李華東　姜永玲

(1.中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京　100098；　2.北京京盛工程勘察中心,北京　102206)

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北京地鐵六號(hào)線西延砂卵石地層綜合勘探方法

李華東1姜永玲2

(1.中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100098；2.北京京盛工程勘察中心,北京102206)

摘要：以北京地鐵六號(hào)線工程為例，采用鉆進(jìn)工藝、人工開(kāi)挖探井、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)等多種方法，查明了該工程砂卵石地層的分布特征、承載特性等參數(shù)，為地鐵工程的設(shè)計(jì)及施工提供了詳細(xì)的巖土工程資料，同時(shí)也為砂卵石地層的勘察提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：砂卵石地層，鉆探，地表水，原位測(cè)試

0引言

北京地鐵六號(hào)線西延工程西起地鐵一號(hào)線終點(diǎn)蘋(píng)果園站，東至六號(hào)線一期起點(diǎn)五路居站，全長(zhǎng)8.93 km，共設(shè)有車站5座，沿線地層主要為砂卵石層。

北京地處華北平原西北部，地勢(shì)總體特征是西北高、東南低，西北為山地，東南為平原，平原區(qū)主要由永定河及潮白河的沖洪積物堆積形成，砂卵石地層廣泛分布。均勻分布、密實(shí)的砂卵石地層承載力較高、壓縮性低，是良好的天然地基，采用砂卵石層作為天然地基持力層，能大大節(jié)省工程投資。但作為地質(zhì)勘探的對(duì)象，砂卵石層的勘探難度要遠(yuǎn)大于一般第四紀(jì)沉積的砂土、粉土及粘性土層，特別是在軌道交通建設(shè)過(guò)程中，工程施工人員更為關(guān)心的是砂卵石地層的施工特性，如砂卵石地層中卵石的含量、粒徑、強(qiáng)度等特征，以及地下水的分布特征，為選擇合適的施工方法提供依據(jù)。

1研究現(xiàn)狀

李新華、張宏偉等人采用鉆探取芯、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探N120試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、鉆孔PS測(cè)試、淺層平板載荷試驗(yàn)、電法工程物探測(cè)試等多種手段評(píng)價(jià)了卵石地層的承載力、波速特性、地層分界及厚度變化等工程性質(zhì)，勘探手段完備；代國(guó)忠、徐志在大直徑鉆孔灌注樁中采用筒鉆法、潛孔錘、巖心聚能爆破以及筒鉆回轉(zhuǎn)切石等多種施工工藝，積累了在大漂石和卵石地層鉆進(jìn)成孔的工程經(jīng)驗(yàn)；孫宇、王建設(shè)等以北京阜石路高架橋人工挖孔樁施工為例，深入分析了砂卵石地層人工挖孔施工特點(diǎn)，并提出了成孔施工關(guān)鍵技術(shù)措施和施工安全技術(shù)措施。

以往的研究大多從地基基礎(chǔ)的角度研究卵石地層的承載特性，對(duì)卵石地層的施工特性(特別是對(duì)軌道交通工程施工的影響)研究的不夠深入。軌道交通工程勘察中，不僅要求查明砂卵石地層作為地基持力層的承載特性，而且還需要查明卵石的粒徑、強(qiáng)度等施工特性，并且還需查明砂卵石地層的滲透性、熱物理指標(biāo)及場(chǎng)地內(nèi)地表、地下水與擬建地鐵隧道的水力聯(lián)系等。因此，有必要對(duì)六號(hào)線西延工程沿線的砂卵石地層進(jìn)行詳細(xì)研究，為六號(hào)線西延工程的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)，同時(shí)為類似地層中的工程勘探及施工提供參考。

2砂卵石地層綜合勘探方法

為了準(zhǔn)確的查明砂卵石地層的工程地質(zhì)性質(zhì)，為地鐵施工方案提供合理的巖土工程參數(shù)，本工程勘察過(guò)程中，采用了鉆探、人工開(kāi)挖探井、工程地質(zhì)物探等多種方法，并結(jié)合原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)，綜合確定了地鐵施工所需的各物理力學(xué)指標(biāo)。

