地下水发育深路堑的勘察与设计

付月平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063)

随着铁路建设的跨越式发展,铁路工程建设中,“以人为本”、“加强环境保护”等设计理念越来越得到重视,也逐步地在工程建设中得到贯彻实施。结合工程实例,介绍铁路穿越富含地下水深路堑的勘察及设计中贯彻实施上述理念的应用情况和取得的效果。

1 工程概况

新建铁路宁启线南京至海安段为国铁Ⅰ级干线,单线路基,是国家规划“八纵八横”铁路网东西通道的重要组成部分,该铁路的建设,对于完善江苏省交通运输体系,促进江苏特别是江北地区社会经济持续发展具有重要意义。宁启铁路K53+352～K53+826段位于仪征市青山镇边上,最大地面高程60 m左右,为全线分水岭,俗称垭口,路基以挖方形式通过,中心最大挖深约15 m。地貌上为长江高阶地区,自然坡平缓,植被发育,部分辟为水田,有村庄及村民生产和生活。

2 地质情况

路堑地层自上而下依次为①第四系上更新统冲积层Q3al黏土,褐黄色,硬塑,厚2 ～12 m,无膨胀性 ；②第三系圆砾土,充填物为黏土,灰黄色,密实,潮湿,厚0 ～8.6 m；③砾砂,灰黄色 —灰白色,密实,饱和,厚0～5.6 m,分布不连续；下伏白垩系上统赤山组棕红色粉砂岩,全风化层厚1.2～4.2 m,下为强—弱风化带。该段地下水发育,水位埋深2.5～10 m,稳定水位高程48.17～48.43 m,水位均位于黏土层中,具承压性。抽水试验表明,地层综合渗透系数K=0.92～6.41 m/d,单井水力影响半径R=34～93 m,单井涌水量为Q=0.748S L/s(S为水位降深/m),如图1所示。

3 主要环境工程问题

线路中心最大挖深约15 m,路肩位于地下水位以下的圆砾土及砾砂层中,该层为主要的地下水含水层。路堑开挖时,圆砾土特别是砾砂层边坡将产生涌水、坍方,预计最大涌水量为Q=4 383 m3/d。地下水大量流失不仅影响边坡稳定,对周围环境破坏较大,将导致附近水塘、水井水位下降乃至干涸,严重影响到农田灌溉及居民日常生活。经过调查统计,有水塘8处,水井16处,村民人口约150人,耕地约15亩。水塘、水井水主要用于灌溉及日常清洗,少数作为饮用水源。总的来看路基地质条件较差。

图1 K53+352～K53+826深路堑工程地质水文地质纵断面

4 主要工程措施

4.1 加强工点的工程地质及水文地质勘察

要查明工程实施对环境的不利影响,在保证工程安全稳定的条件下选取经济合理的工程措施,必须要有详实可靠的基础资料。为此,勘察设计人员有针对性地加强了对工点周围的工程地质及水文地质勘察。通过扩大地质调查范围,详细查明了附近村民生产生活情况,水塘水井的分布及数量、用途等；在地质调查及工程地质钻探的基础上,进行了专门的水文地质勘察工作；通过水文地质钻探及孔内抽水试验,详细查明了地下水分层情况,水质、水位变化情况,含水层的性质、厚度,单井涌水量及水位降深,并依据试验参数估算了地层渗透系数、路堑开挖时地下水涌水量及其影响范围,让相关人员(包括设计者)对工程实施可能对环境造成的不利影响范围、程度心中有数。

4.2 加强线路方案的比选工作

K53+352～K53+826段深路堑右侧临近宁通高等级公路,左侧距离南山水库有一定的距离。受地形条件限制,平面上线路位置可选择的范围较小。该项目近50年来历次勘察在该处的线路位置基本没有大的变化,要从平面上避开此处困难较大,因此应优先从纵断面上进一步优化。工程地质平面如图2所示。

