廣州地鐵沿線巖土分層系統(tǒng)的應(yīng)用

廣州地鐵沿線巖土分層系統(tǒng)的應(yīng)用

廣州地鐵設(shè)計(jì)采用第一、二、三、線的土木工程技術(shù)實(shí)踐，積累了大量的土木工程等級(jí)數(shù)據(jù)。本文作者多年來經(jīng)過不斷完善,在2號(hào)線巖土勘察中,更加系統(tǒng)、規(guī)范地提出了廣州地鐵沿線的巖土分層(見表1),已被勘察、設(shè)計(jì)、施工廣泛采用,并繼續(xù)應(yīng)用于地鐵3號(hào)線等勘察。另外,廣州市其他市政工程的部分勘察也采納了廣州地鐵的巖土分層。一、白堊系上統(tǒng)時(shí)代的地層及巖漿巖、變質(zhì)巖分布廣州地鐵1號(hào)線、2號(hào)線沿線的基巖地層主要是白堊系上統(tǒng)(K2),其他的地層以及巖漿巖、變質(zhì)巖亦有分布。基巖上部廣泛分布第四系(Q),第四系與基巖之間缺乏第三系。(一)地層巖性按地層由新至老,根據(jù)勘察結(jié)果,在地鐵線路上的主要地層如下。1.殘積土層其3g、3g沿線第四系包括全新統(tǒng)(Q4)和上更新統(tǒng)(Q3),以及殘積土層。不論按地貌發(fā)育規(guī)律,還是根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或通用的手冊(cè),殘積層(Qel)均劃歸第四系。2.紅質(zhì)巖、泥灰?guī)r等紅質(zhì)巖白堊系上統(tǒng)巖性主要為棕紅色砂巖、含礫砂巖、礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r等,鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié),在廣州地區(qū)統(tǒng)稱為“紅層”。包括:大朗山組黃花崗段(K2d)、三元里段(K2d),三水組西濠段(K2sb)、東湖段(K2sa)、康樂段(K2s)。3.2疊系下統(tǒng)p1巖性為棲霞組(P1q)深灰色泥炭質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r及深灰色石灰?guī)r。分布在三元里至遠(yuǎn)景區(qū)間(廣園路至機(jī)場(chǎng)路)。4.地層及下統(tǒng)巖關(guān)階巖石巖性包括中上統(tǒng)壺天群(C2+3ht)灰?guī)r,下統(tǒng)大塘階測(cè)水段(C1dc)灰黑色炭質(zhì)頁巖夾砂巖、石磴子段(C1ds)深灰色白云質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖,下統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳組(C1ym)褐黃色砂巖。(二)山期第一階段大鴻浚巖體—巖漿巖與變質(zhì)巖巖漿巖巖性主要為為中細(xì)粒黑云母二長崗巖,屬于燕山晚期第一階段大鴻鵠巖體(),分布紀(jì)念堂至越秀公園區(qū)間(越秀山)。變質(zhì)巖巖性為次流紋斑巖(K1sλπ),分布鷺江至中大區(qū)間(中山大學(xué)正門西側(cè))。二、地鐵與隧道工程施工的巖土分層如果將廣州地鐵沿線所有的巖性不加整理地全部表示在長20～30km的線路-工程地質(zhì)剖面上,是比較雜亂的,也不利于巖土物理力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)。常規(guī)的工業(yè)與民用建筑勘察報(bào)告的編制方法難以適合以縱向伸展?fàn)顟B(tài)的線路為特征的地鐵工程。因此,歷年來參與廣州地鐵1號(hào)線、2號(hào)線勘察的單位均不約而同地進(jìn)行巖土分層。本文作者查閱了大量資料,廣州地鐵巖土分層系統(tǒng)的建立、改進(jìn)和推廣應(yīng)用大致經(jīng)歷了以下過程。(一)對(duì)工程地質(zhì)層的劃分廣州地鐵1號(hào)線工程從1960年起至1992年的籌備階段,勘察工作主要由廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局水文工程地質(zhì)二大隊(duì)(現(xiàn)廣東省工程勘察院)承擔(dān),1988年以前的工程地質(zhì)層主要采用“直觀”分帶法,即:松軟土層帶、土狀帶、塊狀帶和完整帶。