城市轨道交通工程勘察常见问题分析与解决方案

李世民

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京　100101）

摘要：本文首先介绍城市轨道交通工程勘察的特点和难点以及勘察的基本内容，进而从现场施工、勘察技术、配合服务等方面分析地铁勘察过程中常见的问题，并针对这些问题提出解决方案。

关键词：城市轨道交通；工程勘察

城市轨道交通工程勘察一般分为可行性研究勘察、初步勘察和详细勘察。施工阶段可根据需要开展施工勘察工作。

1　城市轨道交通工程勘察的特点和难点

城市轨道交通工程为复杂的系统工程，同时具有线路工程、建筑工程、地下工程、环境工程的特点。城市轨道交通工程从其形式及功用上分为车站工程、区间工程、车辆段或停车场以及附属工程；其结构类型多，施工方法复杂对岩土工程勘察要求较高。

1.1　结构类型多

城市轨道交通工程按照线路敷设形式可分为地下线路、地面线路和高架线路；按照结构类型可分为车站主体、出入口通道、风道、风井、人防工程、区间隧道、联络通道、渡线、泵房、出入线、高架线路、桥梁、涵洞、路基、路堤、路堑、车辆段（停车场）、变电站、水源井等。

不同的结构类型侧重的工程地质问题不同，勘察的重点也不同，勘察应满足不同结构类型的设计需求。比如，地下工程一般需要提供地下水位、围岩分级等；地面建筑需要提供地基承载力及变形计算参数等；高架结构需要提供桩基参数等。

1.2　施工方法复杂

城市轨道交通工程的施工方法一般有明（盖）挖法、暗挖法、盾构法三大工法。

明（盖）挖法又可细分为明挖、盖挖和铺盖法，明挖施工的支护体系一般有桩（墙）加内支撑支护、桩（墙）加锚杆（索）支护、土钉墙支护、自然放坡等，盖挖又分为盖挖逆做法和盖挖顺做法。

暗挖法的施工工艺一般包括全断面法、上半断面临时封闭正台阶法、正台阶环形开挖法、单侧壁导坑正台阶法、双侧壁导坑法（眼镜工法）、中隔墙法（CD法、CRD法）、中洞法、侧洞法、柱洞法、洞桩法、钻爆法等。

盾构法施工的盾构类型一般包括敞开式盾构、半敞开式和密闭式盾构，近年国内用得比较多的为密闭式盾构，密闭式盾构根据其力学平衡原理又可分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构。

配合三大工法施工还有一些辅助工法，包括降水施工、止水施工、注浆施工、冻结法施工、小导管施作、大管棚施作、盾构始发井和接收井加固施工等。

总之，城市轨道交通工程的施工方法多，施工工艺复杂；其岩土工程勘察应满足施工工艺、设备选择和施工方案编制的需要。为满足不同工法的需求，仅提供常规的物理力学指标是不能满足的；还应根据需要提供基床系数、热物理指标、无侧限抗压强度、围岩级别、可开挖性等级等特殊参数和指标。

1.3　线路工程地质特点

1.3.1　穿越的地质单元较多

城市轨道交通工程作为线路工程，少则几公里、多则几十公里，线路较长穿越的地质单元多，因此在进行岩土工程勘察时一定要有地质单元的概念，不同地质单元土层的物理力学参数不能放在一起统计，以免出现参数失真。

1.3.2　穿越不良地质多

由于城市轨道交通工程作为线路工程，不可避免的需要穿越断裂带、沉降区、地裂缝、岩溶区等不良地质发育区域；因此在勘察过程中注意查明不良地质的规模、发育程度、分布状况及对线路的影响程度等。

1.4　城市工程地质特点

由于城市轨道交通工程主要位于繁华的城市地段，具有明显的城市地质特点；城市地段，尤其是老城区地表地质体受人类活动扰动严重：

（1）人工填土普遍分布，填土成分复杂、均匀性差，分布薄厚不均；平面和纵面变化大。

（2）地下水水位变化主要受人工开采控制，其流速和流向趋于无规律性；地下水水质变化复杂，一般浅层水和受污染区地下水具有腐蚀性。上层滞水主要受管线渗漏、绿地浇水、大气降水等影响，具有不确定性。

