易 鑫

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

在軌道交通巖土工程勘察中,由于城市中環(huán)境條件復(fù)雜,包括管線密集、建構(gòu)筑物多、線路多走行于主干道路等特殊性,往往傳統(tǒng)的勘察工作無法順利開展,加之各城市復(fù)雜的特殊地質(zhì)條件,給勘察工作帶來較大困難。 因此,如何采用綜合勘察手段與方法,在復(fù)雜城市環(huán)境條件下查明工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件已成為需要進(jìn)一步研究解決的問題。

在通過綜合勘察手段解決城市復(fù)雜環(huán)境下的地質(zhì)問題方面,國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行大量的應(yīng)用研究并取得諸多成果。 許再良等采用鉆探、原位測試及室內(nèi)外試驗等綜合勘察手段,充分查明天津站換乘中心工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件,提出準(zhǔn)確的水土參數(shù),同時對深大基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)型式、基坑坑底隆起和管涌、結(jié)構(gòu)抗浮、降水控制等巖土工程問題進(jìn)行綜合分析評價[1];趙福玉等在昆明軌道交通4 號線項目中,系統(tǒng)分析昆明盆地地質(zhì)特征,并針對地質(zhì)問題提出有效應(yīng)對措施[2];柳柳在廣清城際鐵路勘察中,提出一種基于鉆孔雷達(dá)探測的巖溶區(qū)多樁基礎(chǔ)的地質(zhì)探測方法[3];彭國喜等根據(jù)軟土物理力學(xué)參數(shù)差異,提出一系列優(yōu)化軟基地層方法[4];劉維正等通過大量室內(nèi)土工試驗及原位試驗,分析南沙地區(qū)軟土基本物理特性、強度參數(shù)、變形參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)隨深度的變化規(guī)律[5];趙燕容等結(jié)合合肥市地鐵工程實例,通過分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件,以水位長期觀測孔觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)對構(gòu)建的地下水滲流數(shù)值模型進(jìn)行識別與驗證,在此基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)規(guī)范與歷史水位資料提出車站的抗浮設(shè)防水位[6];王其合在徐州軌道交通勘察項目中,對鉆探、高密度電法、瞬變電磁相結(jié)合的方法對破碎帶和巖溶發(fā)育區(qū)進(jìn)行綜合分析比較,得出較為可靠的破碎帶與巖溶發(fā)育范圍分析方法[7];潘瑞林結(jié)合城市軌道交通巖土工程勘察的目的與任務(wù),系統(tǒng)分析物探的發(fā)展及待解決的主要技術(shù)問題[8];李正坤通過蘇州軌道交通5 號線巖土工程勘察實踐,對軌道交通巖土工程勘察特點進(jìn)行深入分析[9];謝毅等構(gòu)建一套“天空地井”的四維勘察體系,將傳統(tǒng)的現(xiàn)狀勘察提升為地質(zhì)體災(zāi)變演化勘察[10-11]。

跨座式單軌區(qū)間軌道梁為梁軌合一結(jié)構(gòu),需同時滿足承載能力和行走線性的要求[12];“橋建合一”獨柱大懸臂高架車站由于其良好的景觀與道路適應(yīng)性被廣泛采用,但該結(jié)構(gòu)也存在側(cè)向剛度低,抗震冗余度低的特點[13];單軌車輛基地中線路工程多以軌道梁橋工程形式敷設(shè),其基礎(chǔ)形式以橋梁樁基為主,勘察深度較大。 以上均給勘察工作提出更高的要求,但現(xiàn)行勘察規(guī)范中尚無相應(yīng)的準(zhǔn)確的技術(shù)要求[14-17]。 以下針對復(fù)雜城區(qū)環(huán)境條件的巖溶、軟土、地下水影響等地質(zhì)問題,將綜合物探手段、綜合原位測試手段、綜合水文測試手段聯(lián)合并用,開展全方位的跨座式單軌制式交通的巖土工程勘察[18],充分查明工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件,準(zhǔn)確獲取巖土水參數(shù),為工程設(shè)計、施工提供可靠的勘察成果[19-20]。