1992年3月,原勘察單位總結(jié)了1號(hào)線30多年的勘察工作,認(rèn)為以往按“帶”劃分工程地質(zhì)層與國家標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,從而提出結(jié)合巖土層的巖性、成因、風(fēng)化程度及其物理力學(xué)指標(biāo)劃分工程地質(zhì)層,并在剖面圖上用同一符號(hào)表示性質(zhì)相同(或接近)的層位。這應(yīng)該是廣州地鐵巖土分層的雛形。(二)工程地質(zhì)分層1992年末,鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院(現(xiàn)鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院)承擔(dān)廣州地鐵1號(hào)線工程設(shè)計(jì)總體,在原有勘察基礎(chǔ)上,進(jìn)行1號(hào)線全線巖土特征對(duì)比,在1993～1996年完成的初勘、詳勘各勘察報(bào)告中,逐步統(tǒng)一了全線的工程地質(zhì)分層,并規(guī)定其符號(hào)加尖括號(hào)“”表示,以區(qū)別于其他符號(hào),為了便于計(jì)算機(jī)操作,不用上標(biāo)、下標(biāo)以及羅馬數(shù)字等;同時(shí)給出了各層的主要工程特征,按工點(diǎn)給出了各層的主要物理力學(xué)參數(shù)。當(dāng)時(shí),本文作者負(fù)責(zé)勘察、設(shè)計(jì)管理工作,要求1號(hào)線施工階段勘察繼續(xù)采用上述工程地質(zhì)分層。這說明廣州地鐵巖土分層系統(tǒng)初步建立。(三)廣州地鐵的巖土分層本文作者承擔(dān)了地鐵2號(hào)線首期工程設(shè)計(jì)勘測(cè)專業(yè)負(fù)責(zé)人和勘察項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的巖土分類要求以及在勘察中發(fā)現(xiàn)的新問題,制定了巖土分層原則(本文略,另文詳述),對(duì)1號(hào)線工程地質(zhì)分層進(jìn)行了完善,更加系統(tǒng)、規(guī)范地提出了廣州地鐵的巖土分層。上述成果主要反映在由廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院與各合作單位(廣東省地質(zhì)物探工程勘察院、廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院、鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院、廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院等)共同完成的2號(hào)線首期工程各階段、各工點(diǎn)的巖土工程勘察報(bào)告、水文地質(zhì)專題勘察報(bào)告中(1999～2001),并推廣應(yīng)用到地鐵3號(hào)線、大學(xué)城專線和廣佛地鐵(廣州至佛山的城際軌道交通)的巖土工程勘察中;廣州市其他市政工程(例如內(nèi)環(huán)路、康王路)的部分勘察也采納了廣州地鐵的巖土分層。經(jīng)過完善的巖土分層能推廣應(yīng)用,這說明廣州地鐵已經(jīng)建立了自身相對(duì)統(tǒng)一、穩(wěn)定的巖土分層系統(tǒng)。三、廣州地鐵的土壤層壓系統(tǒng)及其特點(diǎn)以下所述,是在廣州地鐵1號(hào)線的基礎(chǔ)上完善的,2號(hào)線實(shí)際采用的,并被3號(hào)線、大學(xué)城專線和廣佛地鐵繼續(xù)采用的巖土分層系統(tǒng)的主要內(nèi)容。(一)地層及亞層以廣州地鐵2號(hào)線為例,經(jīng)過全線的工程地質(zhì)特征對(duì)比,巖土分層自上而下統(tǒng)一分為9層,在各層中如有必要再細(xì)分亞層(見表1)。各層的一般特征如下。1.測(cè)量土的特性表土人工填土層包括素填土和雜填土。素填土的組成物主要為人工堆積的粉細(xì)砂和碎石,雜填土則在其中混雜瓦片、磚塊和混凝土碎塊等建筑垃圾,含有黏性土。在城區(qū),人工填土層的表面一般有20～25cm厚的混凝土或碎石路面;在農(nóng)用地分布區(qū)(例如赤沙車輛段等),人工填土層為耕植土層,含植物根系。人工填土層在圖、表上的層號(hào)均為“<1>”。2.淤泥層分為2個(gè)亞層,即海陸交互淤泥、淤泥質(zhì)土層,以及海陸交互淤泥質(zhì)砂層。