地铁工程富水砂卵石层勘察评价方法体系研究

2021-04-09胡向阳严耿升

西北水电 2021年1期

胡向阳,严耿升,杨俊,赵成

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065; 2.国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心，西安 710065)

0 前言

地铁工程主要是由车站工程、区间工程、车辆场段及其他附属工程组成并以地下工程为主的综合性工程。工程具有线路工程、建筑工程、地下工程、市政工程的特点，其基础类型和结构形式多种多样；施工方法有明挖法、暗挖法、盾构法等。不同基础类型和结构形式，不同的施工工法，对岩土工程勘察评价提出不同的要求和侧重点[1-2]。地铁工程为带状或线状，线路长，范围大，跨越不同的地貌地质单元、地质构造、地表水体等，工程往往需要穿越城市中心地带，地下管网和周边建筑密集，工程建设周边环境较复杂，勘察施工安全风险较高。因此，地铁工程勘察工作实施难度大，勘察评价要求高,特别是在富水砂卵石地区，地铁工程的勘察特点更为突出。

本文根据地铁工程的特点和富水卵石地层的地质特征[3-4]，系统分析总结了地铁工程富水卵石地层勘察评价重点难点，研究地铁富水卵石层这些工程问题所需的地质资料和岩土参数[5]，提出适宜的勘察方法，形成勘察评价方法体系，为类似工程勘察评价提供适宜的思路和方法。

1 富水砂卵石层地质特征

砂卵石层是在一定的水动力作用下搬运沉积的产物。因此，富水砂卵石地层一般分布在水动力条件强和由强变弱的地段。其主要特点有：

(1) 砂卵石地层多为第四系冲洪积及冰水沉积形成,距母岩源头出山口有一定距离，往往分布于江河河床和两岸漫滩、阶地等场地,具有层厚较大、直接接触、邻近地表水、地下水位高、地下水含量丰富、补给充沛,流速较高、渗透系数大等特征。

(2) 砂卵石地层具有物质组成复杂，母岩成分主要为抗风化较强的花岗岩、石英岩等硬质岩，矿物成分多以石英、长石为主，漂卵石及砂层透镜体不均匀分布，胶结程度较差、结构松散、自稳能力差,颗粒磨圆度较好，分选性较差。

2 富水砂卵石层勘察评价需求分析

地铁富水砂卵石地层勘察评价具有以下特点：

(1) 调查和测绘精度要求高

除常规地质调查和测绘外，应重点调查砂层透镜体、砂卵石母岩成分、矿物组成、漂卵石所占比例和分布规律、颗粒大小、最大粒径等。在盾构机穿越砂卵石地层时，地层中卵石、砾石的矿物成分主要以石英、长石为主，含有大量高强度、大粒径的漂卵石颗粒，导致刀具磨损和大颗粒的排出困难，降低盾构掘进效率[6-7]。

(2) 钻探工艺选择应用

富水砂卵石地层结构松散，自稳能力差，钻进过程中容易塌孔，常规钻探工艺取芯率不高，操作不当，取芯率就会降至50%以下，容易漏失砂层透镜体等关键地层，导致取出的岩芯代表性不强。因此，需要选取先进的钻探工艺和护壁工艺，提高取芯率。图1为采用不同钻探工艺采取的卵石层岩芯照片。采用特殊工艺“改良SM植物胶冲洗液护壁双管单动钻探”获得的岩芯更能准确反映地层物质组成、颗粒成分等信息。

图1 采用不同钻探工艺采取的卵石层岩芯照片

(3) 砂卵石地层的物理力学性质试验

富水砂卵石地层目前生产中只能取得扰动样，难以取得原状样，很多物理力学指标很难通过室内试验获取[8-9]。因此，需要依靠现场试验和孔内原位测试等方法获取物理力学参数指标。

(4) 水文地质勘察

在富水砂卵石地层中，对其工程性质影响最大就是“水”的作用，包括地下水、地表水及岩土体的水力学特性。因此，水文地质勘察重点在于与水相关的勘察方法应用。对于修建于富水砂卵石地层中的地铁工程，勘察、设计、施工的关键水文地质参数主要有砂卵石地层的渗透系数、地下水的流向、流速以及工程降水过程中涌水量的估算等。结合不同地貌单元富水砂卵石的地层特征以及水文地质条件，可采取综合、分层抽水试验、注水试验、提水试验等手段获得水文地质参数。

(5) 其他特殊试验和测试

地铁工程以地下工程为主，与一般建设工程相比，需开展一些特殊的试验测试，获取基床系数、热物理参数、电阻率、地温、放射性等特殊参数。还需进行卵砾石的强度试验和石英含量、黏粒含量分析等。

