淺基巖地區(qū)軌道交通地質(zhì)分層系統(tǒng)研究

隋耀華，張 華

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

隨著城市地下空間高強(qiáng)度的開發(fā)和軌道交通工程的快速建設(shè)，巖土的工程性質(zhì)受到了包括建設(shè)公司、設(shè)計院及施工單位等相關(guān)建設(shè)單位的高度重視。目前，各市在軌道交通勘察工作中，只有很少城市有整個城市網(wǎng)的工程地質(zhì)分層系統(tǒng)，這阻礙了城市軌道交通網(wǎng)地質(zhì)資料的融合。工程地質(zhì)分層是相關(guān)建設(shè)方對巖土工程性質(zhì)辨識的最直觀途徑，因此，需要建立一個簡潔而準(zhǔn)確的地質(zhì)分層系統(tǒng)［1］。

有些城市已經(jīng)有了自己的工程地質(zhì)分層系統(tǒng)。如:上海已經(jīng)有了一個較為完整的依據(jù)地層相位關(guān)系和工程地質(zhì)性質(zhì)綜合劃分的工程地質(zhì)分層系統(tǒng)［2］;廣州地鐵也有了自己獨立并使用多年的統(tǒng)一的地質(zhì)分層系統(tǒng)［3］。上海地區(qū)基巖較深，有著完整的第四紀(jì)沉積層，根據(jù)沉積規(guī)律，共劃分了16個主層。結(jié)構(gòu)設(shè)計等非地質(zhì)專業(yè)人員在使用這個地層系統(tǒng)過程中，通常會對都是粉質(zhì)黏土卻又分出很多主層不理解，限制了地層系統(tǒng)使用的傳播。廣州地區(qū)基巖較淺，大部分基巖面埋深在30 m以內(nèi)，地鐵工程地質(zhì)分層采用了“九分法”，第四紀(jì)土層采用了以土性為主的主層分法，基巖采用了以風(fēng)化帶為主的主層分法。由于廣州市區(qū)土層以全新世地層為主，因此，這種分法在廣州市區(qū)也是合理的。廣州地鐵地質(zhì)分層系統(tǒng)較為清晰、簡潔，得到了參建廣州地鐵相關(guān)單位的廣泛應(yīng)用。但當(dāng)?shù)谒募o(jì)土層即包含全新世地層，也包含更新世地層時，這種主層的分法就不適用了。中南、華南及東南地區(qū)的長沙、深圳、南寧及福州等地區(qū)基巖的埋深基本上都在50 m以內(nèi)，其第四紀(jì)覆蓋層即有全新世地層，也有更新世地層，有著相近的地層相位關(guān)系，一般性規(guī)律較強(qiáng)，本文作為一類工程地質(zhì)分層系統(tǒng)進(jìn)行研究。

目前針對工程勘察建立區(qū)域性地質(zhì)分層系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)較少，文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］都是總結(jié)本地區(qū)巖土工程性質(zhì)時，對本地區(qū)工程地質(zhì)分層系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一。本文在參考已有文獻(xiàn)及總結(jié)了廣州、深圳、佛山、南寧、長沙、廈門、福州等多地淺基巖地區(qū)軌道交通勘察資料的基礎(chǔ)上，研究了淺基巖地區(qū)地層沉積特點、地層基本特性及工程應(yīng)用特點，最終歸納總結(jié)了淺基巖地區(qū)工程地質(zhì)分層“九分法”?！熬欧址ā钡氖褂每梢杂行p少主層數(shù)量，便于對地質(zhì)的宏觀把握，對工程可行性研究、總體設(shè)計及初步設(shè)計等都可以進(jìn)行有效指導(dǎo)，有利于工程地質(zhì)信息的使用和傳播。

1 分類方法研究

巖石和土的分類方法有很多，在工程建設(shè)活動中，應(yīng)該充分考慮地質(zhì)規(guī)律和設(shè)計需求的結(jié)合，下面分別對二者選用分類方法的原則進(jìn)行研究。

