北京轨道交通工程地质灾害危险性预测评估——以昌平线（S2线）为例

北京轨道交通工程地质灾害危险性预测评估——以昌平线（S2线）为例 北京轨道交通工程地质灾害危险性预测评 估——以昌平线(S2线)为例 第19卷第9期 2009年9月 中国 China 安全 Safety 科学 Science Journal Vo1.19No.9 Sep.2009 北京轨道交通工程地质灾害危险性预测评估 以昌平线(S2线)为例 朱志刚,高级工程师刘衡秋高级工程师陈国华工程师 [1中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京100083 2北京市勘察设计研究院有限公司,北京100038] 学科分类与代码:620.5020中图分类号:X915.5文献标识码:A 资助项目:"十一五"国家科技支撑项目(20o6BAJo6Bo2). 【摘要】基于区域地质,地震地质及地质灾害方面的资料,并结合详细的野外调查,采 用定性,半定量的评估方法,对北京轨道交通昌平线(s2线)工程建设用地地质灾害危险性 进行预测;35程项目可能引发或加剧及可能遭受的地质灾害类型主要有地面沉降,砂土液 化,活动断裂,基坑边坡失稳,底板突水和桥梁地基失稳等,针对评估结果提出地质 灾害防 治对策,以期为该项目防灾减灾,应急救援及类似工程地质灾害危险性评估提供参 考. 【关键词】轨道交通;地质灾害;危险性;预测评估;防治对策 PredictiveEvaluationofGeologicalHazardsof BeijingElectricTransportEngineering: ACaseStudyofChangpingLine(S2Line) ZHUZhi.gang1,2, Seni.rEngineerLIUHeng-qiu,Seni.rEngineerCHENGuo-hua2 , Engineer (1Schoo1ofEarthSciences&Resources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China 2BGIEngineeringConsultantsLTD.,Beijing100038,China) Abstract:Basedonregionalgeology,earthquakegeologyandgeologicalhazardsinformation, c0mbinedwithdetailedfieldinvestigation,therisksofgeologicalhazardsofChangpingelectric transportline(S2line)areevaluatedbyqualitative,semi—quantitativemethods,itshowsthat therewouldbesixsortsofgeologicalhazardscausedorintensifiedorsufferedintheprocessof theconstructionproject,including,groundsubsidence,soilliquefaction,activefaults,founda— tions10Deinstability,waterinrushandbridgesfoundationinstability.Accordingtotheresultsof theeva1uation,pI.eventionandcontrolcountermeasuresagainstgeologicalhazardsareputforthSO ast0providereferencesforgeologicalhazardspreventionandmitigation,emergencyrescueand similarengineeringgeologicalhazardsevaluation. Keywords:electrictransport;geologicalhazards;risk;predictiveevaluation; preventionandcontrolcountermeasures 文章编号:1003—3033(2009)09—0109—06;收稿日期:2009,04—24;修稿日 期:2009—08—31 ? 1l0? 中国安全科学 ChinaSafetyScienceJournal 第19卷 2009矩 0引言 北京地铁为服务于中国北京及其周边地区的城 市轨道交通系统,它始建于1965年7月1日, 1969年l0月1日第一条地铁线路建成通车,使北京 成为中国第一个拥有地铁的城市.