1 項目概況

1.1 工程概況

蕪湖跨座式單軌1 號線為南北骨干線,線路全長30.460 km,共設(shè)車站25 座,全部為高架車站,線路北端設(shè)保順路停車場,南端設(shè)白馬山車輛基地。 線路與多處鐵路、公路交叉,包括上跨淮南鐵路、蕪合高速長江大橋、改建輪南線,下穿商合杭蕪湖長江大橋,跨越扁擔(dān)河、清堰塘、銀湖、保興河、青弋江等。

軌道交通2 號線一期呈東西走向,線路全長15.857 km,共設(shè)車站11 座,其中高架站10 座、地下站1 座,東端設(shè)夢溪路車輛基地1 座。 線路上跨蕪馬高速、蕪宣高速、寧安高鐵、寧蕪鐵路、皖贛鐵路,下穿弋江北路設(shè)蕪湖火車站地下站。

1.2 項目特點

該項目具有以下幾個難點。 ①工點結(jié)構(gòu)形式多樣,國標(biāo)規(guī)范對特殊結(jié)構(gòu)的勘探布置要求不明確。 蕪湖軌道交通高架站(框架結(jié)構(gòu)、獨柱懸臂結(jié)構(gòu))、區(qū)間軌道梁橋(連續(xù)剛構(gòu))、車輛基地(場坪、停車線)等工程結(jié)構(gòu)形式多樣,《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范中》對于跨座式單軌結(jié)構(gòu)的勘探點布設(shè)尚無相關(guān)要求。 ②不良地質(zhì)與特殊巖土所引發(fā)的工程地質(zhì)問題突出。 沿線不良地質(zhì)及特殊巖土發(fā)育,主要包括巖溶、隱伏斷裂、人為坑洞、人工填土、軟土、膨脹土及風(fēng)化巖。③勘察場地周邊環(huán)境條件復(fù)雜,勘探難度大、風(fēng)險高。沿線城市現(xiàn)代化程度高、建構(gòu)筑物密集,地下管線密布,線路與多條鐵路、高速公路、市政高等級道路交叉,跨越扁擔(dān)河、清堰塘、銀湖、保興河、青弋江等多處水域,且單軌交通多走行于道路中間,車流和行人密度大,勘探工作開展難度較大。

2 地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

蕪湖市整體地勢南高北低,地形呈不規(guī)則長條狀,地貌類型多樣,河湖水網(wǎng)密布。 蕪湖市東部和北部為沖積平原,間有洼地,地勢低平,局部分布少數(shù)丘陵。西部和南部多山地,地勢略有起伏。

沿線總體地形地貌為長江中下游沖積平原,地形較平坦開闊。 按地形形態(tài)及成因可細(xì)分為長江二級階地和山前傾斜平原。

由于城市發(fā)展建設(shè),自然地貌形態(tài)改變較大,市區(qū)交通網(wǎng)密布,線路兩側(cè)民居、商業(yè)、教育、政務(wù)、文娛、工業(yè)等建筑設(shè)施密集。 建成后的跨座式單軌典型車站見圖1,1 號線與2 號線交匯處鏡湖公園處區(qū)間軌道梁橋見圖2。

圖1 典型單柱懸挑結(jié)構(gòu)車站

圖2 1 號線與2 號線交匯處鏡湖公園處區(qū)間軌道梁橋

2.2 地層巖性

地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)人工填土及沖洪積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及砂類土;第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉土、粉質(zhì)黏土、砂及圓礫、卵石土;白堊系上統(tǒng)泥質(zhì)砂巖;侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r、安山巖;侏羅系中下統(tǒng)粉砂巖;三疊系上統(tǒng)鈣質(zhì)泥巖、石英砂巖;三疊系中統(tǒng)灰?guī)r以及燕山早期閃長玢巖。 地層巖性多變,且局部區(qū)段軟硬地層交替變化,持力層不穩(wěn)定。 1 號線全線地質(zhì)縱斷面示意見圖3。