主要分布在赤沙車輛段以及琶洲至赤崗,其他地段也有分布。(1)海洋中的有機(jī)泥漿和粘土主要為泥質(zhì)土層,由黏粒及有機(jī)質(zhì)組成;具有黏性;灰～深灰色;為流塑～軟塑狀,含水飽和;含貝殼碎片。在圖、表上的層號(hào)為“<2-1>”。(2)充填材料顆粒以粉砂、細(xì)砂為主,局部為中砂、粗砂;深灰色;呈松散狀,含水飽和;含淤泥、有機(jī)質(zhì)和少量灰白色貝殼碎片。在圖、表上的層號(hào)為“<2-2>”。3.-沖積砂層砂層分為2個(gè)亞層,即海相沖積砂層及洪積-沖積砂層。主要分布在赤沙車輛段以及琶洲至赤崗,其他地段也有分布。難以識(shí)別亞層時(shí),砂層在圖、表上的層號(hào)為“<3>”。(1)研磨法粉細(xì)砂層由海相沖積而形成,以粗砂、中砂為主,灰白色～淺灰色,灰黃色,含水飽和,稍密狀～密實(shí),部分地段有粉細(xì)砂層,松散,飽和,含礫石及黏粒。一般分布在海陸交互淤泥質(zhì)砂層之下,也有夾在其中成為透鏡體。在圖、表上的層號(hào)為“<3-1>”。(2)砂體、礫砂由洪積-沖積而形成。以細(xì)砂、中砂為主,部分為粗、礫砂,灰白色～淺黃色,含水飽和,松散～密實(shí),含礫石,含黏粒。一般分布在沖積一洪積土層之下,呈透鏡體狀分布,在圖、表上的層號(hào)為“<3-2>”。4.沖積-洪積-坡積土層的工程特性廣州地鐵2號(hào)線穿過了白堊系上統(tǒng)(K2)砂巖分布區(qū),以及二疊系下統(tǒng)(P1)和石炭系(C)石灰?guī)r分布區(qū),不同巖性發(fā)育的沖積-洪積-坡積土層有較明顯的工程差異,故分別闡述。(1)沖積-洪積土層在三元里站以南紅色砂巖分布區(qū)(即白堊系地層分布范圍),沖積-洪積土層分布范圍不廣,厚度不大,大部分呈透鏡體狀產(chǎn)出;主要由沖積、洪積作用而形成的黏性土(包括粉質(zhì)黏土、黏土)和粉土組成,以黏粒、粉粒為主;顏色較雜,有淺灰～深灰色,黃色,淺紅色,磚紅色;濕～稍濕;黏性土呈可塑～軟塑狀,部分硬塑,具有黏性,失水干硬;粉土為中密～密實(shí)狀。沖積-洪積土層在圖、表上的層號(hào)為“<4-1>”。部分地段(如中大站)有河湖相淤泥質(zhì)土分布,盡管分布范圍較小,往往呈透鏡體夾在沖積-洪積土層中,但工程特征獨(dú)特,劃分為一個(gè)獨(dú)立的亞層,在圖、表上的層號(hào)為“<4-2>”。在部分工點(diǎn)有坡積土層,在圖、表上的層號(hào)為“<4-3>”。當(dāng)坡積土層難以識(shí)別且工程特征與<4-1>層無明顯區(qū)別時(shí),可考慮并入<4-1>層。(2)沖積-洪積土層的理化性質(zhì)較之砂巖分布區(qū),在三元里站以北石灰?guī)r分布區(qū)(廣花盆地南部邊緣)沖積-洪積土層發(fā)育,分布范圍廣泛,厚度較大,主要由粉質(zhì)黏土組成,局部夾黏土、粉土,褐紅色、灰白色、灰黃色,組成物主要為黏粒、粉粒,含粉細(xì)砂,局部含砂巖碎塊。土的物理力學(xué)性質(zhì)亦有別于三元里站以南砂巖分布區(qū)的沖積-洪積土層。三元里站以北石灰?guī)r分布區(qū)的沖積-洪積土層較明顯地分為2個(gè)亞層,即:上層為<4C-1〉層,一般呈可塑狀的粉質(zhì)黏土、黏土以及呈稍密狀的粉土。下層為<4C-2>層,一般呈硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土、黏土以及呈中密狀～密實(shí)狀的粉土。5.地鐵沿線殘積層的分布特點(diǎn)廣州地鐵2號(hào)線沿線殘積層在地貌上的分布有2種情況:1)殘積層分布在第四系沖積-洪積層之下,覆蓋在母巖之上,未出露地表,這是在廣州地鐵沿線主要的分布形式;2)殘積層分布在低矮丘陵(當(dāng)?shù)厮追Q“崗”),出露地表。不同地貌分布的殘積層特征固然有差異,但是,殘積層受母巖影響產(chǎn)生的差異和在垂直方向的差異,對(duì)工程的影響尤為明顯。在廣州地鐵2號(hào)線白堊系上統(tǒng)(K2)砂巖分布區(qū)和燕山晚期花崗巖()分布區(qū)的殘積層,在工程特征上一般分為上下2層,是符合殘積層的形成規(guī)律的。故本文主要從巖性分布和垂直工程特征方面闡述殘積層亞層的劃分。(1)粉質(zhì)黏土層結(jié)構(gòu)在三元里站以南紅色砂巖分布區(qū)(即白堊系地層分布范圍),殘積層主要由粉質(zhì)黏土、粉土組成;粉質(zhì)黏土以黏粒為主,黏性強(qiáng);粉土以粉粒為主;棕紅色,濕～稍濕,含礫石、中砂、細(xì)砂。