随着城市建设的 快速发展,人口增多,城市地面交通压力日益增大, 北京轨道交通建设也紧锣密鼓地进行.在2008年 之前,北京市陆续建成了地铁5号线,10号线一期 和机场线,新增80km线路;国家扩大内需政策出 台,促使轨道建设投入继续加大,北京轨道交通迎来 了前所未有的发展机遇,2015年之前将再建4号 线,6号线一期,7号线,8号线二期,9号线,l0号线 二期,14号线,l5号线一期,亦庄线,大兴线,6号线 二期,l5号线二期,京门线(S1线),昌平线 (s2线),房山线等l5条线路,累计运营里程 达561km. 北京是地质灾害较严重的城市之一,具有灾种 多,活动频繁,群发性强的特征….在平原区,轨道 交通工程面临的地质灾害类型有:地面沉降,活动断 裂,砂土液化,地裂缝,基坑边坡失稳,底板突水和地 基失稳等,其中突发性灾害以基坑边坡失稳为主. 近年来包括4号线,5号线,10号线及机场线的建设 过程中就曾多次发生坍塌事件.例如: 2005年11月30日,位于朝阳区熊猫环岛的地 铁10号线22标段发生坍塌事故,至少400m范围 的基坑塌陷1O余米; 2006年1月3日,东三环路京广桥东南角辅路 污水管线发生漏水事故,污水灌人地铁l0号线施工 区间段,导致三环路南向北方向部分主辅路塌陷; 2006年6月27日,海淀南路正在施工的地铁 1O号线3标段发生坍塌,两名正在作业的工人被掩 埋.这在留给人们惨痛教训的同时,也为人们鸣响 了城市地下工程安全建设的警钟. 城市轨道交通工程建设是一项复杂的高风险性 系统工程,由于线路长,大规模施工会诱发地质灾害 的发生,同时工程建设亦受地质灾害的制约,一旦工 程受损,其经济损失和社会影响将非常巨大,因此为 保障轨道交通工程的顺利实施和安全运营,对地质 灾害的危险性进行预测至关重要. 笔者以昌平线(s2线)为例,按照《北京市建设 用地地质灾害危险性评估技术要求(暂行)》的规 定,预测该项目在建设中及建成后,可能引发或加剧 地质灾害的危险性,并针对不同灾种提出工程防治 对策,以期为防灾减灾,应急救援及类似工程地质灾 害危险性评估提供参考. 1工程概况与地质环境条件 1.1工程概况 昌平线是北京市城市轨道交通网的重要组成部 分,可与其他轨道线形成换乘关系,服务于昌平新城 各组团及与中心城的快速联系,兼顾交通疏解和发 展引导的功能,对发挥北京市近期地铁路网效率起 到极大的推动作用.该线路北起十三陵景区,南至 城铁13号线西二旗站,全长31.2km(见图1).沿 线共设11个车站(5座地下站,5座高架站和1座地 面站),拟采用地面敷设,高架和明挖等施工方式. 图1北京轨道交通昌平线平面示意图 该工程为大型的城市基础设施项目,属于重要 建设项目,沿线的地质环境复杂程度为复杂,评估等 级为一级.根据该工程具体情况,评估范围扩大至 32.0km,断裂调查延伸到建设用地外围5km范 围,以满足地质灾害危险性评估的要求. 1.2地质环境条件 评估线路涉及山前洪冲积平原,古河道及阶地, 冲洪积平原,河间台地等多个微地貌单元,跨越数条 公路,铁路及河流,沿线地形随地貌变化存在一定的 起伏,总体地势北高南低. 第9期朱志刚等:北京轨道交通工程地质灾害危险性预测评估——以昌平线(s2线) 为例?111? 项目沿线地面下60.0in深度范围内分布有人 工堆积层,新近沉积层,第四纪沉积层和白垩系火山 碎屑岩等地层;跨越多个水文地质单元,主要赋存 1,4层地下水,且埋深相差较大.城南站以北区域 1960年以来最高地下水位在自然地面下1.50, 4.50m左右,城南站,西二旗站沿线自1955年以来 最高地下水位接近自然地面,近4年最高地下水位 标高为44.50,36.8OmE. 研究区位于张家口一北京一烟台构造带的西 段,其基底构造则由北东向与北西向断裂构造组成 的断块构造,该项目附近分布有南口一孙河断裂和 清河隐伏断裂(见图2).根据《中国地震动参数区 划图》,评估线路除北部局部位于地震动峰值加速 度0.20g和0.15g交界处外,其余大部分位于地震 动峰值加速度0.20g区. 图2区域地质构造图 1.3现状地质灾害及潜在灾害类型 综合在区域地质资料,地质灾害发育史和现场 地面测绘,评估区内不具备崩塌,滑坡,泥石流,地面 塌陷与地裂缝等灾害发生的地质环境条件,现状地 质灾害类型包括地面沉降,砂土液化和活动断裂等, 工程在建设中及建设后还可能存在基坑边坡失稳, 底板突水和桥梁地基失稳等灾害隐患(见图3). 