成都至都江堰铁路工程地质勘察

2014-01-03徐正宣蒋良文

铁道标准设计 2014年1期

徐正宣，蒋良文

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

成都至都江堰铁路(简称成灌铁路)是中国首条时速200 km城际无砟轨道铁路，起于成都主城区，西至都江堰。该项目于2008年“5.12”汶川地震后开展前期研究设计工作，2008年11月开工建设，2010年5月建成运营。该项目是地震灾后规划重建的重大项目之一，也是我国在高烈度地震区建成的第一条市域高速铁路，对加快灾后重建、促进灾区经济社会发展具有重要作用;同时对合理开发旅游资源、加快沿线城镇化进程，带动沿线经济发展，推进全域成都的实现和全国统筹城乡综合配套改革实验区的建设具有重要意义。

线路位于成都冲洪积平原西部边缘，经过府河、徐堰河、走马河、江安河、沙沟河、沙河等河流，穿越蒲江—新津—广汉、大邑—彭县—什邡、龙门山山前等区域性隐伏断裂带;沿线地势东南低西北高，地势整体上平坦开阔，地形起伏小，呈阶梯状上升，地貌类型单一。整个平原主要展现了山前冲洪积扇，河流阶地、漫滩，冰水-流水堆积扇状平原，周边一、二、三级堆积侵蚀台地的地貌形态。

1 工程概况

成灌铁路正线线路长65.465 km，桥梁占线路全长的67.8%，全线设有成都、安靖、红光、郫县东、郫县、郫县西、安德、聚源、都江堰、青城山、迎宾路、李冰广场、漓堆公园15个车站。铁路等级为客运专线，双线，首创了具有自主知识产权的CRTSⅢ型无砟轨道、时速200 km无砟轨道桥梁、地铁与城铁同台换乘等新技术。犀浦站为该线与成都市地铁2号线的换乘站，设计采用“同台换乘”的换乘方式。车站按全高架设计，规模为2台4线，设450 m×15 m×1.25 m岛式站台2座，可实现两者间的换乘客流“门对门”的直接换乘，首次在国内实现了城际客运专线(国铁)与城市轨道交通共站同台换乘。

2 区域地质概况

2.1 地层岩性

成都平原是中生代以来，继承性的沉降盆地。第四系地层厚度变化，主要受断陷内邛崃—大邑—彭县断裂和新津—蒲江断裂及其隐伏延伸断裂的控制，两构造线间为平原主体部份，第四系厚度一般30～300 m，最厚处，主要在彭县—竹瓦深陷范围，第四系厚度为350～540 m。其下伏地层为中生界白垩系泥岩、砾岩(表1)。

表1 沿线主要岩土层概况

2.2 地质构造(图1)

图1 成都平原及周边构造纲要

成都平原在构造位置上处于我国新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘，界于龙门山隆褶带山前江油—灌县区域性断裂和龙泉山褶皱带之间，为一断陷盆地。该断陷盆地内，西部的大邑—彭县—什邡和东部的蒲江—新津—成都—广汉两条隐伏断裂将断陷盆地分为西部边缘构造带、中央凹陷和东部边缘构造带3部分。

龙门山隆褶带，经青川、都江堰至二郎山，长500余km，宽25～40 km。这是一个经历了多次强烈变动的、规模巨大的结构异常复杂的东北向构造带。

龙泉山褶皱带，展布于中江、龙泉驿、仁寿一带，长200 km，宽15 km左右，为龙泉山背斜及一系列压扭性逆(掩)断层组成，呈NE走向，现今时期断裂活动标志少。

2.3 水文地质特征

2.3.1 地下水的分布特征及渗透性

按地下水赋存条件，地下水分为两种类型:第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。其中，第四系孔隙水，主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大，地下水丰富，是段内地下水的主要存在形式。基岩裂隙水一般不发育。

(1)上部含水层

第四系松散堆积层孔隙潜水含水层。连续分布在岷江冲洪积扇平原上部，第四系全新统(Q4al+pl)和上更新统(Q3fgl-al)砂砾卵石层中，含水层厚10～20 m。渗透系数20～40 m/d，含水丰富，钻孔单井出水量为1 000～3 000 m3/d。据现有资料，郫县永兴钻孔出水量为1 939.34 m3/d(S=3.01 m)。地下水类型多为HCO3-Ca，矿化度0.3 ～0.5 g/L。

