趙宏宇，張詔飛，陳 括，席 偉

（1.中鐵資源集團有限公司中心試驗室，河北 廊坊 065000； 2.中鐵資源廊坊物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引 言

近年來，隨著工程管理模式改革的持續(xù)推進，國家正在大力推進全過程工程咨詢服務[1-2]。從縱向來說，全過程工程咨詢包含了工程前期決策、設計階段、采購與施工階段、交付使用階段在內的全建設周期工程咨詢；從橫向上來看，又包含了組織、管理、經(jīng)濟、技術等多方面、多專業(yè)的咨詢服務[3-4]。巖土工程是以工程地質、水文地質、巖石力學、土力學等理論為基礎，進行巖石和土的利用、改良、災害防治和環(huán)境保護的科學技術，是工程主體與地面結構實現(xiàn)連接的基礎性工程技術，關系到工程建設的投資控制、質量控制和安全管理水平[5-6]。

錢于軍等[7]從巖土工程現(xiàn)行模式的弊端出發(fā)，構建巖土工程的全過程咨詢管理模式，分析其優(yōu)勢，并通過工程實例探索，提出模式實施建議；王偉[8]從完善相關制度、人力資源配置、明確市場定位等方面提出了巖土工程勘察、設計、施工一體化的建議；王東利[9]通過對比巖土工程勘察、設計、施工獨立運作模式和一體化模式，分析一體化模式的優(yōu)點和必要性；顧國榮[10]從客戶的需求出發(fā)，剖析了巖土工程勘察、設計、施工、監(jiān)測中的疑難問題，并介紹了在超高層建筑全過程咨詢、基坑優(yōu)化設計與風險控制、既有建筑加固咨詢中的應用情況，提出了巖土工程全過程咨詢是解決地下工程關鍵技術問題的基礎；楊石飛[11]詳細介紹了老港再生能源利用中心二期、上海軌道交通 17號線、上海臨港新城蘆潮港西側灘涂圈圍工程等3個巖土工程全過程咨詢的具體案例，提出了開展巖土工程一體化咨詢勢在必行的觀點。從以上文獻中，我們可以看出，在全過程工程咨詢模式中的巖土工程技術服務對工程建設的巨大作用和自身強大的生命力。本文以“一帶一路”上非洲節(jié)點某重點項目為例，介紹巖土工程咨詢服務在工程前期決策、設計、采購與施工、交付使用階段的應用情況，總結在全過程工程咨詢模式中，巖土工程技術咨詢的工作重點，以供同行在同類項目中的實踐參考。

1 項目決策階段的巖土工程技術咨詢

某銅鈷礦二期工程位于剛果金南部地區(qū)，當?shù)匾缘V業(yè)生產(chǎn)為主要支柱產(chǎn)業(yè)，社會經(jīng)濟、技術條件落后，礦山基建所需的大部分建筑材料、物資和施工機械需要從國內供給。一期工程已于 2014年建設完成，規(guī)模為年產(chǎn)銅12.5萬噸，鈷2 500噸。為擴大產(chǎn)能，提高項目盈利水平，2017年，決策層確定開啟二期工程的可行性研究工作。有限的經(jīng)濟技術條件決定了項目可研工作的深度要比一般項目有所提高，任何一方面的考慮欠缺都可能導致建設成本增加，建設周期加長，從而減緩基建投資回收步伐。巖土工程作為基礎專業(yè)，在工程建設中屬于先導步驟，為避免因本專業(yè)的疏漏而對后續(xù)工作造成不利影響，項目可行性研究階段除常規(guī)性質的區(qū)域地質、地形地貌、地震、地下水等條件的搜集和調查，重點應關注下列內容：