厂_一现状地质灾害一1…一潜在地质灾害一] L————————————————————L——————————一 图3评估区内现状,潜在地质灾害类型 2地质灾害危险性预测 2.1工程建设引发,加剧地质灾害危险性预测 首先,根据现状地质灾害产生的机理和发生条 件,并结合北京市采取的抑制地质灾害发生的一系 列措施(如从2008年3月1日起限制工程施工降水 等),拟建轨道交通工程不会引发,加剧现状地质灾 害,即预测工程建设引发,加剧砂土液化,地面沉降 和活动断裂等地质灾害的危险性小. 其次,昌平线部分车站和路段置于地下,采用明 挖的方式进行施工,从而会在建设场地内形成较多 的基坑及基坑边坡.评估线路跨越多个地貌单元, 沿线岩土体类型多变,基坑开挖深度范围内以粘性 土,砂土和卵石层为主.在这种情况下,分两种情况 来预测基坑边坡的危险性: 1)最小允许自立高度,按粘性土侧壁公式进 行验算: =tan(45.+詈) 式中,——允许自立高度,in; C——侧壁土体黏聚力,kPa; y——侧壁土体天然重度,kN/m; —— 侧壁土体内摩擦角,.. 计算时取侧壁黏性土黏聚力c为20kPa,内摩 擦角为l6.,天然重度为l9.5kN/m,则计算的最 小允许自立高度为2.7ITI.在土体侧壁允许自立 高度范围内进行开挖或分级开挖,其失稳的可能性 小,但由于该工程基坑开挖深度一般大于坑壁最小 允许自立高度,若坑壁不采取支护措施或支护不当, 则易引起基坑变形,甚至垮塌,因此,预测其发生的 可能性中等,危险性中等. 2)当场地地层条件,水文地质条件及周边环境 条件许可时,基坑施工可采用放坡开挖或分级放坡 开挖(针对基坑深度超过5nl的情况)的方法,符合 相关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 规定的土质边坡坡率允许值时,此边坡可 视为"自稳边坡",其失稳的可能性小,危险性小. 综合分析认为,工程建设引发,加剧基坑边坡失 稳的危险性中等. 2.2工程建设可能遭受地质灾害危险性预测 2.2.1地面沉降的影响 地面沉降问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是指在自然和人为作用下引起的 地表垂直下降现象,人为因素主要是过量开采地下 ? l12? 中国安全科学 ChinaSafetyScienceJournal 第l9卷 2009年 水J.评估区及周边区域为市郊区村镇所在地,居 民生活和农业用水主要依靠自备井,在20世纪 50年代区域开始出现地面沉降,并逐步形成昌平区 沙河至八仙庄地面沉降中心.拟建项目从该沉降区 通过,根据北京市平原区2007年累计地面沉降量资 料,该地区最大沉降量达到800mm左右,且地面沉 降发展趋势由史各庄向南,北两个方向逐渐减弱. 随着该项目的建设及沿线区域整体规划,经济 的增长和人口不断增加,沉降区地下水的开采量将 进一步加大,加之近几年降水量偏少,区域水位仍将 逐年下降;根据砂,卵石层的压密变形特征和粘性土 的固结沉降特性,预测评估线路建设用地未来5年 地面累计最大沉降量为900mm左右,大体上以王 庄为界,分为南北两个区段,其中王庄北延段危险性 小,王庄南延段危险性中等. 2.2.2砂土液化 按《地下铁道,轻轨交通岩土工程勘察规范》 和《铁路工程抗震 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 》的有关规定,采用标 准贯入试验判别法对评估区内地下20m以内的砂 土和粉土进行液化判别. 相关计算公式如下: Nc,=NoaJn2n34 01=1—0.065(d一2) 02=0.52+0.175d一0.005d 口3=1—0.05(d一2) 口=1—0.17 式中,——液化临界标准贯人锤击数; ?0——液化临界标准贯人锤击数,本场地地 震动峰值加速度按0.20g考虑,特征 周期分区为一区,No=10; a,——地下水埋深d(m)修正系数,当地面常 年有水且与地下水有水力联系时,d 为零; —— 饱和土标准贯人点深度,m; d——地下水位深度,m; d——上覆非液化土层厚度,m; 口——标准贯人试验点的深度d(m)修 正系数; 口s——上覆非液化土层厚度d(m)修正系数, 对于深基础取值为1; 17,4——黏粒含量百分比修正系数P修正系 数,也可按表1取值. 表1pc修正系数a4值 粉土土性砂土 塑性指数le?7塑性指数7<le?10 04值1.00.60.45 液化土的抗液化指数F=N/Nc,. 当地震烈度达到?度且地下水位按埋深0.O0111 的不利条件考虑时,评估线路高教园站以南砂土和 粉土层存在液化问题,液化指数为0.86,1.64,液 化等级为轻微.