胡向陽,嚴(yán)耿升,楊 俊,趙 成

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065; 2.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心，西安 710065)

0 前 言

地鐵工程主要是由車站工程、區(qū)間工程、車輛場段及其他附屬工程組成并以地下工程為主的綜合性工程。工程具有線路工程、建筑工程、地下工程、市政工程的特點(diǎn)，其基礎(chǔ)類型和結(jié)構(gòu)形式多種多樣；施工方法有明挖法、暗挖法、盾構(gòu)法等。不同基礎(chǔ)類型和結(jié)構(gòu)形式，不同的施工工法，對巖土工程勘察評(píng)價(jià)提出不同的要求和側(cè)重點(diǎn)[1-2]。地鐵工程為帶狀或線狀，線路長，范圍大，跨越不同的地貌地質(zhì)單元、地質(zhì)構(gòu)造、地表水體等，工程往往需要穿越城市中心地帶，地下管網(wǎng)和周邊建筑密集，工程建設(shè)周邊環(huán)境較復(fù)雜，勘察施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，地鐵工程勘察工作實(shí)施難度大，勘察評(píng)價(jià)要求高,特別是在富水砂卵石地區(qū)，地鐵工程的勘察特點(diǎn)更為突出。

本文根據(jù)地鐵工程的特點(diǎn)和富水卵石地層的地質(zhì)特征[3-4]，系統(tǒng)分析總結(jié)了地鐵工程富水卵石地層勘察評(píng)價(jià)重點(diǎn)難點(diǎn)，研究地鐵富水卵石層這些工程問題所需的地質(zhì)資料和巖土參數(shù)[5]，提出適宜的勘察方法，形成勘察評(píng)價(jià)方法體系，為類似工程勘察評(píng)價(jià)提供適宜的思路和方法。

1 富水砂卵石層地質(zhì)特征

砂卵石層是在一定的水動(dòng)力作用下搬運(yùn)沉積的產(chǎn)物。因此，富水砂卵石地層一般分布在水動(dòng)力條件強(qiáng)和由強(qiáng)變?nèi)醯牡囟?。其主要特點(diǎn)有：

(1) 砂卵石地層多為第四系沖洪積及冰水沉積形成,距母巖源頭出山口有一定距離，往往分布于江河河床和兩岸漫灘、階地等場地,具有層厚較大、直接接觸、鄰近地表水、地下水位高、地下水含量豐富、補(bǔ)給充沛,流速較高、滲透系數(shù)大等特征。

(2) 砂卵石地層具有物質(zhì)組成復(fù)雜，母巖成分主要為抗風(fēng)化較強(qiáng)的花崗巖、石英巖等硬質(zhì)巖，礦物成分多以石英、長石為主，漂卵石及砂層透鏡體不均勻分布，膠結(jié)程度較差、結(jié)構(gòu)松散、自穩(wěn)能力差,顆粒磨圓度較好，分選性較差。

2 富水砂卵石層勘察評(píng)價(jià)需求分析

地鐵富水砂卵石地層勘察評(píng)價(jià)具有以下特點(diǎn)：

(1) 調(diào)查和測繪精度要求高

除常規(guī)地質(zhì)調(diào)查和測繪外，應(yīng)重點(diǎn)調(diào)查砂層透鏡體、砂卵石母巖成分、礦物組成、漂卵石所占比例和分布規(guī)律、顆粒大小、最大粒徑等。在盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層時(shí)，地層中卵石、礫石的礦物成分主要以石英、長石為主，含有大量高強(qiáng)度、大粒徑的漂卵石顆粒，導(dǎo)致刀具磨損和大顆粒的排出困難，降低盾構(gòu)掘進(jìn)效率[6-7]。