（1）當?shù)赜袩o對工程建設影響較大的特殊土發(fā)育，如軟土、濕陷性土、分散性土等。

（2）當?shù)厥欠癜l(fā)育影響工程穩(wěn)定性的不良地質，如巖溶、滑坡、采空區(qū)等。

（3）擬建場地的地形坡度是否過大，場地平整的工作量如何，是否需要采取支護措施。

（4）地下水對工程的影響程度如何，地表是否有利于施工的排水條件。

（5）當?shù)氐慕ㄖ牧?、施工機械、施工企業(yè)等經(jīng)濟技術條件如何，如果需要做地基處理，或做樁基礎等深基礎，可供選擇的方案有哪些。

基于以上5點，巖土工作人員開展了地質調查、地質測繪、挖探、市場調查等必要的工作，取得了以下結論：

（1）當?shù)貙儆跓釒в炅謿夂騾^(qū)，在雨旱交替的氣候環(huán)境和反復的雨水淋濾條件下，地表淺層發(fā)育的紅壤一般具有濕陷性，濕陷深度一般為 2～4 m，在一些溝谷地形的中間部位，濕陷性深度會有所增加，濕陷程度為輕微-中等，僅自重條件下一般不濕陷。廠區(qū)地面沉降造成設備錯位情況（見圖1）。

圖1 某廠區(qū)地面沉降造成設備錯位Fig.1 Dislocation of equipment caused by ground subsidence in a factory

（2）當?shù)氐臐裣菪酝帘憩F(xiàn)出分散性土的特征，比如在有坡度的地方會出現(xiàn)沖溝和孔洞（見圖2），下雨后路旁的水溝、水坑和河道里流的水都是渾濁的。雖然在外觀上表現(xiàn)出分散性，但當?shù)亟ㄖ?jīng)驗并未專門關注過分散性土，并且也未發(fā)生過因分散性土所造成的工程事故（如尾礦壩等雍水建筑）。

圖2 降雨前（左）后（右）邊坡面對比Fig.2 Comparison of slope surface before (left) and after(right) rainfall

（3）當?shù)氐V產(chǎn)資源豐富，歷史上曾無序開采和排放，渣碓、尾礦庫星羅棋布。首先，埋藏在地下的尾礦不宜發(fā)現(xiàn)（如圖3）且厚度較大，一般會大于10 m，這些尾礦多屬于欠固結土或松散土，在其上布置建筑物后會發(fā)生較大沉降，存在嚴重的隱患；第二，渣碓的成分（采礦棄石）很不均勻，壓密程度也不盡相同，厚度一般較大，容易發(fā)生不均勻變形；第三，渣碓場地較一般場地地形起伏較大，場地平整的工作難度較大；第四，在一些地方，排放尾礦之后，又逐步堆放礦渣或者尾渣（如圖4），一方面掩藏了下面尾礦的分布范圍，使得探明尾礦分布的難度加大，另一方面，因排水不暢，渣碓荷載并不能對其下臥尾礦造成壓密或固結作用。因此，調查尾礦和渣碓的范圍對工程選址至關重要。

圖3 尾礦范圍與電積車間規(guī)劃位置Fig.3 Range of tailings and planned location of electrowinning workshop

圖4 尾礦之上堆放礦渣Fig.4 Slag stacked on tailings

（4）礦區(qū)處于區(qū)域性的逆沖推覆構造體中，地質條件復雜，露天采場多發(fā)育褶皺和斷裂，一些區(qū)域受構造作用力強烈，可能發(fā)育層間破碎帶。采剝生產(chǎn)和疏干排水過程中，受當?shù)赜旰到惶娴臍夂驐l件影響，邊幫巖體中地下水位變動頻繁，加劇了地下水對巖體的物理及化學浸蝕作用，在白云巖巖組中多有巖溶發(fā)育。這些不良地質條件的存在，造成局部邊幫的穩(wěn)定系數(shù)和安全儲備較低。二期采礦工程在布置輸送膠帶系統(tǒng)時，應盡量避開不良地質發(fā)育和邊坡穩(wěn)定性較低的段落。

（5）礦區(qū)屬丘陵地貌，地形變化較大，地面起伏頻繁。受采礦生產(chǎn)影響，礦區(qū)地下水位一般偏深，對工程建設影響不大。受地形影響，地面排水條件較好，方便布置雨季集中降雨期間的排水措施。

（6）當?shù)厮?、砂石等建筑材料匱乏，缺乏打樁機、強夯機等專用的地基基礎施工機械。礦區(qū)配備有采剝生產(chǎn)用的挖掘機、裝載機、吊車以及拉礦車。采礦棄石堆積成山，礦山建有小型的砂石料廠，利用采礦棄石生產(chǎn)少量的建筑材料，以備日常基建所需。如需做地基處理，換填壓實法是當?shù)刈畛Ｓ煤妥钣行У姆椒ā?/p>