殘積土層分布廣泛。根據(jù)粉質(zhì)黏土的塑性狀態(tài)和粉土的密實(shí)度,分為<5-1〉和<5-2>2個(gè)亞層。即:呈可塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土以及呈稍密狀的粉土,屬于<5-1)層,呈硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)的粉質(zhì)黏土以及呈中密～密實(shí)狀的粉土,屬于<5-2>層。該層偶夾全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化巖塊。(2)入擊方法對(duì)吸濕性的影響在花崗巖分布區(qū),殘積土層含石英顆粒較多,干燥時(shí)比較堅(jiān)硬,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)較大,但遇水容易崩解。相應(yīng)的巖土亞層符號(hào)分別為<5H-1〉和<5H-2>。(3)巖性充填土在三元里站以北石灰?guī)r分布區(qū)(廣花盆地),殘積土層主要由二迭系石灰?guī)r在物理風(fēng)化作用下殘積而形成的黏性土組成。由于石灰?guī)r風(fēng)化土與紅色砂巖風(fēng)化殘積土的物理力學(xué)性質(zhì)差別較大,為了區(qū)別紅色砂巖風(fēng)化殘積土,把石灰?guī)r風(fēng)化坡積、殘積土定為<5C〉層。6.風(fēng)化帶的可挖性巖石組織結(jié)構(gòu)已基本破壞,但尚可辨認(rèn);巖石已經(jīng)風(fēng)化成土狀。巖石全風(fēng)化帶在可挖性方面屬于土層。砂巖類巖石全風(fēng)化帶為褐紅色,層號(hào)為“<6>”。泥灰質(zhì)灰?guī)r全風(fēng)化帶為灰黑色,層號(hào)為“<6C>”?；◢弾r全風(fēng)化帶為紫紅色、土黃色,夾白色斑點(diǎn),層號(hào)為“<6H>”。7.巖石及風(fēng)化硬層巖石組景巖石組織結(jié)構(gòu)已大部分破壞,但尚可清晰辨認(rèn),礦物成分已顯著變化。風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖芯破碎,呈短柱狀及碎塊狀。巖質(zhì)軟,錘擊聲沉,用手可折斷,夾全風(fēng)化軟層及中風(fēng)化硬層。砂巖類巖石巖石強(qiáng)風(fēng)化帶為紫紅色,鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié),含礫石,在圖、表上層號(hào)為“<7>”?；◢弾r強(qiáng)風(fēng)化帶為紅褐色、黃褐色,帶白色斑點(diǎn)。在圖、表上層號(hào)為“<7H>”。8.山晚期巖石及二迭紀(jì)下統(tǒng)砂巖組成巖石中等風(fēng)化帶由白堊系上統(tǒng)(K2)砂巖、燕山晚期花崗巖,以及二迭系下統(tǒng)棲霞組(P1q)泥炭質(zhì)石灰?guī)r組成。由于在巖性特征、物理力學(xué)性質(zhì)方面存在差異,將中等風(fēng)化帶劃分為3個(gè)亞層。(1)中等風(fēng)化帶巖石組織結(jié)構(gòu)部分破壞,礦物成分基本未變化。巖質(zhì)稍硬～堅(jiān)硬,錘擊聲響。砂巖類巖石中等風(fēng)化帶為褐紅色,鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié),有風(fēng)化裂隙,巖芯呈塊狀,短柱狀,含礫石,在圖、表上層號(hào)為“<8>”。花崗巖中等風(fēng)化帶為深灰色或青灰色,一般有風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙,普遍見鐵、錳渲染。在圖、表上層號(hào)為“<8H>”。(2)巖芯和巖芯厚度主要由棲霞組(P1)泥炭質(zhì)石灰?guī)r組成,深灰色,灰黑色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖石破碎,巖芯中有較多不規(guī)劃狀的方解石細(xì)脈穿插,巖芯呈碎塊狀或短柱狀。分布在三元里以北。在圖、表上層號(hào)為“<8C-1>”。9.