地鐵工程富水砂卵石層勘察評價方法體系研究

胡向陽,嚴耿升,楊 俊,趙 成

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065; 2.國家能源水電工程技術研發中心高邊坡與地質災害研究治理分中心，西安 710065)

0 前 言

地鐵工程主要是由車站工程、區間工程、車輛場段及其他附屬工程組成并以地下工程為主的綜合性工程。工程具有線路工程、建筑工程、地下工程、市政工程的特點，其基礎類型和結構形式多種多樣；施工方法有明挖法、暗挖法、盾構法等。不同基礎類型和結構形式，不同的施工工法，對巖土工程勘察評價提出不同的要求和側重點[1-2]。地鐵工程為帶狀或線狀，線路長，范圍大，跨越不同的地貌地質單元、地質構造、地表水體等，工程往往需要穿越城市中心地帶，地下管網和周邊建筑密集，工程建設周邊環境較復雜，勘察施工安全風險較高。因此，地鐵工程勘察工作實施難度大，勘察評價要求高,特別是在富水砂卵石地區，地鐵工程的勘察特點更為突出。

本文根據地鐵工程的特點和富水卵石地層的地質特征[3-4]，系統分析總結了地鐵工程富水卵石地層勘察評價重點難點，研究地鐵富水卵石層這些工程問題所需的地質資料和巖土參數[5]，提出適宜的勘察方法，形成勘察評價方法體系，為類似工程勘察評價提供適宜的思路和方法。

1 富水砂卵石層地質特征

砂卵石層是在一定的水動力作用下搬運沉積的產物。因此，富水砂卵石地層一般分布在水動力條件強和由強變弱的地段。其主要特點有：

(1) 砂卵石地層多為第四系沖洪積及冰水沉積形成,距母巖源頭出山口有一定距離，往往分布于江河河床和兩岸漫灘、階地等場地,具有層厚較大、直接接觸、鄰近地表水、地下水位高、地下水含量豐富、補給充沛,流速較高、滲透系數大等特征。

(2) 砂卵石地層具有物質組成復雜，母巖成分主要為抗風化較強的花崗巖、石英巖等硬質巖，礦物成分多以石英、長石為主，漂卵石及砂層透鏡體不均勻分布，膠結程度較差、結構松散、自穩能力差,顆粒磨圓度較好，分選性較差。

2 富水砂卵石層勘察評價需求分析

地鐵富水砂卵石地層勘察評價具有以下特點：

(1) 調查和測繪精度要求高

除常規地質調查和測繪外，應重點調查砂層透鏡體、砂卵石母巖成分、礦物組成、漂卵石所占比例和分布規律、顆粒大小、最大粒徑等。在盾構機穿越砂卵石地層時，地層中卵石、礫石的礦物成分主要以石英、長石為主，含有大量高強度、大粒徑的漂卵石顆粒，導致刀具磨損和大顆粒的排出困難，降低盾構掘進效率[6-7]。

(2) 鉆探工藝選擇應用

富水砂卵石地層結構松散，自穩能力差，鉆進過程中容易塌孔，常規鉆探工藝取芯率不高，操作不當，取芯率就會降至50%以下，容易漏失砂層透鏡體等關鍵地層，導致取出的巖芯代表性不強。因此，需要選取先進的鉆探工藝和護壁工藝，提高取芯率。圖1為采用不同鉆探工藝采取的卵石層巖芯照片。采用特殊工藝“改良SM植物膠沖洗液護壁雙管單動鉆探”獲得的巖芯更能準確反映地層物質組成、顆粒成分等信息。

圖1 采用不同鉆探工藝采取的卵石層巖芯照片

(3) 砂卵石地層的物理力學性質試驗

富水砂卵石地層目前生產中只能取得擾動樣，難以取得原狀樣，很多物理力學指標很難通過室內試驗獲取[8-9]。因此，需要依靠現場試驗和孔內原位測試等方法獲取物理力學參數指標。

(4) 水文地質勘察

在富水砂卵石地層中，對其工程性質影響最大就是“水”的作用，包括地下水、地表水及巖土體的水力學特性。因此，水文地質勘察重點在于與水相關的勘察方法應用。對于修建于富水砂卵石地層中的地鐵工程，勘察、設計、施工的關鍵水文地質參數主要有砂卵石地層的滲透系數、地下水的流向、流速以及工程降水過程中涌水量的估算等。結合不同地貌單元富水砂卵石的地層特征以及水文地質條件，可采取綜合、分層抽水試驗、注水試驗、提水試驗等手段獲得水文地質參數。

(5) 其他特殊試驗和測試

地鐵工程以地下工程為主，與一般建設工程相比，需開展一些特殊的試驗測試，獲取基床系數、熱物理參數、電阻率、地溫、放射性等特殊參數。還需進行卵礫石的強度試驗和石英含量、黏粒含量分析等。

