多種勘察手段在高速公路勘察中的綜合應(yīng)用

劉小龍

1 概述

1.1 概況

王莊堡—繁峙高速公路(以下簡(jiǎn)稱王繁線),是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中“3縱 11橫 11環(huán)”的高速公路網(wǎng)主骨架東縱的重要組成部分,也是第 3橫局部重合路段。項(xiàng)目起點(diǎn)位于大同市渾源縣王莊堡鎮(zhèn)西北,與靈丘—山陰高速公路 T形交叉,終點(diǎn)于忻州市繁峙縣樓崗村南與規(guī)劃的繁峙—神池高速公路相接,經(jīng)渾源、繁峙二縣,其中渾源縣境內(nèi)13.05 km,占路線全長(zhǎng)22.426%,繁峙縣境內(nèi)45.141 km,占路線全長(zhǎng)77.574%。

1.2 地形、地質(zhì)特點(diǎn)

項(xiàng)目區(qū)位于山西省東北部,其東部和北部為恒山山脈,地勢(shì)高峻,峰嶺高聳,海拔一般在 1 400m以上,主要山峰為鐵交嶺和目淚坨等;西部為滹沱河上游階地,地勢(shì)較為平坦;路線范圍內(nèi),地勢(shì)呈現(xiàn)出東高西低,東邊山區(qū),巖性復(fù)雜,西邊河谷,地層簡(jiǎn)單的總體特征。根據(jù)地貌特征及成因類型將項(xiàng)目區(qū)劃分為山前沖洪積傾斜平原區(qū)、山前沖洪積黃土丘陵區(qū)、構(gòu)造剝蝕基巖中山區(qū)、構(gòu)造侵蝕河谷區(qū)和河谷沖積平原區(qū)五個(gè)地貌單元。

1.3 勘察工作思路及程序

首先收集與線路走廊有關(guān)的地質(zhì)資料,初步了解沿線地形、地貌條件和巖土結(jié)構(gòu)特征。然后通過(guò) 1∶10 000全線工程地質(zhì)調(diào)繪及 1∶2 000工點(diǎn)調(diào)查,進(jìn)一步查清工程區(qū)地形地貌、地層巖性、工程巖土類型、水文地質(zhì)、不良地質(zhì)以及特殊性巖土分布等情況。對(duì)工程地質(zhì)調(diào)繪難以調(diào)查清楚的地質(zhì)問(wèn)題,根據(jù)其所處地段工程地質(zhì)特征或構(gòu)造物類型,有針對(duì)性的選擇物探、鉆探、挖探等勘探手段?？碧焦ぷ髁康拇笮∫阅軌蚪鉀Q工程地質(zhì)問(wèn)題和滿足設(shè)計(jì)要求為宜。

2 各種勘察手段綜合應(yīng)用

2.1 勘察方法

勘察方法以地質(zhì)調(diào)繪、工程鉆探、挖探、原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)為主,輔以物探的原則進(jìn)行,各種勘察方法及使用目的見表 1。

表1 勘察方法一覽表

2.2 綜合應(yīng)用

2.2.1 工程地質(zhì)調(diào)繪(測(cè)量)

初勘階段,通過(guò) 1∶10 000比例尺(中線兩側(cè)各 500m)工程地質(zhì)調(diào)繪,首先從宏觀上查明了推薦方案及各比較方案的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、特殊巖土及不良地質(zhì)分布情況,為路線方案的比選提供了必要的地質(zhì)依據(jù);其次通過(guò) 1∶2 000比例尺(中線兩側(cè)各 200m)對(duì)全線各個(gè)方案總計(jì)大中橋 62座(包括樞紐及互通),深挖路塹 31段,天橋和立交 27座,隧道 3座,涵洞或通道44座,進(jìn)行了工點(diǎn)地質(zhì)調(diào)繪,并對(duì)隧道進(jìn)出口、深挖路塹及特大橋、大橋橋臺(tái)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了定性評(píng)價(jià),為路橋方案的比選和初步設(shè)計(jì)提供必要的地質(zhì)依據(jù)。

工程地質(zhì)調(diào)繪在初步設(shè)計(jì)階段對(duì)路線方案的比選提供了重要的地質(zhì)依據(jù),使最終的路線推薦方案盡可能繞避了不良地質(zhì)。

詳勘階段,對(duì)優(yōu)化后最終的路線方案、新增大中型構(gòu)造物及新發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)和特殊巖土進(jìn)行補(bǔ)充工程地質(zhì)調(diào)繪,完善、核實(shí)、修正初勘調(diào)繪資料,對(duì)于露頭好,地層巖性分界清楚,地形陡峭,鉆機(jī)非常難到位的個(gè)別橋臺(tái),實(shí)測(cè)記錄橋臺(tái)剖面地層巖性、狀態(tài),代替鉆孔資料。既滿足了設(shè)計(jì)需要,也有效提高了勘察進(jìn)度。