圖3 1 號線全線地質(zhì)縱斷示意

2.3 地層構(gòu)造

區(qū)內(nèi)穿越線路的斷裂主要有和睦山—峨橋北斷層、潘塘斷層、火龍崗斷層、荊山逆斷層,上述斷層均為隱伏斷層,覆蓋層較厚。

2.4 水文地質(zhì)

地下水類型主要包括人工填土與粉質(zhì)黏土中的上層滯水,以及第四系孔隙水、基巖裂隙水。 上層滯水分布不均勻;孔隙水賦存于第四系砂層、卵石層等含水層中;基巖裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙中。 地下水位埋深0.2～5.1 m。

3 重點地質(zhì)問題及綜合勘察技術(shù)應(yīng)用

3.1 巖溶問題

蕪湖軌道交通1 號線文津東路至白馬山地段(里程DK24+890～26+670、DK28+060～30+455)三疊系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶發(fā)育,巖溶類型為覆蓋型。 采用基于地面電法與孔中地質(zhì)雷達(dá)(單孔雷達(dá)、跨孔CT)聯(lián)作的覆蓋型巖溶識別技術(shù),充分查明巖溶分布及發(fā)育特征。灰?guī)r中巖溶鉆孔見洞率為33.3%,平均線巖溶率8.91%,巖溶發(fā)育程度為弱-中等發(fā)育,溶洞規(guī)模0.4 ～5.1 m,埋深17～31.9 m,高程-9.8 ～23.8 m,一般為單層溶洞,局部地段揭露多層串珠狀溶洞,溶洞大部分全充填,局部半充填或無充填,充填物主要為硬塑黏性土,局部揭露溶洞壁。 巖溶區(qū)典型高密度電法地質(zhì)剖面見圖4。

圖4 巖溶區(qū)典型高密度電法地質(zhì)斷面(單位:m)

利用孔內(nèi)地質(zhì)單孔雷達(dá)、跨孔雷達(dá)CT 探測技術(shù),結(jié)合鉆探,形成孔中與地面互補的立體探測,分析巖溶平面位置、深度形成勘探成果,識別出覆蓋型巖溶特征,查明巖溶分布及規(guī)模。 通過在文津東路站、文珩區(qū)間的應(yīng)用,查明墩臺樁基范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育特征,為樁基設(shè)計和施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)信息,取得良好的效果。本次雷達(dá)探測采用的天線頻率為100 MHz。 單孔雷達(dá)探測提供鉆孔周圍10～40 m 的地層結(jié)構(gòu)、巖體構(gòu)造和水文地質(zhì)信息,從而擴(kuò)大探測的有效范圍。 由于天線無定向性,自身無法提供足夠的信息給出反射體的方向,僅得出距鉆孔的位置。 因此,需進(jìn)行多孔探測數(shù)據(jù)的對比分析。 本次雷達(dá)探測測區(qū)巖溶發(fā)育強烈,巖溶發(fā)育深度較淺,多在基巖面附近,一般埋深 19 ～30 m,文津東路站發(fā)現(xiàn)15 處巖溶異常,具體位置及參數(shù)見表1,典型跨孔雷達(dá)探測成果解譯見圖5。

表1 部分鉆孔雷達(dá)異常m

圖5 典型跨孔探測成果解譯(單位:m)