因此,预测拟建项目遭受砂土液化 危险性级别为危险性"小". 2.2.3活动断裂的影响 南口一孙河断裂对线路影响较大. 该断裂由一系列不同级序的北西向断层右阶斜 列组成,是一条以正断为主要表现的左旋正走滑活 动断裂,其垂直差异性活动具有明显的分段特征,拟 建工程在在大洼村附近穿越了呈北西走向的南口一 孙河断裂西段. 该段断裂倾向南西,第四纪期问上盘强烈持续 下降,形成一个长轴北西西向,沉降中心靠近南口一 孙河断裂的单断型盆地(沙河第四纪凹陷),地势低 平,河沼发育,沉积厚度可达600m以上;下盘则相 对抬升,中上元古界残丘出露,第四系极薄,仅有 30,100m厚,两侧落差约500m. 在百泉庄村西,浅层地震,地质雷达,钻孔和探 槽一致地发现了近地表断裂的存在.断层高角度南 倾,上断点埋深约3m,揭露断距0.6m,0.8m,被断 地层顶部14C年龄为距今1.21万年,未断地层底部 14C年龄为距今1.17万年,表明该处断裂晚更新世 末,全新世初发生过一次断错地表的活动,从而判断 该断裂西段属于全新世活动断裂]. 参照《建筑工程抗震设防分类标准》的规定】, 拟建轨道交通项目抗震设防类别为重点设防类(乙 类),同时根据《建筑抗震设计规范》的规定?引,综 合分析认为南口一孙河断裂错动对拟建项目影响很 大,在其断裂带两侧300m范围内属于危险性大的 区域,即南口一孙河断裂对拟建项目建设用地的危 险性级别为危险性"大". 2.2.4底板突水 当基坑或隧道底板下有承压水存在,开挖或掘 进土体减小了含水层上覆不透水层的厚度,在厚度 减少到一定程度时,承压水的水头压力可能顶裂或 冲毁底板,造成突水现象.评估线路建设用地中存 在多层承压水,其中第一层承压水含水层埋深约 第9期朱志刚等:北京轨道交通工程地质灾害危险性预测评估——以昌平线(s2线) 为例?113? 17m,水头高度一般2,3m,在底板突水的临界状 况下,要求底板不透水层的厚度日不超过1.5m, 而该工程地下线最大埋深不超过l5m,底部不透水 层厚度大于因此,工程建设可能遭受底板突水 的危险性小. 2.2.5桥梁地基失稳 高架路段桥梁基础拟采用桩基,当桩穿过软弱 土层,松散的厚层填土,将可能遭受填土侧压力和负 摩擦力的影响,从导致桥梁桩基失稳.评估线路沿 线建设用地分布1,3m厚的填土,厚度不大,在桩 端承载力满足条件的情况下,填土产生侧压力和负 摩擦力的影响不大,对桩基或桥墩的危害性很小. 评估线路跨越多条河流,洪水时桥梁基础可能 会遭受水流冲刷,但一般情况下桥墩基础施工时都 会进行防护,加之河流地势平坦,水流冲击力有限, 对桩基或桥墩的危害性很小. 综合分析该项目桥梁地基失稳的各种影响因 素,预测工程建设可能遭受桥梁地基失稳的可能性 小,危险性小. 3地质灾害防治措施 地质灾害防治应贯彻"以防为主,防治结合"的 原则,在设计和施工过程中建立和健全地质灾害防 治和应急救援体系,加强管理和控制,以人为本,安 全第一,才是预防轨道交通遭受地质灾害的重要保 证?.针对已有地质灾害和潜在的地质灾害类 型,危害性等级,建议施工过程中采取一系列工程防 治措施及对策(见表2). 表2研究区地质灾害防治措施 地质灾害类型危险陛等级防治措施及对策 地面沉降中等预先x寸可能发生的地沉降量作充分考虑,在建(构)筑物设计时优先采用对地而 现状沉降不敏感的基础和上部结构形式. 地质砂土液化小采取部分消除液化沉陷的措施,如加密法加删,用非液化土替换液化土层等,或对 灾害基础和上部结构进行处理,从而消除地震液化对程建没的影响. 建议与断裂交汇部位断裂带两侧300m的线路采用地面敷没的形式,采』『J尽量减少活动断裂大 地下站点的方式避开断裂带,同时采取与工程 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 相适应的安全,町靠的结构措施. 基坑开挖应作专项设计;选择合理的坡度放坡开挖,如放坡受限制应采用水泥土 墙,土钉墙,挡土桩,板(桩)墙等对挂坑进行支护;采用必要的止水和降水措施;坑基坑边坡失稳中等 开挖和地下构筑物施工期问,应自始至终做好坑边变形和沉降观测,并随时做好应急 潜在抢险准备工作. 地质地卜水位存在季节性变化,施工期间遇地下水t:-~t'时,应在荩坑位置的外先设置 灾害底板突水小抽水孔,采用人工方法局部降低承压水水位,直到把承压水水位降低剑基坑底以下某 一 许可值,方可动工开挖基坑. 对桩基所在部位地层进行详细勘察,提供可靠的桩端持力层;位于河流岸边或其中 桥梁地基失稳小 的桥墩,在施工时应清除基础处的淤泥,同时采用石笼对桥梁基础进行防护. 