芜湖跨座式单轨岩土工程综合勘察技术应用

易 鑫

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

在轨道交通岩土工程勘察中,由于城市中环境条件复杂,包括管线密集、建构筑物多、线路多走行于主干道路等特殊性,往往传统的勘察工作无法顺利开展,加之各城市复杂的特殊地质条件,给勘察工作带来较大困难。 因此,如何采用综合勘察手段与方法,在复杂城市环境条件下查明工程地质与水文地质条件已成为需要进一步研究解决的问题。

在通过综合勘察手段解决城市复杂环境下的地质问题方面,国内外许多学者进行大量的应用研究并取得诸多成果。 许再良等采用钻探、原位测试及室内外试验等综合勘察手段,充分查明天津站换乘中心工程地质与水文地质条件,提出准确的水土参数,同时对深大基坑维护结构型式、基坑坑底隆起和管涌、结构抗浮、降水控制等岩土工程问题进行综合分析评价[1];赵福玉等在昆明轨道交通4 号线项目中,系统分析昆明盆地地质特征,并针对地质问题提出有效应对措施[2];柳柳在广清城际铁路勘察中,提出一种基于钻孔雷达探测的岩溶区多桩基础的地质探测方法[3];彭国喜等根据软土物理力学参数差异,提出一系列优化软基地层方法[4];刘维正等通过大量室内土工试验及原位试验,分析南沙地区软土基本物理特性、强度参数、变形参数和状态参数随深度的变化规律[5];赵燕容等结合合肥市地铁工程实例,通过分析研究区水文地质条件,以水位长期观测孔观测数据为依据对构建的地下水渗流数值模型进行识别与验证,在此基础上结合相关规范与历史水位资料提出车站的抗浮设防水位[6];王其合在徐州轨道交通勘察项目中,对钻探、高密度电法、瞬变电磁相结合的方法对破碎带和岩溶发育区进行综合分析比较,得出较为可靠的破碎带与岩溶发育范围分析方法[7];潘瑞林结合城市轨道交通岩土工程勘察的目的与任务,系统分析物探的发展及待解决的主要技术问题[8];李正坤通过苏州轨道交通5 号线岩土工程勘察实践,对轨道交通岩土工程勘察特点进行深入分析[9];谢毅等构建一套“天空地井”的四维勘察体系,将传统的现状勘察提升为地质体灾变演化勘察[10-11]。

跨座式单轨区间轨道梁为梁轨合一结构,需同时满足承载能力和行走线性的要求[12];“桥建合一”独柱大悬臂高架车站由于其良好的景观与道路适应性被广泛采用,但该结构也存在侧向刚度低,抗震冗余度低的特点[13];单轨车辆基地中线路工程多以轨道梁桥工程形式敷设,其基础形式以桥梁桩基为主,勘察深度较大。 以上均给勘察工作提出更高的要求,但现行勘察规范中尚无相应的准确的技术要求[14-17]。 以下针对复杂城区环境条件的岩溶、软土、地下水影响等地质问题,将综合物探手段、综合原位测试手段、综合水文测试手段联合并用,开展全方位的跨座式单轨制式交通的岩土工程勘察[18],充分查明工程地质与水文地质条件,准确获取岩土水参数,为工程设计、施工提供可靠的勘察成果[19-20]。

1 项目概况

1.1 工程概况

芜湖跨座式单轨1 号线为南北骨干线,线路全长30.460 km,共设车站25 座,全部为高架车站,线路北端设保顺路停车场,南端设白马山车辆基地。 线路与多处铁路、公路交叉,包括上跨淮南铁路、芜合高速长江大桥、改建轮南线,下穿商合杭芜湖长江大桥,跨越扁担河、清堰塘、银湖、保兴河、青弋江等。

轨道交通2 号线一期呈东西走向,线路全长15.857 km,共设车站11 座,其中高架站10 座、地下站1 座,东端设梦溪路车辆基地1 座。 线路上跨芜马高速、芜宣高速、宁安高铁、宁芜铁路、皖赣铁路,下穿弋江北路设芜湖火车站地下站。