3.2 軟土問題

蕪湖軌道交通線路沿線軟土分布廣泛,特別是在1 號線北段、2 號線東段軟土厚度較大,具有壓縮性高,承載力低,變形大,滲透性低等特點。 軟土易引起結(jié)構(gòu)下沉、誘發(fā)基坑變形和不均勻沉降,對工程建設(shè)影響較大。 采用多種原位測試技術(shù)、室內(nèi)試驗方法,在巖土體物理力學(xué)參數(shù)求取中廣泛應(yīng)用,有效提高了軟土物理力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 號線場地內(nèi)分布有軟塑-流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、軟塑粉質(zhì)黏土,主要分布于DK0+000 ～DK3+000、DK14+600～19+800、DK28+200～DK30+400,該層厚度較大,大部呈層狀分布,局部呈雞窩狀分布。 軟土層頂面深1.10～14.70 m、高程為-7.70 ～6.03 m,厚1.70 ～29.30 m,天然孔隙比1.03,天然含水率35.7%,有機質(zhì)含量3.5%,靈敏度為2.7,壓縮模量3.61 MPa,比貫入阻力0.65 MPa。

2 號線場地內(nèi)分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,其分布較穩(wěn)定,厚度較大,大部呈層狀分布,局部呈透鏡狀。 軟土層頂面深0.50 ～5.80 m、高程為0.90 ～5.89 m,厚1.10～16.80 m,天然孔隙比1.06,天然含水率35.7%,有機質(zhì)含量3.5%,靈敏度為2.7,壓縮模量3.85 MPa,比貫入阻力0.594 MPa。

針對勘察中揭示的軟土特性、力學(xué)參數(shù)的差異,結(jié)合其形成歷史及分布區(qū)域,將沿線軟土分為以下2 種類型。Ⅰ類軟土:靜水沉積條件下溝塘形成的淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,灰黑色,流-軟塑,含腐殖質(zhì),厚2～20 m,厚度隨凹谷、溝塘的形態(tài)變化,連續(xù)性差。 主要分布于市區(qū)中南部一、二級階地凹谷及溝塘范圍內(nèi)。Ⅱ類軟土:河湖、漫灘相沉積的淤泥質(zhì)土夾粉土、粉砂薄層,部分區(qū)段局部夾粉細(xì)砂透鏡體。 灰色,流-軟塑,呈薄層狀,微層理發(fā)育,含螺殼及云母碎片。 主要分布于長江、青弋江漫灘地帶,厚20 ～40 m,層位分布穩(wěn)定,層理韻律清晰。區(qū)域內(nèi)軟土物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 兩類軟土的物理力學(xué)指標(biāo)

由表2 可知,2 類軟土存在如下物理力學(xué)性質(zhì)區(qū)別。

(1)滲透性差異:Ⅰ類軟土為微透水性,且水平垂直方向較均一;Ⅱ類軟土發(fā)育微層理,夾砂薄層的厚度、分布不一,水平、垂直方向滲透性差異大,垂直向弱-微透水,水平向弱透水。

(2)固結(jié)系數(shù)差異:Ⅰ類軟土水平垂直方向較均一,穩(wěn)定固結(jié)時間較長,Ⅱ類軟土穩(wěn)定固結(jié)時間較短,固結(jié)速率較快。

(3)強度差異:Ⅰ類軟土剪切試驗內(nèi)摩擦角 ≤5°,而Ⅱ類軟土因夾粉細(xì)砂薄層,內(nèi)摩擦角增大,在10°～16°,十字板剪切強度、無側(cè)限抗壓強度比Ⅰ類大。

(4)塑性差異:Ⅰ類軟土以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主,Ip值較大,Ⅱ類夾粉砂薄層,Ip值小,含水率低,液性指數(shù)偏大。

采用以原位測試為主,結(jié)合鉆探、室內(nèi)試驗、孔內(nèi)測試等勘察手段的綜合勘察方法。

原位測試方法有十字板剪切、扁鏟側(cè)脹、靜力觸探等。 土工試驗方法除常規(guī)試驗外,還包括固結(jié)快剪、三軸剪、先期固結(jié)壓力及回彈指數(shù)、水平垂直向固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)、無側(cè)限抗壓強度及有機質(zhì)含量分析試驗。 通過多種勘察方法的綜合應(yīng)用以及成果資料分析,從地質(zhì)成因、工程特性角度,綜合分析評價了軟土對工程的影響。 采用軟土勘察手段見圖6。