2.2.2 鉆探

鉆探在公路工程地質(zhì)勘察中是廣泛采用的一種最重要的勘察手段,通過(guò)其獲得了深部地層的可靠地質(zhì)資料。主要用于對(duì)沿線橋梁、隧道等構(gòu)造物及滑坡、空洞等不良地質(zhì)的勘探,同時(shí)采取巖土的試樣,以獲得巖土的物理力學(xué)指標(biāo)。

根據(jù)不同勘察階段,鉆孔布設(shè)原則相應(yīng)變化,滿足《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的規(guī)定。其中在詳勘階段橋梁工程沿橋軸線布設(shè)鉆孔,原則上每墩(臺(tái))布孔,在地層較復(fù)雜的橋位處增加橫向鉆孔,孔深視孔跨、地層結(jié)構(gòu)及填挖方厚度鉆 20m～60m;隧道工程在初步勘察基礎(chǔ)上,對(duì)疑點(diǎn)、異常點(diǎn)、重點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充鉆探,鉆孔深度一般達(dá)到隧道底板設(shè)計(jì)標(biāo)高以下 2.0 m。鉆孔直徑開孔為110mm,終孔為 91mm,所有鉆孔均按技術(shù)性鉆孔取樣,取樣間距1.0m～1.5m,對(duì)于均質(zhì)厚層土取樣間距2.0m～3.0 m,各類巖土巖芯采取率均達(dá)到規(guī)范要求。

本項(xiàng)目?jī)呻A段鉆探共使用XYL-I型履帶式鉆機(jī) 5臺(tái),XL-100型鉆機(jī) 10臺(tái),XL-150型鉆機(jī) 16臺(tái),Y2鉆機(jī) 4臺(tái),以回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為主,沖擊鉆進(jìn)為輔,共完成鉆孔578個(gè),總進(jìn)尺22 250.3m,其中大中橋 15 247.8 m/403孔,深挖 1 926.8 m/29孔,天橋及立交3 554.6m/70孔,隧道 243m/5孔,共采取原狀樣品 4 241個(gè),擾動(dòng)樣品 1 112個(gè),巖石樣品 301組,DCP試樣 30件,地下水試樣3件。通過(guò)較為密集的鉆探,首先探明了全線深部地層情況,為室內(nèi)試驗(yàn)采取了大量的試樣,為原位測(cè)試提供了便利,為所有構(gòu)造物地基強(qiáng)度及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了保障,滿足了橋隧設(shè)計(jì)的要求;其次驗(yàn)證了調(diào)查和物探深度、隧道的物探土石界面;同時(shí)提供了隧道圍巖綜合分類的巖石物理力學(xué)指標(biāo);另外也為全線地下水位的判斷、量測(cè)、地下水試樣采取及孔內(nèi)攝影測(cè)試創(chuàng)造了條件。

2.2.3 原位測(cè)試

本項(xiàng)目勘察的原位測(cè)試包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和中型動(dòng)力觸探試驗(yàn),其中在對(duì)砂類土、粉土或軟弱粘性土鉆探時(shí),按深度進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),根據(jù)標(biāo)貫擊數(shù),判定砂土密實(shí)度或粘性土稠度,估算土的強(qiáng)度和變形指標(biāo),評(píng)價(jià)砂土、粉土的振動(dòng)液化,并可采取擾動(dòng)土樣進(jìn)行一般物理性試驗(yàn);在對(duì)碎石類土、各類軟質(zhì)巖石及強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化的硬質(zhì)巖石鉆探時(shí),按深度進(jìn)行了中型動(dòng)力觸探試驗(yàn),根據(jù)觸探擊數(shù),評(píng)定了碎石類土的孔隙比、密實(shí)度和巖石的風(fēng)化界面,確定了土、巖承載力。本項(xiàng)目?jī)呻A段勘察共進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn) 120次,中型動(dòng)力觸探試驗(yàn) 195次。為確定砂土、碎石土及風(fēng)化巖的承載力提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

2.2.4 地球物理勘探

地球物理勘探簡(jiǎn)稱物探,其優(yōu)點(diǎn)是效率高、成本低、儀器和工具比較輕便、對(duì)地形條件適應(yīng)強(qiáng)。針對(duì)王繁高速隧道所處區(qū)域地形復(fù)雜、地表覆蓋厚層黃土、土石界面不清的特點(diǎn),在初勘階段對(duì)推薦方案 A線太安嶺隧道物探采用淺層反射波地震勘探方法,沿隧道左、右線布置 2條測(cè)線,剖面總長(zhǎng)度 4 880m。通過(guò)上述物探手段,對(duì)判定沿線隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、土石界面及巖石風(fēng)化殼厚度,調(diào)整隧道的埋深,確定不同層位巖土的彈性波波速,進(jìn)行圍巖工程地質(zhì)分級(jí)提供了地質(zhì)依據(jù)。

