綜合勘察結(jié)合專題研究在滬寧城際鐵路工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

田光盛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

1　概述

滬寧城際鐵路南京至鎮(zhèn)江段線路全長94.06 km，主要通過寧鎮(zhèn)剝蝕丘陵區(qū)、長江高階地區(qū)、長江及其支流一級階地。全段橋梁67座/40.573 km，特殊孔跨14處，最大跨度108 m，最大墩高20 m，基礎(chǔ)最大埋深12.57 m；隧道5座/3.4 km，穿越地層主要為侏羅系長石砂巖夾泥頁巖、三疊系砂頁巖及灰?guī)r、二疊系灰?guī)r、泥盆系石英砂巖、志留系砂巖、頁巖等，隧道埋深介于15～150 m之間，最長隧道為正盤山隧道，長約1.484 km；路基88個工點/53.483 km，路塹長16.89 km，路堤長36.593 km，軟土及松軟土路堤32處/14.814 km；各類過渡段247處；本段共設(shè)車站6座，分別為南京站、仙林站、寶華站、鎮(zhèn)江站、丹徒站及丹陽站。南京至鎮(zhèn)江段是滬寧城際鐵路工程地質(zhì)條件最復(fù)雜、工程類型最齊全、各類過渡段頻繁、修建難度大、控制工程最多的地段，針對本段工程地質(zhì)勘察特點和難點，結(jié)合高鐵各類工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，采用綜合勘察與專題研究相結(jié)合的方法，評價了各線路方案的工程地質(zhì)條件和工程設(shè)置方案，查明了沿線不良地質(zhì)和特殊巖土的工程地質(zhì)特征，獲取了各類工程設(shè)計所需的巖、土、水地質(zhì)參數(shù)，保證了工程建設(shè)的順利推進(jìn)和按期建成，建設(shè)和運營期間未發(fā)生因地質(zhì)原因引起的重大變更設(shè)計和工程問題，工程地質(zhì)勘察方法可供類似工程勘察參考。

2　滬寧城際寧鎮(zhèn)段工程地質(zhì)勘察技術(shù)特點

2.1　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，工程類型復(fù)雜，工程地質(zhì)勘察精度要求高

滬寧城際鐵路設(shè)計時速300 km，南京至鎮(zhèn)江段除南京站采用有砟軌道外，其他地段均鋪設(shè)CRTSI型板式無砟軌道。無砟軌道高速鐵路的路基、橋梁、隧道工程對工程勘察精度提高了嚴(yán)格的要求，包括地基條件勘察、各類過渡段勘察、建筑材料勘察、地質(zhì)環(huán)境勘察等，如：①路基一般地段工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)不大于15 mm，路基與橋梁、隧道與橫向構(gòu)筑物交界處的差異沉降不大于5 mm，這就對地層的空間分布、分層力學(xué)參數(shù)提出了更高的精度要求；②本段各類過渡段的“三維”勘察評價直接關(guān)系到工程方案和工程質(zhì)量；③本段優(yōu)質(zhì)建筑材料缺乏，建筑材料勘察評價也是本段工程勘察的難點之一。

2.2　工程地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)及特殊巖土發(fā)育，工程地質(zhì)評價難度大

南京至鎮(zhèn)江段工程地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)及特殊地質(zhì)發(fā)育、分布范圍廣，主要包括：①順層剝落、滑坡；②危巖落石、崩塌及人工采石場高邊坡；③花崗侵入巖殘積土、球狀風(fēng)化；④地震區(qū)；⑤巖溶發(fā)育區(qū)；⑥軟土和松軟土地基；⑦下蜀黏土(弱至中膨脹土)；⑧人工堆棄土、垃圾場、尾礦等。既要通過超前工程地質(zhì)工作，查明各類不良地質(zhì)和特殊巖土的范圍、性質(zhì)，為線路選擇、建筑物場地選址提供依據(jù)；又要在線路走向、建筑物位置、類型、式樣布置確定后，通過詳細(xì)工程地質(zhì)勘察，為各類建筑設(shè)計提供準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)，還要為特殊巖土處理、不良地質(zhì)整治、環(huán)境保護(hù)、水土保持和施工方案確定等提供依據(jù)。只有通過綜合勘察與專題研究相結(jié)合，合理安排工序，才能正確評價各類不良地質(zhì)與特殊巖土對工程的影響，提出針對性的工程措施意見。