（3）受人类活动影响可能分布有墓穴、菜窖、古井、防空洞、房屋旧基础、地下文物、废弃管线、暗浜、鱼塘等。

（4）在城市建设过程中的施工和降水扰动下，往往存在地层空洞、松散层等。

总之，城市地质具有比较复杂和多变的特征，在勘察工作中应采取多种手段共用的综合方法进行分析和判断；必要时应进行专项勘察。

1.5　环境条件复杂

城市轨道交通工程一般均位于繁华的城市地区，而且需要修建城市轨道交通的城市都是比较发达的大都市。都市环境具有以下特点：

（1）建筑物密度大，中高层建筑、城市地标性建筑等重要建筑多；

（2）地下人防工程、地下商场、地下车库等地下建构物多；

（3）各种雨水、污水，上水，煤气、热力、电缆、电信等地下管线繁多；

（4）城市人口多，媒体发达，事故敏感性强，对安全文明施工要求高。

综上，城市轨道交通工程由于其自身的系统性、结构的复杂性、工法的多样性、环境的严格性等，使得其对勘察工作的要求远远高于一般的工民建和铁路、道路工程。

进行城市轨道交通工程勘察必须牢牢把握其线路的特征、城市环境、精密岩土工程等特点；在进行勘察工作时应分别对待，针对不同的地质单元、不同的结构形式和不同的施工方法，采用相应的勘察手段和评价方法以更有针对性的解决岩土工程问题。

2　城市轨道工程勘察的基本内容

2.1　勘察阶段划分

城市轨道交通工程是一项复杂的系统工程，工程投资巨大，工程建设要经历规划、可行性研究、初步设计、施工图设计、施工等多个阶段，而且工程往往需要穿越城市中心地带，工程建设的地质和环境条件极其复杂、风险极高。依据工程建设不同阶段对岩土工程勘察技术要求的不同，将城市轨道交通工程勘划分为可行性研究勘察、初步勘察、详细勘察和施工勘察四个阶段。当城市轨道交通工程沿线或场地附近存在对工程设计方案和施工有重大影响的岩土工程问题时还应进行专项勘察。专项勘察可以根据需要在任何一个阶段开展。

2.2　不同阶段勘察重点

地铁岩土工程勘察成果是城市轨道交通工程建设项目地基基础及基坑、隧道、路基、桥梁工程方案设计与施工的重要依据。不同勘察阶段需要重点解决的地质安全风险问题不同。

（1）规划可研阶段的岩土工程勘察工作，重点查明需要规避的重大地质风险。例如：崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害和采空区、岩溶塌陷等不良地质作用，作定性评价，评价场地稳定性和工程建设适宜性。

（2）初步勘察阶段的岩土工程勘察工作，重点查明需要采取控制所示的地质风险，查明地基和围岩的地层岩性，初步分析地基和围岩的稳定性。

（3）详细勘察阶段的岩土工程勘察工作是详细查明工程地质和水文地质条件、地层的分布和岩土特性及所有可能存在的地质风险，提供设计所需的岩土参数，结合设计、施工进行岩土工程分析评价并提出相关的方案、措施建议。

（4）施工勘察阶段的岩土工程勘察工作主要解决详勘精度无法查明的岩土工程问题或施工过程中遇到的特殊岩土工程问题。

专项勘察工作是解决常规勘察阶段中难以查明的地质条件。

2.3　勘察的手段方法

岩土工程勘察手段与方法主要包括工程地质调查与测绘；工程地质钻（挖）探与取样；原位测试；地球物理勘探；岩土试验等，这些都是获取地铁岩土工程勘察成果所依据的第一手资料的基础性工作和方法，直接影响到成果的真实性、准确性、经济性和安全性。

