高鐵工程中巖土工程勘察的應(yīng)用

劉翔

摘要：高鐵作為未來最重要的區(qū)域交通運(yùn)輸，高鐵建設(shè)成為新世紀(jì)鐵路工作者的重中之重。由于我國幅員遼闊且地質(zhì)條件復(fù)雜，巖土工程勘測在高鐵建設(shè)中尤為重要。本文探討了巖土工程在我國高鐵建設(shè)中的重要性、存在的問題及應(yīng)用辦法。本文對上述問題的論述對于相關(guān)領(lǐng)域科研工作者和同行業(yè)工作人員具有十分重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：高鐵工程；巖土工程；勘察

1.引言

高速鐵路作為高科技產(chǎn)物，不僅讓鐵路旅客運(yùn)輸發(fā)生了翻天覆地的變化，也改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的時(shí)空觀念，并帶動(dòng)其他相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。目前，世界發(fā)達(dá)國家的高速鐵路已基本建成。我國為了順應(yīng)世界運(yùn)輸新趨勢和提高運(yùn)輸質(zhì)量，正在大力發(fā)展高速鐵路建設(shè)。但是，我國復(fù)雜的地質(zhì)狀況和地形嚴(yán)重影響高鐵建設(shè)的質(zhì)量和效率。因此，必須在高速鐵路建設(shè)過程中實(shí)施巖土工程勘測環(huán)節(jié)，本文探討了巖土工程勘察在高鐵建設(shè)中的應(yīng)用。

2.高鐵工程中巖土工程勘察意義

土木工程技術(shù)與巖土工程實(shí)踐之間的一個(gè)主要區(qū)別是巖土工程需要有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和能力的專家來做出合理的判斷。巖土工程師的首要任務(wù)是識別土壤和巖石特性的差異，評估現(xiàn)場巖石和土壤的工程特性，并確定合適的設(shè)計(jì)和施工方法，達(dá)到成本效益，耐用性和安全性。

隨著新的研究技術(shù)和支持巖土工程師工作的新材料的發(fā)明，該領(lǐng)域范圍更廣。未來的鐵路線要提高高鐵速度和軸重，需要對現(xiàn)有的線進(jìn)行升級。城市人口穩(wěn)定增長，對高效、幾乎無振動(dòng)的地面運(yùn)輸提出了嚴(yán)格的要求。區(qū)域限制會(huì)導(dǎo)致狹窄的走廊，交通擁擠，比以前更接近房屋、辦公室和工業(yè)區(qū)。這種演變帶來了新的地球動(dòng)力學(xué)挑戰(zhàn)，需要工程界解決。

在這種情況下，需要考慮三個(gè)主要問題：

（1）臨界速度問題：必須避免由于高鐵速度接近軌道結(jié)構(gòu)和支撐地面中波浪的自然速度而引起的軌道過度動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

（2）履帶結(jié)構(gòu)耐久性問題；壓載物，子壓載物和路基材料應(yīng)承受軌道結(jié)構(gòu)中較高的動(dòng)態(tài)載荷作用，而不會(huì)引起軌道結(jié)構(gòu)和地面系統(tǒng)的加速退化或過多的沉降。

（3）振動(dòng)環(huán)境問題：增加的振動(dòng)從鐵路線穿過地面到建筑物的傳播會(huì)給人員帶來不便，干擾敏感設(shè)備甚至損壞建筑物，應(yīng)將這些負(fù)面影響降至最低。

3.巖土工程勘察的主要功能

評估巖土工程危害，包括滑坡的可能性。首先要確定承載力，地基變形以及土壤，地基與結(jié)構(gòu)之間可能的相互作用。其次要評估土壓力和擋土墻的性能。路堤行為分析：開挖，洞穴，隧道的強(qiáng)度分析。進(jìn)行站點(diǎn)的響應(yīng)分析：巖土工程勘察是應(yīng)用科學(xué)方法和工程原理來獲得土木工程問題解決方案的第一步。識別土壤和巖石類型，測量地下水位，確定材料強(qiáng)度，識別地質(zhì)約束是巖土工程師需要研究的一些方面。所有巖土施工都在地面上進(jìn)行，因此巖土工程在所有土木工程項(xiàng)目中非常關(guān)鍵。

