多種勘察手段在高速公路勘察中的綜合應用

劉小龍

1 概述

1.1 概況

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

1.2 地形、地質特點

項目區位于山西省東北部,其東部和北部為恒山山脈,地勢高峻,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,地勢較為平坦;路線范圍內,地勢呈現出東高西低,東邊山區,巖性復雜,西邊河谷,地層簡單的總體特征。根據地貌特征及成因類型將項目區劃分為山前沖洪積傾斜平原區、山前沖洪積黃土丘陵區、構造剝蝕基巖中山區、構造侵蝕河谷區和河谷沖積平原區五個地貌單元。

1.3 勘察工作思路及程序

首先收集與線路走廊有關的地質資料,初步了解沿線地形、地貌條件和巖土結構特征。然后通過 1∶10 000全線工程地質調繪及 1∶2 000工點調查,進一步查清工程區地形地貌、地層巖性、工程巖土類型、水文地質、不良地質以及特殊性巖土分布等情況。對工程地質調繪難以調查清楚的地質問題,根據其所處地段工程地質特征或構造物類型,有針對性的選擇物探、鉆探、挖探等勘探手段。勘探工作量的大小以能夠解決工程地質問題和滿足設計要求為宜。

2 各種勘察手段綜合應用

2.1 勘察方法

勘察方法以地質調繪、工程鉆探、挖探、原位測試及室內試驗為主,輔以物探的原則進行,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 綜合應用

2.2.1 工程地質調繪(測量)

初勘階段,通過 1∶10 000比例尺(中線兩側各 500m)工程地質調繪,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、地質構造、特殊巖土及不良地質分布情況,為路線方案的比選提供了必要的地質依據;其次通過 1∶2 000比例尺(中線兩側各 200m)對全線各個方案總計大中橋 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,進行了工點地質調繪,并對隧道進出口、深挖路塹及特大橋、大橋橋臺邊坡穩定性進行了定性評價,為路橋方案的比選和初步設計提供必要的地質依據。

工程地質調繪在初步設計階段對路線方案的比選提供了重要的地質依據,使最終的路線推薦方案盡可能繞避了不良地質。

詳勘階段,對優化后最終的路線方案、新增大中型構造物及新發現的不良地質和特殊巖土進行補充工程地質調繪,完善、核實、修正初勘調繪資料,對于露頭好,地層巖性分界清楚,地形陡峭,鉆機非常難到位的個別橋臺,實測記錄橋臺剖面地層巖性、狀態,代替鉆孔資料。既滿足了設計需要,也有效提高了勘察進度。

2.2.2 鉆探

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

根據不同勘察階段,鉆孔布設原則相應變化,滿足《公路工程地質勘察規范》的規定。其中在詳勘階段橋梁工程沿橋軸線布設鉆孔,原則上每墩(臺)布孔,在地層較復雜的橋位處增加橫向鉆孔,孔深視孔跨、地層結構及填挖方厚度鉆 20m～60m;隧道工程在初步勘察基礎上,對疑點、異常點、重點進行補充鉆探,鉆孔深度一般達到隧道底板設計標高以下 2.0 m。鉆孔直徑開孔為110mm,終孔為 91mm,所有鉆孔均按技術性鉆孔取樣,取樣間距1.0m～1.5m,對于均質厚層土取樣間距2.0m～3.0 m,各類巖土巖芯采取率均達到規范要求。

本項目兩階段鉆探共使用XYL-I型履帶式鉆機 5臺,XL-100型鉆機 10臺,XL-150型鉆機 16臺,Y2鉆機 4臺,以回轉鉆進為主,沖擊鉆進為輔,共完成鉆孔578個,總進尺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,擾動樣品 1 112個,巖石樣品 301組,DCP試樣 30件,地下水試樣3件。通過較為密集的鉆探,首先探明了全線深部地層情況,為室內試驗采取了大量的試樣,為原位測試提供了便利,為所有構造物地基強度及穩定性評價提供了保障,滿足了橋隧設計的要求;其次驗證了調查和物探深度、隧道的物探土石界面;同時提供了隧道圍巖綜合分類的巖石物理力學指標;另外也為全線地下水位的判斷、量測、地下水試樣采取及孔內攝影測試創造了條件。