由于地铁勘察的基本工作内容较多且程序复杂，在地铁勘察中经常遇到各种各样的问题，主要表现在现场施工、勘察技术、配合服务等方面，下面就这些问题提出建议和解决措施。

3　勘察现场施工常见问题及解决方案

城市轨道交通工程勘察一般以地质钻探为主，工程地质调查与测绘、物探等手段为辅。钻探现场施工时经常遇到如下问题：

3.1　施工进场协调问题

由于地铁勘察施工需要一定的施工场地，而地铁沿线主要为现状道路、商铺厂房、居民区及农田等，施工前需要办理占路掘路施工手续、与相关产权单位及当地政府进行协调沟通，如果协调不力将直接影响勘察施工进度，从而拖延设计和施工工期。

针对以上问题，建议由业主牵头成立专门的勘察进场协调小组，施工前对可能影响勘察进场的各种因素进行梳理，制定合理的协调方案，采用统筹安排、专人负责、各个击破的方式解决进场协调问题。

3.2　安全施工问题

城市轨道交通工程一般位于城市主要道路下，地下管线和构筑物密集且复杂。近年来由于钻探过程中碰到地下管线的事故层出不穷，地下管线已成为钻探施工的重大安全影响因素。另外，地铁施工多位于市区交通繁忙的道路上，占道施工的交通安全是钻探施工的另一大安全风险源。对于施工安全问题，主要从以下几方面进行解决。

3.2.1　建立安全生产责任制

根据国家、地方政府有关法律、法规及投标人及勘察项目安全生产的具体情况，制定专项安全生产责任制。由项目负责人主管安全生产并对安全负全面领导责任，并明确项目工程师、安全员及班组各自的安全责任。

3.2.2　建立勘察安全风险评估及安全交底制度

项目勘察施工前，首先对影响项目勘察施工的各种安全因素和环境进行分析（土层条件、管线等），对风险源进行识别和分级，制定相应的风险管理和控制措施。并就相关内容对项目及班组进行安全交底。

3.2.3　管线安全保证措施

为了在勘察中对地下管线及构筑物采取有效的避让和保护措施，避免因疏漏造成的损坏，工程勘察中地下管线及构筑物的现场保护的措施主要如下：

地下管线及构筑物的避让和现场保护总体原则遵循“查、访、探、挖、护、听”六字方针，即查：认真研究雇主提供的管线资料确定沿线管线的分布和具体位置，并进一步查询、收集管线竣工资料；访：走访各管线主管单位确定沿线管线的分布和具体位置，走访沿线的居民了解管线施工的历史；探：采用管线探测仪进行现场实地探测确定管线的位置；挖：采取挖探的办法确定浅部管线的位置；护：将勘探孔周围距离小于2m的管线位置标示出来，给予保护。听：在钻探过程中听到有异响或钻机有异常，立即停钻。

3.2.4　交通安全保证措施

在交通道路上勘察施工时，按照当地交通管理局的要求和标准设置交通疏导标志，夜间施工时还要按要求和标准设置夜间施工交通警示灯，施工人员需穿戴专用的交通警告服饰。

当天不能完成的勘探孔，在撤场前必须将现场清理干净，用特制的孔口盖板盖住孔口，避免伤及行人和过往车辆。

3.3　钻孔封闭问题

地铁勘察钻孔施工完毕后应根据要求及时进行封闭。未按照要求封填，可能造成以下问题：

（1）可能造成地上污水污染地下水，地下水涌入隧道的通道，也会导致上下含水层中地下水的连通，尤其是下部承压水沿钻孔上升，造成突涌，对施工造成严重的影响；

（2）还可能造成暗挖或盾构隧道施工注浆浆液沿未封闭钻孔溢流或喷出，影响地面人员及交通安全；

（3）钻孔中遗留的钻杆、取土器等硬质金属物件，可能会导致盾构施工机械损坏。

针对以上问题，在勘探孔施工完毕后，要求5m以下至孔底用不透水的黏性土进行回填，地面下5m至孔口用水泥沙浆进行封闭。对于孔内有遗留钻具、取土器等硬质金属物件的勘探孔，在钻探记录表中应有详细记录。

4　常见关键技术问题及解决方案

地铁勘察主要解决地层分布、地下水及岩土性质等技术问题，这些问题是岩土工程勘察需要查明的主要内容，地质条件的好坏及其探明程度直接关系到工程建设的质量、进度和安全问题。下面就地铁勘察中经常出现的关键技术中问题及解决方案介绍如下：