(2)下部含水层

第四系孔隙承压含水层。赋存于第四系中更新统下段(Q21)和下更新(Q1)含泥砂砾卵石层之中。连续分布在第四系下部，受基底形态的控制，含水层由西向东逐渐减薄。一般厚10～100 m，最厚达157 m。钻孔单井出水量700～1000 m3/d，渗透系数1～5 m/d。据调查，郫县乐百氏矿泉施工钻井出水量765.68 m3/d，降升8.83 m，渗透系数2.58 m/d，地下水水头埋深1.70～2.03 m，高出其隔水顶板36.80～36.47 m。

(3)隔水层

第四系中更新统上段(Q22)为含砂泥质砾卵石层，卵石多为强风化，结构致密。位于上部含水层(Q3)与下部含水层(Q21+Q1)之间，分布稳定，其厚度20～70 m，弱含水，渗透系数小于1 m/d。对下伏含水层起到较好的封闭作用。

掩埋于第四系松散堆积层之下的白垩系灌口组(K2g)，是一套紫红色泥岩、粉砂质泥岩、结构致密，厚度＞240 m。为稳定的隔水层。

2.3.2 地下水的补给、径流与排泄

成都市充沛的降雨量(多年平均降雨量947 mm，年降雨日达140 d)，构成了地下水的主要补给源。同时，临近黑石河、金马河、江安河、走马河、油子河、徐堰河、游子河、沱江河地段，河水也成为地下水的主要补给源。此外，区内地下水还接受NW方向的侧向径流补给。

线路处于岷江冰水流水堆积扇上，地表水自扇顶入渗地下，通过径流至扇前、扇间与下游河道又转化为地表水，这是平原内地表、地下水间的一种大的转化循环，这个大循环中，河道起主要排泄作用。本区内的金马河、走马河、沱江河等为主要排泄通道。成都地区地下水总的流向为北西向南东。

2.3.3 地下水的动态特征

区内地下水具有埋藏浅，季节性变化明显，水位西北高东南低，沿河一带高，河间阶地中部低的特点。

根据区域水文地质资料，成都地区丰水期一般出现在7、8、9 月份，枯水期 12、1、2 月份，以 8 月份地下水位埋深最浅，其余月份为平水期。在天然状态下，区内枯水期地下水位埋深3～5 m;丰水期地下水埋深2～4 m。根据区内地下水位动态长期观测资料，在天然状态下，水位年变化幅度1～3 m的占观测点总数的65%，小于1 m的占10%，大于3 m的占25%)，变幅正常。

2.4 不良地质与特殊岩土

2.4.1 地震液化

据勘探资料，液化砂土，松散，饱和，分选性差，呈透镜状零星分布于沿线。厚度一般为1～3 m，局部稍厚达5 m，一般埋深小于20 m。全线地震动峰值加速度为≥0.10g，车站、路基、桥涵工程地基应根据检算对液化土层采取工程加固措施，确保基础的稳定。

2.4.2 人工弃填土

主要为黏土，褐黄、灰黄等色，硬塑状。人工弃土为既有线弃土，分布于既有铁路两侧，厚0～4 m，分布范围较小，一般对工程影响不大。沿线房屋建筑、道路表层均分布有人工填土，一般厚度0～5 m，若以填方通过，应注意夯实、碾压。

2.4.3 软土、松软土

沿线广泛分布软土及软塑状黏性土(松软土)，共计18段，总长约 6.984 km，占全线路基总长的25.07%。

软土及松软土多分布在堰塘、水田浅层和表层，为第四系冲洪积及冰水、流水堆积流塑～软塑状淤泥质黏土、软黏性土等。据静力触探揭示，呈透镜状或软硬互层状(夹层状)分布，单层厚0～3.3 m，总厚可达2～5 m。具有土质不均、含水量及孔隙比较大、有机质含量小、厚度变化大等特点。软土、松软土对路基工程影响较大，应按工点检算处理。

沿线软土、松软土受季节性影响较大，主要是因排水不畅形成的谷地相软塑状粉质黏土，施工中应根据不同季节采取不同工程措施。

2.4.4 膨胀土

仅分布于成都东运用整备所范围内。

为厚8～20 m的风积黏性土。其母岩主要是具一定膨胀性的泥岩、泥质砂岩，其中的蒙脱石等矿物组分因淋滤、搬运、富集于土体中，使黏性土也具有大小不一的、非均质的膨胀性。