在進(jìn)行任何施工之前，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查至關(guān)重要。未能執(zhí)行此操作通常會(huì)對建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生負(fù)面后果，破壞地球的物理環(huán)境。巖土工程勘察可以安全地調(diào)查和分析場地，確定其現(xiàn)在和將來的穩(wěn)定性。該類項(xiàng)目通常會(huì)涉及物理環(huán)境的重大變化，并且可能包括對主要結(jié)構(gòu)（如建筑物、橋梁、水壩、機(jī)場跑道和塔樓）的挖掘和施工。

4.巖土工程勘察的重要方面

4.1土壤力學(xué)

土壤力學(xué)是巖土工程學(xué)的一個(gè)主要領(lǐng)域，在該領(lǐng)域中，進(jìn)行任何重大建造之前都要先對土壤進(jìn)行分析，以確保其適合支撐所需結(jié)構(gòu)的載荷。土壤通常由巖石顆粒組成，而水和空氣位于空間中。確定受巖石顆粒尺寸，礦物顆粒形式，粒度分布以及土壤中礦物質(zhì)，空氣和水的量影響的土壤的工程特性至關(guān)重要。

通?？紤]用于進(jìn)行場地條件分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的土壤的工程特性有單位重量、干燥單位重量、飽和單位重量、孔隙率和滲透率。為了確定土壤的適用性，進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)室測試。即使承受較大的載荷，包括更重、更長和更頻繁的高鐵，地基也應(yīng)穩(wěn)定且基本無碎屑。桅桿基礎(chǔ)也應(yīng)穩(wěn)定，并能滿足懸鏈線精確導(dǎo)向的極端要求。工程師需要設(shè)計(jì)或改善能力不足的地面，以滿足“剛度”對準(zhǔn)的約束。需要評估和應(yīng)用控制初期和長期沉降的地面改良技術(shù)（例如垂直排水溝，穩(wěn)定的地面，穩(wěn)定的墻體、沙樁、噴射樁、泡沫混凝土樁和石灰水泥樁）。改善的地面上很小或局部偏差的后果對于高速鐵路線來說都是災(zāi)難性的。

臨界速度的表現(xiàn)：三種不同類型的波可以在地下傳播：壓縮波，剪切波和瑞利波。前兩種類型可以存在于地體內(nèi)的任何位置，而瑞利波只能沿地表傳播。瑞利波的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)只會(huì)滲透到有限的范圍深入地下。每種波的自然傳播速度都取決于地面條件。瑞利波和剪切波的速度大致相同。地面越軟，瑞利波越低。對于像高鐵一樣的動(dòng)態(tài)表面載荷，幾乎所有的振動(dòng)能量都包含在瑞利波中。

4.2基礎(chǔ)

地基的評估是有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要元素，因?yàn)榻ㄖ锏暮奢d通過地基傳遞到地面，地基應(yīng)足夠堅(jiān)固以承受施加的荷載?，F(xiàn)場的土壤和巖石層的特性也會(huì)影響基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。地基的支撐受地基下的承載力、沉降和運(yùn)動(dòng)的影響。承載力是土壤承受建筑物或結(jié)構(gòu)載荷的能力，應(yīng)謹(jǐn)慎確定，以確保建筑物的安全。盡管幾乎沒有地基，但在輕載結(jié)構(gòu)下可能會(huì)發(fā)生微不足道的沉降。一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的沉降可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以上所有方面。

除此之外，土工合成材料還作為土木工程問題的可靠解決方案而出現(xiàn)。它們的特性（例如，耐水性和聚合物性質(zhì)）使其適合于抗排水、提供加固，結(jié)構(gòu)密封等方面。土工泡沫、土工合成粘土襯里、土工格室、滲透單元和土工織物是土木工程中最常用的產(chǎn)品。

4.3動(dòng)態(tài)下力學(xué)性能

高鐵結(jié)構(gòu)，無論其軌道、彎道、次彎道和堤岸，都構(gòu)成了與地面耦合的作用。梁具有自然彎曲波，傳播速度取決于梁的幾何形狀和材料屬性。對于與地面具有動(dòng)態(tài)慣性的鐵路結(jié)構(gòu)，應(yīng)結(jié)合自然波的作用，其運(yùn)動(dòng)方式和速度取決于軌道結(jié)構(gòu)和地面的特性。該速度稱為軌道結(jié)構(gòu)—地面系統(tǒng)的臨界速度。如果以接近臨界速度的速度在軌道上通過，就會(huì)出現(xiàn)與飛機(jī)一起進(jìn)入超音速飛行的動(dòng)搖現(xiàn)象。

