多种勘察手段在高速公路勘察中的综合应用

刘小龙

1 概述

1.1 概况

王庄堡—繁峙高速公路(以下简称王繁线),是山西省高速公路网规划中“3纵 11横 11环”的高速公路网主骨架东纵的重要组成部分,也是第 3横局部重合路段。项目起点位于大同市浑源县王庄堡镇西北,与灵丘—山阴高速公路 T形交叉,终点于忻州市繁峙县楼岗村南与规划的繁峙—神池高速公路相接,经浑源、繁峙二县,其中浑源县境内13.05 km,占路线全长22.426%,繁峙县境内45.141 km,占路线全长77.574%。

1.2 地形、地质特点

项目区位于山西省东北部,其东部和北部为恒山山脉,地势高峻,峰岭高耸,海拔一般在 1 400m以上,主要山峰为铁交岭和目泪坨等;西部为滹沱河上游阶地,地势较为平坦;路线范围内,地势呈现出东高西低,东边山区,岩性复杂,西边河谷,地层简单的总体特征。根据地貌特征及成因类型将项目区划分为山前冲洪积倾斜平原区、山前冲洪积黄土丘陵区、构造剥蚀基岩中山区、构造侵蚀河谷区和河谷冲积平原区五个地貌单元。

1.3 勘察工作思路及程序

首先收集与线路走廊有关的地质资料,初步了解沿线地形、地貌条件和岩土结构特征。然后通过 1∶10 000全线工程地质调绘及 1∶2 000工点调查,进一步查清工程区地形地貌、地层岩性、工程岩土类型、水文地质、不良地质以及特殊性岩土分布等情况。对工程地质调绘难以调查清楚的地质问题,根据其所处地段工程地质特征或构造物类型,有针对性的选择物探、钻探、挖探等勘探手段。勘探工作量的大小以能够解决工程地质问题和满足设计要求为宜。

2 各种勘察手段综合应用

2.1 勘察方法

勘察方法以地质调绘、工程钻探、挖探、原位测试及室内试验为主,辅以物探的原则进行,各种勘察方法及使用目的见表 1。

表1 勘察方法一览表

2.2 综合应用

2.2.1 工程地质调绘(测量)

初勘阶段,通过 1∶10 000比例尺(中线两侧各 500m)工程地质调绘,首先从宏观上查明了推荐方案及各比较方案的地形地貌、地层岩性、地质构造、特殊岩土及不良地质分布情况,为路线方案的比选提供了必要的地质依据;其次通过 1∶2 000比例尺(中线两侧各 200m)对全线各个方案总计大中桥 62座(包括枢纽及互通),深挖路堑 31段,天桥和立交 27座,隧道 3座,涵洞或通道44座,进行了工点地质调绘,并对隧道进出口、深挖路堑及特大桥、大桥桥台边坡稳定性进行了定性评价,为路桥方案的比选和初步设计提供必要的地质依据。

工程地质调绘在初步设计阶段对路线方案的比选提供了重要的地质依据,使最终的路线推荐方案尽可能绕避了不良地质。

详勘阶段,对优化后最终的路线方案、新增大中型构造物及新发现的不良地质和特殊岩土进行补充工程地质调绘,完善、核实、修正初勘调绘资料,对于露头好,地层岩性分界清楚,地形陡峭,钻机非常难到位的个别桥台,实测记录桥台剖面地层岩性、状态,代替钻孔资料。既满足了设计需要,也有效提高了勘察进度。

2.2.2 钻探

钻探在公路工程地质勘察中是广泛采用的一种最重要的勘察手段,通过其获得了深部地层的可靠地质资料。主要用于对沿线桥梁、隧道等构造物及滑坡、空洞等不良地质的勘探,同时采取岩土的试样,以获得岩土的物理力学指标。

根据不同勘察阶段,钻孔布设原则相应变化,满足《公路工程地质勘察规范》的规定。其中在详勘阶段桥梁工程沿桥轴线布设钻孔,原则上每墩(台)布孔,在地层较复杂的桥位处增加横向钻孔,孔深视孔跨、地层结构及填挖方厚度钻 20m～60m;隧道工程在初步勘察基础上,对疑点、异常点、重点进行补充钻探,钻孔深度一般达到隧道底板设计标高以下 2.0 m。钻孔直径开孔为110mm,终孔为 91mm,所有钻孔均按技术性钻孔取样,取样间距1.0m～1.5m,对于均质厚层土取样间距2.0m～3.0 m,各类岩土岩芯采取率均达到规范要求。

本项目两阶段钻探共使用XYL-I型履带式钻机 5台,XL-100型钻机 10台,XL-150型钻机 16台,Y2钻机 4台,以回转钻进为主,冲击钻进为辅,共完成钻孔578个,总进尺22 250.3m,其中大中桥 15 247.8 m/403孔,深挖 1 926.8 m/29孔,天桥及立交3 554.6m/70孔,隧道 243m/5孔,共采取原状样品 4 241个,扰动样品 1 112个,岩石样品 301组,DCP试样 30件,地下水试样3件。通过较为密集的钻探,首先探明了全线深部地层情况,为室内试验采取了大量的试样,为原位测试提供了便利,为所有构造物地基强度及稳定性评价提供了保障,满足了桥隧设计的要求;其次验证了调查和物探深度、隧道的物探土石界面;同时提供了隧道围岩综合分类的岩石物理力学指标;另外也为全线地下水位的判断、量测、地下水试样采取及孔内摄影测试创造了条件。

