淺基巖地區軌道交通地質分層系統研究

隋耀華，張 華

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

隨著城市地下空間高強度的開發和軌道交通工程的快速建設，巖土的工程性質受到了包括建設公司、設計院及施工單位等相關建設單位的高度重視。目前，各市在軌道交通勘察工作中，只有很少城市有整個城市網的工程地質分層系統，這阻礙了城市軌道交通網地質資料的融合。工程地質分層是相關建設方對巖土工程性質辨識的最直觀途徑，因此，需要建立一個簡潔而準確的地質分層系統［1］。

有些城市已經有了自己的工程地質分層系統。如:上海已經有了一個較為完整的依據地層相位關系和工程地質性質綜合劃分的工程地質分層系統［2］;廣州地鐵也有了自己獨立并使用多年的統一的地質分層系統［3］。上海地區基巖較深，有著完整的第四紀沉積層，根據沉積規律，共劃分了16個主層。結構設計等非地質專業人員在使用這個地層系統過程中，通常會對都是粉質黏土卻又分出很多主層不理解，限制了地層系統使用的傳播。廣州地區基巖較淺，大部分基巖面埋深在30 m以內，地鐵工程地質分層采用了“九分法”，第四紀土層采用了以土性為主的主層分法，基巖采用了以風化帶為主的主層分法。由于廣州市區土層以全新世地層為主，因此，這種分法在廣州市區也是合理的。廣州地鐵地質分層系統較為清晰、簡潔，得到了參建廣州地鐵相關單位的廣泛應用。但當第四紀土層即包含全新世地層，也包含更新世地層時，這種主層的分法就不適用了。中南、華南及東南地區的長沙、深圳、南寧及福州等地區基巖的埋深基本上都在50 m以內，其第四紀覆蓋層即有全新世地層，也有更新世地層，有著相近的地層相位關系，一般性規律較強，本文作為一類工程地質分層系統進行研究。

目前針對工程勘察建立區域性地質分層系統的研究文獻較少，文獻［2］和文獻［3］都是總結本地區巖土工程性質時，對本地區工程地質分層系統進行統一。本文在參考已有文獻及總結了廣州、深圳、佛山、南寧、長沙、廈門、福州等多地淺基巖地區軌道交通勘察資料的基礎上，研究了淺基巖地區地層沉積特點、地層基本特性及工程應用特點，最終歸納總結了淺基巖地區工程地質分層“九分法”。“九分法”的使用可以有效減少主層數量，便于對地質的宏觀把握，對工程可行性研究、總體設計及初步設計等都可以進行有效指導，有利于工程地質信息的使用和傳播。

1 分類方法研究

巖石和土的分類方法有很多，在工程建設活動中，應該充分考慮地質規律和設計需求的結合，下面分別對二者選用分類方法的原則進行研究。

1.1 巖石的分類方法

巖石按物質組成和成因的分類可以分為巖漿巖、沉積巖和變質巖，每一類巖石根據礦物組成不同又可以進行具體巖石定名。按地質年代，可以分為太古代、元古代、古生代、中生代和新生代，代的下一級單位為紀，國內目前共有16個紀級單位。巖石按風化程度可分為未風化、微風化、中等風化、強風化、全風化及殘積土［4］。

1.1.1 按物質組成和成因定名和分類

按物質組成和成因可以分為巖漿巖、沉積巖和變質巖。巖漿巖在不同地質條件下冷凝固結而成的巖石又可以分為噴出巖、淺成巖和深成巖，常見的有玄武巖、崗斑巖和花崗巖等，占地殼體積的64.7%。沉積巖是在地表常溫、常壓條件下，物質經搬運、沉積和成巖作用形成的層狀巖石，沉積巖可以分為碎屑巖、黏土巖和化學巖，常見的有砂巖、礫巖、泥巖、頁巖、石灰巖和白云巖等，沉積巖占地殼體積的7.9%。變質巖是原有巖石經變質作用而形成的巖石，常見的變質巖有糜棱巖、板巖、片巖、大理巖和混合巖等，變質巖占地殼體積的27.4%。