1.1 巖石的分類方法

巖石按物質(zhì)組成和成因的分類可以分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖，每一類巖石根據(jù)礦物組成不同又可以進(jìn)行具體巖石定名。按地質(zhì)年代，可以分為太古代、元古代、古生代、中生代和新生代，代的下一級單位為紀(jì)，國內(nèi)目前共有16個紀(jì)級單位。巖石按風(fēng)化程度可分為未風(fēng)化、微風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化及殘積土［4］。

1.1.1 按物質(zhì)組成和成因定名和分類

按物質(zhì)組成和成因可以分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。巖漿巖在不同地質(zhì)條件下冷凝固結(jié)而成的巖石又可以分為噴出巖、淺成巖和深成巖，常見的有玄武巖、崗斑巖和花崗巖等，占地殼體積的64.7%。沉積巖是在地表常溫、常壓條件下，物質(zhì)經(jīng)搬運(yùn)、沉積和成巖作用形成的層狀巖石，沉積巖可以分為碎屑巖、黏土巖和化學(xué)巖，常見的有砂巖、礫巖、泥巖、頁巖、石灰?guī)r和白云巖等，沉積巖占地殼體積的7.9%。變質(zhì)巖是原有巖石經(jīng)變質(zhì)作用而形成的巖石，常見的變質(zhì)巖有糜棱巖、板巖、片巖、大理巖和混合巖等，變質(zhì)巖占地殼體積的27.4%。

從上述的分類特征可知，常見的巖石有30多種，且?guī)r石之間上下沒有可遵循的層序關(guān)系，因此，按物質(zhì)組成和成因的分類不宜作為工程地質(zhì)分層的主要依據(jù)。

1.1.2 按地質(zhì)年代進(jìn)行分類

根據(jù)地質(zhì)年代表，我國地質(zhì)年代表見表1。

表1 我國地質(zhì)年代表Table 1 Geologic time scale

從表1中可以看出，按地質(zhì)年代進(jìn)行工程地質(zhì)分層，有著很清晰的上下層位關(guān)系。但在目前人類開發(fā)地下空間的條件下，在垂直剖面上揭露的基巖一般也僅為表1中的1個地層單位。因此，以地質(zhì)年代進(jìn)行工程地質(zhì)分層工程意義不大。

1.1.3 巖石按風(fēng)化程度進(jìn)行分類

巖石的風(fēng)化程度是指其“腐爛”程度，只與巖石本身蝕變程度有關(guān)，巖石逐漸被風(fēng)化，內(nèi)在變化上表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)變化和礦物成分變化，風(fēng)化程度越高，其結(jié)構(gòu)被破壞的程度越強(qiáng)。礦物成分的變化首先體現(xiàn)在節(jié)理面有次生礦物生成，圖1、圖2和圖3分別是取自于長沙市溁灣鎮(zhèn)的微風(fēng)化板巖、中等風(fēng)化板巖和強(qiáng)風(fēng)化板巖在正交偏光鏡下的照片。從照片中可以看出，各種風(fēng)化巖的礦物成分有著顯著變化［5］，微風(fēng)化板巖結(jié)構(gòu)致密均勻，中等風(fēng)化板巖結(jié)構(gòu)較致密，強(qiáng)風(fēng)化板巖結(jié)構(gòu)較為疏松。

根據(jù)風(fēng)化程度參數(shù)指標(biāo)，各種風(fēng)化巖與未風(fēng)化巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度之比一般為:微風(fēng)化巖0.8～0.9;中等風(fēng)化巖0.4～0.8;強(qiáng)風(fēng)化巖小于0.4;全風(fēng)化巖和殘積土視為土。

風(fēng)化巖地層相位關(guān)系從上到下一般為殘積土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中等風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖和未風(fēng)化巖。采用巖石的風(fēng)化程度進(jìn)行工程地質(zhì)分層，既能體現(xiàn)地質(zhì)規(guī)律，又能很好的結(jié)合工程應(yīng)用，還能減少主層的數(shù)量。因此，淺基巖地區(qū)采用風(fēng)化程度進(jìn)行工程地質(zhì)分層是較為合理的。