圖6 軟土綜合勘察手段

3.3 地下段水文地質(zhì)問題

2 號線一期工程于蕪湖火車站處設(shè)置地下段,長1.409 km,地下段下穿蕪湖主干道弋江北路、站南路,臨近蕪湖火車站,道路交通車流量大,火車站周邊地下管線密布、地下建構(gòu)筑物分布復(fù)雜,工法包括明挖暗埋、暗挖、U 形槽。 明挖車站為深基坑工程,基坑開挖易引發(fā)周邊地面沉降、建筑物變形;暗挖段軟土厚,力學(xué)性質(zhì)差,隧道施工易引起地面塌方。 地下車站及隧道周邊環(huán)境極其復(fù)雜,環(huán)境風(fēng)險極大,環(huán)境地質(zhì)評價難度極大。

地下段地貌屬長江東岸及沿荊山河、扁擔(dān)河西側(cè)呈帶狀分布的一級階地。 地表平坦,水網(wǎng)發(fā)育、湖塘密布,地表沉積物多由全新世河泛黏性土及湖沼沉積的淤泥質(zhì)黏性土組成。

針對地下段工法要求,在收集區(qū)域水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,開展水文地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場水文試驗、長期水文觀測、室內(nèi)試驗相結(jié)合的水文地質(zhì)勘察工作。 充分查明了地下水類型、賦存條件、含水層分布規(guī)律,以及地下水的補徑排條件、地下水與地表水聯(lián)系。 通過室內(nèi)試驗與現(xiàn)場測試結(jié)合綜合求取含水層滲透系數(shù)、巖土體滲透性等水文地質(zhì)參數(shù),以充分評價地下水降水引發(fā)的地質(zhì)與環(huán)境問題。 考慮蕪湖地區(qū)所處長江東岸的地理位置及地表、地下水發(fā)育的情況,針對地下水對結(jié)構(gòu)物上浮問題,開展為期540 d 長期水文觀測工作,長期水文觀測成果見圖7。

圖7 長期水文觀測成果

2016 年長江中下游地區(qū)發(fā)生了自1998 年以來最為嚴(yán)重洪災(zāi),水位達(dá)到1998 年之后最高值。 依據(jù)勘察各階段水文觀測成果,準(zhǔn)確提出地下段結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)防水位建議,優(yōu)化抗浮設(shè)計參數(shù)。 水文專項工作見圖8。

圖8 地下段水文專項工作

3.4 其他

除上述重點地質(zhì)問題以外,勘察過程中,為查明隱伏斷裂、人為坑洞等不良地質(zhì)與特殊巖土,以及準(zhǔn)確求取設(shè)計所需物理力學(xué)參數(shù),采用以下綜合勘察手段(見表3)。

表3 綜合勘察方法應(yīng)用一覽

4 結(jié)語

蕪湖跨座式單軌在勘察過程中,全面采用綜合勘察技術(shù),充分查明工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件,在綜合求取巖土體物理力學(xué)參數(shù)方面發(fā)揮重要的作用。 在巖溶區(qū)勘察中,采用基于地面電法與孔中地質(zhì)雷達(dá)(單孔雷達(dá)、跨孔雷達(dá)CT)與鉆探聯(lián)作的覆蓋型巖溶識別技術(shù),取得了較好的效果;針對蕪湖典型軟土問題,通過多種勘察方法的綜合應(yīng)用以及成果資料分析,給出不同成因類型軟土的物理力學(xué)性質(zhì)的差異;針對地下段水文地質(zhì)問題,開展了長期水文觀測、室內(nèi)試驗、水文試驗等綜合水文勘察工作,取得較為準(zhǔn)確的水文參數(shù)?？辈爝^程中通過總結(jié)提煉,編制形成較為完善、系統(tǒng)的跨座式單軌交通巖土工程勘察技術(shù)要求與標(biāo)準(zhǔn),積極推動單軌巖土勘察技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。