從上述的分類特征可知，常見的巖石有30多種，且巖石之間上下沒有可遵循的層序關系，因此，按物質組成和成因的分類不宜作為工程地質分層的主要依據。

1.1.2 按地質年代進行分類

根據地質年代表，我國地質年代表見表1。

表1 我國地質年代表Table 1 Geologic time scale

從表1中可以看出，按地質年代進行工程地質分層，有著很清晰的上下層位關系。但在目前人類開發地下空間的條件下，在垂直剖面上揭露的基巖一般也僅為表1中的1個地層單位。因此，以地質年代進行工程地質分層工程意義不大。

1.1.3 巖石按風化程度進行分類

巖石的風化程度是指其“腐爛”程度，只與巖石本身蝕變程度有關，巖石逐漸被風化，內在變化上表現為結構變化和礦物成分變化，風化程度越高，其結構被破壞的程度越強。礦物成分的變化首先體現在節理面有次生礦物生成，圖1、圖2和圖3分別是取自于長沙市溁灣鎮的微風化板巖、中等風化板巖和強風化板巖在正交偏光鏡下的照片。從照片中可以看出，各種風化巖的礦物成分有著顯著變化［5］，微風化板巖結構致密均勻，中等風化板巖結構較致密，強風化板巖結構較為疏松。

根據風化程度參數指標，各種風化巖與未風化巖的飽和單軸抗壓強度之比一般為:微風化巖0.8～0.9;中等風化巖0.4～0.8;強風化巖小于0.4;全風化巖和殘積土視為土。

風化巖地層相位關系從上到下一般為殘積土、全風化巖、強風化巖、中等風化巖、微風化巖和未風化巖。采用巖石的風化程度進行工程地質分層，既能體現地質規律，又能很好的結合工程應用，還能減少主層的數量。因此，淺基巖地區采用風化程度進行工程地質分層是較為合理的。

圖1 微風化板巖Fig.1 Slightly-weathered slate

圖2 中等風化板巖Fig.2 Moderately-weathered slate

圖3 強風化板巖Fig.3 Strongly-weathered slate

1.2 土的分類方法

土的工程性質與其形成的地質年代、地質成因及土的顆粒組成均有關系，因此，需要綜合分析其對工程影響的主導因素，并根據主導因素最終確定分層依據。

1.2.1 根據顆粒組成定名和分類

根據國家標準《巖土工程勘察規范》，按顆粒級配或塑性指數可以定名為碎石土、砂土、粉土及黏性土。碎石土又可以分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫;砂土又可以分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂;黏性土又可以劃分為粉質黏土和黏土。

土的各種分類沒有明顯的層位關系，因此，按顆粒級配或塑性指數對土進行定名的分類方法不宜作為分層依據。

1.2.2 根據地質年代分類

土按沉積年代分為新近沉積土、一般沉積土和老沉積土。沉積年代是影響土的工程性質因素之一，沉積時間越長，土的物理力學性質越好。根據從廣州、佛山、深圳、長沙及南寧等地的軌道交通勘察中收集的資料，粉質黏土在基本相同含水量、在不同沉積時間的情況下有著較大的差異，沉積時間越長，土的物理力學性質越好，詳見表2。

表2 不同城市粉質黏土物理力學指標Table 2 Physical and mechanical parameters of silty clay in different cities

從上述分析可知，土的地質年代對土的工程性質影響較大，因此，以新近沉積土、一般沉積土和老沉積土的層序關系作為土的工程地質分層是合理的。

1.2.3 根據地質成因分類

根據地質成因，可以分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土及淤積土等。由于外部搬運力的大小、方式和作用時間不同，不同成因土的顆粒組成不同，因此其物理力學性質也有一定的區別。但由于土的沉積作用，更新統地層地質成因因素對土的物理力學性質影響已經不明顯，因此，地質成因是工程地質分層考慮的次要因素。

1.3 工程地質分層方法確定

綜合以上分析，對于基巖，應以按風化程度進行工程地質分層為主，以地質年代、按物質組成和成因分類方法為輔。對于土層，應按以地質年代分類進行工程地質分層為主，以地質成因及顆粒組成分類方法為輔。