碳系上統(tǒng)杯天群巖石微風(fēng)化帶由白堊系上統(tǒng)(K2)砂巖、燕山晚期花崗巖,以及石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3ht)石灰?guī)r組成,由于在巖性特征、物理力學(xué)性質(zhì)方面存在較大差異,將微風(fēng)化帶劃分為以下4個(gè)亞層(其中石灰?guī)r類巖石根據(jù)其節(jié)理裂隙發(fā)育情況及巖石破碎程度劃分):(1)微風(fēng)化帶巖石組織結(jié)構(gòu)基本未變化,礦物較新鮮。巖質(zhì)較堅(jiān)硬且較完整,錘擊聲響。砂巖類巖石微風(fēng)化帶為褐紅色,鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié),巖石堅(jiān)硬且較完整,有少量風(fēng)化裂隙,巖芯一般呈長柱狀,含礫石,在圖、表上層號(hào)為“<9>”?；◢弾r微風(fēng)化帶為深灰色或青灰色,有少量風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙,普遍見鐵、錳渲染。在圖、表上層號(hào)為“<9H>”。(2)方解石脈法主要由石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3ht)石灰?guī)r組成,灰色、灰白色,巖芯中可見方解石脈呈不規(guī)則狀穿插,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖石較破碎,局部有溶洞和溶蝕現(xiàn)象。分布在三元里以北。在圖、表上層號(hào)為“<9C-1>”。(3)充填巖芯巖質(zhì)細(xì)主要由石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3ht)石灰?guī)r組成,灰色、灰白色,巖芯呈長柱狀,短柱狀,節(jié)理裂隙相對(duì)不發(fā)育,巖質(zhì)較堅(jiān)硬,發(fā)現(xiàn)有溶洞。分布在三元里以北。在圖、表上層號(hào)為“<9C-2〉”。(二)各巖土層的主要物理力學(xué)參數(shù)本文以廣州地鐵2號(hào)線赤沙車輛段為例,給出各巖土層的主要物理力學(xué)參數(shù)(見表2～4)。四、通過《地下鐵道和輕軌交通的地質(zhì)工程測(cè)量規(guī)范》，增加了必要的施工成本和可行性(一)必要時(shí)1.與巖土特征有接口地鐵工程主要是地下工程,線路、結(jié)構(gòu)(圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu))、區(qū)間隧道、路基、橋涵、車輛段及綜合基地(地基處理、房屋結(jié)構(gòu))、供電(接地系統(tǒng))等專業(yè)與巖土勘察有接口關(guān)系。各類技術(shù)文件需要有一個(gè)統(tǒng)一的巖土標(biāo)準(zhǔn),巖土分層就是其中的內(nèi)容之一。在廣州地鐵1號(hào)線、2號(hào)線和3號(hào)線工程各工點(diǎn)、各專業(yè)數(shù)以千計(jì)的技術(shù)文件中,凡是與巖土特征有關(guān)的內(nèi)容,其巖土層的名稱及其符號(hào)基本上是統(tǒng)一的。在我國大陸地鐵同行業(yè)中,廣州地鐵技術(shù)文件中巖土分層的統(tǒng)一性得到了廣泛認(rèn)同,為統(tǒng)一技術(shù)文件中巖土內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)起到了示范作用。2.地鐵與輕軌交通的巖土工程勘察統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于工業(yè)與民用建筑勘察,地鐵勘察是線路勘察,線路長度可達(dá)10～30km,由車站、區(qū)間、折返線、車輛段等工點(diǎn)組成;勘察階段一般分為可行性研究階段、初步勘察階段、詳細(xì)勘察階段、施工階段等,每一階段包括了數(shù)個(gè)甚至數(shù)十個(gè)工點(diǎn)的勘察,勘察周期長。同時(shí)地鐵勘察在城市中心主要是地下建(構(gòu))筑勘察,對(duì)巖土分層的要求一般比較高。如此規(guī)模大、周期長的勘察,本身需要相對(duì)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),巖土分層就是重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB/T50307—1999)吸收了《巖土工程勘