计参数，是地铁设计阶段工作开展的重要前提。

设计阶段工作开展前，应对历史地形对照工作情况进行复核。若尚未开展该工作，应由地铁建设单位组织线路勘察单位完善该工作，并对识别出的隐伏地貌进行补勘；若已开展该工作，则对隐伏地貌影响区域开展专项设计，采取针对性技术控制措施，切实有效地降低由隐伏地貌造成的安全风险。同时，设计单位应结合地铁施工过程中实际揭露的地层情况，与历史地形对照分析、地质勘察所得结果进行对比，动态调整设计方案，确保控制措施的合理性、可靠性。

7.4 施工阶段

在地铁工程正式开工前，历史地形对照分析工作应全部完成，对潜在隐伏地貌的勘察、设计及施工管控方案应全部完备。

施工阶段是检验历史地形对照分析、地质勘察成果是否准确的验证阶段，也是针对隐伏地貌地质风险所有管控手段的实施阶段。勘察单位需根据实际的地层揭露情况，复核对施工场地地层条件、设计参数等方面评价建议的准确性，并进行动态调整；设计单位需根据上述调整结果，动态分析当前设计措施对目标地质风险的控制程度和效果；施工单位则需严格落实设计意图，并针对隐伏地貌，制定并执行完善的专项管控方案、监测方案及应急预案。

8 案例分析

8.1 工程案例一

青岛地铁某区间，位于青岛市重庆中路以西，采用矿山法施工。勘察单位在勘察工作开始前，通过历史地形的对照分析，发现在区间小里程段存在已被掩埋的隐伏冲沟(如图4所示)，宽度近 30 m，且冲沟底部已侵入到区间拱顶，存在很大的施工风险。

图4 推测冲沟范围及补勘冲沟位置剖面图

根据初步确定的冲沟范围，勘察单位在冲沟底部进行了加密钻孔，并通过历史地形图，详细调查出冲沟的沟顶及沟底的范围，有效地勾勒出了基岩面起伏状况，提高了勘察报告中的基岩面准确度，明确了Ⅵ级围岩的范围，并对此风险源对设计单位进行风险提示，设计单位根据地质资料，进行了相应的风险源专项设计。

区间施工阶段，勘察单位通过跟踪调查洞室开挖后的掌子面揭露情况，验证了勘察报告中的基岩面埋深与实际揭露的基岩面埋深误差仅不到半米，有效提高了勘察的精度，也为工程项目的顺利实施提供了有力的帮助。

8.2 工程案例二

青岛地铁某车站，位于青岛市山东路与宁夏路交口，采用矿山法施工。在车站施工过程中，勘察单位例行进行地质风险排查，通过调阅立交桥施工前的历史地形图(1979年)，发现在拟建地铁车站主体上方存在已被填埋的机井(如图5所示)，直径约 8 m，深度不详。

图5 历史地形图(1979年)及补勘机井位置剖面图

勘察单位通过历史地形对照分析，在机井上方增加勘探点。通过钻探揭示，场区基岩面陡降，机井位置的第四系厚度 12.5 m，主要为人工填土层，由回填砂土、碎砖块、碎石、混凝土块等组成，夹有块石及大块混凝土块；4.5 m以下以回填淤泥质砂为主，夹杂大量塑料袋，树枝，木棍等生活垃圾，成分杂乱，不均匀程度高，自稳性极差；拱顶围岩为强风化花岗岩，覆岩厚度仅为 1.5 m。

设计单位根据补勘资料，进行了针对该隐伏地貌的专项设计，增设地面注浆加固、洞内超前注浆，并严格控制开挖断面及开挖进尺。施工单位通过加强监测、超前地质预报等措施，避免了因地下不利埋藏物而产生工程事故的可能。

9 结 论

随着城市的发展，地形的演变不可避免，经过大规模的人工改造和干预，历史的地形地貌已逐渐演化为当前进行城市轨道交通建设的基础地质条件。因此，充分认识历史地形地貌对有效规避地铁工程建设地质风险具有重要价值。同时，对历史地形的对照分析工作，在整个地铁工程建设寿命周期中，应尽可能前置，将对隐伏地貌的分析探查作为地铁线路选址、工程地质勘察的前置工作，这将非常有利于将因不良地质引发的建设安全风险掌控在源头阶段。历史地形对照分析法对于历史地形资料丰富的滨海丘陵型城市的地下空间开发工程有着广泛的应用前景，值得大力推广。