埃塞俄比亞鐵路Mieso-Diredawa段地質勘察工作的思考

何小軍，徐正宣，章丹貴

(中鐵二院地勘巖土公司，成都 610031)

近年來，在國家積極推行“走出去”的戰略背景下，中國鐵路企業努力拓展海外市場，成績斐然。筆者在這一“走出去”的大潮流中，做為一名地質工程師，有幸參加了埃塞俄比亞鐵路Mieso-Diredawa段的建設，從事地質勘察工作。筆者通過在該項目一年多的學習實踐過程，并結合在其他非洲國家的工作經歷，談談在海外開展地質勘察工作的體會。

1 工程概況

埃塞俄比亞鐵路Mieso-Diredawa段為施工設計總承包項目，由埃塞俄比亞鐵路公司貸款融資建設，中國土木工程集團公司承建。本線屬于埃塞俄比亞至吉布提鐵路線(Addis Ababa-Djibouti)的一部分，本線路總長度134 km，列車設計時速120 km。

(1)自然地理概況

全線屬低丘、平原地貌，地形較為平坦，地勢開闊。該線所屬區域為熱帶草原氣候，6月至9月為雨季，10月至次年5月為旱季。Mieso月平均溫度為5.73℃～38.0℃，Diredawa月平均氣溫為13.3℃ ～39.8℃，5～8月一般為該地區最熱時期。兩地年平均降雨量550～900 mm。

(2)地質概況

線路位于東非大裂谷中，是地殼活動的活躍地帶，以斷層為主的地質構造異常發育，斷層以羽狀斷裂為主，總體走向NNE，主要延伸方向為北東-南西向，線路走向與大多數斷層呈小角度相交，其對線路的工程影響較大。經沿線調查測繪，斷層構造土層覆蓋較厚，現場很難發現構造痕跡。

沿線地層覆土主要以黑棉土、粉質黏土、粉土為主，河流溝槽中分布砂土、卵石土，線路段內無軟土。覆土厚度變化較大。黑棉土一般具有中等至強膨脹性。線路分布的粉質黏土一般具有弱膨脹性。下伏基巖主要為第三系玄武巖、凝灰巖，局部地段可見少量(火山)角礫巖分布。玄武巖差異風化嚴重，風化界線復雜多變，其全風化層多具有弱膨脹性。

2 海外開展地質工作的前期準備

(1)人員配置

應配置專業素養強，有國外勘察經驗的地質工程師。海外工作通常與國內的交通聯系不便利，并且國內外適用勘察規范不同，因此，地質勘察人員應具備相當的風險控制能力，以及協調管理能力。專業人員需具備一定的英語基礎。設備操作手應主要從國內調配，可雇傭當地員工作為助手。人員數量配備可根據工期需要配備，相比于國內，考慮到非洲國家交通運輸及勞工素質等因素，在一定的工期之內，盡量多考慮人員安排。

(2)設備調配

海外如非洲國家勘察能力欠缺，勘察設備一般需從國內調運，但調配周期長，報關費時費力，運輸費用高，損耗等維修配件不足。考慮設備時，應盡量與當地有勘察設備的公司聯系，有條件的，可采用當地設備。

(3)規范適用性

開展工作之前，簽訂勘察合同時，應明確項目采用的勘察規范。非洲國家一般都采用美國標準、歐洲標準、英國標準，當明確采用中國標準時，應多與咨詢公司協調溝通，使其能夠理解并支持采用中國標準，以利于后期工作的開展。

(4)當地基礎資料

非洲國家普遍缺乏基礎資料的收集和整理，地質區域資料一般都由國外公司協助完成，但比例尺都很小，資料年代較早，用于實際工作中有一定困難。而地震資料更是少之又少，業主通常也無能力實施地震安全評價工作。因此，對于設計中需要的地震參數應提前考慮，并在勘察合同中列明，以免對后續工作造成麻煩。氣象資料數據一般都比較簡單，收集的資料也僅限于較大城市范圍，對于線路途徑區域，大部分都沒有較為詳盡的氣象資料。因此，對于氣象水文資料，應通過多方面的方法手段搜集綜合，為設計工作提供支持。

3 實際勘察工作中的問題及處置方法

(1)勘探方法

埃塞俄比亞鐵路Mieso-DireDawa段屬于施工設計總承包項目，地質勘察工作除應滿足勘察規范外，同時也應認真研究勘探方法，提高勘探資料利用率，減少無效勘探量，盡量節約成本。在開始勘察現場工作之前，按照勘察規范要求，根據現場實際情況，擬定本段線路的勘察大綱并通過審查。

