埃塞俄比亚铁路Mieso-Diredawa段地质勘察工作的思考

2014-01-03何小军徐正宣章丹贵

铁道标准设计 2014年1期

何小军，徐正宣，章丹贵

(中铁二院地勘岩土公司，成都 610031)

近年来，在国家积极推行“走出去”的战略背景下，中国铁路企业努力拓展海外市场，成绩斐然。笔者在这一“走出去”的大潮流中，做为一名地质工程师，有幸参加了埃塞俄比亚铁路Mieso-Diredawa段的建设，从事地质勘察工作。笔者通过在该项目一年多的学习实践过程，并结合在其他非洲国家的工作经历，谈谈在海外开展地质勘察工作的体会。

1 工程概况

埃塞俄比亚铁路Mieso-Diredawa段为施工设计总承包项目，由埃塞俄比亚铁路公司贷款融资建设，中国土木工程集团公司承建。本线属于埃塞俄比亚至吉布提铁路线(Addis Ababa-Djibouti)的一部分，本线路总长度134 km，列车设计时速120 km。

(1)自然地理概况

全线属低丘、平原地貌，地形较为平坦，地势开阔。该线所属区域为热带草原气候，6月至9月为雨季，10月至次年5月为旱季。Mieso月平均温度为5.73℃～38.0℃，Diredawa月平均气温为13.3℃ ～39.8℃，5～8月一般为该地区最热时期。两地年平均降雨量550～900 mm。

(2)地质概况

线路位于东非大裂谷中，是地壳活动的活跃地带，以断层为主的地质构造异常发育，断层以羽状断裂为主，总体走向NNE，主要延伸方向为北东-南西向，线路走向与大多数断层呈小角度相交，其对线路的工程影响较大。经沿线调查测绘，断层构造土层覆盖较厚，现场很难发现构造痕迹。

沿线地层覆土主要以黑棉土、粉质黏土、粉土为主，河流沟槽中分布砂土、卵石土，线路段内无软土。覆土厚度变化较大。黑棉土一般具有中等至强膨胀性。线路分布的粉质黏土一般具有弱膨胀性。下伏基岩主要为第三系玄武岩、凝灰岩，局部地段可见少量(火山)角砾岩分布。玄武岩差异风化严重，风化界线复杂多变，其全风化层多具有弱膨胀性。

2 海外开展地质工作的前期准备

(1)人员配置

应配置专业素养强，有国外勘察经验的地质工程师。海外工作通常与国内的交通联系不便利，并且国内外适用勘察规范不同，因此，地质勘察人员应具备相当的风险控制能力，以及协调管理能力。专业人员需具备一定的英语基础。设备操作手应主要从国内调配，可雇佣当地员工作为助手。人员数量配备可根据工期需要配备，相比于国内，考虑到非洲国家交通运输及劳工素质等因素，在一定的工期之内，尽量多考虑人员安排。

(2)设备调配

海外如非洲国家勘察能力欠缺，勘察设备一般需从国内调运，但调配周期长，报关费时费力，运输费用高，损耗等维修配件不足。考虑设备时，应尽量与当地有勘察设备的公司联系，有条件的，可采用当地设备。

(3)规范适用性

开展工作之前，签订勘察合同时，应明确项目采用的勘察规范。非洲国家一般都采用美国标准、欧洲标准、英国标准，当明确采用中国标准时，应多与咨询公司协调沟通，使其能够理解并支持采用中国标准，以利于后期工作的开展。

(4)当地基础资料

非洲国家普遍缺乏基础资料的收集和整理，地质区域资料一般都由国外公司协助完成，但比例尺都很小，资料年代较早，用于实际工作中有一定困难。而地震资料更是少之又少，业主通常也无能力实施地震安全评价工作。因此，对于设计中需要的地震参数应提前考虑，并在勘察合同中列明，以免对后续工作造成麻烦。气象资料数据一般都比较简单，收集的资料也仅限于较大城市范围，对于线路途径区域，大部分都没有较为详尽的气象资料。因此，对于气象水文资料，应通过多方面的方法手段搜集综合，为设计工作提供支持。

3 实际勘察工作中的问题及处置方法

(1)勘探方法

埃塞俄比亚铁路Mieso-DireDawa段属于施工设计总承包项目，地质勘察工作除应满足勘察规范外，同时也应认真研究勘探方法，提高勘探资料利用率，减少无效勘探量，尽量节约成本。在开始勘察现场工作之前，按照勘察规范要求，根据现场实际情况，拟定本段线路的勘察大纲并通过审查。

①地质调绘是地质勘察工作中的一个重要组成部分。在地质勘察的各个阶段，应根据规范要求进行不同精度的地质调绘。埃塞俄比亚地质资料较为缺乏，可直接利用的区域地质资料很少，进行地质调绘工作可以对铁路工程沿线地质情况有较为直观的认识，对铁路工程的选线、线路方案比较以及钻探、挖探孔等勘探点的布置，具有很强的指导作用，可大大减少无效勘探量。

②钻探是勘探工作的主要手段。在本线路的勘察中，考虑了钻探与其他勘探方法相结合的综合勘察手段。按照本段线路的勘察大纲要求，在地质调绘工作的基础上，并结合工程设置和地质情况布置钻孔，布置原则如下所述。

