某開發(fā)區(qū)站巖土工程勘察技術(shù)研究

章中良

（核工業(yè)南京工程勘察院，江蘇 南京 210000）

0 前言

20世紀(jì)80年代開始，我國各大城市開始陸續(xù)興建地鐵，地鐵巖土工程勘察技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)得以不斷積累，巖土勘察工作的規(guī)范性也在這一過程中不斷增強(qiáng)?，F(xiàn)階段，各類巖土工程勘察技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市地鐵車站勘察中，例如波速測(cè)試技術(shù)、大地導(dǎo)電率測(cè)試技術(shù)等，為保證該類技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，該文圍繞城市地鐵巖土勘察開展了具體的研究。

1 工程概況

南京地鐵六號(hào)線工程全線長約32 365.00 m，共設(shè)19座地下車站，包括9座換乘站，最小站間距、最大站間距和平均站間距分別為583.00 m、3 949.00 m和1 651.00 m，該文主要是將某開發(fā)區(qū)站作為研究對(duì)象，該開發(fā)區(qū)于中間站，采用雙層兩跨（局部三跨）島式設(shè)計(jì)，盾構(gòu)井寬度、標(biāo)準(zhǔn)段寬度、站臺(tái)寬度和有效站臺(tái)長分別為24.10 m、19.70 m、11.00 m和120.00 m，具有鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)，頂板覆土厚度、兩側(cè)標(biāo)高和底部中部標(biāo)高分別為2.79 m～3.54 m、+12.21m和+12.60 m。巖土工程勘察主要圍繞車站主體結(jié)構(gòu)展開，車站主體平面簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 車站主體平面簡(jiǎn)圖

案例車站所在地屬崗地和崗間坳溝地貌單元，地形平坦，地面高程、最大相對(duì)高差分別為28.50 m～30.20 m、1.70 m，總體呈現(xiàn)西高東低。該地屬于北亞熱帶濕潤氣候區(qū)，案例車站附近不存在能夠產(chǎn)生影響的地表水體，沿線存在眾多廠房與地下管線。車站場(chǎng)地?fù)碛休^為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，近場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)育有5條主要斷裂及3條次要斷層，主要包括楊坊山—長林村斷層、幕府山—焦山斷裂、南京—湖熟斷裂。結(jié)合已有的物探和鉆探等資料可以判定，這類斷裂不會(huì)直接影響工程場(chǎng)地。案例車站的場(chǎng)地適合建設(shè)地鐵車站，屬于地震地質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)地，但是斷裂帶來的巖層破碎、風(fēng)化強(qiáng)烈以及蝕變會(huì)對(duì)工程造成一定程度的影響。

2 城市地鐵巖土工程勘察的主要任務(wù)

2.1 勘察目的

基于初步勘察資料，案例工程的巖土工程勘察須結(jié)合主體結(jié)構(gòu)及具體施工方法，對(duì)地質(zhì)進(jìn)行有針對(duì)性的勘察，查明場(chǎng)地的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件并進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)特殊性巖土和不良地質(zhì)提出治理措施，滿足設(shè)計(jì)與施工需要，為地質(zhì)勘察提供充分的依據(jù)。

2.2 主要任務(wù)

城市地鐵巖土工程勘察的主要任務(wù)包括查明區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，重點(diǎn)勘察有特殊要求的區(qū)段，根據(jù)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出建議。具體勘察過程需要明確場(chǎng)地的地形和地質(zhì)等基本特征，查明填土的分布、力學(xué)特性及對(duì)施工的影響，明確軟弱土層的分布情況和具體特性，提供合理的巖土參數(shù)，查明特殊巖土地質(zhì)和不良地質(zhì)，地下水變化規(guī)律，為基坑支護(hù)提供參數(shù)支持，評(píng)價(jià)場(chǎng)地與地基的地震效應(yīng)，開展場(chǎng)地類別、抗震地段劃分，對(duì)基坑邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，最終完成巖土工程地質(zhì)報(bào)告并提出設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)建議，對(duì)施工單位進(jìn)行的詳盡技術(shù)交底也屬于巖土工程勘察的重要任務(wù)[1]。

