北京城市轨道交通穿越污染土的专项勘察研究及应用

校小娥，周玉凤，庞炜，黄溯航，谢峰

（北京城建勘测设计研究院，北京　100101）

摘要：本文主要以北京市城市轨道交通7号线沿线污染土为研究对象，进行了污染土的工程地质特性、水文地质特性的研究工作。本次勘察对污染场地及附近的土壤进行了物理力学试验（包括常规物理力学试验、力学试验、水土腐蚀性试验、水文参数试验等），除给出了一套污染土常规工程地质参数以及水文地质参数外，还总结出一套水土污染评价需要的水文参数和土壤参数。研究中建立了长期水文观测孔，在洗井时首次使用对二次污染具有较高控制作用的贝勒管，有效地避免了二次污染的引入，使用了浊度仪以及多参数水质分析仪监测了地下水的浊度、pH值、氧化还原电位、溶解氧等数据，根据监测结果对污染土进行了施工和运营风险分析，为工程的设计和施工提供了充分有力的数据依据，具有非常重要的工程指导意义，也为轨道交通污染土勘察积累了宝贵的专项勘察经验。

关键词：污染土；地质勘察；地层参数

近几年，随着我国经济的进一步发展、城镇人口迅速增长、城市规模不断扩大、机动车快速增加、城市交通堵塞日益严重以及城市环境不断恶化。发展城市轨道交通已成为我国大中城市缓解交通拥堵的最佳选择。现在，中国城轨交通的发展已呈现出世界罕有的速度和规模，取得了举世瞩目的成就。

但是所有工程的建设，都离不开勘察，城市轨道交通勘察尤为重要，勘察对工程建设的后续工作有很重要的影响。本论文以北京地铁7号线污染土场地为工程案例进行研究。

1　工程案例

1.1　工程概况

本次勘察范围位于磁器口站东端，在磁器口站与北京地铁5号线换乘，以地下线方式敷设，沿广渠门大街向东至东四环，在化工二厂东侧转向南，沿着规划化工二厂东侧路向南穿越规划绿地到达化工路，穿过化工路后沿垡头西路向南至垡头南路再转向东，穿过双丰铁路，进入玻璃二厂、染料厂等工业用地范围，线路沿规划道路向东南敷设，到达终点焦化厂站（图1）。

1.2　沿线工程地质与水文地质条件

本次污染土勘察研究区域位于北京城区东部冲洪积扇的中下部平原地区，地貌类型主要为古金沟河故道以及河道两侧台地。

场地地层分布特征为：上部土层为第四系松散沉积物人工填土、粉质黏土、粉土、砂土，其下伏的基岩地层主要为中元古界蓟县系碳酸盐岩地层，中生代侏罗系与白垩系地层，沿线地层各土层的分布如图2所示。

本次污染土勘察深度范围内，测得三层地下水，地下水类型为上层滞水（一）、潜水（二）、层间水（三），见表1。

1.3　场地周边环境条件

沿线穿越化工厂有化工二厂、玻璃二厂、焦化厂等，这些小型化工厂的生产、工业废料、工业废水及废渣的排放均可能对地下土层和地下水造成污染，主要污染物为多环芳烃、苯系物和重金属。这么多化工厂污染源为线路建设的重大风险源。

2　解决污染土工程问题采取的手段、方法及难点分析

针对沿线的工程特性，我们通过环境调查、钻探、室内土工试验、水文地质实验、建立水位长期观测孔等多种手段和方法进行了污染土专项勘察及研究工作。

2.1　钻探工作布置

本次污染土勘察钻孔平面布置及钻孔深度布置根据污染的来源、状况、分布及污染物性质、污染路径、污染物运移特征和场地的地质与水文地质条件确定。综合考虑以上因素考虑，本次污染土勘察共布置49个钻孔，孔深为21～26m不等（图3～图5）。

2.2　地下水位观测及难点分析

本次项目在49个钻探孔中选取12个钻孔，成孔取土后，建立水位长期观测孔，监测不同含水层的水位变化，获取地下水动态资料。本次观测孔成井难点分析：

（1）钻探成孔要求：污染土钻探时，深度达到地面下2m，须立即跟进套管，钻探深度和套管深度要求保持一致，防止上面的土壤脱落造成交叉污染。

（2）成井材料选取：成井材料要求井管、石英砂料、膨润土等材料需为对水质、土质不能产生次生污染的特殊材料；对成分、粒径都有特殊要求，均须专用专买，洗井均需用贝勒管（进口，且须一次性使用，即一孔一管），使用混凝土固定监测井井管，从地面下1m直至井盖下部，井管地上部分约30～50cm，超出地面的部分采用大直径的U-PVC材质的管套保护，管套直径165mm，管套孔隙内注以水泥固定，孔口用同管材的管帽封存。