(2) 鉆探工藝選擇應(yīng)用

富水砂卵石地層結(jié)構(gòu)松散，自穩(wěn)能力差，鉆進(jìn)過程中容易塌孔，常規(guī)鉆探工藝取芯率不高，操作不當(dāng)，取芯率就會(huì)降至50%以下，容易漏失砂層透鏡體等關(guān)鍵地層，導(dǎo)致取出的巖芯代表性不強(qiáng)。因此，需要選取先進(jìn)的鉆探工藝和護(hù)壁工藝，提高取芯率。圖1為采用不同鉆探工藝采取的卵石層巖芯照片。采用特殊工藝“改良SM植物膠沖洗液護(hù)壁雙管單動(dòng)鉆探”獲得的巖芯更能準(zhǔn)確反映地層物質(zhì)組成、顆粒成分等信息。

圖1 采用不同鉆探工藝采取的卵石層巖芯照片

(3) 砂卵石地層的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

富水砂卵石地層目前生產(chǎn)中只能取得擾動(dòng)樣，難以取得原狀樣，很多物理力學(xué)指標(biāo)很難通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取[8-9]。因此，需要依靠現(xiàn)場試驗(yàn)和孔內(nèi)原位測試等方法獲取物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

(4) 水文地質(zhì)勘察

在富水砂卵石地層中，對其工程性質(zhì)影響最大就是“水”的作用，包括地下水、地表水及巖土體的水力學(xué)特性。因此，水文地質(zhì)勘察重點(diǎn)在于與水相關(guān)的勘察方法應(yīng)用。對于修建于富水砂卵石地層中的地鐵工程，勘察、設(shè)計(jì)、施工的關(guān)鍵水文地質(zhì)參數(shù)主要有砂卵石地層的滲透系數(shù)、地下水的流向、流速以及工程降水過程中涌水量的估算等。結(jié)合不同地貌單元富水砂卵石的地層特征以及水文地質(zhì)條件，可采取綜合、分層抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、提水試驗(yàn)等手段獲得水文地質(zhì)參數(shù)。

(5) 其他特殊試驗(yàn)和測試

地鐵工程以地下工程為主，與一般建設(shè)工程相比，需開展一些特殊的試驗(yàn)測試，獲取基床系數(shù)、熱物理參數(shù)、電阻率、地溫、放射性等特殊參數(shù)。還需進(jìn)行卵礫石的強(qiáng)度試驗(yàn)和石英含量、黏粒含量分析等。

3 富水砂卵石層勘察評(píng)價(jià)難點(diǎn)及對策

3.1 地鐵工程富水砂卵石層勘察評(píng)價(jià)難點(diǎn)

根據(jù)富水砂卵石層的地質(zhì)特征，針對地鐵工程不同類型工程特點(diǎn)和施工工法特征，其勘察評(píng)價(jià)的難點(diǎn)如下：

(1) 常規(guī)鉆探工藝取芯率差，關(guān)鍵層位易漏失，鉆孔孔徑有限，擾動(dòng)試樣缺乏代表性，許多基本地質(zhì)條件難以查明。如場地范圍內(nèi)砂卵石土的地層結(jié)構(gòu)、砂層透鏡體的分布、顆粒級(jí)配、大漂石的占比及分布、密實(shí)程度及變化等。

(2) 現(xiàn)行砂卵石地層工程地質(zhì)分類和巖土施工工程分級(jí)不能全面反映砂卵石地層的施工特性和難度，難以為工程設(shè)計(jì)、工程施工提供合理依據(jù)。如盾構(gòu)選型和施工所需的卵石土顆粒級(jí)配、大漂石的占比及分布、最大粒徑、卵石的石英含量、母巖成分等，在工程地質(zhì)分類和巖土施工工程分級(jí)考慮不充分。

(3) 原狀樣獲取困難，室內(nèi)試驗(yàn)難以取得工程所需的地質(zhì)參數(shù)，一般依賴工程經(jīng)驗(yàn)給出的地質(zhì)參數(shù)，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)或安全度過高。如砂卵石土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、基床系數(shù)、靜止側(cè)壓力系數(shù)、滲透系數(shù)等關(guān)乎深大基坑坑壁和隧道圍巖穩(wěn)定、變形性能和滲透特性等的關(guān)鍵參數(shù)。