3　工程地質(zhì)勘察方法

根據(jù)高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和本段工程地質(zhì)特征，工程地質(zhì)勘察中采用了綜合勘探測試與專題研究論證相結(jié)合的勘察方法。專題研究包括軟土、中等壓縮性土等土質(zhì)地基工程地質(zhì)勘察精度和物理力學(xué)參數(shù)選取方法研究；沿線挖方土質(zhì)特征和改良后工程特性試驗研究成等；專項評估包括地質(zhì)災(zāi)害危險性評估、壓占礦產(chǎn)資源評估、地震安全性評價等。綜合勘察測試中采用了工程地質(zhì)調(diào)繪，物理勘探，原位測試，機(jī)動鉆探及巖土、水試驗等相結(jié)合的方法，查明了各線路方案工程地質(zhì)特征，以及各類工程的工程地質(zhì)條件，結(jié)合地方巖土經(jīng)驗和專題研究結(jié)論，為線路方案選擇，工程類型比選，各類建筑物設(shè)計，特殊巖土處理，不良地質(zhì)整治，環(huán)境保護(hù)和水土保持方案的制定及合理確定施工方法等提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)和巖、土、水等地質(zhì)參數(shù)。

4　綜合勘察技術(shù)與專項研究及應(yīng)用

4.1　工程地質(zhì)選線

在廣泛收集并充分研究區(qū)域地質(zhì)資料、通道內(nèi)相關(guān)工程勘察資料和工程建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用大面積地質(zhì)調(diào)查和代表性勘探測試相結(jié)合的方法，查明了各線路方案的工程地質(zhì)條件，根據(jù)地質(zhì)特征提出了線路方案選擇和工程設(shè)置的意見和建議，從源頭上降低了工程風(fēng)險。如：①龍?zhí)对O(shè)站方案與寶華設(shè)站方案(DK20+500～DK60+600)，選擇了軟土厚度較薄的寶華設(shè)站方案；②正盤山隧道穿越方案(DK27+800～DK34+300)，選擇線路北移200 m，繞避了小角度與線路相交的F3斷層方案；③何家山隧道出口順層地段線路方案(DK15+500～DK19+300)，通過優(yōu)化平縱斷面，減少了順層對工程和影響，降低了工程風(fēng)險；④通和壓覆礦產(chǎn)資料和尾礦影響評估，選擇了繞避甘家巷鉛鋅礦線路方案等。

4.2　綜合勘探測試技術(shù)

對軟土地基采用原位測試與鉆探取樣試驗相結(jié)合的綜合勘察方法，充分發(fā)揮原位測試技術(shù)的優(yōu)勢，獲取了地基土準(zhǔn)原始狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)。根據(jù)不同的軟土成因類型，布置以靜力觸探為主、其他原位測試手段為輔的原位測試方法，并采用一定數(shù)量的鉆探取樣、土工試驗進(jìn)行對比分析，綜合地區(qū)巖土經(jīng)驗，修正了規(guī)范公式，查明了地層分層及結(jié)構(gòu)情況，獲取了地基土的各項設(shè)計指標(biāo)。

對高階地河流相中等壓縮性黏土，采用以機(jī)動鉆探為主，試坑取樣、靜力觸探為輔的綜合勘察方法，同時選擇代表性工點進(jìn)行平板載荷試驗和旁壓試驗，掌握了中等壓縮性黏土地基的基本特性，尤其是結(jié)構(gòu)特性和變形特性，為該類土地基處理設(shè)計提供了翔實可靠的地質(zhì)依據(jù)。同時，分段測試該類土的脹縮特性和水穩(wěn)定性，為基床結(jié)構(gòu)、填料和邊坡設(shè)計提供了參數(shù)。

對巖溶路堤采取鉆探和綜合物探的勘察方法，對巖溶路堤，在物探查明巖溶異常帶的基礎(chǔ)上，布置鉆探進(jìn)一步查明巖溶發(fā)育程度；對不穩(wěn)定區(qū)和欠穩(wěn)定區(qū)，進(jìn)一步采用“探灌結(jié)合”方案，詳細(xì)查明巖溶發(fā)育狀況。對巖溶路塹，在施工開挖后結(jié)合物探成果，采用“探灌結(jié)合”的方法進(jìn)行詳細(xì)勘察。