2.2.3 原位測試

本項目勘察的原位測試包括標準貫入試驗和中型動力觸探試驗,其中在對砂類土、粉土或軟弱粘性土鉆探時,按深度進行了標準貫入試驗,根據標貫擊數,判定砂土密實度或粘性土稠度,估算土的強度和變形指標,評價砂土、粉土的振動液化,并可采取擾動土樣進行一般物理性試驗;在對碎石類土、各類軟質巖石及強風化、全風化的硬質巖石鉆探時,按深度進行了中型動力觸探試驗,根據觸探擊數,評定了碎石類土的孔隙比、密實度和巖石的風化界面,確定了土、巖承載力。本項目兩階段勘察共進行標準貫入試驗 120次,中型動力觸探試驗 195次。為確定砂土、碎石土及風化巖的承載力提供了準確的依據。

2.2.4 地球物理勘探

地球物理勘探簡稱物探,其優點是效率高、成本低、儀器和工具比較輕便、對地形條件適應強。針對王繁高速隧道所處區域地形復雜、地表覆蓋厚層黃土、土石界面不清的特點,在初勘階段對推薦方案 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條測線,剖面總長度 4 880m。通過上述物探手段,對判定沿線隧址區地質構造、土石界面及巖石風化殼厚度,調整隧道的埋深,確定不同層位巖土的彈性波波速,進行圍巖工程地質分級提供了地質依據。

詳勘階段對太安嶺隧道典型鉆孔采用孔內攝像的方法,對確定隧址巖體節理、裂隙等發育情況及其在孔內的位置、走向;確定孔內地下水的出水點,直接觀察出水量提供了依據。為隧道的施工圖設計和施工方案的確定提供了可靠的地質依據。

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;確定滑坡滑動面的位置;對鉆機難以到位的高填涵、深挖方,也采用挖探的方法代替鉆探,其優點是能夠取得詳盡的直觀資料和原狀土樣,缺點是勘探深度有限。

本項目初勘在對全線Q3濕陷性黃土勘察時,采用挖探手段,樣品規格127mm×200mm,取樣間距1.0m。共布設完成濕陷性黃土探井54個,深度一般5.0m～15.0m,累計進尺515.3m,共采取原狀樣品 497個。通過挖探采取的Ⅰ級原狀土試樣,滿足了室內相關試驗要求,為全線濕陷性黃土的評價和路基及相關構造物地基濕陷性處治提供了可靠依據。

另外本項目初勘時,對 AK 26+800處銀鉤滑坡采用挖探的方法,準確的找到了滑面,為確定滑坡的處置方案、工程量等提供了依據。詳勘時路線偏移該滑坡。本項目初、詳勘時,對于鉆機難以到位的高填涵、深挖方,也采用挖探的方法代替鉆探,為設計提供了準確的地質資料,同時節約了成本、加快了工期。

2.2.6 室內巖土試驗

室內試驗包括巖土試樣的常規試驗和強度試驗。本項目對全線構造物鉆探、挖探所采取的所有巖土試樣根據巖性的不同均做了相應的常規試驗項目,獲取了其密度、含水量、液限、塑限、孔隙比等物理性質,每個鉆孔的原狀土樣間隔做壓縮試驗和直接剪切試驗,獲取了土的壓縮系數、壓縮模量、粘聚力、摩擦角等力學性質指標;對探井采取的原狀黃土試樣加做雙線浸水壓縮試驗,用以判定黃土濕陷性;對鉆孔所采取的新鮮巖樣,橋梁地基做天然濕度單軸抗壓強度試驗,隧道圍巖做飽和單軸抗壓強度試驗;對初判膨脹土試樣加做有關工程特性指標試驗;對采取的地表水試樣和地下水試樣做水質分析試驗,判定場地水對混凝土和鋼筋的腐蝕性,以備構造物基礎材料的防腐蝕處理。

本項目兩階段共試驗原狀樣品 4 241個,擾動樣品 1 112個,巖石樣品301組,DCP試樣30件,地下水試樣 3件,取得了詳實的巖土物理力學指標,為巖土承載力的取得提供了依據。

3 結語

在王繁高速兩階段勘察中,對于不同的構造物及其所處不同的地形條件、地質情況,有針對性地采用了工程地質調繪、鉆探、挖探、物探、原位測試、室內試驗等多種勘察方法,既節省了大量的人力、物力和時間,又提高了工作質量,取得了良好的勘察效果。隨著山區高速公路的不斷延伸,地形、地質條件越來越復雜,建議今后在山區高速公路勘察中應采用多種勘察手段互相配合的勘察方法,多種方法相互結合、相互驗證,獲得正確的結論,為設計提供可靠的基礎資料。尤其初勘階段應加大工程地質調繪和物探工作力度,適量減少鉆探和試驗工作量;而在詳勘階段應以鉆探、挖探和試驗工作為主。

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