2.1選擇合適的鉆具

根據(jù)前期調(diào)查，擬建線路沿線卵石地層母巖成分主要為石英砂巖、輝綠巖、安山巖及白云巖等硬質(zhì)巖石，卵石強(qiáng)度高，鉆進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到大直徑的卵石甚至漂石，鉆頭磨損較快，鉆進(jìn)效率低，如不及時(shí)更換合適的鉆具，不僅會(huì)損壞鉆頭，甚至有可能發(fā)生鉆桿劈裂及折斷；同時(shí)，由于砂卵石地層孔壁自穩(wěn)能力差，孔壁地層易坍塌，埋鉆、卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大，發(fā)生埋鉆、卡鉆后，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，而且使鉆進(jìn)達(dá)不到設(shè)計(jì)深度，不滿足規(guī)范要求，造成廢孔，因此，有必要在鉆進(jìn)過(guò)程中，遇到不同塊徑的卵石時(shí)，更換合適的鉆頭，同時(shí)應(yīng)采取必要的措施，加強(qiáng)孔壁的支護(hù)，防止孔壁坍塌。

2.1.1鉆頭

為了滿足鉆進(jìn)效率，同時(shí)又減小鉆具的磨損，配備了3種材質(zhì)的鉆頭：復(fù)合片、金剛石和牙輪鉆頭。

牙輪鉆頭適宜于鉆進(jìn)散體的碎塊石，在砂卵石地層中鉆進(jìn)時(shí)，靠鉆頭將碎塊石磨成巖屑，依靠泥漿的反循環(huán)作用，將孔底的碎屑帶到地面，鉆進(jìn)效率較高，但不利于鑒別卵石粒徑、成分及卵石含量等特征(見(jiàn)圖1)。

復(fù)合片鉆頭在砂卵石地層中鉆進(jìn)時(shí)，采用干鉆，能將孔內(nèi)粒徑小于鉆頭口徑的砂卵石帶至地面，便于鑒別砂卵石的成分、粒徑及卵石含量，但鉆頭磨損快，鉆進(jìn)效率較牙輪鉆頭低(見(jiàn)圖2)。

金剛石鉆頭在砂卵石地層中鉆進(jìn)時(shí)，與復(fù)合片鉆頭工作原理類似，但金剛石鉆頭剛度大，遇到大塊徑的卵石甚至漂石時(shí)，切削石塊的能力較強(qiáng)，鉆進(jìn)效率較牙輪鉆頭和復(fù)合片鉆頭高(見(jiàn)圖3)。

根據(jù)這些鉆頭的不同工作特性，可在鉆進(jìn)的不同階段，根據(jù)不同的鉆探目的，選用不同的鉆頭。

2.1.2護(hù)壁

砂卵石地層鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿帶動(dòng)鉆頭沖擊、磨碎、切削孔底的卵石，同時(shí)，鉆桿也會(huì)不停的擾動(dòng)孔壁的地層，導(dǎo)致孔壁的卵礫石墜落，有可能卡住鉆桿、埋住鉆頭。因此，在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)該采取護(hù)壁措施，防止孔壁坍塌。采用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝時(shí)，可采用合適稠度的泥漿護(hù)壁，一方面減小鉆桿與孔壁的摩擦，另一方面增強(qiáng)卵石之間的粘結(jié)力，穩(wěn)定孔壁。除泥漿護(hù)壁外，還可在鉆進(jìn)過(guò)程中下入套管，每鉆進(jìn)一段，往孔內(nèi)下入一段套管，保證孔壁穩(wěn)定。

2.2地表及地下水特征

六號(hào)線西延工程穿越永定河引水渠，準(zhǔn)確的查明擬建線路地下水分布情況及引水渠內(nèi)地表水與地下水之間的水力聯(lián)系，對(duì)地鐵線路的施工尤為重要。

2.2.1地表水

北京地區(qū)降水量不穩(wěn)定，季節(jié)性和年變化較大，年內(nèi)降水量分配不均，汛期(6月份～8月份)降水量一般占全年降水量的80%以上，冬季(12月～來(lái)年2月)降水量?jī)H占全年降水量的2%左右。2012年7月21日，北京遭遇特大暴雨，全市平均降雨量164 mm，為61年以來(lái)最大，造成9條地鐵線進(jìn)水，六號(hào)線一期甜水園站施工圍擋傾倒，大量積水涌入，造成路面約20 m2的塌陷。

六號(hào)線西延工程初勘過(guò)程中，正逢“7·21”暴雨，在暴雨之前，永定河引水渠內(nèi)無(wú)水流，處于干涸狀態(tài)(見(jiàn)圖4)，暴雨后，渠內(nèi)水流較大，兩岸河堤沖蝕強(qiáng)烈(見(jiàn)圖5，圖6)。裸露的人工挖孔樁見(jiàn)圖7。