3 富水砂卵石层勘察评价难点及对策

3.1 地铁工程富水砂卵石层勘察评价难点

根据富水砂卵石层的地质特征，针对地铁工程不同类型工程特点和施工工法特征，其勘察评价的难点如下：

(1) 常规钻探工艺取芯率差，关键层位易漏失，钻孔孔径有限，扰动试样缺乏代表性，许多基本地质条件难以查明。如场地范围内砂卵石土的地层结构、砂层透镜体的分布、颗粒级配、大漂石的占比及分布、密实程度及变化等。

(2) 现行砂卵石地层工程地质分类和岩土施工工程分级不能全面反映砂卵石地层的施工特性和难度，难以为工程设计、工程施工提供合理依据。如盾构选型和施工所需的卵石土颗粒级配、大漂石的占比及分布、最大粒径、卵石的石英含量、母岩成分等，在工程地质分类和岩土施工工程分级考虑不充分。

(3) 原状样获取困难，室内试验难以取得工程所需的地质参数，一般依赖工程经验给出的地质参数，存在较大的安全风险或安全度过高。如砂卵石土抗剪强度指标、基床系数、静止侧压力系数、渗透系数等关乎深大基坑坑壁和隧道围岩稳定、变形性能和渗透特性等的关键参数。

(4) 地表水和地下水水量丰富，水力联系紧密，补径排关系和边界条件复杂，渗透特性影响因素多，准确查明水文地质条件和水文地质参数较难。因而难以准确预测突水、涌水、涌砂、流土、管涌发生的可能性及危害程度，难以准确估算涌水量和评价地下水对深大基坑、暗挖隧道、盾构施工等的影响，建议应有地下水防控措施。

(5) 常规的评价成果以二维平、剖面的形式实现，难以建立地质信息与建筑物结构空间关系，易造成岩土工程勘察与评价中“地质”和“工程”脱节。

3.2 勘察评价对策

由于取芯、水上作业、取样及试样制件等困难原因，多年来，富水砂卵石层的勘察评价一直是工程地质界比较棘手的问题之一。

地铁工程车站、区间及车辆段等建筑物类型不同、施工工法不同，对勘察的要求也有差异，需采用综合勘察方法、技术手段，相互验证、综合分析。本文在系统总结的基础上，提出相应勘察与评价对策如下：

(1) 充分收集区域地质、水文地质、地质灾害危险性评估、地震安全性评价、抗浮抗渗水位、洪水影响评价等资料，充分吸收、消化、分析评价工程地质问题。

(2) 详尽开展工程地质调绘工作，重点调绘地形地貌、地层结构、不良地质现象、周边环境设施等。充分利用周边建筑工地开挖揭露基坑，调查砂层透镜体的分布及特征、卵石土的颗粒级配、最大粒径、母岩成分、卵石强度、漂石分布规律等。

(3) 开展有效的工程地质钻探工作。在富水卵石层勘探时，传统的钻探工艺钻进效率低、易塌孔、取芯率低，无法满足地质信息获取的要求。可采取如“改良SM植物胶冲洗液金刚石回转钻进”等工艺进行工程地质钻探，查明卵石地层岩组划分界限、砂层透镜体分布、颗粒级配及分布规律、最大颗粒、卵石母岩成分、强度、密实程度及变化、胶结程度及变化等重点。

(4) 设置长期水文地质观测孔，测量地下水位。卵石地层钻探成孔时易塌孔，一般需要冲洗液护壁，受此影响孔内地下水位量测困难，同时地下水位受地表水影响，变幅较大。因此，应设置部分长期水文地质观测孔，获取准确的地下水位变动规律。

(5) 充分发挥现场大型试验和测试的优势。由于砂卵石地层难以取得原状试样，难以通过室内试验准确取得设计和施工所需的物理力学指标、变形指标、渗透系数等关键性参数。传统方法多根据经验，通过肉眼观察、工程类比、查阅手册和规范等方法，提出相应的岩土参数，且所提参数过于保守，易造成工程不必要的浪费。开展原位大型试验和测试，可获取第一手物理力学、变形、渗透系数等关键性参数，释放部分设计安全裕度，节省工程投资。

(6) 重视钻孔内原位试验和测试。为更好地取得砂卵石地层的物理力学指标、变形指标、地温、放射性、波速、电阻率等指标，在钻孔内开展连续动探试验、超重型动探试验、旁压试验、地温测试、放射性测试、波速测试、电阻率测试等原位试验和测试。