3 城市地鐵巖土工程勘察的技術(shù)要點(diǎn)

3.1 鉆探環(huán)節(jié)技術(shù)要點(diǎn)

為保護(hù)地下管線等埋藏物，勘探前每個(gè)鉆孔需要人工進(jìn)行1.5 m以上的深度挖掘，勘察過程中深度到達(dá)3 m后需要使用麻花鉆進(jìn)行試探，并保證鉆機(jī)與既有設(shè)施及各種電力線保持安全距離。案例采用全斷面取芯鉆進(jìn)技術(shù)，需要將最大回次進(jìn)尺控制為2 m，全斷面取芯時(shí)采取率需針對(duì)性控制，破碎巖層、碎石類土、完整巖層、砂土地層以及粉土與黏性土地層最小值應(yīng)分別控制為65%、50%、80%、70%和90%。探孔位置須基于地下埋藏物等分布情況確認(rèn)，如果存在協(xié)調(diào)困難的孔位，須基于車站縱向方向適當(dāng)?shù)匾苿?dòng)，但是需要保證移動(dòng)距離控制在2 m內(nèi)[2]。

3.2 取樣環(huán)節(jié)技術(shù)要點(diǎn)

基于1.5 m～2.0 m間距進(jìn)行原狀土樣采取，間距基于土層厚度可適當(dāng)放寬，可采用1.0 m間距進(jìn)行較薄土層采取，取樣器也需要針對(duì)性選擇。從巖芯中截取巖樣，須保證巖樣的代表性。地下水樣采取須結(jié)合潛水與承壓水的各自特點(diǎn)，干鉆至含水層的潛水取樣須保證孔內(nèi)水位穩(wěn)定，鉆孔結(jié)束后洗井后24 h進(jìn)行承壓水取樣。土壤腐蝕性樣品采取須結(jié)合試驗(yàn)需要，采取地下水位以上的土樣。采集后的樣品需要直立放置并在蠟封后做好標(biāo)識(shí)，同時(shí)要注意防曬、防淋、及時(shí)運(yùn)送以及及時(shí)試驗(yàn)。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)要點(diǎn)

采用0.76 m落距和63.50 kg的落錘開展標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，先擊入0.15 m，之后進(jìn)行0.30 m，0.15 m不計(jì)擊數(shù)，記錄每10 cm的錘擊數(shù)之和即為實(shí)測(cè)擊數(shù)。例如，貫入深度在50擊時(shí)未達(dá)到0.30 m，記錄對(duì)應(yīng)的實(shí)際貫入度并進(jìn)行換算。在試驗(yàn)前需要清除孔內(nèi)浮土，鉆桿需要保持垂直。20.00 m以上、20.00 m以下試驗(yàn)間距分別控制為1.50 m～2.00 m、2.00 m，須保證最少存在2～3個(gè)薄層土測(cè)試點(diǎn)[3]。

3.4 重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)要點(diǎn)

重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)圍繞碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖和碎石土開展，基于自動(dòng)落錘裝置進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)貫入0.10 m讀數(shù)進(jìn)行記錄，按照1.50 m～2.00 m控制試驗(yàn)點(diǎn)間距，試驗(yàn)結(jié)果須基于規(guī)范進(jìn)行針對(duì)性修正。

3.5 靜力觸探試驗(yàn)要點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)土類定名、土層界面劃分、地基承載力確定、地基土參數(shù)測(cè)定、液化判別、土質(zhì)均勻性查明以及土的變形特征評(píng)價(jià)，需要開展靜力觸探試驗(yàn)。案例工程主要基于鉆探進(jìn)行勘察工作，靜力觸探須結(jié)合實(shí)際鉆探的揭露情況開展，最小孔間距控制為2 m。