(4) 地表水和地下水水量豐富，水力聯(lián)系緊密，補(bǔ)徑排關(guān)系和邊界條件復(fù)雜，滲透特性影響因素多，準(zhǔn)確查明水文地質(zhì)條件和水文地質(zhì)參數(shù)較難。因而難以準(zhǔn)確預(yù)測突水、涌水、涌砂、流土、管涌發(fā)生的可能性及危害程度，難以準(zhǔn)確估算涌水量和評(píng)價(jià)地下水對深大基坑、暗挖隧道、盾構(gòu)施工等的影響，建議應(yīng)有地下水防控措施。

(5) 常規(guī)的評(píng)價(jià)成果以二維平、剖面的形式實(shí)現(xiàn)，難以建立地質(zhì)信息與建筑物結(jié)構(gòu)空間關(guān)系，易造成巖土工程勘察與評(píng)價(jià)中“地質(zhì)”和“工程”脫節(jié)。

3.2 勘察評(píng)價(jià)對策

由于取芯、水上作業(yè)、取樣及試樣制件等困難原因，多年來，富水砂卵石層的勘察評(píng)價(jià)一直是工程地質(zhì)界比較棘手的問題之一。

地鐵工程車站、區(qū)間及車輛段等建筑物類型不同、施工工法不同，對勘察的要求也有差異，需采用綜合勘察方法、技術(shù)手段，相互驗(yàn)證、綜合分析。本文在系統(tǒng)總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)勘察與評(píng)價(jià)對策如下：

(1) 充分收集區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估、地震安全性評(píng)價(jià)、抗浮抗?jié)B水位、洪水影響評(píng)價(jià)等資料，充分吸收、消化、分析評(píng)價(jià)工程地質(zhì)問題。

(2) 詳盡開展工程地質(zhì)調(diào)繪工作，重點(diǎn)調(diào)繪地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)現(xiàn)象、周邊環(huán)境設(shè)施等。充分利用周邊建筑工地開挖揭露基坑，調(diào)查砂層透鏡體的分布及特征、卵石土的顆粒級(jí)配、最大粒徑、母巖成分、卵石強(qiáng)度、漂石分布規(guī)律等。

(3) 開展有效的工程地質(zhì)鉆探工作。在富水卵石層勘探時(shí)，傳統(tǒng)的鉆探工藝鉆進(jìn)效率低、易塌孔、取芯率低，無法滿足地質(zhì)信息獲取的要求。可采取如“改良SM植物膠沖洗液金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)”等工藝進(jìn)行工程地質(zhì)鉆探，查明卵石地層巖組劃分界限、砂層透鏡體分布、顆粒級(jí)配及分布規(guī)律、最大顆粒、卵石母巖成分、強(qiáng)度、密實(shí)程度及變化、膠結(jié)程度及變化等重點(diǎn)。

(4) 設(shè)置長期水文地質(zhì)觀測孔，測量地下水位。卵石地層鉆探成孔時(shí)易塌孔，一般需要沖洗液護(hù)壁，受此影響孔內(nèi)地下水位量測困難，同時(shí)地下水位受地表水影響，變幅較大。因此，應(yīng)設(shè)置部分長期水文地質(zhì)觀測孔，獲取準(zhǔn)確的地下水位變動(dòng)規(guī)律。

(5) 充分發(fā)揮現(xiàn)場大型試驗(yàn)和測試的優(yōu)勢。由于砂卵石地層難以取得原狀試樣，難以通過室內(nèi)試驗(yàn)準(zhǔn)確取得設(shè)計(jì)和施工所需的物理力學(xué)指標(biāo)、變形指標(biāo)、滲透系數(shù)等關(guān)鍵性參數(shù)。傳統(tǒng)方法多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過肉眼觀察、工程類比、查閱手冊和規(guī)范等方法，提出相應(yīng)的巖土參數(shù)，且所提參數(shù)過于保守，易造成工程不必要的浪費(fèi)。開展原位大型試驗(yàn)和測試，可獲取第一手物理力學(xué)、變形、滲透系數(shù)等關(guān)鍵性參數(shù)，釋放部分設(shè)計(jì)安全裕度，節(jié)省工程投資。