對可溶巖隧道及橋梁工程，開展了綜合物探工作，主要包括利用地震折射波法測定巖體的縱波速度，指導(dǎo)劃分隧道圍巖級別；利用地震反射波法劃分地層界線，查找地質(zhì)構(gòu)造、巖溶地基的發(fā)育狀態(tài)；利用電測深法劃分地層界線，探查隱伏構(gòu)造；利用電測剖面法查找溶洞，確定斷層、巖性界線的位置及傾向；利用高密度電法查找?guī)r溶地基溶洞和地質(zhì)界線的產(chǎn)狀等。通過多種物探成果進(jìn)行對比分析，準(zhǔn)確劃分了各類地質(zhì)界線和圍巖級別。

對路基填料取土場，按建筑材料場地的要求，采用地質(zhì)調(diào)查測繪，結(jié)合勘探、取樣試驗，評價了各取土場的填料性質(zhì)、質(zhì)量和儲量、開采方案等。

加強(qiáng)了各類過渡段工程地質(zhì)勘察。對各類過渡段進(jìn)行橫、縱斷面勘察，詳細(xì)掌握了地基土空間分布特征，為實現(xiàn)不同建筑物平順過渡，確保高速鐵路安全舒適運營奠定了基礎(chǔ)。

4.3　專題研究

(1)軟土地基綜合勘察及物理力學(xué)參數(shù)選取方法研究

采用應(yīng)力鏟、扁板側(cè)脹、螺旋板載荷、孔壓觸探等新型原位測試技術(shù)，獲取了軟土地基在原始應(yīng)力狀態(tài)條件下的變形、強(qiáng)度及滲透固結(jié)等指標(biāo)，查明了不同成因軟土的基本特性，特別是軟土的結(jié)構(gòu)性。軟土地基勘察宜采用以靜力觸探為主的原位測試與鉆探相結(jié)合的勘探方法。在土工參數(shù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)背景、原位測試、地區(qū)經(jīng)驗綜合分析，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計后提出合理的軟土地基設(shè)計參數(shù)，首次提出了考慮土的結(jié)構(gòu)性和實際荷載水平進(jìn)行沉降分析的建議。

(2)中等壓縮性黏土地基基本特性研究

通過綜合勘探測試和對比分析，查明了中等壓縮性黏土基本特性。該類土具有低含水量、低孔隙比、高液限、高強(qiáng)度、中等—中等偏低壓縮性、低滲透性、介于飽和與非飽和之間、具有強(qiáng)結(jié)構(gòu)性等特點。中等壓縮性土在荷載水平較低時，變形量很小，以彈性變形為主，約占總變形的60%～70%?；谳^強(qiáng)的結(jié)構(gòu)特性特點，充分利用和保護(hù)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對工程十分有利，地基處理方案選擇時，不宜采用破壞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的工法；在施工期間出現(xiàn)的各種偶然荷載組合均不宜超過其結(jié)構(gòu)應(yīng)力?？偝两涤嬎銜r，應(yīng)考慮使用荷載水平與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的關(guān)系，建議采用e-logp法或“彈性理論法”?？紤]到一般情況下荷載應(yīng)力水平均小于其結(jié)構(gòu)應(yīng)力，為回彈指數(shù)區(qū)段，即彈性變形段，工后沉降計算可采用基于工程經(jīng)驗的“沉降完成比例”方法。

(3)下蜀黏土及其改良土試驗研究

沿線分布較廣的下蜀黏土屬高塑限黏土，具有弱—中等膨脹性，為C組細(xì)粒填料。素土不能滿足高速鐵路對路基填料的要求。對該類土作為基床底層填料時需采取的改良措施進(jìn)行了研究，通過不同改良劑和摻入比改良下蜀黏土室內(nèi)試驗和現(xiàn)場填筑試驗，提出了改良劑宜選用石灰、摻入比采用5%的結(jié)論，研究成果對設(shè)計、施工起到了良好的指導(dǎo)作用。

(4)石英二長巖風(fēng)化物及其改良土試驗研究

通過對石英二長巖風(fēng)化物室內(nèi)改良試驗和現(xiàn)場填筑試驗，提出了該類土的填料適用性和改良方法。試驗表明：石英二長巖全風(fēng)化物礦物成份中蒙脫石含量超過7%，水對CBR值有較大影響，不宜直接用作高速鐵路路基基床底層填料；摻入粗集料改良后，顆粒級配得到明顯改善，CBR強(qiáng)度值得到顯著提高，可用作高速鐵路路基基床底層填料。