2 分層系統研究

2.1 主層分析研究

主層的分層主要是按地層的垂直地層分類進行，根據前述巖石的分類方法研究，采用風化程度進行分類對工程來講適用性較強，由殘積土、全風化巖、強風化巖、中等風化巖、微風化巖、未風化巖，巖石強度由低到高，巖體的完整性也由差到好?？紤]到工程應用中利用到微風化巖層即可認為達到工程最好條件，因此，在巖土工程分層中，可把微風化巖和未風化巖合并為一層使用，以便減少主層數量。因此，殘積土和風化巖依據地層的強弱共劃分為5個主層。

土按沉積年代分為新近沉積土、一般沉積土和老沉積土。土體的剪切強度和壓縮性，一般情況下與土的沉積年代呈正相關系，土沉積的時間越長，其工程性質越好。因此，土體可按沉積年代劃分為3個主層。

受人類工程活動影響，人工填土層和耕土層等受人類活動影響的表層土，物理力學性質極其不均勻，無明顯的規律性，因此，把人工填土層作為單獨一個特殊層的主層考慮。

綜上分析，基巖及殘積土層共設置主層5個，土體設置主層3個，人類活動影響層設置主層1個，合計共設置主層9個，也可以稱為工程地質分層“九分法”。工程地質分層“九分法”主層主要工程地質特征見表3。

表3 工程地質主層劃分及主要地質特征Table 3 Main strata and their major geological properties

從表3可以看到，只要看到主層編號，就會對地層的信息大致了解，方便了建設相關方對地下空間開發和建設的宏觀把握。

2.2 亞層分析研究

對于基巖部分，同一地質時代形成的巖石，由于物質組成和沉積環境不同，形成的巖石也不同，因此，巖石的亞層可按其物質組成進行分類。如某區域白堊紀地層有泥質粉砂巖、砂巖和礫巖等，微風化的亞層可定義為〈9－1〉泥質粉砂巖、〈9－2〉砂巖和〈9－3〉礫巖等。在實際工程應用中，平面上可能跨越不同的基巖區，對于地質時代和巖性差別都較大的基巖地層，可采用雙主層的方式來解決主層數量和性質的問題。如工程場地基巖同時存在白堊紀地層(K)和侏羅紀(J)地層，可進行雙主層進行表達。白堊紀地層可表達為“〈nK〉”，侏羅紀地層可表達為“〈nJ〉”，其中“n”代表主層編號。實踐中，廣州市軌道交通線網巖土工程勘察總體技術要求［6］的中風化巖雙主層及亞層編號方法見表4。

表4 廣州地鐵線網中風化巖亞層編號Table 4 Number of sub-strata of moderately-weathered rock used in Guangzhou Metro

土體的亞層劃分應采用按顆粒級配或塑性指數定義的土名以方便交流。對于土體性質敏感的重要工程，還應根據土體的狀態或土體的特殊性質進行次亞層的劃分。

2.3 應用實例

福州市軌道交通2號線工程地質分層采用了“九分法”［7］，地質分層表見表5。

工程實踐使用過程中，初步設計討論方案時，軟弱地層稱為〈2〉大層，一般土層稱為〈3〉大層，土質較硬的地層稱為〈4〉大層，殘積層稱為〈5〉層，全風化巖、強風化巖分別稱為〈6〉〈7〉層，基巖稱為〈8〉〈9〉層。設計人員進行施工圖設計時，則需要使用到亞層及次亞層。上述地質分層系統既符合地質成因，又降低了主層的數量，使工程技術人員易于接受。

2.4 地層連線原則

根據一般地質規律和上述分層原則進行地質連線時，應遵循“先主層，后亞層;主層不斷，亞層平緩”的原則。即進行工程地質分層連線時，應該先進行主層的連接，并且保持主層的連續性，當部分主層缺失時，應根據“由老到新”的原則確定主層的連續性。根據表3的劃分原則，在任何條件下，大于等于〈5〉層的頂面為沉積層和殘留原地的殘積土或基巖的最原始分界限，即其頂面連線為一條不間斷的地層連線。在確定此條連線不間斷后，若遇缺失或不連續地層，其他主層連線應“搭接”在該主層連線上。