(6) 重視鉆孔內(nèi)原位試驗(yàn)和測試。為更好地取得砂卵石地層的物理力學(xué)指標(biāo)、變形指標(biāo)、地溫、放射性、波速、電阻率等指標(biāo)，在鉆孔內(nèi)開展連續(xù)動(dòng)探試驗(yàn)、超重型動(dòng)探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、地溫測試、放射性測試、波速測試、電阻率測試等原位試驗(yàn)和測試。

(7) 通過卵石成分測試、飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、熱物理試驗(yàn)、靜止側(cè)壓力系數(shù)測試、室內(nèi)重塑樣大剪試驗(yàn)、水土腐蝕性試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)，取得地下鐵道工程所需的石英含量、卵石強(qiáng)度、熱物理參數(shù)、靜止側(cè)壓力系數(shù)、水土腐蝕性指標(biāo)等特殊參數(shù)。

4 地鐵工程富水砂卵石層勘察體系

針對地鐵工程特點(diǎn)和富水砂卵石地層的地質(zhì)特征，以工程需要和巖土問題為導(dǎo)向，結(jié)合富水砂卵石地層區(qū)域軌道交通工程實(shí)踐，提出其勘察評(píng)價(jià)方法體系。

4.1 勘察評(píng)價(jià)任務(wù)

地鐵工程主要勘察任務(wù)如下：

(1) 查明不良地質(zhì)作用的特征、成因、分布范圍、發(fā)展趨勢和危害程度，提出治理方案及建議。

(2) 查明場地范圍內(nèi)土層的類型、年代、成因、分布范圍、工程特性，分析和評(píng)價(jià)地基的穩(wěn)定性、均勻性和承載能力，提出天然地基、復(fù)合地基、樁基等地基基礎(chǔ)的方案建議，提供地基變形計(jì)算參數(shù)。

(3) 查明富水砂卵石層的分布與特征，分析其對工程的危害和影響，提出工程措施建議。提供砂卵石層的最大粒徑、強(qiáng)度以及盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)砂土石英含量、黏性土的黏粒含量。

(4) 分析地下工程圍巖的穩(wěn)定性和可挖性，對圍巖進(jìn)行分級(jí)和巖土施工工程分級(jí)，提出工程地質(zhì)問題及防治措施的建議，提供基坑支護(hù)、隧道初期支護(hù)和襯砌設(shè)計(jì)所需的巖土參數(shù)。

(5) 分析基坑的穩(wěn)定性，提供基坑穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)，提出基坑治理的工程措施建議。

(6) 查明對工程有影響的地表水體的分布、水位、水深、水質(zhì)、防滲措施、淤泥質(zhì)土分布及地表水與地下水的水力聯(lián)系等，分析地表水體對工程可能造成的危害。

(7) 查明地下水的埋藏條件，提供地下水類型、勘察時(shí)水位、水質(zhì)、巖土滲透系數(shù)、地下水位變化幅度、流速、流向等水文地質(zhì)資料，分析地下水對工程的作用，建議地下水控制措施。

(8) 判定地下水和土對建筑材料的腐蝕性。

(9) 分析工程周邊環(huán)境與工程的相互影響，提出環(huán)境保護(hù)措施。

(10) 確定場地類別，對抗震設(shè)防烈度大于6度的場地，進(jìn)行液化判別，提出處理措施。

(11) 在季節(jié)性凍土地區(qū)，應(yīng)提供場地土的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度。

4.2 勘察評(píng)價(jià)方法體系

(1)勘察評(píng)價(jià)方法體系的構(gòu)建思路

1) 在地鐵工程勘察任務(wù)的框架下，圍繞地鐵工程設(shè)計(jì)、施工特點(diǎn)和富水卵石層地質(zhì)特征，分析工程面臨的巖土工程問題，研究解決這些問題所需的地質(zhì)資料和巖土參數(shù)，提出獲取這些地質(zhì)資料和巖土參數(shù)的勘察方法。

2) 不同的巖土問題所需的地質(zhì)資料和巖土參數(shù)有所不同，有些是共同需要的，有些是不同工程類型和施工方法的特殊需要，應(yīng)分門別類總結(jié)。