①地質調繪是地質勘察工作中的一個重要組成部分。在地質勘察的各個階段，應根據規范要求進行不同精度的地質調繪。埃塞俄比亞地質資料較為缺乏，可直接利用的區域地質資料很少，進行地質調繪工作可以對鐵路工程沿線地質情況有較為直觀的認識，對鐵路工程的選線、線路方案比較以及鉆探、挖探孔等勘探點的布置，具有很強的指導作用，可大大減少無效勘探量。

②鉆探是勘探工作的主要手段。在本線路的勘察中，考慮了鉆探與其他勘探方法相結合的綜合勘察手段。按照本段線路的勘察大綱要求，在地質調繪工作的基礎上，并結合工程設置和地質情況布置鉆孔，布置原則如下所述。

路基約1 km布置1孔。

橋梁:1～2跨先布置1個鉆孔，若覆土或W4薄、基巖裸露、無軟弱夾層、差異風化不嚴重，則不再增加鉆孔，否則增加1孔;3～4跨一般布置2～3個鉆孔，若覆土或W4薄、基巖裸露、無軟弱夾層、差異風化不嚴重，則不再增加鉆孔，否則在地質變化大的地段增加鉆孔;5～6跨原則上跳墩鉆探，有軟弱夾層、差異風化嚴重、地層界線變化大應增加鉆孔;確定做端承樁基礎的橋梁，在地質條件復雜、有軟弱夾層、差異風化嚴重、地層界線變化大等地質變化大的地段，逐墩臺鉆探，否則地質條件簡單、均勻、地層界線穩定，跳墩鉆探。

根據該布置原則進行鉆探，同時預留部分施工階段勘探量，對個別施工開挖后發現差異風化的地段進行補鉆，滿足了本線勘察設計精度需要。

③挖探可做為勘探工作的輔助手段。主要應用于土層覆蓋較薄地段，可揭示土石分界線。當地人工費用較低，在全線應用該種勘探手段，可滿足勘察精度要求，同時也節約了勘探成本。本線路基段勘探工作，按照100 m布置一處挖探，并結合1 km一處鉆探的布置原則，取得了良好的效果。

④物探:在該鐵路線路前段Sebeta-Mieso段曾應用工程物探，結合驗證性的控制鉆探，有效地查清了巖土層結構，取得了較好的效果。參照前段經驗，本線在工作前期也采用了工程物探，主要應用的是對稱四極電法和地震折射法，等視電阻率斷面如圖1所示。對物探工點進行驗證性鉆探，結果對比如圖2所示。由圖1可以看出，采集到的等視電阻率值普遍都偏低，數值分布為3～40Ω·m，土石分界電阻率值相差很小，解譯時難以辨別土石分界線及軟弱夾層破碎帶。由圖2可以看出，ZD-Ⅲ -64-1號鉆孔1 062.59～1 069.39 m為凝灰巖弱風化(W2)，物探解譯結果顯示該處為風化、破碎體，兩者不相符。分析原因為當地氣候干燥，接地效果不好，在采取加鹽水改善接地條件后，鹽水下滲較快，改善效果不明顯。綜合看來，本線應用工程物探效果不好，應進一步探索可靠的物探方法。本線將進一步探索可靠的物探方法。

圖1 視電阻率斷面

(2)膨脹土問題

本線大面積分布膨脹土，主要成因有兩類，一類為玄武巖類火成巖風化后，經地表水長期淋濾殘積而成，呈灰黑色，當地俗稱黑棉土，多出露于山(丘)間盆地或盆地邊緣，地形平緩，一般厚度0～6 m，局部大于8 m，裂隙發育，常有光滑面，在自然狀態下呈堅硬或硬塑狀態，代表性黑棉土如圖3所示;另一類呈黃褐色，為火成巖全風化層，分布在地表以下，呈土狀，原巖結構尚可清晰辨認，全線范圍內均有分布。取代表性黑棉土樣品帶回國內做膨脹土詳判試驗，各項指標如表1所示，綜合判定該土具有強膨脹性。

圖2 鉆探與物探對比

表1 黑棉土詳判結果

根據勘察階段試驗統計分析，黑棉土具有天然密度、干密度小，天然孔隙比、液限、塑性指數大，自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量高，含有機質(灼燒失量)，中壓縮性，多具強膨脹性的特點。

