綜合勘探手段在砂卵石地層勘察的應(yīng)用

孫常青

（1.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

0 引言

砂卵石層作為地基持力層具有壓縮性低、承載力高的優(yōu)勢。然而砂卵石地層又具有穩(wěn)定性差、孔隙比大、無黏聚力、滲透性強(qiáng)、硬度高、級(jí)配差異大的特點(diǎn)，盾構(gòu)、暗挖法以及明挖法基坑圍護(hù)樁或地下連續(xù)墻施工難度較大。砂卵石層的顆粒級(jí)配、卵石強(qiáng)度關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)選型[1-2]、暗挖工法以及圍護(hù)樁成孔、地下連續(xù)墻施工工藝的選擇[3-8]。同時(shí)，結(jié)構(gòu)底板位于地下水位以下的隧道，富水砂卵石地層盾構(gòu)施工極易造成盾構(gòu)管片上浮，隧道中線偏移[9]；暗挖施工和基坑開挖均需要進(jìn)行地下水控制[10]，因此查明砂卵石地層的密實(shí)度、顆粒級(jí)配、卵石強(qiáng)度等以及地下水的賦存特征至關(guān)重要。在工程勘察中，砂卵石地層難以采取原狀樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，目前只能通過現(xiàn)場試驗(yàn)和原位測試獲取巖土參數(shù)?，F(xiàn)場試驗(yàn)及原位測試有其自身的適用條件，理論建立在統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系上，并有一定的地域性[11]。采取不同試驗(yàn)手段獲取的同一參數(shù)，結(jié)果可能相差較大[12]。鑒于此，本文通過綜合勘探手段查明砂卵石地層的密實(shí)度、顆粒級(jí)配、卵石強(qiáng)度等特征以及地下水的賦存狀態(tài)，為隧道設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。

1 砂卵石地層的地質(zhì)特點(diǎn)及勘察難點(diǎn)

北京地鐵19 號(hào)線一期工程勘察07 合同段長7.8 km，起于金融街站，沿趙登禹路、新街口北大街向北鋪設(shè)，止于牡丹園站后折返線，共4 站5 區(qū)間，為地下線，隧道穿越地層以砂卵石地層為主。

根據(jù)北京地區(qū)古河道分布，結(jié)合地形地貌、地層分布規(guī)律，19 號(hào)線一期工程勘察07 合同段沿線劃分為2 個(gè)工程地質(zhì)單元。工程地質(zhì)I 單元金融街站-積水潭站位于古金溝河故道上，地面下約10 m 以上地層以一般第四紀(jì)沉積的黏性土、粉土、砂土地層為主，10 m 以下地層為巨厚的卵石層，其間分布有厚度不等的黏性土、粉土、砂土層，基巖埋深較淺，約39.3～52.0 m。工程地質(zhì)Ⅱ單元積水潭站-牡丹園站位于古金溝河與古漯水河之間河間地塊，地面下約20 m 以上地層以一般第四紀(jì)沉積的黏性土、粉土地層為主，20 m 以下地層為巨厚的卵石層，基巖埋深較大。07 合同段沿線砂卵石層頂面標(biāo)高由南向北逐漸降低，由工程地質(zhì)I 單元地面下8.8 m 逐漸過渡到工程地質(zhì)Ⅱ單元地面下22 m，卵石粒徑由上到下逐漸增大，卵石密度以及地基承載力沿深度逐漸增大，典型地層剖面見圖1。砂卵石地層結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)性差、滲透性強(qiáng)，卵石粒徑大小不一，巖性不均，軟硬不一，有的級(jí)配均勻，有的級(jí)配無規(guī)律，粒間充填著礫石、砂和黏性土?？辈祀y點(diǎn)主要在于鉆進(jìn)過程漏漿嚴(yán)重、取芯困難，巖芯采取率低。鉆進(jìn)效率低、鉆具損耗大，孔壁易坍塌，常發(fā)生卡鉆、埋鉆事故。

圖1 北京地鐵19 號(hào)線一期工程勘察07 合同段地層剖面圖

2 砂卵石地層綜合勘探方法

為查明沿線砂卵石地層的密實(shí)度、顆粒級(jí)配、卵石強(qiáng)度等以及地下水的賦存特征，本文采用了鉆探、探井、物探、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場抽水試驗(yàn)、地下水流向流速測定等綜合勘察方法。

2.1 鉆探工藝

為提高鉆進(jìn)效率，同時(shí)減小鉆具磨損，通常采用金剛石鉆頭。為防止鉆進(jìn)過程中孔壁坍塌，通常沖擊鉆進(jìn)工藝采用套管護(hù)壁，反循環(huán)鉆進(jìn)工藝采用合適稠度的泥漿護(hù)壁。近年來，勘察中引入了SM 植物膠護(hù)壁金剛石雙管單動(dòng)鉆進(jìn)工藝[13]，基本保持了砂卵石地層巖芯原狀結(jié)構(gòu)，提高了取芯質(zhì)量，細(xì)顆粒夾層基本上得到揭示，大幅度提高了砂卵石地層巖芯采取率。另外，植物膠具有黏度高、失水量小的特點(diǎn)，有良好的護(hù)壁作用，能防止鉆進(jìn)過程中孔壁坍塌，減少卡鉆、埋鉆事故。