3) 根據(jù)所需的地質(zhì)資料和巖土參數(shù)，選擇適合富水砂卵石層的勘探、試驗(yàn)和測試方法。

(2)勘察評(píng)價(jià)方法體系架構(gòu)

根據(jù)上述思路，構(gòu)建地鐵工程富水砂卵石地層勘察評(píng)價(jià)方法體系，見圖2。

圖2 地鐵工程富水砂卵石地層勘察評(píng)價(jià)方法體系框圖

1) 地鐵工程主要為地下工程，工程類型和施工工法不同，存在不同的巖土工程問題。如明挖法施工地下車站、大型風(fēng)井、各類豎井時(shí)，需要解決基坑開挖坑壁穩(wěn)定性、支護(hù)方式選擇、地下水控制等問題；暗挖法施工地下區(qū)間和聯(lián)絡(luò)通道，需要解決圍巖穩(wěn)定性、圍巖開挖和加固方式選擇、地下水控制等問題；盾構(gòu)法施工地下區(qū)間，需要解決盾構(gòu)選型、卵石層的施工特性等問題。

2) 要評(píng)價(jià)上述問題，需取得相應(yīng)的地質(zhì)資料和巖土參數(shù)。如基坑開挖和支護(hù)設(shè)計(jì)和施工，需取得周邊環(huán)境、砂層夾層或透鏡體的分布、巖土施工工程分級(jí)、水文地質(zhì)條件等地質(zhì)資料，還需獲得含水率、密度、孔隙比、顆粒級(jí)配、粘聚力、內(nèi)摩擦角、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、靜止側(cè)壓力系數(shù)、水平基床系數(shù)、水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)、回彈及回彈再壓縮模量、變形模量、滲透系數(shù)及影響半徑、土體與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度、樁基設(shè)計(jì)參數(shù)(極限摩阻力、極限端阻力等)等。

3) 弄清楚所需的地質(zhì)資料和地質(zhì)參數(shù)之后，需選擇合適的勘察方法和測試手段。取得這些資料和參數(shù)。如采用資料收集與地質(zhì)測繪、鉆探、坑槽探、井探、原位測試、物探測試、水文地質(zhì)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和三維地質(zhì)建模及展示等綜合勘察方法。在這些綜合勘察方法中，每一項(xiàng)又有其側(cè)重點(diǎn)和特殊要求。如地質(zhì)調(diào)繪重點(diǎn)要查明卵石分布、粒徑、形狀等，需針對不同巖土問題，采用適宜的原位測試方法等。

5 結(jié) 語

(1) 地鐵工程特點(diǎn)和富水卵石地層勘察評(píng)價(jià)的重點(diǎn)、難點(diǎn)主要有：常規(guī)鉆探工藝取芯率低，容易漏失砂層夾層等關(guān)鍵層位；無法取得原狀樣，物理力學(xué)指標(biāo)多靠工程經(jīng)驗(yàn)；地下水豐富，地表水與地下水水力聯(lián)系緊密，水文地質(zhì)邊界條件復(fù)雜，常規(guī)方法難以查明。

(2) 針對地鐵工程富水卵石地層勘察評(píng)價(jià)主要策略可歸納為：采用有效鉆探工藝，大幅提高取芯率；開展包括全粒徑砂卵石顆分試驗(yàn)、大型剪切試驗(yàn)、基床系數(shù)測試等在內(nèi)的現(xiàn)場試驗(yàn)；結(jié)合基坑開挖進(jìn)行模擬基坑降水的水文地質(zhì)試驗(yàn)。

(3) 分析地鐵富水卵石層工程需解決巖土工程問題，需圍繞地鐵工程勘察任務(wù)，結(jié)合地鐵工程設(shè)計(jì)、施工特點(diǎn)和富水卵石層地質(zhì)特征，明確地鐵富水卵石層工程問題所需的地質(zhì)資料和巖土參數(shù)，提出適宜勘察方法，形成勘察評(píng)價(jià)方法體系。