1.2 项目特点

该项目具有以下几个难点。 ①工点结构形式多样,国标规范对特殊结构的勘探布置要求不明确。 芜湖轨道交通高架站(框架结构、独柱悬臂结构)、区间轨道梁桥(连续刚构)、车辆基地(场坪、停车线)等工程结构形式多样,《城市轨道交通岩土工程勘察规范中》对于跨座式单轨结构的勘探点布设尚无相关要求。 ②不良地质与特殊岩土所引发的工程地质问题突出。 沿线不良地质及特殊岩土发育,主要包括岩溶、隐伏断裂、人为坑洞、人工填土、软土、膨胀土及风化岩。③勘察场地周边环境条件复杂,勘探难度大、风险高。沿线城市现代化程度高、建构筑物密集,地下管线密布,线路与多条铁路、高速公路、市政高等级道路交叉,跨越扁担河、清堰塘、银湖、保兴河、青弋江等多处水域,且单轨交通多走行于道路中间,车流和行人密度大,勘探工作开展难度较大。

2 地质条件

2.1 地形地貌

芜湖市整体地势南高北低,地形呈不规则长条状,地貌类型多样,河湖水网密布。 芜湖市东部和北部为冲积平原,间有洼地,地势低平,局部分布少数丘陵。西部和南部多山地,地势略有起伏。

沿线总体地形地貌为长江中下游冲积平原,地形较平坦开阔。 按地形形态及成因可细分为长江二级阶地和山前倾斜平原。

由于城市发展建设,自然地貌形态改变较大,市区交通网密布,线路两侧民居、商业、教育、政务、文娱、工业等建筑设施密集。 建成后的跨座式单轨典型车站见图1,1 号线与2 号线交汇处镜湖公园处区间轨道梁桥见图2。

图1 典型单柱悬挑结构车站

图2 1 号线与2 号线交汇处镜湖公园处区间轨道梁桥

2.2 地层岩性

地层岩性主要为第四系全新统人工填土及冲洪积淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土及砂类土;第四系上更新统冲洪积粉土、粉质黏土、砂及圆砾、卵石土;白垩系上统泥质砂岩;侏罗系上统凝灰岩、安山岩;侏罗系中下统粉砂岩;三叠系上统钙质泥岩、石英砂岩;三叠系中统灰岩以及燕山早期闪长玢岩。 地层岩性多变,且局部区段软硬地层交替变化,持力层不稳定。 1 号线全线地质纵断面示意见图3。

图3 1 号线全线地质纵断示意

2.3 地层构造

区内穿越线路的断裂主要有和睦山—峨桥北断层、潘塘断层、火龙岗断层、荆山逆断层,上述断层均为隐伏断层,覆盖层较厚。

2.4 水文地质

地下水类型主要包括人工填土与粉质黏土中的上层滞水,以及第四系孔隙水、基岩裂隙水。 上层滞水分布不均匀;孔隙水赋存于第四系砂层、卵石层等含水层中;基岩裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙及构造裂隙中。 地下水位埋深0.2～5.1 m。

3 重点地质问题及综合勘察技术应用

3.1 岩溶问题

芜湖轨道交通1 号线文津东路至白马山地段(里程DK24+890～26+670、DK28+060～30+455)三叠系中统灰岩岩溶发育,岩溶类型为覆盖型。 采用基于地面电法与孔中地质雷达(单孔雷达、跨孔CT)联作的覆盖型岩溶识别技术,充分查明岩溶分布及发育特征。灰岩中岩溶钻孔见洞率为33.3%,平均线岩溶率8.91%,岩溶发育程度为弱-中等发育,溶洞规模0.4 ～5.1 m,埋深17～31.9 m,高程-9.8 ～23.8 m,一般为单层溶洞,局部地段揭露多层串珠状溶洞,溶洞大部分全充填,局部半充填或无充填,充填物主要为硬塑黏性土,局部揭露溶洞壁。 岩溶区典型高密度电法地质剖面见图4。