3.6 十字板剪切試驗(yàn)要點(diǎn)

案例勘察工作開展電阻應(yīng)變式十字板剪切試驗(yàn)，基于50 mm×100 mm控制板頭尺寸，為在預(yù)定深度貫入電阻應(yīng)變式十字板，試驗(yàn)過程要先實(shí)驗(yàn)靜探儀，蝸桿和蝸輪通過搖把勻速緩慢回轉(zhuǎn)，在 3 min～5 min 達(dá)到最大應(yīng)變值。每搖一圈進(jìn)行 1 次讀數(shù)，剪損后繼續(xù)進(jìn)行1 min讀數(shù)。試驗(yàn)完成后軸桿需要通過搖把連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)6周，最終獲得塑土剪損時(shí)最大微應(yīng)變值。

3.7 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)要點(diǎn)

為開展土的類別判定并明確水平基床系數(shù)以及靜止側(cè)壓力系數(shù)，需要進(jìn)行扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的扁鏟側(cè)脹儀型號(hào)為DMT-W1，試驗(yàn)前須保證薄片膨脹到0.05 mm、1.10 mm，氣壓值分別控制為△A=5 kPa～25 kPa、△A=10 kPa～110 kPa，之后連接氣電管路和儀器設(shè)備，開始測(cè)量。完成試驗(yàn)后率定鏟形探頭，并按照規(guī)定范圍檢查△A、△B，如果超過規(guī)定范圍則重新實(shí)驗(yàn)，選擇車站底板及地面以下1.0 m～3.0 m作為試驗(yàn)深度[4]。

3.8 旁壓試驗(yàn)要點(diǎn)

基于土深度與變形模量的關(guān)系曲線，旁壓試驗(yàn)?zāi)艽_定土的變形及承載力的參數(shù)。案例工程采用預(yù)鉆式旁壓儀進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，型號(hào)為GA—BX，該設(shè)備能夠滿足試驗(yàn)需要。具體的野外試驗(yàn)和資料整理嚴(yán)格遵循行業(yè)規(guī)范要求，在代表性較高的深度和位置進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)垂直間距控制為1.5 m，每層土需要有1個(gè)測(cè)點(diǎn)，土層厚度在3 m以上至少需要設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.9 波速測(cè)試要點(diǎn)

案例工程采用高靈敏度井中三分量檢波器、樁動(dòng)測(cè)儀及計(jì)算機(jī)進(jìn)行波速測(cè)試，型號(hào)為RS-1616K（s），選用地面激振孔接收方式進(jìn)行波速測(cè)試。具體測(cè)試需要將剪切板放置于距孔口1.0 m～2.0 m處，剪切板上要壓重物，在水平正、反方向使用鐵錘進(jìn)行敲擊，鐵錘規(guī)格為10.886 kg，以此激發(fā)剪切波，同時(shí)垂直激發(fā)剪切波和壓縮波。將三分量檢波器設(shè)置在孔內(nèi)，地震信號(hào)可基于0.5 m～1.0 m間距自下而上接收，檢查點(diǎn)數(shù)14%。計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)地震數(shù)據(jù)，初至波的旅行時(shí)間由專業(yè)軟件進(jìn)行讀取和分析，進(jìn)行時(shí)距校正，各巖層的波速值可通過計(jì)算得出。結(jié)合鉆探情況和巖體完整程度，案例工程的壓縮波和剪切波波速測(cè)試基于代表性鉆孔 進(jìn)行[5]。

3.10 地溫觀測(cè)要點(diǎn)