圖1 微風(fēng)化板巖Fig.1 Slightly-weathered slate

圖2 中等風(fēng)化板巖Fig.2 Moderately-weathered slate

圖3 強(qiáng)風(fēng)化板巖Fig.3 Strongly-weathered slate

1.2 土的分類方法

土的工程性質(zhì)與其形成的地質(zhì)年代、地質(zhì)成因及土的顆粒組成均有關(guān)系，因此，需要綜合分析其對工程影響的主導(dǎo)因素，并根據(jù)主導(dǎo)因素最終確定分層依據(jù)。

1.2.1 根據(jù)顆粒組成定名和分類

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》，按顆粒級配或塑性指數(shù)可以定名為碎石土、砂土、粉土及黏性土。碎石土又可以分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫;砂土又可以分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂;黏性土又可以劃分為粉質(zhì)黏土和黏土。

土的各種分類沒有明顯的層位關(guān)系，因此，按顆粒級配或塑性指數(shù)對土進(jìn)行定名的分類方法不宜作為分層依據(jù)。

1.2.2 根據(jù)地質(zhì)年代分類

土按沉積年代分為新近沉積土、一般沉積土和老沉積土。沉積年代是影響土的工程性質(zhì)因素之一，沉積時間越長，土的物理力學(xué)性質(zhì)越好。根據(jù)從廣州、佛山、深圳、長沙及南寧等地的軌道交通勘察中收集的資料，粉質(zhì)黏土在基本相同含水量、在不同沉積時間的情況下有著較大的差異，沉積時間越長，土的物理力學(xué)性質(zhì)越好，詳見表2。

表2 不同城市粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical parameters of silty clay in different cities

從上述分析可知，土的地質(zhì)年代對土的工程性質(zhì)影響較大，因此，以新近沉積土、一般沉積土和老沉積土的層序關(guān)系作為土的工程地質(zhì)分層是合理的。

1.2.3 根據(jù)地質(zhì)成因分類

根據(jù)地質(zhì)成因，可以分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土及淤積土等。由于外部搬運(yùn)力的大小、方式和作用時間不同，不同成因土的顆粒組成不同，因此其物理力學(xué)性質(zhì)也有一定的區(qū)別。但由于土的沉積作用，更新統(tǒng)地層地質(zhì)成因因素對土的物理力學(xué)性質(zhì)影響已經(jīng)不明顯，因此，地質(zhì)成因是工程地質(zhì)分層考慮的次要因素。

1.3 工程地質(zhì)分層方法確定

綜合以上分析，對于基巖，應(yīng)以按風(fēng)化程度進(jìn)行工程地質(zhì)分層為主，以地質(zhì)年代、按物質(zhì)組成和成因分類方法為輔。對于土層，應(yīng)按以地質(zhì)年代分類進(jìn)行工程地質(zhì)分層為主，以地質(zhì)成因及顆粒組成分類方法為輔。

2 分層系統(tǒng)研究

2.1 主層分析研究

主層的分層主要是按地層的垂直地層分類進(jìn)行，根據(jù)前述巖石的分類方法研究，采用風(fēng)化程度進(jìn)行分類對工程來講適用性較強(qiáng)，由殘積土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中等風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖、未風(fēng)化巖，巖石強(qiáng)度由低到高，巖體的完整性也由差到好?？紤]到工程應(yīng)用中利用到微風(fēng)化巖層即可認(rèn)為達(dá)到工程最好條件，因此，在巖土工程分層中，可把微風(fēng)化巖和未風(fēng)化巖合并為一層使用，以便減少主層數(shù)量。因此，殘積土和風(fēng)化巖依據(jù)地層的強(qiáng)弱共劃分為5個主層。

土按沉積年代分為新近沉積土、一般沉積土和老沉積土。土體的剪切強(qiáng)度和壓縮性，一般情況下與土的沉積年代呈正相關(guān)系，土沉積的時間越長，其工程性質(zhì)越好。因此，土體可按沉積年代劃分為3個主層。

受人類工程活動影響，人工填土層和耕土層等受人類活動影響的表層土，物理力學(xué)性質(zhì)極其不均勻，無明顯的規(guī)律性，因此，把人工填土層作為單獨一個特殊層的主層考慮。