黑棉土為非洲所特有的一種土質類別，路基設計時國內并無這類土的相關資料可供參考。按照中國路基設計規范要求，“基床表層應全部換填符合相應鐵路等級標準要求的材料。基床底層應采取換填或土質改良措施。對弱、中膨脹土(巖)處理厚度，時速200 km鐵路不應小于1.0 m，其他Ⅰ、Ⅱ級鐵路不應小于0.5 m;強膨脹土(巖)處理厚度應大于氣候劇烈影響層，且不宜小于基床底層深度。”

要確定強膨脹土的處理深度，應首先得出大氣影響急劇層深度，但由于埃塞俄比亞基礎資料的缺乏，該深度無法通過查規范等方式得出。在充分理解了膨脹土大氣影響深度及大氣影響急劇層深度的概念之后，利用鐵路勘察資料，對土體含水量隨深度變化情況進行分析;利用附近高速公路勘察資料，計算土的濕度系數，以估算大氣影響深度及大氣影響急劇層深度，最終得出了本地區的大氣影響深度為3.5 m，大氣影響急劇層深度為1.6 m(大氣影響深度乘以0.45)。

根據上述分析，確定了本線膨脹土路塹基床處理設計原則:膨脹土路塹基床采用挖除換填處理，基床表層換填A、B組填料厚0.6 m，基床底層按弱、中、強膨脹土分別換填0.3、0.5、1.0 m。

(3)玄武巖地層強度問題、差異風化問題

全線火成巖廣泛分布，呈氣孔狀、塊狀構造，細粒～隱晶質結構，由于火山活動的多期次間歇性噴發，火成巖與黏土、火山角礫及火山灰交替產出現象明顯，形成軟弱夾層，在地質測繪及鉆探過程中均能發現。如圖4所示。

圖4 武巖地層差異風化嚴重

針對差異風化及軟弱夾層問題，對橋梁工程原計劃大量采用物探與鉆探相結合的方式，查明橋址范圍內差異風化情況，但因物探效果不好，只能采用多布置鉆探的方式，對橋梁工程加強勘探;路基工程由于線路長，差異風化分布無規律性，應在施工階段加強地質驗基工作，實施超前驗基(即路塹開挖1～2 m深后進行一次驗基，查看地質情況與設計資料是否相符)，對與設計資料不符的，及時變更。

全線分布的玄武巖及凝灰巖地層強度普遍偏低，根據勘察階段試驗統計資料，玄武巖飽和抗壓強度14.95～37.95 MPa，標準值21.17 MPa，屬于軟巖范疇，與國內一般認識的玄武巖有較大差異。

4 綜合體會及對開展海外地質工作的建議

(1)在非洲國家進行鐵路工程地質勘察，不僅對工程師的專業技術水平有較高的要求，同時對工程師的管理、協調、風險控制等綜合素質也有很高的要求。

(2)在國外開展地質工作，應高度重視中國規范在當地的適用性，并加強與國外監理、咨詢的溝通，才能使得工作能夠順利的開展。

(3)現場勘察，應根據現場實際情況，采取綜合勘察手段，合理布置勘探點，減少無效勘探量，滿足勘察精度需要的同時，又能取得良好的經濟效益。

(4)本線應用對稱四極電法和地震折射法做工程物探，效果不明顯，但應重視工程物探在地質勘察中的作用，積極探索適用于當地的物探方法。

(5)重視當地特殊類巖土與國內土類的差別，充分研究當地特殊類巖土，探索其在工程中的不同處理方法，并不斷總結經驗。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.TB10038—2012 鐵路工程特殊巖土勘察規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2013.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50112—2013 膨脹土地區建筑技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2013.

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011—2010 建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［5］ 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005 鐵路路基設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］ 中華人民共和國鐵道部.TB10102—2010 鐵路工程土工試驗規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［7］ 徐正宣.埃塞俄比亞鐵路工程地質勘察探討［J］.鐵道工程學報，2010(5):26-29.

［8］ 張昆.埃塞俄比亞新建鐵路主要工程地質問題及對策［J］.鐵道工程學報，2011(10):38-41.

［9］ 何小軍.埃塞俄比亞鐵路工程Mieso至Diredawa段工程地質勘察報告［R］.成都:中鐵二院集團有限責任公司，2012.

［10］趙平，唐林，等.埃塞俄比亞鐵路強膨脹土(黑棉土)地段路基基床換填深度地質分析報告［R］.成都:中鐵二院集團有限責任公司，2013.