基于以上結論，可研報告的巖土部分提出建議如下：工程建設場地基本穩(wěn)定，采場部分地段受地質構造影響，穩(wěn)定性尚待專門研究，參考生產(chǎn)探礦等資料揭露的工程地質條件，輸送膠帶系統(tǒng)等采場建（構）筑物應盡量避開相關區(qū)域；礦區(qū)地形起伏較多，建議做好各種功能廠區(qū)的平面規(guī)劃，盡量減少場地平整工作量，部分陡坎地段需根據(jù)需要進行支護；廠區(qū)布置應盡可能避開渣碓和尾礦區(qū)域，減少場平和地基處理工作；礦區(qū)普遍分布濕陷性土，建議盡量加大基礎埋深，減少換填方量，如需換填，可預先對采礦棄石的換填效果進行試驗，以供工程建設使用；對于尾礦壩等雍水構筑物，建議深入分析研究淺層濕陷性土的分散性質，排除工程隱患。

2 設計階段的巖土工程技術咨詢

設計階段，巖土工程技術咨詢的主要任務是基于決策階段發(fā)現(xiàn)的巖土問題，指導工程勘察單位制定專項方案，采取針對措施查明特殊土和不良地質的分布和工程性質，并指導設計單位制定經(jīng)濟、可行的處理方案。

2.1 工程勘察

除常規(guī)的勘察任務之外，查明濕陷性土、渣碓和尾礦等特殊土，以及斷層、軟弱破碎帶、巖溶等不良地質的分布及其工程性質是勘察工作和巖土工程技術咨詢同樣也是主要任務。圖5為銅鈷礦選礦二期勘察項目的平面圖，表1為建（構）筑物概況表。

表1 主要建（構）筑物概況略表Table 1 Summary of major buildings

圖5 尾礦營地工程平面圖Fig.5 Plane of tailings camp project

（1）采用地質調繪、谷歌歷史影像對比、走訪調查和必要的挖探等方法，查明濕陷性土、渣碓和尾礦等特殊土的平面布置范圍；對于礦建工程與渣碓、尾礦分布重合的區(qū)域，應采用鉆探和物探相結合的方法查明特殊土的埋深。鉆探應盡量采用雙管單動或雙管雙動工藝，保證取芯率和鉆探效率，鉆探成果的典型地質剖面圖見圖6。物探方法以高密度電測深和面波勘探相結合，排除金屬礦對物探結果的干擾；采用動力觸探為主的原位測試方法獲取渣碓采礦棄石的工程參數(shù)，尾礦的參數(shù)獲取則建議采用標貫為主的原位測試方法，結合必要的原狀樣室內試驗；對于工程建設最為關注的地基土承載力，因當?shù)厝狈Τ浞值呐卸ń?jīng)驗，建議采用靜載荷試驗直接獲取特征值，載荷試驗成果匯總見表2。

表2 載荷試驗結果匯總表Table 2 Summary of load test results

圖6 典型工程地質剖面圖Fig.6 Geological section of typical engineering

（2）濕陷性土分布廣泛，是本工程建設無法回避的問題。建議采用鉆探和探槽相結合的方法，查明其在不同部位的埋藏深度；濕陷性室內試驗所用的原狀樣應在探槽的槽壁上刻取，除常規(guī)的物理力學試驗項目之外，尚應進行必要的顆粒分析、固結快剪、滲透系數(shù)及濕陷性試驗；濕陷性試驗應以室內試驗和現(xiàn)場浸水載荷試驗（相對少量）相結合，并以現(xiàn)場浸水載荷試驗的結果為基礎計算場地濕陷量，結合室內試驗獲取的濕陷系數(shù)，推算濕陷量計算的修正系數(shù)β；濕陷性土的下限劃定，應嚴格以室內濕陷性試驗和現(xiàn)場浸水載荷試驗的結果為依據(jù)，在此基礎上總結濕陷性土的現(xiàn)場鑒別特征，以便于施工階段指導現(xiàn)場確定地層層位；礦區(qū)濕陷性土與國內分布的濕陷性黃土在形成原因和顆粒級配上有本質的不同，在計算濕陷量之后，地基濕陷等級的判定建議參考國標《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版，GB 50021—2001）[12]中非黃土類的濕陷性土的濕陷等級判定標準，判定結果更符合工程的要求，有利于制定適用性強的地基處理方案。