根据试验资料统计结果，成都黏土自由膨胀率40% ～81%，液限为31% ～59.4%，蒙脱石含量M=10.48% ～36.52%，阳离子交换量CEC(N H4+)=15.8～44.3 mmol/100 kg;据附近既有成都枢纽土工试验资料，棕黄、褐黄、灰黄等色成都黏土自由膨胀率为40%～72%，液限为 38% ～50.6%，蒙脱石含量 M=13.29% ～39.55%，阳离子交换量C EC(NH4+)=15.8～29.57 mmol/100 kg，属弱～中等膨胀土，具遇水软化、膨胀、强度降低、失水收缩、开裂、干硬等特征，对线路有一定影响。路堑边坡应放缓并应封闭防护，加强排水;高路堤应对基底进行处理。

3 工程地质勘察

3.1 执行的勘察规范或勘察体系

勘察中执行最严格的规范体系，对于地铁与城铁同站台换乘的犀浦站执行地下铁道与轻轨交通岩土工程勘察规范，对其他工程执行现行铁路工程勘察的所有标准及规范。

3.2 系统综合分析，针对性选用综合勘察方法

针对不同工程类型、工程特点，在广泛收集、整理、研究沿线既有资料，初步掌握沿线工程地质、水文地质条件的基础上，系统综合分析，针对性选用了地质测绘、物探(包括电测深、地震影像、地震反射)、钻探、坑(槽)探、原位测试(超重型圆锥动力触探试验、重型圆锥动力触探试验、静力触探试验、标准贯入试验等)、现场大口径水文地质试验、室内试验等相结合的综合地质勘察手段、先进的勘探技术和工艺，并对各种勘探、测试、试验成果进行综合地质分析。全面查清了地层结构、岩土体特征、不良地质和特殊岩土的分布特征等工程地质条件，查明了地下水补、径、排条件，地表水与地下水的连通关系，岩土体的富水性和渗透性，以及地下水动态特征。提供了设计、施工所需的各种岩土参数和水文地质参数，对施工和运营中可能发生的工程地质问题进行预测，并提出了合理、可行、经济的工程措施建议，此外还进行了地震安全性评价、建设用地地质灾害危险性评估等专项工作。

3.3 利用地震反射法进行勘探

查明钻探无法进场及覆盖层变化较大地段主要岩土层的界线、卵石土密实程度。

该线在勘察过程中采用综合地质勘察方法，沿线由于建筑物多，大面积地段钻探无法进场及覆盖层变化较大路段，利用地震反射法进行勘探，在地震反射工作中，采用正反向激发、6次覆盖的规则观测系统，偏移距为8 m;激发为地表锤击，在每个激发点多次激发并垂直迭加;道间距1 m，检波器主频100 Hz;使用美国EGG公司制造的NZ24型地震仪采集数据，采样率0.125 ms，记录长度 220 ms，延迟时间 0 ms，滤波档为全通。综观反射时间剖面(图2)，从上至下从20～40 ms范围内存在两组能量较强、连续性较好的反射波组，速度分析资料表明，迭加速度分别约为1 200 m/s和1 300 m/s。结合钻探资料综合分析，第一波组对应为松散卵石土与中密卵石土的分界面，第二波组对应为密实卵石土的顶界面。

图2 地震勘探成果分析

通过地震反射法进行勘探查明主要岩土层的界线、卵石土密实程度，再布置钻探工作进行验证，取得了良好的效果。

3.4 采用新的钻探技术和工艺

成灌铁路沿线大面积分布有卵石土、漂石土等复杂地层，且厚度较大(一般＞20 m)卵石、漂石的主要成分为坚硬的花岗岩、石英砂岩、灰岩和硅质岩等，充填物常以砂、砾为主，尤其是在高水位、富含水、强透水的松散砂卵石层勘探，钻进困难、取芯率低、孔壁易垮塌，冲洗液消耗量大，容易发生埋钻等事故。传统的钻探方法是采用一字或十字钻头，将卵石或漂石冲击破碎成小块，然后用阀管钻或勺钻提取，并采用泥浆护壁，在孔壁易垮塌的松散—稍密的地层中钻进时采用套管护壁;卵(漂)石层较薄时也常采用机械冲击回转、单管取芯、泥浆护壁、套管护壁的方法进行钻进。传统钻探方法虽也能达到钻探取芯的目的，但由于其冲击钻进时破坏了原有地层结构，取出的岩芯全呈碎石状(图3)，造成了卵(漂)石与其充填物分离，不能真实反映卵(漂)石层内的充填物和夹层情况。

