浅基岩地区轨道交通地质分层系统研究

隋耀华，张 华

(广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010)

0 引言

随着城市地下空间高强度的开发和轨道交通工程的快速建设，岩土的工程性质受到了包括建设公司、设计院及施工单位等相关建设单位的高度重视。目前，各市在轨道交通勘察工作中，只有很少城市有整个城市网的工程地质分层系统，这阻碍了城市轨道交通网地质资料的融合。工程地质分层是相关建设方对岩土工程性质辨识的最直观途径，因此，需要建立一个简洁而准确的地质分层系统［1］。

有些城市已经有了自己的工程地质分层系统。如:上海已经有了一个较为完整的依据地层相位关系和工程地质性质综合划分的工程地质分层系统［2］;广州地铁也有了自己独立并使用多年的统一的地质分层系统［3］。上海地区基岩较深，有着完整的第四纪沉积层，根据沉积规律，共划分了16个主层。结构设计等非地质专业人员在使用这个地层系统过程中，通常会对都是粉质黏土却又分出很多主层不理解，限制了地层系统使用的传播。广州地区基岩较浅，大部分基岩面埋深在30 m以内，地铁工程地质分层采用了“九分法”，第四纪土层采用了以土性为主的主层分法，基岩采用了以风化带为主的主层分法。由于广州市区土层以全新世地层为主，因此，这种分法在广州市区也是合理的。广州地铁地质分层系统较为清晰、简洁，得到了参建广州地铁相关单位的广泛应用。但当第四纪土层即包含全新世地层，也包含更新世地层时，这种主层的分法就不适用了。中南、华南及东南地区的长沙、深圳、南宁及福州等地区基岩的埋深基本上都在50 m以内，其第四纪覆盖层即有全新世地层，也有更新世地层，有着相近的地层相位关系，一般性规律较强，本文作为一类工程地质分层系统进行研究。

目前针对工程勘察建立区域性地质分层系统的研究文献较少，文献［2］和文献［3］都是总结本地区岩土工程性质时，对本地区工程地质分层系统进行统一。本文在参考已有文献及总结了广州、深圳、佛山、南宁、长沙、厦门、福州等多地浅基岩地区轨道交通勘察资料的基础上，研究了浅基岩地区地层沉积特点、地层基本特性及工程应用特点，最终归纳总结了浅基岩地区工程地质分层“九分法”。“九分法”的使用可以有效减少主层数量，便于对地质的宏观把握，对工程可行性研究、总体设计及初步设计等都可以进行有效指导，有利于工程地质信息的使用和传播。

1 分类方法研究

岩石和土的分类方法有很多，在工程建设活动中，应该充分考虑地质规律和设计需求的结合，下面分别对二者选用分类方法的原则进行研究。

1.1 岩石的分类方法

岩石按物质组成和成因的分类可以分为岩浆岩、沉积岩和变质岩，每一类岩石根据矿物组成不同又可以进行具体岩石定名。按地质年代，可以分为太古代、元古代、古生代、中生代和新生代，代的下一级单位为纪，国内目前共有16个纪级单位。岩石按风化程度可分为未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化及残积土［4］。

1.1.1 按物质组成和成因定名和分类

按物质组成和成因可以分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩浆岩在不同地质条件下冷凝固结而成的岩石又可以分为喷出岩、浅成岩和深成岩，常见的有玄武岩、岗斑岩和花岗岩等，占地壳体积的64.7%。沉积岩是在地表常温、常压条件下，物质经搬运、沉积和成岩作用形成的层状岩石，沉积岩可以分为碎屑岩、黏土岩和化学岩，常见的有砂岩、砾岩、泥岩、页岩、石灰岩和白云岩等，沉积岩占地壳体积的7.9%。变质岩是原有岩石经变质作用而形成的岩石，常见的变质岩有糜棱岩、板岩、片岩、大理岩和混合岩等，变质岩占地壳体积的27.4%。

从上述的分类特征可知，常见的岩石有30多种，且岩石之间上下没有可遵循的层序关系，因此，按物质组成和成因的分类不宜作为工程地质分层的主要依据。

1.1.2 按地质年代进行分类

根据地质年代表，我国地质年代表见表1。

表1 我国地质年代表Table 1 Geologic time scale

从表1中可以看出，按地质年代进行工程地质分层，有着很清晰的上下层位关系。但在目前人类开发地下空间的条件下，在垂直剖面上揭露的基岩一般也仅为表1中的1个地层单位。因此，以地质年代进行工程地质分层工程意义不大。