（3）礦區(qū)斷層、軟弱破碎帶、巖溶等不良地質的埋深一般較大，對一般建（構）筑物的影響較小，可忽略不計。對于采場內部布置的輸送膠帶系統(tǒng)等，因其布置在邊坡臺階之上，易受不良地質的影響。應采用鉆探、物探和現(xiàn)場水文試驗相結合的方法，查明不良地質的分布。鉆探應盡量采用雙管單動或雙管雙動工藝。因工作面受限制，垂直邊坡走向的鉆孔間距一般較大（大于100 m），且坡面地形較陡，垂直邊坡走向無法布置物探測線。物探方法建議以單孔管波為主，測試鉆孔周邊一定范圍內的巖溶發(fā)育程度和巖體完整程度。現(xiàn)場水文試驗采用壓水試驗，可獲取巖體透水率、滲透系數(shù)、巖體完整程度以及在動水壓力作用下巖體中裂隙的發(fā)展趨勢。巖體參數(shù)除常規(guī)的完整巖體的單軸抗壓強度、塊體密度、吸水率外，應重點關注結構面破碎帶內巖體的強度，松散巖體可在現(xiàn)場進行直接剪切試驗，碎裂巖體可將樣品托運回國，進行大三軸壓縮實驗，以獲取最真實的巖體抗剪強度。針對垂直邊坡走向的鉆孔間距過大而不利于推斷巖組產(chǎn)狀的問題，建議可加大橫向鉆孔密度，以三維地質成型技術彌補鉆孔縱向間距過大的缺陷，并結合地質構造應力方向、地下水的變化規(guī)律等條件，合理推斷了邊坡軟弱結構面的分布范圍和發(fā)育產(chǎn)狀，同時所建立的三維地質模型，將有利于對邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，合理推斷邊坡應力場和位移場，計算邊坡安全系數(shù)。

（4）對于濕陷性土表現(xiàn)出的分散性質，應在尾礦庫等雍水構筑物處采取試樣進行分散性鑒定試驗。根據(jù)現(xiàn)場試驗條件，可采用碎塊試驗、孔隙水陽離子試驗、交換鈉離子試驗、不同條件下的（加分散劑、煮沸條件下和不加分散劑、不煮沸條件下）顆粒分析試驗等，以便于從碎塊浸水崩解狀況、土粒表面雙電層發(fā)育程度、交換性鈉離子百分比、經(jīng)驗公式及分散度等不同角度詳細判定試樣分散性。

在此基礎上，勘察工作取得了良好的效果，對礦區(qū)進行了地貌單元劃分，標識出濕陷性土、渣碓和尾礦分布區(qū)域，便于礦建工程平面布置，對于局部無法避讓渣碓和尾礦的建（構）筑物（如圖3所示的電積車間），勘察提供了特殊土的分布特征和巖土參數(shù)，以供設計使用；查明了濕陷性土的分布深度，基本在3.5 m左右，多為I級非自重濕陷，設計單位可根據(jù)建（構）筑物類別，合理確定地基處理方案；礦區(qū)發(fā)育的濕陷性土雖在表面表現(xiàn)出分散性土的一些特征，但在交換鈉離子含量和土顆粒表面的電化學性質等方面有本質上的不同，為非分散性土，工程無需考慮因分散性土帶來的隱患；對于采場的輸送膠帶系統(tǒng)，查明了邊坡巖組和軟弱結構面的產(chǎn)狀和發(fā)育規(guī)律，建立了邊坡三維地質模型（如圖7），并提供了高精準度的巖體參數(shù)，為邊坡穩(wěn)定性評價和膠帶系統(tǒng)的建設適宜性評價奠定了基礎。