在動(dòng)車的情況下，通常是準(zhǔn)靜態(tài)的列車，其動(dòng)靜響應(yīng)主要是準(zhǔn)靜態(tài)的，經(jīng)歷了廣泛的動(dòng)態(tài)變化，從而確定了臨界速度，整個(gè)動(dòng)靜結(jié)構(gòu)和地面都發(fā)生了較大的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)以及相關(guān)的發(fā)育不良的上弦和下垂，完全消失了，并導(dǎo)致軌道、壓載物和存放物的快速變形，由于懸鏈系統(tǒng)中的大震動(dòng)和威脅而中斷了高鐵的動(dòng)力。影響列車的穩(wěn)定性和安全性，甚至可能導(dǎo)致脫軌和地面故障。

有一個(gè)增加最高速度的限制，使列車和生產(chǎn)線投入運(yùn)營，并獲得了更多的經(jīng)驗(yàn)和信心。隨著運(yùn)行速度的穩(wěn)步提高，行進(jìn)中的列車將達(dá)到地面的實(shí)際速度。由于高速線路的位置極高，因此無法輕易繞開不良的地面區(qū)域，在早期規(guī)劃階段就可以有效地篩選出問題區(qū)域，并針對各種情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，并采用經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)工具和針對新產(chǎn)品的專門信息并要求鐵路沿線行駛預(yù)防和解決與臨界速度有關(guān)的問題。

5.巖土工程勘察存在的主要問題

5.1缺乏具有針對性的高鐵勘察綱要

隨著新型勘察技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的高鐵勘察綱要很難體現(xiàn)新型勘察技術(shù)的特點(diǎn)，難以從高鐵勘察綱要中找到解決新型技術(shù)問題的方法，技術(shù)人員也難以通過綱要了解新型技術(shù)的操作標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致高鐵勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性受到影響。

5.2高鐵勘察技術(shù)過于單一，得不到更新

很多高鐵勘察單位并不重視勘察技術(shù)的更新與優(yōu)化，出現(xiàn)高鐵勘察技術(shù)方法單一的問題。因此，在實(shí)際高鐵勘察過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，通過高鐵勘察單位現(xiàn)有的技術(shù)很難對一些地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行勘測，導(dǎo)致勘察結(jié)果局限于定性評價(jià)，不能得出定量的評價(jià)結(jié)論，這樣的高鐵勘察報(bào)告也難以給后續(xù)的工程設(shè)計(jì)與工程施工提供具有參考性的依據(jù)。

5.3高鐵勘察單位技術(shù)水平參差不齊，勘察質(zhì)量有待提升

（1）很多企業(yè)為了爭取業(yè)務(wù)，壓低報(bào)價(jià)，并隨意增減巖土工程勘察項(xiàng)目。

（2）一些企業(yè)為了縮短采樣時(shí)間，采用不符合規(guī)定要求的鉆探、測試、取樣方法，導(dǎo)致現(xiàn)場鉆探處理工作無法精確完成分層工作，容易漏掉一些具有透鏡體、軟弱夾層的地質(zhì)的勘察。

（3）在實(shí)際勘察工作中，對巖心管中的樣本并沒有采取專業(yè)的取樣器進(jìn)行處理。這些問題的存在都會(huì)造成勘察工作存在較大的誤差，進(jìn)而影響勘察工作的質(zhì)量[2]。

5.4沒有認(rèn)識到高鐵勘察工作和環(huán)境的共同作用

隨著建筑設(shè)計(jì)理念以及施工技術(shù)的發(fā)展，越來越多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑進(jìn)入人們的日常生活中，這些建筑也導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化。如果在高鐵巖土工程中不能充分考慮其他建筑造成的地質(zhì)環(huán)境變化，很容易導(dǎo)致新施工項(xiàng)目的地質(zhì)受到影響。

6.巖土工程勘察工作的優(yōu)化措施

6.1制訂完善的巖土工程勘察技術(shù)綱要

技術(shù)綱要對高鐵工程項(xiàng)目的開展具有指導(dǎo)性意義，在制訂巖土工程勘察技術(shù)綱要之前，要保證編制者對勘察技術(shù)有深入的了解，并具備豐富的勘察實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以便針對項(xiàng)目特點(diǎn)在巖土工程勘察技術(shù)綱要中融入具有針對性的技術(shù)要求。