路基约1 km布置1孔。

桥梁:1～2跨先布置1个钻孔，若覆土或W4薄、基岩裸露、无软弱夹层、差异风化不严重，则不再增加钻孔，否则增加1孔;3～4跨一般布置2～3个钻孔，若覆土或W4薄、基岩裸露、无软弱夹层、差异风化不严重，则不再增加钻孔，否则在地质变化大的地段增加钻孔;5～6跨原则上跳墩钻探，有软弱夹层、差异风化严重、地层界线变化大应增加钻孔;确定做端承桩基础的桥梁，在地质条件复杂、有软弱夹层、差异风化严重、地层界线变化大等地质变化大的地段，逐墩台钻探，否则地质条件简单、均匀、地层界线稳定，跳墩钻探。

根据该布置原则进行钻探，同时预留部分施工阶段勘探量，对个别施工开挖后发现差异风化的地段进行补钻，满足了本线勘察设计精度需要。

③挖探可做为勘探工作的辅助手段。主要应用于土层覆盖较薄地段，可揭示土石分界线。当地人工费用较低，在全线应用该种勘探手段，可满足勘察精度要求，同时也节约了勘探成本。本线路基段勘探工作，按照100 m布置一处挖探，并结合1 km一处钻探的布置原则，取得了良好的效果。

④物探:在该铁路线路前段Sebeta-Mieso段曾应用工程物探，结合验证性的控制钻探，有效地查清了岩土层结构，取得了较好的效果。参照前段经验，本线在工作前期也采用了工程物探，主要应用的是对称四极电法和地震折射法，等视电阻率断面如图1所示。对物探工点进行验证性钻探，结果对比如图2所示。由图1可以看出，采集到的等视电阻率值普遍都偏低，数值分布为3～40Ω·m，土石分界电阻率值相差很小，解译时难以辨别土石分界线及软弱夹层破碎带。由图2可以看出，ZD-Ⅲ -64-1号钻孔1 062.59～1 069.39 m为凝灰岩弱风化(W2)，物探解译结果显示该处为风化、破碎体，两者不相符。分析原因为当地气候干燥，接地效果不好，在采取加盐水改善接地条件后，盐水下渗较快，改善效果不明显。综合看来，本线应用工程物探效果不好，应进一步探索可靠的物探方法。本线将进一步探索可靠的物探方法。

图1 视电阻率断面

(2)膨胀土问题

本线大面积分布膨胀土，主要成因有两类，一类为玄武岩类火成岩风化后，经地表水长期淋滤残积而成，呈灰黑色，当地俗称黑棉土，多出露于山(丘)间盆地或盆地边缘，地形平缓，一般厚度0～6 m，局部大于8 m，裂隙发育，常有光滑面，在自然状态下呈坚硬或硬塑状态，代表性黑棉土如图3所示;另一类呈黄褐色，为火成岩全风化层，分布在地表以下，呈土状，原岩结构尚可清晰辨认，全线范围内均有分布。取代表性黑棉土样品带回国内做膨胀土详判试验，各项指标如表1所示，综合判定该土具有强膨胀性。

图2 钻探与物探对比

表1 黑棉土详判结果

根据勘察阶段试验统计分析，黑棉土具有天然密度、干密度小，天然孔隙比、液限、塑性指数大，自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量高，含有机质(灼烧失量)，中压缩性，多具强膨胀性的特点。

黑棉土为非洲所特有的一种土质类别，路基设计时国内并无这类土的相关资料可供参考。按照中国路基设计规范要求，“基床表层应全部换填符合相应铁路等级标准要求的材料。基床底层应采取换填或土质改良措施。对弱、中膨胀土(岩)处理厚度，时速200 km铁路不应小于1.0 m，其他Ⅰ、Ⅱ级铁路不应小于0.5 m;强膨胀土(岩)处理厚度应大于气候剧烈影响层，且不宜小于基床底层深度。”

要确定强膨胀土的处理深度，应首先得出大气影响急剧层深度，但由于埃塞俄比亚基础资料的缺乏，该深度无法通过查规范等方式得出。在充分理解了膨胀土大气影响深度及大气影响急剧层深度的概念之后，利用铁路勘察资料，对土体含水量随深度变化情况进行分析;利用附近高速公路勘察资料，计算土的湿度系数，以估算大气影响深度及大气影响急剧层深度，最终得出了本地区的大气影响深度为3.5 m，大气影响急剧层深度为1.6 m(大气影响深度乘以0.45)。

根据上述分析，确定了本线膨胀土路堑基床处理设计原则:膨胀土路堑基床采用挖除换填处理，基床表层换填A、B组填料厚0.6 m，基床底层按弱、中、强膨胀土分别换填0.3、0.5、1.0 m。

(3)玄武岩地层强度问题、差异风化问题

全线火成岩广泛分布，呈气孔状、块状构造，细粒～隐晶质结构，由于火山活动的多期次间歇性喷发，火成岩与黏土、火山角砾及火山灰交替产出现象明显，形成软弱夹层，在地质测绘及钻探过程中均能发现。如图4所示。

图4 武岩地层差异风化严重

针对差异风化及软弱夹层问题，对桥梁工程原计划大量采用物探与钻探相结合的方式，查明桥址范围内差异风化情况，但因物探效果不好，只能采用多布置钻探的方式，对桥梁工程加强勘探;路基工程由于线路长，差异风化分布无规律性，应在施工阶段加强地质验基工作，实施超前验基(即路堑开挖1～2 m深后进行一次验基，查看地质情况与设计资料是否相符)，对与设计资料不符的，及时变更。

全线分布的玄武岩及凝灰岩地层强度普遍偏低，根据勘察阶段试验统计资料，玄武岩饱和抗压强度14.95～37.95 MPa，标准值21.17 MPa，属于软岩范畴，与国内一般认识的玄武岩有较大差异。