而亞層連接時，根據地層的沉積規律，宜盡量保持平緩或呈透鏡體產出。

表5 福州地鐵2號線地質分層系統Table 5 Geological stratification system used for Line 2 of Fuzhou Metro

3 結論與建議

1)進行諸如地鐵工程等涉及整個城市的地層信息時，需要建立區域性地層分層系統。

2)淺基巖地區有著較為相似的地層相位關系，可以采用“九分法”進行工程地質分層系統劃分，這種劃分方法，既符合地質成因，又降低了主層的數量，使工程技術人員易于接受。

3)基于本文原則建立的分層系統，地層連線可按“先主層，后亞層;主層不斷，亞層平緩”的原則進行連接剖面。

4)淺基巖地區，建議采用“九分法”進行工程地質分層系統劃分。

采用“九分法”進行地質分層時主要問題是，當沉積環境復雜，且同一時代沉積層較多時，會增加亞層及次亞層的數量，地層編號數字較長，使用不方便。若對亞層或次亞層合并，減少亞層數量和地層編號長度，則會降低地層信息的精度。

各地區在“九分法”應用過程中，需要進一步總結本地區地層特點，定位各地層層號，在此基礎上，還應進一步研究各地層的主要物理力學特征，以便利于“九分法”的使用和傳播。

［1］ 隋耀華，陳曉丹.區域性地層分層系統研究［C］//2011海峽兩岸巖土工程/地工技術交流研討會論文集.北京:中國科學技術出版社，2011:89－94.(SUI Yaohua，CHEN Xiaodan.Study of regional stratigraphic layered system［C］//The two sides of the Taiwan Strait geotechnical engineering seminar series in 2011.Beijing:China Science and Technology Press，2011:89－94.(in Chinese))

［2］ 馮銘璋.統一上海工程地質分層編號的討論［J］.上海地質，1993(1):14－20.(FENG Mingzhang.A discussion on unifying the serial number of strata by engineering geology in Shanghai［J］.Shanghai Geology，1993(1):14－20.(in Chinese))

［3］ 謝明.廣州地鐵沿線巖土分層系統的建立和特征以及在地鐵、輕軌勘察規范中增設巖土分層規定的必要性和可行性［J］.地鐵與輕軌，2003(1):17－24.(XIE Ming.Guangzhou MTR geotechnical hierarchical system of the building and features，as well as the subway，light rail survey in the specification for additional geotechnical layered provisions of the necessity and feasibility［J］.Metro Survey＆Planning，2003(1):17－24.(in Chinese))

［4］ GB 50021—2001巖土工程勘察規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.(GB 50021—2001 Code for investigation of geotechnical engineering［S］.Beijing:China Architecture＆Building Press，2009.(in Chinese))

［5］ 隋耀華，湯連生，陳曉丹.工程中巖體分級方法及應用研究［J］.工程勘察，2012(12):12－16.(SUI Yaohua，TANG Liansheng，CHEN Xiaodan.Studyofregional stratigraphic layered system［J］.Geotechnical Ivestigation＆Surveying，2012(12):12－16.(in Chinese))

［6］ 廣州地鐵設計研究院有限公司.廣州市軌道交通線網巖土工程勘察總體技術要求［R］.4版.廣州:廣州地鐵設計研究院有限公司，2012.(Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.General technical requirements of investigation of geotechnical engineering on Guangzhou urban rail transit network［R］.The Fourth Edition.Guangzhou:Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，2012.(in Chinese))

［7］ 廣州地鐵設計研究院有限公司.福州市軌道交通2號線工程總體技術要求［R］.福州:廣州地鐵設計研究院有限公司，2013.(Guangzhou Metro Design＆ Research Institute Co.，Ltd.Generaltechnicalrequirementsof investigation of geotechnical engineering on Fuzhou Line 2［R］.Fuzhou:Guangzhou Metro Design＆ Research Institute Co.，Ltd.，2013.(in Chinese))