在綱要的編制過程中，對技術(shù)方法的相關(guān)要求進(jìn)行明確，還要對誤差處理、安全防護(hù)、施工流程等內(nèi)容進(jìn)行說明，并制定科學(xué)有效的安全預(yù)案，避免事故發(fā)生時(shí)技術(shù)人員手足無措。

6.2積極更新勘察方法，通過培訓(xùn)提高自身技術(shù)水平

高鐵勘察單位應(yīng)對勘察技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和更新，引進(jìn)先進(jìn)的勘察技術(shù)，在應(yīng)對不同地質(zhì)環(huán)境時(shí)能夠選擇適合的高鐵勘察技術(shù)方法，以保證高鐵勘察質(zhì)量。先進(jìn)的高鐵勘察技術(shù)往往能夠有效解決傳統(tǒng)勘察技術(shù)本身存在的問題，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性以及較高的勘察精度，能夠滿足相應(yīng)的工程需求，提高勘察單位的工作效率[3]。

除了引用新技術(shù)，高鐵勘察單位還要重視員工的技術(shù)培訓(xùn)工作，一方面使技術(shù)人員熟練掌握常規(guī)的勘察技術(shù)，明確勘察技術(shù)的要點(diǎn)內(nèi)容。另一方面，技術(shù)人員要通過培訓(xùn)加強(qiáng)對新型勘察技術(shù)的掌握，提高自身的專業(yè)素質(zhì)。在培訓(xùn)中，根據(jù)員工對標(biāo)準(zhǔn)的掌握情況，融入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范培訓(xùn)課程，使技術(shù)人員按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求開展勘測工作。

在采集任何不受干擾的樣品或進(jìn)行任何原位測試之前，應(yīng)將襯層向下帶到井眼底部。應(yīng)在柔軟至堅(jiān)硬的粘土和淤泥中使用適當(dāng)尺寸的螺旋鉆，以防止抽吸。殼管的使用應(yīng)僅限于地下水位以下非常堅(jiān)硬至堅(jiān)硬的粘土和砂質(zhì)地層。僅在巨石或巖石地層或通過局部障礙物時(shí)才允許使用鑿子鉆頭。裸露的井眼只能允許到井壁側(cè)面無支撐的深度。如果發(fā)現(xiàn)有側(cè)傾或擠壓的情況，應(yīng)立即采取措施，按照巖土工程師的指示，用套管將井眼的側(cè)面穩(wěn)定?？梢园凑諑r土工程師的要求，使膨潤土漿液穩(wěn)定鉆孔。考慮地下土壤的狀況，如果在鉆孔方面沒有足夠的進(jìn)展，巖土工程師可以允許使用噴水器或沖擊鉆頭進(jìn)行沖洗鉆孔等任何類似的鉆孔方法。鉆孔通過地下水位以上的粘性土壤和無粘性土壤時(shí)，不得添加水。進(jìn)行鑒定試驗(yàn)后，應(yīng)仔細(xì)檢查由螺旋鉆、機(jī)殼、分叉勺的切割靴或未受干擾的采樣器帶來的切屑，并適當(dāng)記錄土壤描述。在任何鉆孔中完成鉆孔后，應(yīng)以巖土工程師認(rèn)可的性能來準(zhǔn)備鉆孔記錄。觀察地下水位后，應(yīng)按照巖土工程師的指示，以其認(rèn)可的方式對鉆孔進(jìn)行回填。

6.3適當(dāng)擴(kuò)大高鐵勘察范圍，明確環(huán)境對地質(zhì)環(huán)境的影響

在高鐵勘察過程中，除了要做好項(xiàng)目所在地地質(zhì)類型的調(diào)查工作，還要明確周圍地質(zhì)環(huán)境是否會(huì)對項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況造成影響，并明確范圍內(nèi)的地層應(yīng)力情況，為設(shè)計(jì)施工人員制定支護(hù)方案提供參考依據(jù)。

在明確巖土物理力學(xué)性質(zhì)的同時(shí)，要基于工程建筑安全性的角度對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境進(jìn)行討論，并綜合區(qū)域環(huán)境制定完善的勘察規(guī)程。

7.結(jié)語

隨著我國巖土工程勘察工作在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用，該技術(shù)成為項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工單位重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，期待能夠獲得精確性更高、質(zhì)量更好的巖土勘察結(jié)果。作為高鐵勘察技術(shù)人員，應(yīng)從自身技術(shù)水平以及現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展情況入手，研究解決問題的方式與方法，為提升高鐵質(zhì)量提供支持。

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