綜上分析，基巖及殘積土層共設(shè)置主層5個，土體設(shè)置主層3個，人類活動影響層設(shè)置主層1個，合計共設(shè)置主層9個，也可以稱為工程地質(zhì)分層“九分法”。工程地質(zhì)分層“九分法”主層主要工程地質(zhì)特征見表3。

表3 工程地質(zhì)主層劃分及主要地質(zhì)特征Table 3 Main strata and their major geological properties

從表3可以看到，只要看到主層編號，就會對地層的信息大致了解，方便了建設(shè)相關(guān)方對地下空間開發(fā)和建設(shè)的宏觀把握。

2.2 亞層分析研究

對于基巖部分，同一地質(zhì)時代形成的巖石，由于物質(zhì)組成和沉積環(huán)境不同，形成的巖石也不同，因此，巖石的亞層可按其物質(zhì)組成進(jìn)行分類。如某區(qū)域白堊紀(jì)地層有泥質(zhì)粉砂巖、砂巖和礫巖等，微風(fēng)化的亞層可定義為〈9－1〉泥質(zhì)粉砂巖、〈9－2〉砂巖和〈9－3〉礫巖等。在實際工程應(yīng)用中，平面上可能跨越不同的基巖區(qū)，對于地質(zhì)時代和巖性差別都較大的基巖地層，可采用雙主層的方式來解決主層數(shù)量和性質(zhì)的問題。如工程場地基巖同時存在白堊紀(jì)地層(K)和侏羅紀(jì)(J)地層，可進(jìn)行雙主層進(jìn)行表達(dá)。白堊紀(jì)地層可表達(dá)為“〈nK〉”，侏羅紀(jì)地層可表達(dá)為“〈nJ〉”，其中“n”代表主層編號。實踐中，廣州市軌道交通線網(wǎng)巖土工程勘察總體技術(shù)要求［6］的中風(fēng)化巖雙主層及亞層編號方法見表4。

表4 廣州地鐵線網(wǎng)中風(fēng)化巖亞層編號Table 4 Number of sub-strata of moderately-weathered rock used in Guangzhou Metro

土體的亞層劃分應(yīng)采用按顆粒級配或塑性指數(shù)定義的土名以方便交流。對于土體性質(zhì)敏感的重要工程，還應(yīng)根據(jù)土體的狀態(tài)或土體的特殊性質(zhì)進(jìn)行次亞層的劃分。

2.3 應(yīng)用實例

福州市軌道交通2號線工程地質(zhì)分層采用了“九分法”［7］，地質(zhì)分層表見表5。

工程實踐使用過程中，初步設(shè)計討論方案時，軟弱地層稱為〈2〉大層，一般土層稱為〈3〉大層，土質(zhì)較硬的地層稱為〈4〉大層，殘積層稱為〈5〉層，全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖分別稱為〈6〉〈7〉層，基巖稱為〈8〉〈9〉層。設(shè)計人員進(jìn)行施工圖設(shè)計時，則需要使用到亞層及次亞層。上述地質(zhì)分層系統(tǒng)既符合地質(zhì)成因，又降低了主層的數(shù)量，使工程技術(shù)人員易于接受。

2.4 地層連線原則

根據(jù)一般地質(zhì)規(guī)律和上述分層原則進(jìn)行地質(zhì)連線時，應(yīng)遵循“先主層，后亞層;主層不斷，亞層平緩”的原則。即進(jìn)行工程地質(zhì)分層連線時，應(yīng)該先進(jìn)行主層的連接，并且保持主層的連續(xù)性，當(dāng)部分主層缺失時，應(yīng)根據(jù)“由老到新”的原則確定主層的連續(xù)性。根據(jù)表3的劃分原則，在任何條件下，大于等于〈5〉層的頂面為沉積層和殘留原地的殘積土或基巖的最原始分界限，即其頂面連線為一條不間斷的地層連線。在確定此條連線不間斷后，若遇缺失或不連續(xù)地層，其他主層連線應(yīng)“搭接”在該主層連線上。

而亞層連接時，根據(jù)地層的沉積規(guī)律，宜盡量保持平緩或呈透鏡體產(chǎn)出。

表5 福州地鐵2號線地質(zhì)分層系統(tǒng)Table 5 Geological stratification system used for Line 2 of Fuzhou Metro