图3 采用传统钻进方法采取的卵石土岩芯

确保卵石土、漂石土等地层钻探原状性和采芯率，是保障工程地质勘探质量最为关键的基础和前提，同时也是地质勘察精细度的要求。本次地质勘探在充分研究地质条件、勘探新技术、新工艺的基础上，打破金钢石钻不适用于高强度、松散、破碎地层常规，在高水位、松散的卵漂石层采用:冲击回转、双层单动金刚石钻进，PW植物胶+泥浆护壁的技术和工艺。采用该工艺后，单机日均进尺可达到6～12 m，最高单机进尺可达到16 m，岩芯采取率高达85% ～100%，卵(漂)石土的结构和组成物质保持了原样(图4)，对卵(漂)石土中0.20 m以上的砂夹层也真实地进行了反映［11］。新的工艺极大提高了卵石土、漂石土地层的岩芯采取率，为分析判定卵石土、漂石土及充填物的物质组成、工程特性提供了十分重要前提条件，高效、优质地保证了勘察质量，对卵石土、漂石土钻探中采取植物胶护壁、冲击回转、双层单动钻进等方法起到示范和推广应用的作用。

图4 采用新工艺采取的卵石土岩芯

3.5 采用全孔连续超重型动力触探，测定卵石土力学指标

动力触探是在工程地质勘察中常用的原位测试方法之一，通过触探试验可以获得卵石土的物理力学性质指标，可以判定卵石土的均匀性，同时还具有钻探和测试的双重功能。

成灌铁路沿线高架桥和漓堆支线隧道主体结构基本位于卵石土夹透镜体砂层中，全线车站房屋建筑基础持力层也位于卵石土中，因此，卵石土地层的力学参数对设计、施工十分重要。勘察阶段在收集成都地区类似工程经验的基础上，经过分析对比，成都地区的卵石层更适合采用超重型动力触探，因此，在本线勘察中采用全孔连续超重型动力触探试验的方法，结合旁压试验成果，评价卵石土地层的均匀性和密实程度，确定其地基承载力、压缩变形指标等，满足了设计和施工的需要。

4 结语

(1)成灌铁路为双线客运专线，首创了具有自主知识产权的CRTSⅢ型无砟轨道、时速200 km无砟轨道桥梁、地铁与城铁同台换乘等新技术，对工程地质勘察提出了更高的要求。

(2)系统综合分析，针对性选用了地质测绘、物探(包括电测深、地震影像、地震反射)、钻探、坑(槽)探、原位测试(超重型圆锥动力触探试验、重型圆锥动力触探试验、静力触探试验、标准贯入试验等)、现场大口径水文地质试验、室内试验等相结合的综合地质勘察手段、先进的勘探技术和工艺，并对各种勘探、测试、试验成果进行综合地质分析，查清了成灌铁路的工程地质与水文地质条件。

(3)地震反射法能有效查明主要岩土层的界线、卵石土密实程度。

(4)在高水位、松散的卵(漂)石层采用冲击回转、双层单动金刚石钻进，PW植物胶+泥浆护壁的技术和工艺，可极大提高了卵石土、漂石土地层的岩芯采取率，该新技术和新工艺值得推广应用。

(5)全孔连续超重型动力触探可有效测定卵石土力学指标，适合在卵石土较厚的成灌铁路推广使用。

［1］ GB50021—2001 岩土工程勘察规范［S］.北京，中国建筑工业出版社，2001.

［2］ GB50307—1999 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范［S］.北京，中国计划出版社，1999.

［3］ TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［4］ TB10027—2012 铁路工程不良地质勘察规程［S］.北京:中国铁道出版社，2012.

［5］ TB10049—2004 铁路工程水文地质勘察规程［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［6］ TB10013—2004 铁路工程物理勘探规程［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［7］ TB10014—98 铁路工程地质钻探规程［S］.北京:中国铁道出版社，1998.

［8］徐正宣，等.新建铁路成都至都江堰铁路工程地质报告［R］.成都:中铁二院工程集团有限责任公司，2008.

［9］徐正宣，等.成都至都江堰铁路工程地质勘察［R］.成都:中铁二院工程集团有限责任公司，2010.