圖7 膠帶傳送段落邊坡三維地質模型Fig.7 Three dimensional geological model of belt conveyor slope

2.2 工程設計

對于巖土工程咨詢來講，工程設計方面的主要任務在于根據(jù)工程勘察提供的基礎資料，從巖土工程角度提供合理建議，以便于實現(xiàn)工程質量、安全、建設周期和投資控制的有機統(tǒng)一和利益最大化。

針對礦區(qū)濕陷性土、填土廣泛分布的問題，地基處理在所難免。在有限的經(jīng)濟技術條件下，選擇適當?shù)牡鼗幚矸桨甘菓紫戎攸c關注的問題。選擇擬建生活區(qū)進行以采礦棄石做換填材料的可行性試驗。生活區(qū)擬建場地淺層分布6～8 m厚的素填土，成分以全風化泥巖、粉質黏土、粉土為主，固結程度不高，地基承載力特征值為80 kPa。主體建筑為數(shù)棟2層宿舍樓，采用柱下條形基礎，基底埋深1.5 m，柱下基底荷載按120 kPa考慮。按換填1 m條件下驗算下臥素填土的承載力。

墊層底面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值為：

墊層底面處的附加壓力值為：

墊層底面處土的自重壓力值為：

經(jīng)驗算換填1 m時，下臥軟弱層的承載力可滿足要求。

以上驗算中，換填材料的壓力擴散角θ參照國內《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ 79—2012）[13]中礦渣的擴散角確定，采礦棄石應參照上述標準中的相關要求進行分選處理，最大粒徑建議控制在碾壓厚度的1/2以內（不大于150 mm），松散重度不小于11 kN/m3，有機質及含泥總量不超過5%。按上述要求在擬建生活區(qū)進行換填試驗，并采用靜載荷試驗（見圖8）檢驗墊層承載力和壓力下的變形程度。

圖8 換填試驗點載荷試驗p-s曲線Fig.8 p-s curve of load test at replacement test point

載荷試驗結果顯示，在逐級加載條件下，地基沉降量緩慢增加，在90 kPa壓力附近，p-s曲線出現(xiàn)輕微拐點之后進入平滑的直線段落。歷時 16 h后，壓力增長至240 kPa，沉降量5.83 mm，且仍處于直線段落，未達到破壞標準?？梢姴捎梅诌x后的采礦棄石做為換填材料是可行的[14]。

根據(jù)勘察提供的礦區(qū)地貌分布圖，合理布置礦建工程，盡量避讓渣碓和尾礦分布區(qū)域。對于難以避讓的區(qū)域，可布置對不均勻沉降敏感度較低的低等級建（構）筑物，如庫房、藥劑間等，同時應進行換填處理。個別構筑物（電積車間）因與一期車間配套需要，布置在尾礦分布的邊緣區(qū)域，擬建場地西南側尾礦及受尾礦影響造成的軟弱土深度在2～6 m之間，自西南向東北方向逐步減少。該車間因有不同設備連接的需要，需嚴格控制地基變形量。建議設計采用0.6～2 m之間不同的墊層厚度進行分級，用以協(xié)調不同厚度軟弱土的變形量。換填后對不同厚度的墊層區(qū)域分別進行載荷試驗檢測其承載能力和變形量，工后設置沉降觀測點監(jiān)測其長期變形。

協(xié)調邊坡研究單位對輸送膠帶系統(tǒng)途徑的軟弱結構面發(fā)育邊坡進行評價。經(jīng)計算，邊坡整體穩(wěn)定，但受軟弱結構面穿插的影響，局部區(qū)域在數(shù)值模擬中出現(xiàn)聯(lián)通的剪切塑性區(qū)，存在局部垮塌的可能。基于評價結果，巖土咨詢人員協(xié)調評價單位和采礦設計單位進行采礦境界優(yōu)化，制定了基于壓腳的優(yōu)化處理方案，壓礦量5 345 m3；另一方面，因勘察提供的巖組產(chǎn)狀和巖土參數(shù)精準度較高，設計人員對中部穩(wěn)定區(qū)域的臺階坡面角進行了調整，減少剝離量41×104m3，綜合計算結果，在不增加成本的情況下，通過調整境界，增加了邊坡的安全系數(shù)，可實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定，可在其上布置輸送膠帶系統(tǒng)。另外建議在邊坡上設置深部位移在線監(jiān)測點，實時監(jiān)測邊坡巖體深部變形情況，實現(xiàn)對邊坡滑移的超前預報。