2.2 探井

在砂卵石地層中，往往不均勻地分布有大粒徑的漂石，大粒徑漂石在空間分布上具有隨機(jī)性，無明顯規(guī)律。卵石層中大粒徑的漂石對圍護(hù)樁、地下連續(xù)墻、暗挖施工、盾構(gòu)施工影響極大。由于孔徑小，一般的鉆探工藝無法查明最大粒徑及其分布概率。為真實(shí)獲取砂卵石的顆粒級(jí)配、卵石強(qiáng)度特性參數(shù)，本工程在金融街站-平安里站區(qū)間附近圍擋工地內(nèi)實(shí)施人工探井，同時(shí)在探井中取樣進(jìn)行顆粒分析以及卵石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.3 原位測試

密實(shí)度是砂卵石層重要的工程特性參數(shù)，砂卵石地層天然密度試驗(yàn)通常采用灌砂法或灌水法?，F(xiàn)場試坑與相應(yīng)的砂卵石最大粒徑的關(guān)系應(yīng)滿足表1[14]的規(guī)定。另外，原位測試手段也是查明砂卵石地層密實(shí)度的重要方法，主要有重型、超重型圓錐動(dòng)力觸探以及波速測試。

表1 試坑尺寸與相應(yīng)的最大粒徑[14]mm

（1）原位密度試驗(yàn)

19 號(hào)線一期工程在金融街站-平安里站區(qū)間附近圍擋工地內(nèi)對砂卵石⑤層進(jìn)行了灌水法原位密度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 灌水法原位密度試驗(yàn)成果

（2）重型和超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)

19 號(hào)線一期工程在砂卵石地層中分別進(jìn)行N63.5和N120試驗(yàn)，以金融街站-平安里站區(qū)間為例，對實(shí)測重型和超重型圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)進(jìn)行深度修正，測試成果見表3、表4。

表4 N120 測試成果

依據(jù)以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）（2009年版）表3.3.8-1、表3.3.8-2可得出場地內(nèi)砂卵石層均屬于密實(shí)狀態(tài)，砂卵石層橫向分布均勻，縱向符合沉積韻律特征，砂卵石密實(shí)度隨深度逐漸增大。

表3 N63.5 測試成果

（3）波速測試

采用單孔測試法測試剪切波速、壓縮波速值，判定砂卵石層的密實(shí)度，并獲得砂卵石層的動(dòng)彈性模量、動(dòng)泊松比、動(dòng)剪切模量以及20 m 深度內(nèi)的等效剪切波速，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（2016年版）為地鐵抗震設(shè)計(jì)提供場地類別、抗震設(shè)防烈度、特征周期等參數(shù)。

19 號(hào)線一期工程在金融街站-平安里站區(qū)間布置了3 個(gè)波速試驗(yàn)孔，其中在砂卵石地層的剪切波速和壓縮波速值見表5。

表5 剪切波速和壓縮波速平均值統(tǒng)計(jì)

根據(jù)波速測試成果，可以判定砂卵石地層的密實(shí)度、地基承載力[15]以及砂卵石層在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力特性。

2.4 室內(nèi)試驗(yàn)

在人工探井中分層取樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)，量測卵石粒徑，繪制卵石的顆粒分配曲線，并計(jì)算有效粒徑d10、限制粒徑d30、d60、平均粒徑d50、不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc。同時(shí)選取不同深度的卵石進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，并轉(zhuǎn)換為飽和抗壓強(qiáng)度，為地鐵施工提供依據(jù)。典型卵石層顆分曲線見圖2，對應(yīng)特征粒徑和不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc見表6。點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 卵石荷載強(qiáng)度試驗(yàn)成果

圖2 探井砂卵石顆分曲線

表6 卵石特性粒徑、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)

另外，采用熱線法和熱平衡法測定卵石地層的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，計(jì)算導(dǎo)溫系數(shù)，為地鐵的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

2.5 地下水

（1）分層觀測地下水位

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，北京地鐵19 號(hào)線一期工程07 合同段場地存在3 層地下水，地下水對地鐵施工影響極大，為了查清場地內(nèi)地下水類型及賦存狀態(tài)，采用SH-30 型鉆機(jī)分層觀測地下水位。