初步设计时,该段线路纵坡限坡为4‰,中心最大挖深约为18.9 m,深路堑长度约1 100 m,路基面以上含水层厚度最大在6 m左右。施工设计中,在充分收集基础资料的基础上对纵坡进行了比选优化,经过技术经济比较,确定采用6‰限坡通过,深路堑长度减至约474 m,路基面以上含水层厚度最大降至2 m左右,且基本避开了含水量最丰富的砾砂层,尽量减少了工程实施对环境破坏的范围,增加了工程的安全性。其影响范围如表1所示。

表1 影响范围

4.3 精心选择路基加固及防护方案

该深路堑设计考虑的重点是在保证施工和运营中路基安全的条件下,尽量减少工程对周围环境的影响、破坏,减少外部环境对工程的干扰和影响,确保施工顺利进行。为此,在确定采用封闭式路堑的前提下,对排除地下水、注浆止水、旋喷止水等防治地下水方案进行了比选(见表2)。

表2 地下水防治方案比选

采取开挖排水沟,顺坡自然排水,降低地下水位后再进行边坡防护、修筑基床的方案,其直接工程费用低,施工简单,但施工具有较大的风险性,对周围环境尤其是水环境的影响较大,施工不可避免地要受到外部干扰,工期不能保证,还会有后期的巨额赔偿等问题,不符合大的社会环境要求,应首先不予采用。

经过综合比选,最终采用钢筋混凝土U形封闭槽及止水的综合措施,具体为含水层以上土体放坡开挖,边坡采用浆砌片石拱形截水骨架内喷播植草防护,下部设钢筋混凝土U形封闭槽,高4～5 m,U形槽顶设宽8～10 m的边坡平台。U形封闭槽施工开挖前,根据地层情况在U形槽背部和底部采用钻孔注浆止水及旋喷桩止水,防止地下水泄漏,保证边坡稳定；U形槽与岩土体接触处铺设单层复合防水卷材,U形槽节与节之间加强防渗设计,防渗材料由“625”型塑料止水带和沥青麻筋、沥青木丝板及沥青砂胶组成,且节与节之间以穿销连接。注浆采用钻孔内套管注浆法注浆,间距1.8 m ×2.0 m,梅花形布置。注浆浆液为纯水泥浆,水灰比为0.6∶1,注浆效果通过压水试验及钻孔取样观察进行检验。

图2 K53+352～K53+826工程地质平面示意

本着“以人为本”的设计理念,在U形槽顶平台靠路基侧边缘增设1.5 m高钢板防护网,平台上植草、种灌木,形成一条绿色景观带。设计中还对路堑开挖、旋喷桩及钻孔注浆止水、U形槽砌筑、止水效果检验等都提出了严格的工艺要求及施工流程,以保证施工顺利进行。设计典型断面见图3。

图3 U形槽设计大样

5 设计效果

施工过程中精心组织,严格按设计图要求施工,通过现场试验不断改进施工工艺,提高施工质量,确保了注浆及旋喷止水效果。经过检验,注浆体取芯观察有粒状、片状及水泥块分布,压水试验其渗透系数为5.6×10-6cm/s,小于设计要求；旋喷桩幕墙虽然出现潮湿现象,但无渗漏水及塌方,桩体垂直倾斜度 ＜1.5%,开挖前设置观察桩,观察无位移变化。开挖过程中没有出现坍方、涌水现象,周围村民的水塘、水井水位无明显变化,其日常生产和生活没有受到影响,施工顺利,工期按时完成。U形槽工程完工后路堑内无渗水,达到了保护环境,保证运营安全的设计目的,证明了设计措施合理,效果明显。该工程实施过程中多次得到铁路建设方和地方政府的考察和赞扬,取得了良好的社会效果,为宁启铁路新建工程按时开通并达到开通时速100 km打下了基础。

[1]TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[2]TB10049—2004 铁路工程水文地质勘察规程[S]

[3]TB10001—2005 铁路路基设计规范[S]

[4]铁道部.铁路工程设计技术手册：桥梁地基和基础[M].北京：中国铁道出版社,2002

[5]铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社,1999

[6]JGJ79—2002 建筑地基处理技术规范[S]

[7]TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S]

[8]YSJ211—92 注浆技术规程[S]