地下水發育深路塹的勘察與設計

付月平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

隨著鐵路建設的跨越式發展,鐵路工程建設中,“以人為本”、“加強環境保護”等設計理念越來越得到重視,也逐步地在工程建設中得到貫徹實施。結合工程實例,介紹鐵路穿越富含地下水深路塹的勘察及設計中貫徹實施上述理念的應用情況和取得的效果。

1 工程概況

新建鐵路寧啟線南京至海安段為國鐵Ⅰ級干線,單線路基,是國家規劃“八縱八橫”鐵路網東西通道的重要組成部分,該鐵路的建設,對于完善江蘇省交通運輸體系,促進江蘇特別是江北地區社會經濟持續發展具有重要意義。寧啟鐵路K53+352～K53+826段位于儀征市青山鎮邊上,最大地面高程60 m左右,為全線分水嶺,俗稱埡口,路基以挖方形式通過,中心最大挖深約15 m。地貌上為長江高階地區,自然坡平緩,植被發育,部分辟為水田,有村莊及村民生產和生活。

2 地質情況

路塹地層自上而下依次為①第四系上更新統沖積層Q3al黏土,褐黃色,硬塑,厚2 ～12 m,無膨脹性 ；②第三系圓礫土,充填物為黏土,灰黃色,密實,潮濕,厚0 ～8.6 m；③礫砂,灰黃色 —灰白色,密實,飽和,厚0～5.6 m,分布不連續；下伏白堊系上統赤山組棕紅色粉砂巖,全風化層厚1.2～4.2 m,下為強—弱風化帶。該段地下水發育,水位埋深2.5～10 m,穩定水位高程48.17～48.43 m,水位均位于黏土層中,具承壓性。抽水試驗表明,地層綜合滲透系數K=0.92～6.41 m/d,單井水力影響半徑R=34～93 m,單井涌水量為Q=0.748S L/s(S為水位降深/m),如圖1所示。

3 主要環境工程問題

線路中心最大挖深約15 m,路肩位于地下水位以下的圓礫土及礫砂層中,該層為主要的地下水含水層。路塹開挖時,圓礫土特別是礫砂層邊坡將產生涌水、坍方,預計最大涌水量為Q=4 383 m3/d。地下水大量流失不僅影響邊坡穩定,對周圍環境破壞較大,將導致附近水塘、水井水位下降乃至干涸,嚴重影響到農田灌溉及居民日常生活。經過調查統計,有水塘8處,水井16處,村民人口約150人,耕地約15畝。水塘、水井水主要用于灌溉及日常清洗,少數作為飲用水源。總的來看路基地質條件較差。

圖1 K53+352～K53+826深路塹工程地質水文地質縱斷面

4 主要工程措施

4.1 加強工點的工程地質及水文地質勘察

要查明工程實施對環境的不利影響,在保證工程安全穩定的條件下選取經濟合理的工程措施,必須要有詳實可靠的基礎資料。為此,勘察設計人員有針對性地加強了對工點周圍的工程地質及水文地質勘察。通過擴大地質調查范圍,詳細查明了附近村民生產生活情況,水塘水井的分布及數量、用途等；在地質調查及工程地質鉆探的基礎上,進行了專門的水文地質勘察工作；通過水文地質鉆探及孔內抽水試驗,詳細查明了地下水分層情況,水質、水位變化情況,含水層的性質、厚度,單井涌水量及水位降深,并依據試驗參數估算了地層滲透系數、路塹開挖時地下水涌水量及其影響范圍,讓相關人員(包括設計者)對工程實施可能對環境造成的不利影響范圍、程度心中有數。

4.2 加強線路方案的比選工作

K53+352～K53+826段深路塹右側臨近寧通高等級公路,左側距離南山水庫有一定的距離。受地形條件限制,平面上線路位置可選擇的范圍較小。該項目近50年來歷次勘察在該處的線路位置基本沒有大的變化,要從平面上避開此處困難較大,因此應優先從縱斷面上進一步優化。工程地質平面如圖2所示。