(7) 通过卵石成分测试、饱和抗压强度试验、热物理试验、静止侧压力系数测试、室内重塑样大剪试验、水土腐蚀性试验等室内试验，取得地下铁道工程所需的石英含量、卵石强度、热物理参数、静止侧压力系数、水土腐蚀性指标等特殊参数。

4 地铁工程富水砂卵石层勘察体系

针对地铁工程特点和富水砂卵石地层的地质特征，以工程需要和岩土问题为导向，结合富水砂卵石地层区域轨道交通工程实践，提出其勘察评价方法体系。

4.1 勘察评价任务

地铁工程主要勘察任务如下：

(1) 查明不良地质作用的特征、成因、分布范围、发展趋势和危害程度，提出治理方案及建议。

(2) 查明场地范围内土层的类型、年代、成因、分布范围、工程特性，分析和评价地基的稳定性、均匀性和承载能力，提出天然地基、复合地基、桩基等地基基础的方案建议，提供地基变形计算参数。

(3) 查明富水砂卵石层的分布与特征，分析其对工程的危害和影响，提出工程措施建议。提供砂卵石层的最大粒径、强度以及盾构区间结构范围内砂土石英含量、黏性土的黏粒含量。

(4) 分析地下工程围岩的稳定性和可挖性，对围岩进行分级和岩土施工工程分级，提出工程地质问题及防治措施的建议，提供基坑支护、隧道初期支护和衬砌设计所需的岩土参数。

(5) 分析基坑的稳定性，提供基坑稳定性计算参数，提出基坑治理的工程措施建议。

(6) 查明对工程有影响的地表水体的分布、水位、水深、水质、防渗措施、淤泥质土分布及地表水与地下水的水力联系等，分析地表水体对工程可能造成的危害。

(7) 查明地下水的埋藏条件，提供地下水类型、勘察时水位、水质、岩土渗透系数、地下水位变化幅度、流速、流向等水文地质资料，分析地下水对工程的作用，建议地下水控制措施。

(8) 判定地下水和土对建筑材料的腐蚀性。

(9) 分析工程周边环境与工程的相互影响，提出环境保护措施。

(10) 确定场地类别，对抗震设防烈度大于6度的场地，进行液化判别，提出处理措施。

(11) 在季节性冻土地区，应提供场地土的标准冻结深度。

4.2 勘察评价方法体系

(1)勘察评价方法体系的构建思路

1) 在地铁工程勘察任务的框架下，围绕地铁工程设计、施工特点和富水卵石层地质特征，分析工程面临的岩土工程问题，研究解决这些问题所需的地质资料和岩土参数，提出获取这些地质资料和岩土参数的勘察方法。

2) 不同的岩土问题所需的地质资料和岩土参数有所不同，有些是共同需要的，有些是不同工程类型和施工方法的特殊需要，应分门别类总结。

3) 根据所需的地质资料和岩土参数，选择适合富水砂卵石层的勘探、试验和测试方法。

(2)勘察评价方法体系架构

根据上述思路，构建地铁工程富水砂卵石地层勘察评价方法体系，见图2。

图2 地铁工程富水砂卵石地层勘察评价方法体系框图

1) 地铁工程主要为地下工程，工程类型和施工工法不同，存在不同的岩土工程问题。如明挖法施工地下车站、大型风井、各类竖井时，需要解决基坑开挖坑壁稳定性、支护方式选择、地下水控制等问题；暗挖法施工地下区间和联络通道，需要解决围岩稳定性、围岩开挖和加固方式选择、地下水控制等问题；盾构法施工地下区间，需要解决盾构选型、卵石层的施工特性等问题。

2) 要评价上述问题，需取得相应的地质资料和岩土参数。如基坑开挖和支护设计和施工，需取得周边环境、砂层夹层或透镜体的分布、岩土施工工程分级、水文地质条件等地质资料，还需获得含水率、密度、孔隙比、颗粒级配、粘聚力、内摩擦角、无侧限抗压强度、静止侧压力系数、水平基床系数、水平抗力系数的比例系数、回弹及回弹再压缩模量、变形模量、渗透系数及影响半径、土体与锚固体粘结强度、桩基设计参数(极限摩阻力、极限端阻力等)等。

3) 弄清楚所需的地质资料和地质参数之后，需选择合适的勘察方法和测试手段。取得这些资料和参数。如采用资料收集与地质测绘、钻探、坑槽探、井探、原位测试、物探测试、水文地质试验、室内试验和三维地质建模及展示等综合勘察方法。在这些综合勘察方法中，每一项又有其侧重点和特殊要求。如地质调绘重点要查明卵石分布、粒径、形状等，需针对不同岩土问题，采用适宜的原位测试方法等。