2.2.3 原位测试

本项目勘察的原位测试包括标准贯入试验和中型动力触探试验,其中在对砂类土、粉土或软弱粘性土钻探时,按深度进行了标准贯入试验,根据标贯击数,判定砂土密实度或粘性土稠度,估算土的强度和变形指标,评价砂土、粉土的振动液化,并可采取扰动土样进行一般物理性试验;在对碎石类土、各类软质岩石及强风化、全风化的硬质岩石钻探时,按深度进行了中型动力触探试验,根据触探击数,评定了碎石类土的孔隙比、密实度和岩石的风化界面,确定了土、岩承载力。本项目两阶段勘察共进行标准贯入试验 120次,中型动力触探试验 195次。为确定砂土、碎石土及风化岩的承载力提供了准确的依据。

2.2.4 地球物理勘探

地球物理勘探简称物探,其优点是效率高、成本低、仪器和工具比较轻便、对地形条件适应强。针对王繁高速隧道所处区域地形复杂、地表覆盖厚层黄土、土石界面不清的特点,在初勘阶段对推荐方案 A线太安岭隧道物探采用浅层反射波地震勘探方法,沿隧道左、右线布置 2条测线,剖面总长度 4 880m。通过上述物探手段,对判定沿线隧址区地质构造、土石界面及岩石风化壳厚度,调整隧道的埋深,确定不同层位岩土的弹性波波速,进行围岩工程地质分级提供了地质依据。

详勘阶段对太安岭隧道典型钻孔采用孔内摄像的方法,对确定隧址岩体节理、裂隙等发育情况及其在孔内的位置、走向;确定孔内地下水的出水点,直接观察出水量提供了依据。为隧道的施工图设计和施工方案的确定提供了可靠的地质依据。

2.2.5 挖探

挖探主要用作判定沿线黄土湿陷性及湿陷等级;确定滑坡滑动面的位置;对钻机难以到位的高填涵、深挖方,也采用挖探的方法代替钻探,其优点是能够取得详尽的直观资料和原状土样,缺点是勘探深度有限。

本项目初勘在对全线Q3湿陷性黄土勘察时,采用挖探手段,样品规格127mm×200mm,取样间距1.0m。共布设完成湿陷性黄土探井54个,深度一般5.0m～15.0m,累计进尺515.3m,共采取原状样品 497个。通过挖探采取的Ⅰ级原状土试样,满足了室内相关试验要求,为全线湿陷性黄土的评价和路基及相关构造物地基湿陷性处治提供了可靠依据。

另外本项目初勘时,对 AK 26+800处银钩滑坡采用挖探的方法,准确的找到了滑面,为确定滑坡的处置方案、工程量等提供了依据。详勘时路线偏移该滑坡。本项目初、详勘时,对于钻机难以到位的高填涵、深挖方,也采用挖探的方法代替钻探,为设计提供了准确的地质资料,同时节约了成本、加快了工期。

2.2.6 室内岩土试验

室内试验包括岩土试样的常规试验和强度试验。本项目对全线构造物钻探、挖探所采取的所有岩土试样根据岩性的不同均做了相应的常规试验项目,获取了其密度、含水量、液限、塑限、孔隙比等物理性质,每个钻孔的原状土样间隔做压缩试验和直接剪切试验,获取了土的压缩系数、压缩模量、粘聚力、摩擦角等力学性质指标;对探井采取的原状黄土试样加做双线浸水压缩试验,用以判定黄土湿陷性;对钻孔所采取的新鲜岩样,桥梁地基做天然湿度单轴抗压强度试验,隧道围岩做饱和单轴抗压强度试验;对初判膨胀土试样加做有关工程特性指标试验;对采取的地表水试样和地下水试样做水质分析试验,判定场地水对混凝土和钢筋的腐蚀性,以备构造物基础材料的防腐蚀处理。

本项目两阶段共试验原状样品 4 241个,扰动样品 1 112个,岩石样品301组,DCP试样30件,地下水试样 3件,取得了详实的岩土物理力学指标,为岩土承载力的取得提供了依据。

3 结语

在王繁高速两阶段勘察中,对于不同的构造物及其所处不同的地形条件、地质情况,有针对性地采用了工程地质调绘、钻探、挖探、物探、原位测试、室内试验等多种勘察方法,既节省了大量的人力、物力和时间,又提高了工作质量,取得了良好的勘察效果。随着山区高速公路的不断延伸,地形、地质条件越来越复杂,建议今后在山区高速公路勘察中应采用多种勘察手段互相配合的勘察方法,多种方法相互结合、相互验证,获得正确的结论,为设计提供可靠的基础资料。尤其初勘阶段应加大工程地质调绘和物探工作力度,适量减少钻探和试验工作量;而在详勘阶段应以钻探、挖探和试验工作为主。

[1] 朱伯宗.高速公路工程初步勘察监理重点及质量控制[J].山西建筑,2009,35(7):288-289.