根據(jù)調(diào)查得知，永定河引水渠僅在汛期和灌溉期間有水流通過(guò)，其他時(shí)間均為干涸狀態(tài)，因此，地鐵穿越水渠段施工避開(kāi)汛期及河流灌溉期即可。

2.2.2地下水

砂卵石地層中，采用反循環(huán)工藝鉆進(jìn)時(shí)，由于泥漿的影響，很難查清地層中的水位分布情況。采用SH-30鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，效率極低，且鉆進(jìn)深度有限。為了解決查水位的問(wèn)題，我們利用DPP-100型反循環(huán)鉆機(jī)成孔后，再用SH-30型鉆機(jī)在孔內(nèi)下入套管穩(wěn)定孔壁，并在套管內(nèi)下入PVC管，用清水洗孔，洗孔完畢并等水位穩(wěn)定后，再量測(cè)地層中的水位。

六號(hào)線西延工程2標(biāo)段勘察過(guò)程中，在田村路(1號(hào)測(cè)水孔)及廖公莊站(2號(hào)測(cè)水孔)各布置一個(gè)測(cè)水孔，測(cè)量勘察期間的水位，采取地下水進(jìn)行水質(zhì)分析，在孔內(nèi)進(jìn)行提水、灌水試驗(yàn)，確定砂卵石層的滲透性，并對(duì)孔內(nèi)水位實(shí)施長(zhǎng)期觀測(cè)。

2.3卵石粒徑及強(qiáng)度

在粘性土、粉土及砂土地層中，工程地質(zhì)鉆探、取土試樣及試驗(yàn)?zāi)軡M足勘察的要求，而在砂卵石地層中，由于鉆探孔徑小(一般為90 mm～150 mm)，對(duì)砂卵石的粒徑、強(qiáng)度認(rèn)識(shí)不足，而地鐵施工過(guò)程中，卵石的粒徑及強(qiáng)度對(duì)選擇施工機(jī)具及施工工法至關(guān)重要。因此，需要采用探井、探坑及周圍基坑調(diào)查等方式，詳細(xì)的查明卵石的粒徑及強(qiáng)度特征。卵石篩分見(jiàn)圖8，卵石點(diǎn)荷載試驗(yàn)見(jiàn)圖9。

六號(hào)線西延工程2標(biāo)段勘察過(guò)程中，在田村及五路居兩個(gè)車站附近各布置一個(gè)孔徑1 m、深30 m的探井，采用人工開(kāi)挖、環(huán)形護(hù)筒護(hù)壁，豎向每間距1.5 m取砂卵石樣，在室內(nèi)進(jìn)行篩分，量測(cè)卵石的粒徑，并稱出每粒徑組的卵石重量，繪制卵石的顆分曲線，見(jiàn)圖10。挑選不同粒徑的卵石，用點(diǎn)荷載儀進(jìn)行卵石的點(diǎn)荷載試驗(yàn)，獲取卵石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，為地鐵的施工提供指導(dǎo)，見(jiàn)表1。

2.4原位測(cè)試

地鐵勘察中，砂卵石地層的原位測(cè)試除常規(guī)的標(biāo)貫、動(dòng)探試驗(yàn)以外，還有波速、電阻率、電導(dǎo)率等熱物理指標(biāo)測(cè)試。

波速測(cè)試采用SWS-2型波速檢測(cè)儀，測(cè)量鉆孔的全孔波速值，進(jìn)而獲取各地層的動(dòng)參數(shù)，包括動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量和動(dòng)泊松比，提供場(chǎng)地的類別、抗震設(shè)防烈度、卓越周期、地震基本加速度、場(chǎng)地飽和粉土與砂土的液化可能性，為地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

電阻率測(cè)試采用GMD-6型電法儀，測(cè)量鉆孔各地層的電阻率及電導(dǎo)率，為地鐵的通風(fēng)散熱、配電設(shè)計(jì)等提供熱物理參數(shù)。

3結(jié)語(yǔ)

砂卵石地層強(qiáng)度較高，鉆進(jìn)困難且孔壁易坍塌，在勘察過(guò)程

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0066-03

收稿日期：2016-03-05

作者簡(jiǎn)介：李華東(1984- )，男，工程師；姜永玲(1984- )，女，工程師

中圖分類號(hào)：P624

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A