(5)碎石土填筑試驗研究

通過現(xiàn)場填筑試驗研究，驗證了碎石土填料設(shè)計方案的可行性，提出了填筑工藝、過程質(zhì)量控制方法、壓實質(zhì)量檢驗方法，指導(dǎo)了滬寧城際鐵路設(shè)計和施工。

4.4　專項評估

勘察過程中，開展了地質(zhì)災(zāi)害危險性評估、壓占礦產(chǎn)資源評估、地震安全性評價等，為最佳線位選擇及工程抗震設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

4.5　地質(zhì)核查

強(qiáng)化了施工階段工程地質(zhì)勘察工作，作為一個獨立的階段，納入工程地質(zhì)勘察程序，包括技術(shù)交底、驗基、驗槽、驗樁及施工勘察等，以及必要的補充勘探測試工作，確保地質(zhì)資料的真實可靠，全方位徹底規(guī)避了地質(zhì)風(fēng)險，為工程安全順利建成提供了保障。

4.6　從工程地質(zhì)角度提出線路運營后應(yīng)注意的問題

基于鐵路周邊工程活動(如臨近鐵路抽取地下水、深基坑開挖、堆載等)都可能引起鐵路下部地質(zhì)體性狀的變化，進(jìn)而影響鐵路路基、橋涵、隧道等工程的穩(wěn)定和行車安全。在工程地質(zhì)勘察總報告和分工點勘察報告中，提出了運營期間應(yīng)注意防范鐵路附近人類工程活動影響鐵路工程穩(wěn)定安全等問題，對保障本線運營長期安全具有重要意義。

5　結(jié)束語

經(jīng)施工驗證，滬寧城際南京至鎮(zhèn)江段工程地質(zhì)勘察資料與現(xiàn)場實際情況吻合，沒有出現(xiàn)因地質(zhì)資料不符而引起的變更設(shè)計和地質(zhì)災(zāi)害。通過對滬寧城際南京至鎮(zhèn)江段工程地質(zhì)勘察的總結(jié)，有以下幾點體會:

①樹立高速鐵路高標(biāo)準(zhǔn)的工程地質(zhì)勘察理念，制定切實可行的綜合勘察技術(shù)要求和工作大綱，是保證高速鐵路高質(zhì)量和高可靠性的工程地質(zhì)勘察的前提。

②要以工程風(fēng)險(含施工及運營)和工程建設(shè)實施難度為主線，加強(qiáng)工程地質(zhì)選線，合理選擇線路方案及工程類型，從源頭上降低工程風(fēng)險。

③依托科學(xué)試驗、專題研究或?qū)ｍ椩u估，解決工程建造面臨的重大地質(zhì)問題，指導(dǎo)各類工程的勘察設(shè)計。

④加強(qiáng)施工勘察和地質(zhì)核查等施工地質(zhì)工作，可全面系統(tǒng)地規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險，及時消除運營期間可能出現(xiàn)的問題，宜作為獨立的一個勘察階段進(jìn)行安排和管理。

⑤依據(jù)沿線工程地質(zhì)特征、地質(zhì)環(huán)境的承受能力

和敏感性，提出運營后應(yīng)對周邊工程活動重點關(guān)注的段落，對保證長期安全運營具有十分重要的意義。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[2]中華人民共和國鐵道部.鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2001

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2001

[4]中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院.新建鐵路上海至南京城際軌道交通(江蘇段)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，2008

[5]江蘇省地震工程研究院.上海至南京城際軌道交通工程場地地震安全性評價報告[R].南京：江蘇省地震工程研究院，2008

[6]中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.滬寧城際軌道交通工程地質(zhì)勘察大綱[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2006

[7]中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.新建南京至上海城際軌道交通初步設(shè)計(地質(zhì))[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2007

[8]中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.新建南京至上海城際軌道交通施工圖總說明(路基)[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2010.

[9]鐵道第四勘察設(shè)計院.軟土地基綜合勘察及物理力學(xué)參數(shù)選取方法研究[R].武漢：鐵道第四勘察設(shè)計院，2005

[10] 彭志鵬.CFG樁處理中等壓縮性土地基試驗研究[J].鐵道建筑，2009(4)