在勘察40 m 深度范圍內(nèi)賦存3 層地下水，分別為上層滯水（一）、潛水（二）、層間水（三）。地下水觀測結(jié)果見表8 和圖1。20世紀(jì)70年代以來，北京市大規(guī)模開采地下水，地下水位逐年下降，2014年底南水北調(diào)中線工程通水，2015年地下水連年下降的趨勢停止。本場地潛水（二）20世紀(jì)70年代以來逐年下降疏干，具有層間滯水的性質(zhì)，水量不大，分布不穩(wěn)定，隨含水層底板的起伏而變化，主要分布在卵石⑤層、粉細(xì)砂③3的底部。

表8 地下水特征表

（2）視電阻率測地下水位

本工程沿線布置了18 個(gè)視電阻率鉆孔，據(jù)試驗(yàn)成果，地下水位以上非飽和卵石層視電阻率一般為190～230 Ω·m，地下水位以下的飽和卵石層視電阻率一般為35～50 Ω·m，卵石層視電阻率驟然下降，據(jù)此可推測地下水位埋深，與分層觀測地下水位埋深基本一致。

2.6 抽水試驗(yàn)

據(jù)地下水分層觀測結(jié)果，金融街站-平安里站、北太平莊站-牡丹園站部分隧道結(jié)構(gòu)底板低于層間水（三）水位標(biāo)高約4 m，是施工豎井、暗挖區(qū)間地下水控制的主要對象。本工程在北太平莊站布置了1組單井抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)布設(shè)1 個(gè)抽水井，3 個(gè)觀測井，井結(jié)構(gòu)參數(shù)見表9。抽水試驗(yàn)水泵型號(hào)為250QJ140-46，水位監(jiān)測采用標(biāo)準(zhǔn)測繩，流量監(jiān)測采用 TDS-100F1(DN100)型超聲波管井流量計(jì)，標(biāo)定誤差<3%。

表9 試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)參數(shù)

單井抽水試驗(yàn)延續(xù)46 h，穩(wěn)定降深3.97 m，持續(xù)時(shí)間33 h，涌水量39.389 L/s。抽水試驗(yàn)實(shí)施過程中受電壓、水泵穩(wěn)定性等多方面影響，流量較不穩(wěn)定，而抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)為自然恢復(fù)過程，相對穩(wěn)定。因此，本文利用水位恢復(fù)數(shù)據(jù)，采用非穩(wěn)定流 Jacob 直線圖解法計(jì)算滲透系數(shù)。計(jì)算方法如下：對于潛水，首先對剩余降深s進(jìn)行修正，修正公式為。根據(jù)水位恢復(fù)延續(xù)時(shí)間t修正降深s′隨時(shí)間參數(shù)的變化，繪制單對數(shù)曲線圖可得一直線，由直線斜率可求取滲透系數(shù)k。當(dāng)滿足條件時(shí)，停止抽水后的剩余降深為：

可根據(jù)直線段的斜率i求得滲透系數(shù)k，即：

通過抽水試驗(yàn)計(jì)算的卵石⑦層滲透系數(shù)k見表10。

表10 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

最終計(jì)算求出滲透系數(shù)取值范圍233.4 ～ 273.6 m/d，平均值為251.96 m/d。

2.7 地下水流向流速測定

本工程在北太平站進(jìn)行了砂卵石層地下水流向流速測定。地下水流向流速測定采用了三角形井孔法。

在場區(qū)布置了6 口測量井孔，形成4 個(gè)三角形分區(qū)。通過線性插值的方法分別作出4 個(gè)三角形分區(qū)的地下水等水位線，垂直于地下水等水位線，水位由高到低的方向即為地下水流向（見圖3）。通過地下水等水位線，據(jù)達(dá)西定律計(jì)算出場地內(nèi)的地下水滲透流速（見表11）。

圖3 三角形井孔法平面布置及測量地下水流向示意圖

表11 三角形井孔法測量地下水流向流速計(jì)算結(jié)果

根據(jù)三角形井孔法得到地下水流向?yàn)楸逼珫|53.96°～73.68°，地下水滲透流速1.27～1.99 m/d，地下水實(shí)際流速3.42～5.37 m/d。

3 結(jié)論

（1）本文采用鉆探、探井、物探、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)等手段查明了19 號(hào)線07 合同段沿線砂卵石地層的密實(shí)度、顆粒級(jí)配、卵石強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì),為盾構(gòu)機(jī)選型、刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀具布置、暗挖法支護(hù)方案以及基坑圍護(hù)樁成孔工藝的選擇提供依據(jù)。

（2）通過抽水試驗(yàn)提供卵石⑦層的滲透系數(shù)k，指導(dǎo)施工豎井以及暗挖隧道涌水量的計(jì)算以及地下水控制方案的選擇。

（3）地下水流向流速反映了砂卵石層水文地質(zhì)的實(shí)際狀況，揭示了地下水運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，有利于進(jìn)一步分析水文地質(zhì)條件，為地下水滲流場計(jì)算提供水文地質(zhì)參數(shù)。