图4 岩溶区典型高密度电法地质断面(单位:m)

利用孔内地质单孔雷达、跨孔雷达CT 探测技术,结合钻探,形成孔中与地面互补的立体探测,分析岩溶平面位置、深度形成勘探成果,识别出覆盖型岩溶特征,查明岩溶分布及规模。 通过在文津东路站、文珩区间的应用,查明墩台桩基范围内的岩溶发育特征,为桩基设计和施工提供准确的地质信息,取得良好的效果。本次雷达探测采用的天线频率为100 MHz。 单孔雷达探测提供钻孔周围10～40 m 的地层结构、岩体构造和水文地质信息,从而扩大探测的有效范围。 由于天线无定向性,自身无法提供足够的信息给出反射体的方向,仅得出距钻孔的位置。 因此,需进行多孔探测数据的对比分析。 本次雷达探测测区岩溶发育强烈,岩溶发育深度较浅,多在基岩面附近,一般埋深 19 ～30 m,文津东路站发现15 处岩溶异常,具体位置及参数见表1,典型跨孔雷达探测成果解译见图5。

表1 部分钻孔雷达异常m

图5 典型跨孔探测成果解译(单位:m)

3.2 软土问题

芜湖轨道交通线路沿线软土分布广泛,特别是在1 号线北段、2 号线东段软土厚度较大,具有压缩性高,承载力低,变形大,渗透性低等特点。 软土易引起结构下沉、诱发基坑变形和不均匀沉降,对工程建设影响较大。 采用多种原位测试技术、室内试验方法,在岩土体物理力学参数求取中广泛应用,有效提高了软土物理力学参数的准确性。

1 号线场地内分布有软塑-流塑淤泥质粉质黏土、软塑粉质黏土,主要分布于DK0+000 ～DK3+000、DK14+600～19+800、DK28+200～DK30+400,该层厚度较大,大部呈层状分布,局部呈鸡窝状分布。 软土层顶面深1.10～14.70 m、高程为-7.70 ～6.03 m,厚1.70 ～29.30 m,天然孔隙比1.03,天然含水率35.7%,有机质含量3.5%,灵敏度为2.7,压缩模量3.61 MPa,比贯入阻力0.65 MPa。

2 号线场地内分布有淤泥质粉质黏土,其分布较稳定,厚度较大,大部呈层状分布,局部呈透镜状。 软土层顶面深0.50 ～5.80 m、高程为0.90 ～5.89 m,厚1.10～16.80 m,天然孔隙比1.06,天然含水率35.7%,有机质含量3.5%,灵敏度为2.7,压缩模量3.85 MPa,比贯入阻力0.594 MPa。

针对勘察中揭示的软土特性、力学参数的差异,结合其形成历史及分布区域,将沿线软土分为以下2 种类型。Ⅰ类软土:静水沉积条件下沟塘形成的淤泥或淤泥质粉质黏土,灰黑色,流-软塑,含腐殖质,厚2～20 m,厚度随凹谷、沟塘的形态变化,连续性差。 主要分布于市区中南部一、二级阶地凹谷及沟塘范围内。Ⅱ类软土:河湖、漫滩相沉积的淤泥质土夹粉土、粉砂薄层,部分区段局部夹粉细砂透镜体。 灰色,流-软塑,呈薄层状,微层理发育,含螺壳及云母碎片。 主要分布于长江、青弋江漫滩地带,厚20 ～40 m,层位分布稳定,层理韵律清晰。区域内软土物理力学参数见表2。

表2 两类软土的物理力学指标

由表2 可知,2 类软土存在如下物理力学性质区别。

(1)渗透性差异:Ⅰ类软土为微透水性,且水平垂直方向较均一;Ⅱ类软土发育微层理,夹砂薄层的厚度、分布不一,水平、垂直方向渗透性差异大,垂直向弱-微透水,水平向弱透水。