3 富水砂卵石層勘察評價難點及對策

3.1 地鐵工程富水砂卵石層勘察評價難點

根據富水砂卵石層的地質特征，針對地鐵工程不同類型工程特點和施工工法特征，其勘察評價的難點如下：

(1) 常規鉆探工藝取芯率差，關鍵層位易漏失，鉆孔孔徑有限，擾動試樣缺乏代表性，許多基本地質條件難以查明。如場地范圍內砂卵石土的地層結構、砂層透鏡體的分布、顆粒級配、大漂石的占比及分布、密實程度及變化等。

(2) 現行砂卵石地層工程地質分類和巖土施工工程分級不能全面反映砂卵石地層的施工特性和難度，難以為工程設計、工程施工提供合理依據。如盾構選型和施工所需的卵石土顆粒級配、大漂石的占比及分布、最大粒徑、卵石的石英含量、母巖成分等，在工程地質分類和巖土施工工程分級考慮不充分。

(3) 原狀樣獲取困難，室內試驗難以取得工程所需的地質參數，一般依賴工程經驗給出的地質參數，存在較大的安全風險或安全度過高。如砂卵石土抗剪強度指標、基床系數、靜止側壓力系數、滲透系數等關乎深大基坑坑壁和隧道圍巖穩定、變形性能和滲透特性等的關鍵參數。

(4) 地表水和地下水水量豐富，水力聯系緊密，補徑排關系和邊界條件復雜，滲透特性影響因素多，準確查明水文地質條件和水文地質參數較難。因而難以準確預測突水、涌水、涌砂、流土、管涌發生的可能性及危害程度，難以準確估算涌水量和評價地下水對深大基坑、暗挖隧道、盾構施工等的影響，建議應有地下水防控措施。

(5) 常規的評價成果以二維平、剖面的形式實現，難以建立地質信息與建筑物結構空間關系，易造成巖土工程勘察與評價中“地質”和“工程”脫節。

3.2 勘察評價對策

由于取芯、水上作業、取樣及試樣制件等困難原因，多年來，富水砂卵石層的勘察評價一直是工程地質界比較棘手的問題之一。

地鐵工程車站、區間及車輛段等建筑物類型不同、施工工法不同，對勘察的要求也有差異，需采用綜合勘察方法、技術手段，相互驗證、綜合分析。本文在系統總結的基礎上，提出相應勘察與評價對策如下：

(1) 充分收集區域地質、水文地質、地質災害危險性評估、地震安全性評價、抗浮抗滲水位、洪水影響評價等資料，充分吸收、消化、分析評價工程地質問題。

(2) 詳盡開展工程地質調繪工作，重點調繪地形地貌、地層結構、不良地質現象、周邊環境設施等。充分利用周邊建筑工地開挖揭露基坑，調查砂層透鏡體的分布及特征、卵石土的顆粒級配、最大粒徑、母巖成分、卵石強度、漂石分布規律等。

(3) 開展有效的工程地質鉆探工作。在富水卵石層勘探時，傳統的鉆探工藝鉆進效率低、易塌孔、取芯率低，無法滿足地質信息獲取的要求?？刹扇∪纭案牧糞M植物膠沖洗液金剛石回轉鉆進”等工藝進行工程地質鉆探，查明卵石地層巖組劃分界限、砂層透鏡體分布、顆粒級配及分布規律、最大顆粒、卵石母巖成分、強度、密實程度及變化、膠結程度及變化等重點。

(4) 設置長期水文地質觀測孔，測量地下水位。卵石地層鉆探成孔時易塌孔，一般需要沖洗液護壁，受此影響孔內地下水位量測困難，同時地下水位受地表水影響，變幅較大。因此，應設置部分長期水文地質觀測孔，獲取準確的地下水位變動規律。

(5) 充分發揮現場大型試驗和測試的優勢。由于砂卵石地層難以取得原狀試樣，難以通過室內試驗準確取得設計和施工所需的物理力學指標、變形指標、滲透系數等關鍵性參數。傳統方法多根據經驗，通過肉眼觀察、工程類比、查閱手冊和規范等方法，提出相應的巖土參數，且所提參數過于保守，易造成工程不必要的浪費。開展原位大型試驗和測試，可獲取第一手物理力學、變形、滲透系數等關鍵性參數，釋放部分設計安全裕度，節省工程投資。

(6) 重視鉆孔內原位試驗和測試。為更好地取得砂卵石地層的物理力學指標、變形指標、地溫、放射性、波速、電阻率等指標，在鉆孔內開展連續動探試驗、超重型動探試驗、旁壓試驗、地溫測試、放射性測試、波速測試、電阻率測試等原位試驗和測試。

(7) 通過卵石成分測試、飽和抗壓強度試驗、熱物理試驗、靜止側壓力系數測試、室內重塑樣大剪試驗、水土腐蝕性試驗等室內試驗，取得地下鐵道工程所需的石英含量、卵石強度、熱物理參數、靜止側壓力系數、水土腐蝕性指標等特殊參數。

4 地鐵工程富水砂卵石層勘察體系

針對地鐵工程特點和富水砂卵石地層的地質特征，以工程需要和巖土問題為導向，結合富水砂卵石地層區域軌道交通工程實踐，提出其勘察評價方法體系。

4.1 勘察評價任務

地鐵工程主要勘察任務如下：

(1) 查明不良地質作用的特征、成因、分布范圍、發展趨勢和危害程度，提出治理方案及建議。

(2) 查明場地范圍內土層的類型、年代、成因、分布范圍、工程特性，分析和評價地基的穩定性、均勻性和承載能力，提出天然地基、復合地基、樁基等地基基礎的方案建議，提供地基變形計算參數。