（3）洗井要求较高，耗时较长，一般为4d，少数为6d。需用专用浊度仪检测后达到要求后才可终止洗井。具体做法如下：

监测井建成后要求立即使用贝勒管，通过多次掏水洗井，洗井2～3h。然后静置24h，再次进行洗井，第二次洗井掏出水的体积要求达到井中水的浊度小于40个单位。

2.3　通过室内渗透试验获取水文地质参数

本次勘察区域深度26.0m范围内取得的原状土样与扰动土样进行了室内渗透试验和颗分试验，并利用颗粒分析试验成果，应用《工程地质手册》中的经验公式计算其渗透系数：

式中　k——渗透系数，m/d；

C——常数，砂类土为700～1000，本次计算取值800；

d10——颗粒的有效粒径，mm；

t——水温，℃，本次计算取值15℃。

将各土样颗分试验数据代入式（1），计算出各土层的渗透系数，结合相关工程经验综合分析，建议各主要土层的渗透系数综合取值如下：

（1）采样区粉土③层的渗透系数取值为0.2m/d。粉质黏土③1层的渗透系数取值为2.26×10-3m/d，粉细砂③3层的渗透系数取值为5.80m/d；

（2）采样区粉细砂④3层的渗透系数取值为6.0m/d，中粗砂④4层的渗透系数取值为30.0m/d

（3）采样区中粗砂⑤1层的渗透系数取值为35m/d；

（4）采样区细中砂⑥3层的渗透系数取值为20m/d。

2.4　土壤样品采集、实验室检测及分析

根据现场钻探结果，推测场地污染的来源、状况、分布及其污染物的迁移途径，综合考虑以上因素进行布点位置和采样深度。

2.4.1　土壤采样点平面布点方案

第一次现场采样采用判断布点的原则。根据场地污染的来源、状况、分布及其污染物的迁移途径来制定。结合污染源及污染物进入环境的方式、污染物的性质和在环境中的行为、场地的地质及水文地质特征、地面扰动情况、场地污染迹象场地的功能分区等确定的污染地块为重点。

第二次采样布点拟选择潜在污染区域进行土壤和地下水布点采样，对污染区域、污染深度、污染物种类进行确认。另外，地下水监测井的设置能准确测定浅层地下水的水位（图6）。

2.4.2　土壤采样点纵向布点方案

本次采样按取得的5个土壤样品原则。见素填土0.5m取第一个土壤样品；见天然土0.5m取第二个土壤样品；弱透水层上取第三个土壤样品；弱透水层取第四个土壤样品；强透水层（含水层）取第五个土壤样。

我院在满足上述原则的基础上，所有施工的钻孔均按照每0.5m取一个土壤样品，取得的样品进行PID扫描，之后选取其中PID数值较大的样品并结合下列原则进行选样。

2.4.3　现场取样及实验室检测

本次现场取的土样用PID仪器对每块土进行挥发有机物检测，故取土间距较小，为0.5m，变层时还需加取。因取土间距较小且每块土均需进行现场检测，故钻进进度较慢。20m孔一般为1.5～2d完成。

取样点布设：土壤取样井35个；地下水监测井11个。

样品数量：已取地下水样品11个、土壤样品255个。

本次实验土壤检测项目：重金属、SVOC、VOC、TPH、PAH、TOC共获得约3万个检测数据。

3　研究成果及结论

根据现场钻探结果以及室内物理性质试验，查明了采样区的地层分布及土的物理性质，提供各主要土层的常规物理性质参数和渗透系数、有机质含量等，主要成果及结论如下。

3.1　污染土及污染的地下水结果

化工站、双合村站和焦化厂车辆段污染土及污染的地下水结果如下：

（1）化工站位于原化工二厂，化工站污染范围如图7所示，原化工二厂主要生产次氯酸钠、盐酸、氯酸钠、片碱、氯粉、氯片、漂白粉、硅油、过氧化氢等化工产品。

根据勘探和试验结果，化工站西半部22m深度范围的内土、水均受到不同程度污染。场地22m深度范围内地下水中Cl-、含量和总矿化度值均偏高（表2），其中11m左右的地下水（潜水）在干湿交替条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋可达强腐蚀性。现场勘察时受污染的地下水、土均有强烈的刺激性气味。

土、水中的污染物主要为二氯乙烯、二氯乙烷、三氯乙烯、三氯乙烷、二氯丙烷、四氯乙烯、氯仿、氯苯、二氯苯、萘类挥发性有机物“多环芳烃”邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二正丁酯、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯等。

（2）双合村站西部为原玻璃二厂、东部为染料厂，污染范围如图8所示。位于玻璃二厂范围内的土层及地下水中的Cl-、含量未见明显异常，但染料厂范围内地下水（潜水、承压水）中的Cl-、含量明显偏高，在干湿交替条件下对钢筋混凝土中的钢筋的腐蚀性为强和中（表3），污染深度较大，超过44.0m。勘察时受污染土、水均有浓烈异味。

主要污染物为重金属污染（汞、镉、铬、镍、铜、锌、砷、铅8种重金属）、SVOC污染、排污管网污染。土层及地下水中的四氯化碳、四氯乙烯、五氯乙烷、六氯丁二烯、六氯乙烷和六氯苯等6种VOC/SVOC在场地土层中的浓度超过我国现有土壤环境标准，部分点位通过口腔摄入、皮肤接触和呼吸吸入污染物3种暴露途径所导致的致癌风险达到10-2，危害程度超过1，这些污染物已对人体和周边环境形成了较高的健康风险。