初步設計時,該段線路縱坡限坡為4‰,中心最大挖深約為18.9 m,深路塹長度約1 100 m,路基面以上含水層厚度最大在6 m左右。施工設計中,在充分收集基礎資料的基礎上對縱坡進行了比選優化,經過技術經濟比較,確定采用6‰限坡通過,深路塹長度減至約474 m,路基面以上含水層厚度最大降至2 m左右,且基本避開了含水量最豐富的礫砂層,盡量減少了工程實施對環境破壞的范圍,增加了工程的安全性。其影響范圍如表1所示。

表1 影響范圍

4.3 精心選擇路基加固及防護方案

該深路塹設計考慮的重點是在保證施工和運營中路基安全的條件下,盡量減少工程對周圍環境的影響、破壞,減少外部環境對工程的干擾和影響,確保施工順利進行。為此,在確定采用封閉式路塹的前提下,對排除地下水、注漿止水、旋噴止水等防治地下水方案進行了比選(見表2)。

表2 地下水防治方案比選

采取開挖排水溝,順坡自然排水,降低地下水位后再進行邊坡防護、修筑基床的方案,其直接工程費用低,施工簡單,但施工具有較大的風險性,對周圍環境尤其是水環境的影響較大,施工不可避免地要受到外部干擾,工期不能保證,還會有后期的巨額賠償等問題,不符合大的社會環境要求,應首先不予采用。

經過綜合比選,最終采用鋼筋混凝土U形封閉槽及止水的綜合措施,具體為含水層以上土體放坡開挖,邊坡采用漿砌片石拱形截水骨架內噴播植草防護,下部設鋼筋混凝土U形封閉槽,高4～5 m,U形槽頂設寬8～10 m的邊坡平臺。U形封閉槽施工開挖前,根據地層情況在U形槽背部和底部采用鉆孔注漿止水及旋噴樁止水,防止地下水泄漏,保證邊坡穩定；U形槽與巖土體接觸處鋪設單層復合防水卷材,U形槽節與節之間加強防滲設計,防滲材料由“625”型塑料止水帶和瀝青麻筋、瀝青木絲板及瀝青砂膠組成,且節與節之間以穿銷連接。注漿采用鉆孔內套管注漿法注漿,間距1.8 m ×2.0 m,梅花形布置。注漿漿液為純水泥漿,水灰比為0.6∶1,注漿效果通過壓水試驗及鉆孔取樣觀察進行檢驗。

圖2 K53+352～K53+826工程地質平面示意

本著“以人為本”的設計理念,在U形槽頂平臺靠路基側邊緣增設1.5 m高鋼板防護網,平臺上植草、種灌木,形成一條綠色景觀帶。設計中還對路塹開挖、旋噴樁及鉆孔注漿止水、U形槽砌筑、止水效果檢驗等都提出了嚴格的工藝要求及施工流程,以保證施工順利進行。設計典型斷面見圖3。

圖3 U形槽設計大樣

5 設計效果

施工過程中精心組織,嚴格按設計圖要求施工,通過現場試驗不斷改進施工工藝,提高施工質量,確保了注漿及旋噴止水效果。經過檢驗,注漿體取芯觀察有粒狀、片狀及水泥塊分布,壓水試驗其滲透系數為5.6×10-6cm/s,小于設計要求；旋噴樁幕墻雖然出現潮濕現象,但無滲漏水及塌方,樁體垂直傾斜度 ＜1.5%,開挖前設置觀察樁,觀察無位移變化。開挖過程中沒有出現坍方、涌水現象,周圍村民的水塘、水井水位無明顯變化,其日常生產和生活沒有受到影響,施工順利,工期按時完成。U形槽工程完工后路塹內無滲水,達到了保護環境,保證運營安全的設計目的,證明了設計措施合理,效果明顯。該工程實施過程中多次得到鐵路建設方和地方政府的考察和贊揚,取得了良好的社會效果,為寧啟鐵路新建工程按時開通并達到開通時速100 km打下了基礎。

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