在終孔24 h后開展第一次地溫測(cè)試，保證泥漿溫度接近地層溫度，測(cè)試精度檢查可順利開展，地層溫度對(duì)相應(yīng)深度上鉆孔泥漿烘烤作用程度也可同時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)，第2次測(cè)量在次日進(jìn)行。選擇深水測(cè)溫儀進(jìn)行地溫測(cè)試，型號(hào)為CW—3，該儀器具備操作簡(jiǎn)單、易于攜帶、測(cè)溫速度快且靈敏度高的特點(diǎn)。準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行地溫測(cè)試，打開連接儀器，將測(cè)試探頭在空氣中放置5 min，穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)記錄，該記錄為氣溫。在孔中放入測(cè)試探頭，測(cè)量順序?yàn)橛缮隙?、由下而上，須保證存在0.5 ℃內(nèi)的測(cè)量溫差，地層溫度成果數(shù)據(jù)選擇第二次數(shù)值。完成外業(yè)作業(yè)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，剔除異常點(diǎn)并進(jìn)行平滑、數(shù)值計(jì)算，可準(zhǔn)確得出地溫。

3.11 電阻率測(cè)試要點(diǎn)

采用三側(cè)向電阻率探管和綜合測(cè)井儀進(jìn)行電阻率測(cè)井，型號(hào)分別為X411、GJS1-B，測(cè)量范圍、耐壓、輸出信號(hào)、穩(wěn)定度和線性度分別為0 kΩ～10 kΩ、15 MPa、0 V～9 V、2%和2%，同時(shí)選擇絞車控制器及絞車、電纜作為下井設(shè)備，型號(hào)為JCH－3。采用地質(zhì)勘察鉆孔和三極電阻率法進(jìn)行測(cè)試，點(diǎn)距為0.5 m與1 m，電極系OA、MN分別設(shè)置為0.8 m、0.2 m，鉆孔口30 m外布置無窮遠(yuǎn)極，鉆孔中的測(cè)試探頭測(cè)試順序?yàn)樽韵孪蛏?。選擇溫納裝置進(jìn)行大地導(dǎo)電率測(cè)試，大地導(dǎo)電率基于800 Hz、50 Hz頻率下地層開展分別計(jì)算，同時(shí)對(duì)返回電流深度進(jìn)行計(jì)算。采用多功能直流電法儀作為測(cè)量?jī)x器，型號(hào)為DZD-6A，將電極打入被測(cè)土壤中按照一字排列的4個(gè)小洞中，然后進(jìn)行地下供電，外側(cè)兩電極流入測(cè)試電流，四極電測(cè)深法裝置如圖2所示。圖中的電極A、M、N、B對(duì)稱于公共中心點(diǎn)O點(diǎn)的兩側(cè)。

3.12 簡(jiǎn)易水文試驗(yàn)要點(diǎn)

案例工程基于穩(wěn)定流方法開展簡(jiǎn)易水文試驗(yàn)，在觀測(cè)的同時(shí)，采用非穩(wěn)定流法計(jì)算要求。降深環(huán)節(jié)由小到大進(jìn)行落程抽水試驗(yàn)，須保證存在相等的各次降深間的差值。靜水位觀測(cè)在正式抽水前進(jìn)行，觀測(cè)時(shí)間間隔為1 h或30 min，在2 cm內(nèi)的連續(xù)4個(gè)測(cè)點(diǎn)變幅無持續(xù)下降或上升時(shí)為穩(wěn)定狀態(tài)，靜止水位值取最后4個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位平均值。在觀測(cè)動(dòng)水位和出水量的過程中，正式抽水試驗(yàn)開始后按照一定時(shí)間間隔進(jìn)行觀測(cè)，120 min前需要進(jìn)行15次觀測(cè)，之后按照每間隔30 min進(jìn)行觀測(cè)，直至水位穩(wěn)定。試驗(yàn)過程中將2 cm內(nèi)的水位波動(dòng)值、5%以內(nèi)平均流量的涌水量波動(dòng)值作為水位和涌水量穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，且水位和水量不存在持續(xù)下降或上升趨勢(shì)，以降深均不小于4 h為穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間?；謴?fù)水位觀測(cè)在抽水試驗(yàn)結(jié)束后立即開展，具體觀測(cè)方法與動(dòng)水位和出水量觀測(cè)類似，靜止水位觀測(cè)要求與恢復(fù)水位穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)相同。抽水過程中要及時(shí)整理資料，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題。