1.1.3 岩石按风化程度进行分类

岩石的风化程度是指其“腐烂”程度，只与岩石本身蚀变程度有关，岩石逐渐被风化，内在变化上表现为结构变化和矿物成分变化，风化程度越高，其结构被破坏的程度越强。矿物成分的变化首先体现在节理面有次生矿物生成，图1、图2和图3分别是取自于长沙市溁湾镇的微风化板岩、中等风化板岩和强风化板岩在正交偏光镜下的照片。从照片中可以看出，各种风化岩的矿物成分有着显著变化［5］，微风化板岩结构致密均匀，中等风化板岩结构较致密，强风化板岩结构较为疏松。

根据风化程度参数指标，各种风化岩与未风化岩的饱和单轴抗压强度之比一般为:微风化岩0.8～0.9;中等风化岩0.4～0.8;强风化岩小于0.4;全风化岩和残积土视为土。

风化岩地层相位关系从上到下一般为残积土、全风化岩、强风化岩、中等风化岩、微风化岩和未风化岩。采用岩石的风化程度进行工程地质分层，既能体现地质规律，又能很好的结合工程应用，还能减少主层的数量。因此，浅基岩地区采用风化程度进行工程地质分层是较为合理的。

图1 微风化板岩Fig.1 Slightly-weathered slate

图2 中等风化板岩Fig.2 Moderately-weathered slate

图3 强风化板岩Fig.3 Strongly-weathered slate

1.2 土的分类方法

土的工程性质与其形成的地质年代、地质成因及土的颗粒组成均有关系，因此，需要综合分析其对工程影响的主导因素，并根据主导因素最终确定分层依据。

1.2.1 根据颗粒组成定名和分类

根据国家标准《岩土工程勘察规范》，按颗粒级配或塑性指数可以定名为碎石土、砂土、粉土及黏性土。碎石土又可以分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾;砂土又可以分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂;黏性土又可以划分为粉质黏土和黏土。

土的各种分类没有明显的层位关系，因此，按颗粒级配或塑性指数对土进行定名的分类方法不宜作为分层依据。

1.2.2 根据地质年代分类

土按沉积年代分为新近沉积土、一般沉积土和老沉积土。沉积年代是影响土的工程性质因素之一，沉积时间越长，土的物理力学性质越好。根据从广州、佛山、深圳、长沙及南宁等地的轨道交通勘察中收集的资料，粉质黏土在基本相同含水量、在不同沉积时间的情况下有着较大的差异，沉积时间越长，土的物理力学性质越好，详见表2。

表2 不同城市粉质黏土物理力学指标Table 2 Physical and mechanical parameters of silty clay in different cities

从上述分析可知，土的地质年代对土的工程性质影响较大，因此，以新近沉积土、一般沉积土和老沉积土的层序关系作为土的工程地质分层是合理的。

1.2.3 根据地质成因分类

根据地质成因，可以分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土及淤积土等。由于外部搬运力的大小、方式和作用时间不同，不同成因土的颗粒组成不同，因此其物理力学性质也有一定的区别。但由于土的沉积作用，更新统地层地质成因因素对土的物理力学性质影响已经不明显，因此，地质成因是工程地质分层考虑的次要因素。

1.3 工程地质分层方法确定

综合以上分析，对于基岩，应以按风化程度进行工程地质分层为主，以地质年代、按物质组成和成因分类方法为辅。对于土层，应按以地质年代分类进行工程地质分层为主，以地质成因及颗粒组成分类方法为辅。

2 分层系统研究

2.1 主层分析研究

主层的分层主要是按地层的垂直地层分类进行，根据前述岩石的分类方法研究，采用风化程度进行分类对工程来讲适用性较强，由残积土、全风化岩、强风化岩、中等风化岩、微风化岩、未风化岩，岩石强度由低到高，岩体的完整性也由差到好。考虑到工程应用中利用到微风化岩层即可认为达到工程最好条件，因此，在岩土工程分层中，可把微风化岩和未风化岩合并为一层使用，以便减少主层数量。因此，残积土和风化岩依据地层的强弱共划分为5个主层。

土按沉积年代分为新近沉积土、一般沉积土和老沉积土。土体的剪切强度和压缩性，一般情况下与土的沉积年代呈正相关系，土沉积的时间越长，其工程性质越好。因此，土体可按沉积年代划分为3个主层。

受人类工程活动影响，人工填土层和耕土层等受人类活动影响的表层土，物理力学性质极其不均匀，无明显的规律性，因此，把人工填土层作为单独一个特殊层的主层考虑。

综上分析，基岩及残积土层共设置主层5个，土体设置主层3个，人类活动影响层设置主层1个，合计共设置主层9个，也可以称为工程地质分层“九分法”。工程地质分层“九分法”主层主要工程地质特征见表3。