4.1　不良地质与地质灾害问题

地质条件中的不良地质作用和地质灾害是直接影响建设场地的稳定性和工程建设适宜性的重要因素。

岩溶、活动断裂、采空区、砂土液化、地裂缝、地面沉降等不良地质作用发育和地质灾害危险性大的地区都是会直接威胁城市轨道交通工程的安全。

对于稳定性较差的场地，不经治理，一般不适宜城市轨道交通工程建设；对于不稳定场地，不适宜城市轨道交通工程建设。

解决方案：

（1）采用工程地质测绘和调查、物探、钻探等多种手段结合的方法进行勘察。

（2）查明不良地质作用及地质灾害的空间分布范围、规模以及发展趋势，分析其对城市轨道交通工程的影响程度。

（3）提供后续施工处理所需的岩土工程物理力学参数。

（4）采取必要的结构处理措施。

4.2　特殊性岩土问题

特殊性岩土是指在特定的地理环境或人为条件下形成的特殊物理力学特性和工程特征，以及特殊的物质组成、结构构造的岩土。

常见的特殊性岩土有填土、湿陷性土、红黏土、软土、混合土、填土、膨胀岩土等。比如石家庄地区存在的特殊性岩土主要为填土和湿陷性黄土状土。

解决方案：

（1）采用工程地质测绘和调查、钻探、挖探、室内土工试验等多种手段结合的方法进行勘察。

（2）查明特殊性岩土的地层时代，岩性，成因，空间分布范围等。

（3）查明特殊性岩土的物理力学性质指标。

（4）分析特殊性岩土对城市轨道交通工程的影响，并提出处理措施。

4.3　地下水问题

地下水类型主要分为上层滞水、潜水和承压水。地下水的类型反映出它的埋藏条件与含水介质，不同的地下水类型与不同的赋存状态，对城市轨道交通工程的作用机制与影响程度也不尽相同。

已往的城市轨道交通工程建设中因地下水问题引起的工程事故所占比例非常大。场地的水文地质条件直接关系到工程是否需要进行地下水控制，能否查明场地的水文地质条件、提供合理的水文地质参数，直接关系到地下水控制措施的选择及地下水控制的效果。地下水控制效果不好容易引起边坡失稳、涌水漏沙、基坑突涌等事故。

解决方案：

（1）进行水文地质调查。水文地质调查，主要用于调查区域水文地质条件，以及沿线地形、地貌、岩性、气象、水文、开采条件；调查地下水的水位、水力性质、流速、流向、含水层隔水层分布，地层的富水性；调查历年最高水位、最低水位以及动态变化；调查地表水体的流量、流速、冲刷线、防洪水位、蓄水、放水时间和规律等；调查地表水体衬砌、整治情况、沿线水井情况等；调查区域地下水控制施工经验以及地下水管理政策等。

（2）施工地下水位观测孔分层观测地下水位。根据含水层的赋水性质，按上层滞水、潜水、承压水分别设置观测孔，监测不同含水层的水位变化，获取地下水动态资料。

（3）分单元选择有代表性的含水层，进行现场抽水试验。利用抽水孔与观测孔的现场观测资料，结合区域水文地质条件，选择合理的计算公式，确定含水层的水文地质参数；

（4）采取岩土试样进行室内渗透试验获取各岩土层的渗透参数。

4.4　地下水抗浮设防水位问题

城市轨道交通工程不同于一般民用单体建筑，整体为线状形态，穿越城市多个水文地质单元及分区，且地铁建成后将不同程度地改变区域水文地质环境及地下水赋存、运移条件，使抗浮设防水位确定更为复杂。浮力的大小主要取决于作用于地下结构物底板的孔隙水压力，且与地下水的赋存特征及运移规律息息相关。

城市轨道交通工程地下车站及区间结构全都处于地下，当地下位较高时，其结构底板承受的浮力荷载将十分可观，势必将产生严重的浮力破坏隐患。此外，随着季节和降雨量变化，结构底板的浮力荷载还存在明显的非确定性，更加大了灾害的风险程度。