3 結(jié)論與建議

1)進(jìn)行諸如地鐵工程等涉及整個城市的地層信息時，需要建立區(qū)域性地層分層系統(tǒng)。

2)淺基巖地區(qū)有著較為相似的地層相位關(guān)系，可以采用“九分法”進(jìn)行工程地質(zhì)分層系統(tǒng)劃分，這種劃分方法，既符合地質(zhì)成因，又降低了主層的數(shù)量，使工程技術(shù)人員易于接受。

3)基于本文原則建立的分層系統(tǒng)，地層連線可按“先主層，后亞層;主層不斷，亞層平緩”的原則進(jìn)行連接剖面。

4)淺基巖地區(qū)，建議采用“九分法”進(jìn)行工程地質(zhì)分層系統(tǒng)劃分。

采用“九分法”進(jìn)行地質(zhì)分層時主要問題是，當(dāng)沉積環(huán)境復(fù)雜，且同一時代沉積層較多時，會增加亞層及次亞層的數(shù)量，地層編號數(shù)字較長，使用不方便。若對亞層或次亞層合并，減少亞層數(shù)量和地層編號長度，則會降低地層信息的精度。

各地區(qū)在“九分法”應(yīng)用過程中，需要進(jìn)一步總結(jié)本地區(qū)地層特點，定位各地層層號，在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)一步研究各地層的主要物理力學(xué)特征，以便利于“九分法”的使用和傳播。

［1］ 隋耀華，陳曉丹.區(qū)域性地層分層系統(tǒng)研究［C］//2011海峽兩岸巖土工程/地工技術(shù)交流研討會論文集.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2011:89－94.(SUI Yaohua，CHEN Xiaodan.Study of regional stratigraphic layered system［C］//The two sides of the Taiwan Strait geotechnical engineering seminar series in 2011.Beijing:China Science and Technology Press，2011:89－94.(in Chinese))

［2］ 馮銘璋.統(tǒng)一上海工程地質(zhì)分層編號的討論［J］.上海地質(zhì)，1993(1):14－20.(FENG Mingzhang.A discussion on unifying the serial number of strata by engineering geology in Shanghai［J］.Shanghai Geology，1993(1):14－20.(in Chinese))

［3］ 謝明.廣州地鐵沿線巖土分層系統(tǒng)的建立和特征以及在地鐵、輕軌勘察規(guī)范中增設(shè)巖土分層規(guī)定的必要性和可行性［J］.地鐵與輕軌，2003(1):17－24.(XIE Ming.Guangzhou MTR geotechnical hierarchical system of the building and features，as well as the subway，light rail survey in the specification for additional geotechnical layered provisions of the necessity and feasibility［J］.Metro Survey＆Planning，2003(1):17－24.(in Chinese))

［4］ GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.(GB 50021—2001 Code for investigation of geotechnical engineering［S］.Beijing:China Architecture＆Building Press，2009.(in Chinese))

［5］ 隋耀華，湯連生，陳曉丹.工程中巖體分級方法及應(yīng)用研究［J］.工程勘察，2012(12):12－16.(SUI Yaohua，TANG Liansheng，CHEN Xiaodan.Studyofregional stratigraphic layered system［J］.Geotechnical Ivestigation＆Surveying，2012(12):12－16.(in Chinese))

［6］ 廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司.廣州市軌道交通線網(wǎng)巖土工程勘察總體技術(shù)要求［R］.4版.廣州:廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，2012.(Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.General technical requirements of investigation of geotechnical engineering on Guangzhou urban rail transit network［R］.The Fourth Edition.Guangzhou:Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，2012.(in Chinese))

［7］ 廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司.福州市軌道交通2號線工程總體技術(shù)要求［R］.福州:廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，2013.(Guangzhou Metro Design＆ Research Institute Co.，Ltd.Generaltechnicalrequirementsof investigation of geotechnical engineering on Fuzhou Line 2［R］.Fuzhou:Guangzhou Metro Design＆ Research Institute Co.，Ltd.，2013.(in Chinese))