(2)固结系数差异:Ⅰ类软土水平垂直方向较均一,稳定固结时间较长,Ⅱ类软土稳定固结时间较短,固结速率较快。

(3)强度差异:Ⅰ类软土剪切试验内摩擦角 ≤5°,而Ⅱ类软土因夹粉细砂薄层,内摩擦角增大,在10°～16°,十字板剪切强度、无侧限抗压强度比Ⅰ类大。

(4)塑性差异:Ⅰ类软土以淤泥质粉质黏土为主,Ip值较大,Ⅱ类夹粉砂薄层,Ip值小,含水率低,液性指数偏大。

采用以原位测试为主,结合钻探、室内试验、孔内测试等勘察手段的综合勘察方法。

原位测试方法有十字板剪切、扁铲侧胀、静力触探等。 土工试验方法除常规试验外,还包括固结快剪、三轴剪、先期固结压力及回弹指数、水平垂直向固结系数、渗透系数、无侧限抗压强度及有机质含量分析试验。 通过多种勘察方法的综合应用以及成果资料分析,从地质成因、工程特性角度,综合分析评价了软土对工程的影响。 采用软土勘察手段见图6。

图6 软土综合勘察手段

3.3 地下段水文地质问题

2 号线一期工程于芜湖火车站处设置地下段,长1.409 km,地下段下穿芜湖主干道弋江北路、站南路,临近芜湖火车站,道路交通车流量大,火车站周边地下管线密布、地下建构筑物分布复杂,工法包括明挖暗埋、暗挖、U 形槽。 明挖车站为深基坑工程,基坑开挖易引发周边地面沉降、建筑物变形;暗挖段软土厚,力学性质差,隧道施工易引起地面塌方。 地下车站及隧道周边环境极其复杂,环境风险极大,环境地质评价难度极大。

地下段地貌属长江东岸及沿荆山河、扁担河西侧呈带状分布的一级阶地。 地表平坦,水网发育、湖塘密布,地表沉积物多由全新世河泛黏性土及湖沼沉积的淤泥质黏性土组成。

针对地下段工法要求,在收集区域水文地质资料的基础上,开展水文地质调查、现场水文试验、长期水文观测、室内试验相结合的水文地质勘察工作。 充分查明了地下水类型、赋存条件、含水层分布规律,以及地下水的补径排条件、地下水与地表水联系。 通过室内试验与现场测试结合综合求取含水层渗透系数、岩土体渗透性等水文地质参数,以充分评价地下水降水引发的地质与环境问题。 考虑芜湖地区所处长江东岸的地理位置及地表、地下水发育的情况,针对地下水对结构物上浮问题,开展为期540 d 长期水文观测工作,长期水文观测成果见图7。

图7 长期水文观测成果

2016 年长江中下游地区发生了自1998 年以来最为严重洪灾,水位达到1998 年之后最高值。 依据勘察各阶段水文观测成果,准确提出地下段结构抗浮设防水位建议,优化抗浮设计参数。 水文专项工作见图8。

图8 地下段水文专项工作

3.4 其他

除上述重点地质问题以外,勘察过程中,为查明隐伏断裂、人为坑洞等不良地质与特殊岩土,以及准确求取设计所需物理力学参数,采用以下综合勘察手段(见表3)。

表3 综合勘察方法应用一览

4 结语

芜湖跨座式单轨在勘察过程中,全面采用综合勘察技术,充分查明工程地质与水文地质条件,在综合求取岩土体物理力学参数方面发挥重要的作用。 在岩溶区勘察中,采用基于地面电法与孔中地质雷达(单孔雷达、跨孔雷达CT)与钻探联作的覆盖型岩溶识别技术,取得了较好的效果;针对芜湖典型软土问题,通过多种勘察方法的综合应用以及成果资料分析,给出不同成因类型软土的物理力学性质的差异;针对地下段水文地质问题,开展了长期水文观测、室内试验、水文试验等综合水文勘察工作,取得较为准确的水文参数。勘察过程中通过总结提炼,编制形成较为完善、系统的跨座式单轨交通岩土工程勘察技术要求与标准,积极推动单轨岩土勘察技术的创新发展。