表3 工程地质主层划分及主要地质特征Table 3 Main strata and their major geological properties

从表3可以看到，只要看到主层编号，就会对地层的信息大致了解，方便了建设相关方对地下空间开发和建设的宏观把握。

2.2 亚层分析研究

对于基岩部分，同一地质时代形成的岩石，由于物质组成和沉积环境不同，形成的岩石也不同，因此，岩石的亚层可按其物质组成进行分类。如某区域白垩纪地层有泥质粉砂岩、砂岩和砾岩等，微风化的亚层可定义为〈9－1〉泥质粉砂岩、〈9－2〉砂岩和〈9－3〉砾岩等。在实际工程应用中，平面上可能跨越不同的基岩区，对于地质时代和岩性差别都较大的基岩地层，可采用双主层的方式来解决主层数量和性质的问题。如工程场地基岩同时存在白垩纪地层(K)和侏罗纪(J)地层，可进行双主层进行表达。白垩纪地层可表达为“〈nK〉”，侏罗纪地层可表达为“〈nJ〉”，其中“n”代表主层编号。实践中，广州市轨道交通线网岩土工程勘察总体技术要求［6］的中风化岩双主层及亚层编号方法见表4。

表4 广州地铁线网中风化岩亚层编号Table 4 Number of sub-strata of moderately-weathered rock used in Guangzhou Metro

土体的亚层划分应采用按颗粒级配或塑性指数定义的土名以方便交流。对于土体性质敏感的重要工程，还应根据土体的状态或土体的特殊性质进行次亚层的划分。

2.3 应用实例

福州市轨道交通2号线工程地质分层采用了“九分法”［7］，地质分层表见表5。

工程实践使用过程中，初步设计讨论方案时，软弱地层称为〈2〉大层，一般土层称为〈3〉大层，土质较硬的地层称为〈4〉大层，残积层称为〈5〉层，全风化岩、强风化岩分别称为〈6〉〈7〉层，基岩称为〈8〉〈9〉层。设计人员进行施工图设计时，则需要使用到亚层及次亚层。上述地质分层系统既符合地质成因，又降低了主层的数量，使工程技术人员易于接受。

2.4 地层连线原则

根据一般地质规律和上述分层原则进行地质连线时，应遵循“先主层，后亚层;主层不断，亚层平缓”的原则。即进行工程地质分层连线时，应该先进行主层的连接，并且保持主层的连续性，当部分主层缺失时，应根据“由老到新”的原则确定主层的连续性。根据表3的划分原则，在任何条件下，大于等于〈5〉层的顶面为沉积层和残留原地的残积土或基岩的最原始分界限，即其顶面连线为一条不间断的地层连线。在确定此条连线不间断后，若遇缺失或不连续地层，其他主层连线应“搭接”在该主层连线上。

而亚层连接时，根据地层的沉积规律，宜尽量保持平缓或呈透镜体产出。

表5 福州地铁2号线地质分层系统Table 5 Geological stratification system used for Line 2 of Fuzhou Metro

3 结论与建议

1)进行诸如地铁工程等涉及整个城市的地层信息时，需要建立区域性地层分层系统。

2)浅基岩地区有着较为相似的地层相位关系，可以采用“九分法”进行工程地质分层系统划分，这种划分方法，既符合地质成因，又降低了主层的数量，使工程技术人员易于接受。

3)基于本文原则建立的分层系统，地层连线可按“先主层，后亚层;主层不断，亚层平缓”的原则进行连接剖面。

4)浅基岩地区，建议采用“九分法”进行工程地质分层系统划分。

采用“九分法”进行地质分层时主要问题是，当沉积环境复杂，且同一时代沉积层较多时，会增加亚层及次亚层的数量，地层编号数字较长，使用不方便。若对亚层或次亚层合并，减少亚层数量和地层编号长度，则会降低地层信息的精度。

各地区在“九分法”应用过程中，需要进一步总结本地区地层特点，定位各地层层号，在此基础上，还应进一步研究各地层的主要物理力学特征，以便利于“九分法”的使用和传播。

［1］ 隋耀华，陈晓丹.区域性地层分层系统研究［C］//2011海峡两岸岩土工程/地工技术交流研讨会论文集.北京:中国科学技术出版社，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］ 冯铭璋.统一上海工程地质分层编号的讨论［J］.上海地质，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］ 谢明.广州地铁沿线岩土分层系统的建立和特征以及在地铁、轻轨勘察规范中增设岩土分层规定的必要性和可行性［J］.地铁与轻轨，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岩土工程勘察规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.(GB 50021—2001 Code for investigation of geotechnical engineering［S］.Beijing:China Architecture＆Building Press，2009.(in Chinese))

［5］ 隋耀华，汤连生，陈晓丹.工程中岩体分级方法及应用研究［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］ 广州地铁设计研究院有限公司.广州市轨道交通线网岩土工程勘察总体技术要求［R］.4版.广州:广州地铁设计研究院有限公司，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］ 广州地铁设计研究院有限公司.福州市轨道交通2号线工程总体技术要求［R］.福州:广州地铁设计研究院有限公司，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))