4结论 1)轨道交通工程建设是一项高风险性的系统 工程,建设过程中带有很大的不确定性,大规模工程 施工及运营期间会面临着各种地质灾害的潜在威 胁,一旦出现地质灾害事故,其经济损失和社会影响 将十分巨大,因此在项目实施之前进行地质灾害危 险I生评估对保障轨道交通工程安全是至关重要的. 2)近年来北京新建轨道交通工程,包括4号 线,5号线,l0号线及机场线的建设过程中,就曾多 次发生基坑边坡坍塌事故,施工引发的突发灾害应 是轨道交通工程地质灾害危险性评估的重点. 3)针对地质灾害的危险程度提出相应防治对 策,在施工过程中重视施工环境的调查评估,积极应 对异常情况,加强管理,提高施工水平,是北京轨道 交通工程建设过程中规避地质灾害的根本. 4)建设用地地质灾害危险性评估是一项关键 技术环节研究性强的新型技术工作.鉴于北京地区 地质条件复杂,加强轨道交通工程地质灾害危险性 评估及技术创新,既能有效提高轨道交通的综合防 灾应急能力,又能使轨道交通成为安全,可靠的"绿 色交通列车". ? 114? 中国 China 安全 Safety Joumal 第19卷 2009年 [1] [2] I-3] 参考文献 韩华,程学权.北京山区公路地质灾害应急与防治对策[J].中国安全科 24 学,2007,17(3):21— 北京市国土资源和房屋管理局.北京市建设用地地质灾害危险性评估技术要求(暂行)[z],2001 北京市勘察设计研究院有限公司.北京昌轨道交通平线(s2线)工程可行性研究阶段岩土工程勘察 报告ER-I,2008 中华人民共和国国家标准.中国地震动参数区划图Is].GB18306--2001,2001 工程地质手册编委会.工程地质手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007 杨振茂.郑州市地下空间开发利用的岩土工程安全问题[J].中国安全科学,2006,16(2):12—16 中华人民共和国国家标准.地下铁道,轻轨交通岩土工程勘察规范Is].GB50307--1999,1999 中华人民共和国行业标准.铁路工程地质勘察规范[s].TB10012--2001,2001 中华人民共和国国家标准.建筑工程抗震设防分类标准[s].GB50223--2008,2008 中国人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范[s].GB50011—2001,2001 任松,姜德义,蒋再文等.三峡库区地质灾害监测技术及展望EJ].中国安全科学,2006,16(1):140一l44 李冰,白明渊,许兆义.宜万铁路野三关隧道施工期岩溶灾害危险性分析与安全对策研究[J].中国安全科学 ,2006,16(9):4—9 欢迎订阅2010年《中国安全生产科学技术》 (中文核心期刊中国科技核?L,31期刊美国cA检索收录) 国家安全生产监督管理总局主管中国安全生产科学研究院主办 《中国安全生产科学技术》是-D】载安全生产科学技术与管理成果的国家级权威综合性学术期 刊.入选中文核心期刊,中国科技核心期刊,并被国际三大着名检索机构之一的美国化学文摘数据 库收录.在国内外具有广泛影响力,是安全科技领域的一流品牌期刊. 杂志编委会由中国工程院院士(9名)和正高级职称专家,学者,学科带头人及各个行业安全生 产领域有较大影响的 安全管理 企业安全管理考核细则加油站安全管理机构环境和安全管理程序安全管理考核细则外来器械及植入物管理 专家组成.主要栏目包括学术论着,现代安全技术与管理,信息与动 态等. 本刊是各行业一流现代化企业的展示窗口,为企业管理者提供先进管理经验借鉴是我们的办 刊目标.通过杂志,为您搭建与其他优秀企业交流的平台,并为您提供国内外最前沿的安全管理理 念和方法,最先进的安全技术,帮助您及时了解最权威的国家政策信息,最新颁布的安全法规和 标准. 本刊为双月-y1,大l6开,208页,全年6期,共计138元.现有2005--2008年精装合订本,每套 150元.如有需要,请及时与编辑部联系,免收邮寄费. 编辑,发行电话,传真:010—6494125864914634网址:www.chinasafety.ac.cn 电子信箱:oshms@chinasafety.as.cnisst@chinasafety.as.cn 订阅方式:?编辑部常年办理订阅手续;?全国各地邮局均能订阅,邮发代号:82—379 [邮局汇款]北京市朝阳区惠新西街17号1210室(100029)《中国安全生产科学技术》编辑部 [银行汇款]开户银行:中国工商银行北京惠新支行 户名:中国安全生产科学研究院 帐号:0200006309021900155 ]]]阳刀阳叼m?.