3.13 地下水水位量測(cè)要點(diǎn)

案例工程采用干鉆鉆進(jìn)地下水位以上部分，待觀察到初見水位后再進(jìn)給水鉆，如果遇到承壓水，需要進(jìn)行承壓水位測(cè)定，在下套管進(jìn)行止水后隔開其他含水層與被測(cè)含水層，來測(cè)定承壓水?；谒畬訚B透性，穩(wěn)定水位量測(cè)需結(jié)合規(guī)定的地下水穩(wěn)定時(shí)間。

3.14 室內(nèi)巖、土、水試驗(yàn)要點(diǎn)

土工試驗(yàn)須結(jié)合案例工程的工法、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，具體涉及土工、巖石、含水量和水土質(zhì)分析等。以土工試驗(yàn)為例，具體涉及快剪、固結(jié)快剪、標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)、常規(guī)物性、三軸CU、三軸UU、靜止側(cè)壓力系數(shù)、滲透系數(shù)、垂直基床系數(shù)、水平基床系數(shù)、電阻率和熱物理等。嚴(yán)格基于行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

3.15 其他要點(diǎn)

案例工程基于“勘察綱要”和質(zhì)量體系運(yùn)行文件開展巖土工程勘察實(shí)踐，具體勘察過程要嚴(yán)格遵循技術(shù)要求，地層異常須第一時(shí)間反饋，并向其他作業(yè)組傳達(dá)處理意見。為保證巖土工程勘察質(zhì)量，案例工程在現(xiàn)場(chǎng)管理環(huán)節(jié)也投入了大量資源，進(jìn)行過程控制、資料校核、現(xiàn)場(chǎng)巡檢以及過程產(chǎn)品驗(yàn)收等工作，設(shè)計(jì)單位的咨詢指導(dǎo)、相應(yīng)的旁站式技術(shù)管理也需要得到重視。對(duì)于巖土工程勘察中涉及的重大技術(shù)問題，例如技術(shù)要求變更、孔位移動(dòng)、孔深調(diào)整以及增減工作量等，要第一時(shí)間進(jìn)行匯報(bào)和咨詢，得到批復(fù)后方可開展相應(yīng)調(diào)整。內(nèi)業(yè)整理需要及時(shí)開展，對(duì)揭露的地層情況進(jìn)行針對(duì)性分析，并對(duì)比前期材料，提出問題的整改意見，召開專門技術(shù)會(huì)議，嚴(yán)格記錄技術(shù)文件，規(guī)范勘察綱要。最終，案例工程完成了地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的勘察工作，詳勘階段和初勘階段鉆孔數(shù)量分別為20個(gè)和14個(gè)，進(jìn)尺分別為741.00 m、458.00 m。受到綠化帶、交通和地下管線等因素影響，部分孔位沿車站主體方向開展了適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后的孔位仍能滿足設(shè)計(jì)及大綱要求。在高水平的巖土工程勘察技術(shù)的支持下，案例地鐵車站工程的設(shè)計(jì)及施工得以順利開展，該工程的巖土勘察技術(shù)應(yīng)用具備較高的借鑒價(jià)值。

4 結(jié)論

綜上所述，開發(fā)區(qū)站巖土工程勘察技術(shù)的應(yīng)用較為成熟。在此基礎(chǔ)上，該文涉及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)要點(diǎn)、靜力觸探試驗(yàn)要點(diǎn)、地下水水位量測(cè)要點(diǎn)以及電阻率測(cè)試要點(diǎn)等內(nèi)容，提供了可行性較高的巖土工程勘察技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好地滿足城市地鐵車站工程設(shè)計(jì)與施工需要，巖土工程勘察還需要關(guān)注BIM等新型技術(shù)的應(yīng)用、特殊性巖土問題的針對(duì)性應(yīng)對(duì)以及人工填土問題的專題勘察。