詳勘階段對(duì)太安嶺隧道典型鉆孔采用孔內(nèi)攝像的方法,對(duì)確定隧址巖體節(jié)理、裂隙等發(fā)育情況及其在孔內(nèi)的位置、走向;確定孔內(nèi)地下水的出水點(diǎn),直接觀察出水量提供了依據(jù)。為隧道的施工圖設(shè)計(jì)和施工方案的確定提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

2.2.5 挖探

挖探主要用作判定沿線黃土濕陷性及濕陷等級(jí);確定滑坡滑動(dòng)面的位置;對(duì)鉆機(jī)難以到位的高填涵、深挖方,也采用挖探的方法代替鉆探,其優(yōu)點(diǎn)是能夠取得詳盡的直觀資料和原狀土樣,缺點(diǎn)是勘探深度有限。

本項(xiàng)目初勘在對(duì)全線Q3濕陷性黃土勘察時(shí),采用挖探手段,樣品規(guī)格127mm×200mm,取樣間距1.0m。共布設(shè)完成濕陷性黃土探井54個(gè),深度一般5.0m～15.0m,累計(jì)進(jìn)尺515.3m,共采取原狀樣品 497個(gè)。通過(guò)挖探采取的Ⅰ級(jí)原狀土試樣,滿足了室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)要求,為全線濕陷性黃土的評(píng)價(jià)和路基及相關(guān)構(gòu)造物地基濕陷性處治提供了可靠依據(jù)。

另外本項(xiàng)目初勘時(shí),對(duì) AK 26+800處銀鉤滑坡采用挖探的方法,準(zhǔn)確的找到了滑面,為確定滑坡的處置方案、工程量等提供了依據(jù)。詳勘時(shí)路線偏移該滑坡。本項(xiàng)目初、詳勘時(shí),對(duì)于鉆機(jī)難以到位的高填涵、深挖方,也采用挖探的方法代替鉆探,為設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)資料,同時(shí)節(jié)約了成本、加快了工期。

2.2.6 室內(nèi)巖土試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)包括巖土試樣的常規(guī)試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)。本項(xiàng)目對(duì)全線構(gòu)造物鉆探、挖探所采取的所有巖土試樣根據(jù)巖性的不同均做了相應(yīng)的常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目,獲取了其密度、含水量、液限、塑限、孔隙比等物理性質(zhì),每個(gè)鉆孔的原狀土樣間隔做壓縮試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn),獲取了土的壓縮系數(shù)、壓縮模量、粘聚力、摩擦角等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo);對(duì)探井采取的原狀黃土試樣加做雙線浸水壓縮試驗(yàn),用以判定黃土濕陷性;對(duì)鉆孔所采取的新鮮巖樣,橋梁地基做天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),隧道圍巖做飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn);對(duì)初判膨脹土試樣加做有關(guān)工程特性指標(biāo)試驗(yàn);對(duì)采取的地表水試樣和地下水試樣做水質(zhì)分析試驗(yàn),判定場(chǎng)地水對(duì)混凝土和鋼筋的腐蝕性,以備構(gòu)造物基礎(chǔ)材料的防腐蝕處理。

本項(xiàng)目?jī)呻A段共試驗(yàn)原狀樣品 4 241個(gè),擾動(dòng)樣品 1 112個(gè),巖石樣品301組,DCP試樣30件,地下水試樣 3件,取得了詳實(shí)的巖土物理力學(xué)指標(biāo),為巖土承載力的取得提供了依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

在王繁高速兩階段勘察中,對(duì)于不同的構(gòu)造物及其所處不同的地形條件、地質(zhì)情況,有針對(duì)性地采用了工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、挖探、物探、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等多種勘察方法,既節(jié)省了大量的人力、物力和時(shí)間,又提高了工作質(zhì)量,取得了良好的勘察效果。隨著山區(qū)高速公路的不斷延伸,地形、地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜,建議今后在山區(qū)高速公路勘察中應(yīng)采用多種勘察手段互相配合的勘察方法,多種方法相互結(jié)合、相互驗(yàn)證,獲得正確的結(jié)論,為設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)資料。尤其初勘階段應(yīng)加大工程地質(zhì)調(diào)繪和物探工作力度,適量減少鉆探和試驗(yàn)工作量;而在詳勘階段應(yīng)以鉆探、挖探和試驗(yàn)工作為主。

[1] 朱伯宗.高速公路工程初步勘察監(jiān)理重點(diǎn)及質(zhì)量控制[J].山西建筑,2009,35(7):288-289.