因此，城市轨道交通工程抗浮设防水位专项研究工作就显得十分必要。

解决方案：

在收集地下水长期观测资料的基础上，通过对沿线多年来地下水的动态分析，预测地下水的水位变化趋势，充分考虑历史地下水位的动态变化、线路附近地表水体的分布、河流的洪水位等，结合地层结构及地铁结构特点，提出安全可靠经济合理的抗浮设防水位高程。

（1）注重调研，进行地层结构的研究、了解地下水赋存条件、划分水文地质单元。

（2）分析影响研究区内地下水动态变化规律的各种随机因素，预测今后100年内水位变化趋势。

（3）根据城市轨道交通工程的结构埋深、场地的地层结构、含水层与隔水层的组合关系，确定对基础产生浮力作用的含水层和地下水位。最后根据预测出的对基础产生浮力作用的最高水位，通过渗流分析，计算确定抗浮设计水位。

4.5　岩土特殊参数的问题

由于城市轨道交通工程不同于一般工民建或市政工程，其既要按建筑基坑工程也要按铁路隧道工程考虑，因此，地铁设计所岩土参数也有别于一般工程，城市轨道交通工程的岩土特殊参数是指除常规物理力学参数以外的岩土参数，主要包括热物理、基床系数（水平、垂直）等。

城市轨道交通工程中，热物理参数主要用于通风设计、冷冻法施工设计中。而基床系数主要用来进行地基梁计算、衬砌配筋计算、路基计算、支护结构计算等。基坑深度或隧道范围内一般进行水平基床系数试验，基底以下或隧道以上土层一般考虑进行垂直基床系数试验。

解决方案：

（1）广泛搜集当地已建地下工程岩土工程勘察、设计、施工、监测资料。

（2）根据已有勘察及区域工程地质与水文地质资料，对地铁线路范围内进行工程地质单元分区。

（3）结合勘察工作，在每个工程地质单元内对各个对城市轨道交通工程有影响的地层进行现场原位测试，并采取一定的土样进行室内土工试验。

（4）热物理指标可采用线热源法或面热源法获取；基床系数采用室内试验与现场载荷试验相结合的方法获取，现场测定时采用K30方法，即采用直径30cm的荷载板垂直或水平加载试验，即可直接测定地基土的垂直基床系数Kv和水平基床系数Kh。

（5）根据室内试验和现场原位测试得到对城市轨道交通工程有影响的各岩土层特殊参数，结合已建地下工程经验进行对比分析，提出准确、可靠的岩土特殊参数。

5　配合服务

城市轨道交通工程勘察的配合服务一般易存在以下三方面问题：

（1）与业主或总体单位的沟通配合不够，使得勘察进度、质量等不能满足业主的要求。建议勘察单位加强与业主或总体单位的沟通配合，定期召开勘察例会，会上了解并解决勘察过程中的出现的问题。

（2）与设计沟通不畅，勘察成果不能满足设计要求，设计方案变更后不能及时通知勘察单位进行补勘，影响设计和施工进度。建议加强勘察设计单位沟通配合，建立常态沟通机制。

（3）在施工过程中与施工单位配合不及时，施工过程中遇到地质问题应及时与勘察单位沟通，及时有效地解决问题，必要时进行施工勘察。

6　结论

在城市轨道交通工程勘察工作过程中，主要会遇到三大问题：一是在勘察施工现场问题，如进场协调、施工安全等；二是关键技术问题，如不良地质、地质灾害、特殊岩土及地下水等，另外不同于其他工程勘察，地铁勘察会遇到用于地铁工程的特殊岩土参数问题；三是在勘察过程中或结束后与业主、设计和施工单位的配合服务问题。

总之，城市轨道交通工程是一项复杂的系统工程，而勘察工作的成功与否直接影响到城市轨道工程的施工造价、质量、进度和安全。因此，为满足工程需求，勘察工作需要解决一系列的工程地质和水文地质问题，为设计和施工提供有效保障。

参考文献

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