對于邊坡臺階上的膠帶系統(tǒng)支架基礎，指導設計單位進行基礎的穩(wěn)定性計算，協(xié)調基礎底面外邊緣線至坡肩的水平距離a、垂直于坡肩的基礎底面邊長b、基礎埋置深度d以及坡面角β四者之間的關系。

3 采購與施工階段的巖土工程技術咨詢

該階段巖土工程技術咨詢的主要任務是基于設計方案，落實地基處理要求，提高工程質量，保證工程安全和建設工期。

（1）指導施工單位識別開槽所見土層，正確識別濕陷性土、填土、尾礦等特殊土。因當?shù)厣形唇⑤p型動力觸探等簡易原位測試測定承載力的經(jīng)驗理論，建議應由勘察單位完成基槽底部土層承載力的判定。

（2）對于因勘察密度等原因造成的開挖揭露地層與勘察結果不一致的情況，指導施工、勘察、設計單位進行及時判定，并制定經(jīng)濟適用的處理方案，保證工程進度和投資控制水平。

（3）協(xié)助施工單位選取符合要求的采礦棄石，進行分選處理，對粒徑、重度、含泥量等指標進行檢測，確保墊層材料的質量。

（4）為換填地基的承載力檢測提供咨詢，合理安排施工和檢測工序，優(yōu)化檢測方案，進行檢測結論的復核判斷，進一步確認設計方案的安全性。

巖土工程技術咨詢以以上要求為原則開展工作，協(xié)助礦建單位及時解決施工中遇到的巖土問題，最終保證了地基基礎施工費用控制在工程預算范圍之內，使得后續(xù)工序提早開展，為二期工程提前半年竣工打下基礎。

4 交付使用階段的巖土工程技術咨詢

在該階段的任務主要在于協(xié)助礦方落實各種監(jiān)測方案，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的復核和分析，用以監(jiān)控地基處理措施下各種建（構）筑物的安全運行狀況。主要包括以下幾個方面：

（1）原尾礦、填土等軟弱土分布區(qū)域，換填地基上的建（構）筑物基礎沉降變形狀況，如電積車間、生活區(qū)宿舍樓等。

（2）輸送膠帶系統(tǒng)相關的邊坡深部巖體位移、坡面位移及人工巡視等監(jiān)測情況，以及膠帶系統(tǒng)支架基礎的位移監(jiān)測情況。

（3）尾礦壩的沉降、位移等監(jiān)測情況。

分析近一年的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，建（構）筑物基礎沉降累計值最大不足 10 mm（見圖9），速度緩慢，平穩(wěn)，并趨于穩(wěn)定，可以認為地基處理的效果較好；邊坡深部巖體豎向位移累計值 5～6 mm，增加量不大（見圖10），邊坡體內無明顯的位移滑動傾向，邊坡穩(wěn)定，境界優(yōu)化的效果較好；膠帶體統(tǒng)支架基礎基本無位移量，基礎處于穩(wěn)定狀態(tài)；尾礦壩在水平、豎直方向上的位移基本穩(wěn)定，隨壩體堆積過程，位移量呈現(xiàn)出遞進式增長態(tài)勢，但總體位移累計值均不超過20 mm，壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 尾礦壩沉降監(jiān)測成果圖Fig.9 Monitoring settlement of tailings dam

圖10 邊坡深部位移監(jiān)測成果圖Fig.10 Displacement monitoring in the deep part of the slope

5 結 論

通過梳理工程建設的前期決策階段、設計階段、采購與施工階段、交付使用階段巖土工程咨詢的開展情況及效果分析，不難看出在全過程工程咨詢視角下，巖土工程咨詢通過提早介入，溝通協(xié)調建設、勘察設計、施工、監(jiān)測等單位，重點關注礦區(qū)尾礦、填土、渣碓等特殊土及滑坡、巖溶等不良地質，在工程質量、安全、成本及建設工期方面均取得了積極的效果?？梢缘贸鼋Y論，全過程巖土工程咨詢是解決巖土工程問題的良好途徑。