(3) 查明富水砂卵石層的分布與特征，分析其對工程的危害和影響，提出工程措施建議。提供砂卵石層的最大粒徑、強度以及盾構區間結構范圍內砂土石英含量、黏性土的黏粒含量。

(4) 分析地下工程圍巖的穩定性和可挖性，對圍巖進行分級和巖土施工工程分級，提出工程地質問題及防治措施的建議，提供基坑支護、隧道初期支護和襯砌設計所需的巖土參數。

(5) 分析基坑的穩定性，提供基坑穩定性計算參數，提出基坑治理的工程措施建議。

(6) 查明對工程有影響的地表水體的分布、水位、水深、水質、防滲措施、淤泥質土分布及地表水與地下水的水力聯系等，分析地表水體對工程可能造成的危害。

(7) 查明地下水的埋藏條件，提供地下水類型、勘察時水位、水質、巖土滲透系數、地下水位變化幅度、流速、流向等水文地質資料，分析地下水對工程的作用，建議地下水控制措施。

(8) 判定地下水和土對建筑材料的腐蝕性。

(9) 分析工程周邊環境與工程的相互影響，提出環境保護措施。

(10) 確定場地類別，對抗震設防烈度大于6度的場地，進行液化判別，提出處理措施。

(11) 在季節性凍土地區，應提供場地土的標準凍結深度。

4.2 勘察評價方法體系

(1)勘察評價方法體系的構建思路

1) 在地鐵工程勘察任務的框架下，圍繞地鐵工程設計、施工特點和富水卵石層地質特征，分析工程面臨的巖土工程問題，研究解決這些問題所需的地質資料和巖土參數，提出獲取這些地質資料和巖土參數的勘察方法。

2) 不同的巖土問題所需的地質資料和巖土參數有所不同，有些是共同需要的，有些是不同工程類型和施工方法的特殊需要，應分門別類總結。

3) 根據所需的地質資料和巖土參數，選擇適合富水砂卵石層的勘探、試驗和測試方法。

(2)勘察評價方法體系架構

根據上述思路，構建地鐵工程富水砂卵石地層勘察評價方法體系，見圖2。

圖2 地鐵工程富水砂卵石地層勘察評價方法體系框圖

1) 地鐵工程主要為地下工程，工程類型和施工工法不同，存在不同的巖土工程問題。如明挖法施工地下車站、大型風井、各類豎井時，需要解決基坑開挖坑壁穩定性、支護方式選擇、地下水控制等問題；暗挖法施工地下區間和聯絡通道，需要解決圍巖穩定性、圍巖開挖和加固方式選擇、地下水控制等問題；盾構法施工地下區間，需要解決盾構選型、卵石層的施工特性等問題。

2) 要評價上述問題，需取得相應的地質資料和巖土參數。如基坑開挖和支護設計和施工，需取得周邊環境、砂層夾層或透鏡體的分布、巖土施工工程分級、水文地質條件等地質資料，還需獲得含水率、密度、孔隙比、顆粒級配、粘聚力、內摩擦角、無側限抗壓強度、靜止側壓力系數、水平基床系數、水平抗力系數的比例系數、回彈及回彈再壓縮模量、變形模量、滲透系數及影響半徑、土體與錨固體粘結強度、樁基設計參數(極限摩阻力、極限端阻力等)等。

3) 弄清楚所需的地質資料和地質參數之后，需選擇合適的勘察方法和測試手段。取得這些資料和參數。如采用資料收集與地質測繪、鉆探、坑槽探、井探、原位測試、物探測試、水文地質試驗、室內試驗和三維地質建模及展示等綜合勘察方法。在這些綜合勘察方法中，每一項又有其側重點和特殊要求。如地質調繪重點要查明卵石分布、粒徑、形狀等，需針對不同巖土問題，采用適宜的原位測試方法等。

5 結 語

(1) 地鐵工程特點和富水卵石地層勘察評價的重點、難點主要有：常規鉆探工藝取芯率低，容易漏失砂層夾層等關鍵層位；無法取得原狀樣，物理力學指標多靠工程經驗；地下水豐富，地表水與地下水水力聯系緊密，水文地質邊界條件復雜，常規方法難以查明。

(2) 針對地鐵工程富水卵石地層勘察評價主要策略可歸納為：采用有效鉆探工藝，大幅提高取芯率；開展包括全粒徑砂卵石顆分試驗、大型剪切試驗、基床系數測試等在內的現場試驗；結合基坑開挖進行模擬基坑降水的水文地質試驗。

(3) 分析地鐵富水卵石層工程需解決巖土工程問題，需圍繞地鐵工程勘察任務，結合地鐵工程設計、施工特點和富水卵石層地質特征，明確地鐵富水卵石層工程問題所需的地質資料和巖土參數，提出適宜勘察方法，形成勘察評價方法體系。