（3）焦化厂车辆段东北侧发现污染土，污染范围如图9所示，主要污染物为多环芳烃、苯系物和重金属，污染深度在地面以下0.8～9.0m之间。勘察时该深度范围内土层气味异常，土中的Cl-含量为293.1～1550.1mg/kg，对钢筋混凝土结构中的钢筋为中等腐蚀性。潜水及承压水中的Cl-含量为96.5～257.1mg/L，对混凝土结构的腐蚀性均为弱、对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替条件下均为弱腐蚀性，见表4。

（4）其他线段污染情况

①化工站两侧区间（百化区间、化南区间）位于化工二厂影响范围内的线段通过勘察手段虽未发现明显的污染，但均位于化工二厂的影响范围内，故该范围内有可能存在勘察手段难以发现的污染。

②双合村站～焦化厂站区间及焦化厂站、焦化厂车辆段目前尚未进行详细勘探，但根据染料厂及焦化厂厂房的分布情况推测：上述线段应存在污染，且污染情况比较严重。

③本段线路除分布有化工二厂、玻璃二厂、染料厂、焦化厂这类大中型化工厂之外，还分布有各类小型化工单位，如化工二厂东墙外的朝阳区四通化工厂、华兴化工厂及垡头站—双合村站区间分布的兆丰陶瓷厂等，这些小型化工厂的生产、工业废料的排放均可能对地下土层和地下水造成污染。

3.2　室内渗透试验成果

针对本次勘察区域深度（26.0m）范围内取得的原状土样进行了室内渗透试验，根据室内渗透试验结果、颗分试验以及渗透系数计算结果，结合相关工程经验综合分析，建议各主要土层的渗透系数综合取值如下：

（1）采样区粉土层的渗透系数取值为0.2m/d。粉质黏土层的渗透系数取值为2.26×10-3m/d；该黏土、粉土层的综合渗透性相对较差，为相对弱透水层。

（2）采样区粉细砂层的渗透系数取值为6.0m/d，中粗砂层的渗透系数取值为30.0m/d，细中砂层的渗透系数取值为20m/d。该砂层的渗透性和富水性相对较强，为相对含水层。

3.3　污染土风险评价

根据勘察成果资料，本次论文对地铁7号线土壤及地下水污染进行风险评价，考虑到修复周期与经费需求，建议采用异位修复和原位工程措施进行场地健康风险控制。

（1）根据土壤与地下水样品检测结果，不同车站和区间污染情况（污染介质、污染物）见表5。

（2）结合施工，将风险评价分两种情况：

①地铁施工开挖区风险评价：土壤及地下水污染物分布位置见表5，主要污染物：土壤中为砷、汞、TPH、多环芳烃、氯乙烯、1，2-二氯乙烷、氯仿。

②非开挖条件风险评价：对于地铁区间范围内的土壤和地下水，由于地铁建成后沿线周边场地中的污染物对未来使用人群造成的健康风险可忽略不计，因此不需要进行修复或污染控制。

对于地铁站台周边的土壤和地下水，根据场地健康风险分析，仅化工站（站台区）土壤污染物分布于WR17、WR20、WR21三个采样点，地下水污染物分布于WR17采样点。

风险评价：化工站（站台区）非开挖条件下，土壤中关注污染物为1，2-二氯乙烷和氯仿；地下水中关注污染物分别为1，2-二氯乙烷和氯乙烯，存在健康风险。

4　防治措施及建议

（1）能挖的全部挖走。地铁施工的过程中，有污染的土壤单独挖掘、单独运输、在指定设施处理后填埋或者再次利用。建立地铁隧道的防止污染气体/污染地下水扩散的隔离措施与设施；设立未挖走的有污染土壤长期治理设施；建立有污染的地下水长期治理设施；在有污染的区段设置土壤气体与地下水长期监测设施；建立与工程施工相结合的通风换气设施；配置与工程施工相结合的人员防护设备。

（2）污染物对人体和周边环境形成了较高的健康风险，污染土壤、水对人体有强烈的刺激作用，会引起头疼、恶心、皮肤过敏等不良反应。为确保地铁施工安全及运营安全，在地铁施工及运营前，建议进行污染物专项调查，并根据调查结果对污染土、水进行修复与综合治理，达到环保标准，使风险降低到人体健康可接受水平。

（3）本次场地环境调查与风险评价，仅针对调查范围内的地铁运营期间相关人群，如需明确场地中的污染物对其他用地情景下人群的健康影响，应进行补充风险评价。

参考文献

[1]　中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50307—2012城市轨道交通岩土工程勘察规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[2]　中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50021—2001岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3]　北京城建勘测设计研究院有限责任公司.北京地铁7号线02合同段污染土勘察[R].2010.

[4]　中华人民共和国卫生部.GB 5749—2006生活饮用水卫生标准[S].北京：中国标准出版社，2007.

[5]　北京市质量技术监督局.DB 11/T811—2011场地土壤环境风险评价筛选值[S].北京：北京市环境保护局2011.