综合勘探手段在砂卵石地层勘察的应用

孙常青

（1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；2.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室，北京 100101）

0 引言

砂卵石层作为地基持力层具有压缩性低、承载力高的优势。然而砂卵石地层又具有稳定性差、孔隙比大、无黏聚力、渗透性强、硬度高、级配差异大的特点，盾构、暗挖法以及明挖法基坑围护桩或地下连续墙施工难度较大。砂卵石层的颗粒级配、卵石强度关系到盾构机选型[1-2]、暗挖工法以及围护桩成孔、地下连续墙施工工艺的选择[3-8]。同时，结构底板位于地下水位以下的隧道，富水砂卵石地层盾构施工极易造成盾构管片上浮，隧道中线偏移[9]；暗挖施工和基坑开挖均需要进行地下水控制[10]，因此查明砂卵石地层的密实度、颗粒级配、卵石强度等以及地下水的赋存特征至关重要。在工程勘察中，砂卵石地层难以采取原状样进行室内试验，目前只能通过现场试验和原位测试获取岩土参数。现场试验及原位测试有其自身的适用条件，理论建立在统计经验的关系上，并有一定的地域性[11]。采取不同试验手段获取的同一参数，结果可能相差较大[12]。鉴于此，本文通过综合勘探手段查明砂卵石地层的密实度、颗粒级配、卵石强度等特征以及地下水的赋存状态，为隧道设计、施工提供依据。

1 砂卵石地层的地质特点及勘察难点

北京地铁19 号线一期工程勘察07 合同段长7.8 km，起于金融街站，沿赵登禹路、新街口北大街向北铺设，止于牡丹园站后折返线，共4 站5 区间，为地下线，隧道穿越地层以砂卵石地层为主。

根据北京地区古河道分布，结合地形地貌、地层分布规律，19 号线一期工程勘察07 合同段沿线划分为2 个工程地质单元。工程地质I 单元金融街站-积水潭站位于古金沟河故道上，地面下约10 m 以上地层以一般第四纪沉积的黏性土、粉土、砂土地层为主，10 m 以下地层为巨厚的卵石层，其间分布有厚度不等的黏性土、粉土、砂土层，基岩埋深较浅，约39.3～52.0 m。工程地质Ⅱ单元积水潭站-牡丹园站位于古金沟河与古漯水河之间河间地块，地面下约20 m 以上地层以一般第四纪沉积的黏性土、粉土地层为主，20 m 以下地层为巨厚的卵石层，基岩埋深较大。07 合同段沿线砂卵石层顶面标高由南向北逐渐降低，由工程地质I 单元地面下8.8 m 逐渐过渡到工程地质Ⅱ单元地面下22 m，卵石粒径由上到下逐渐增大，卵石密度以及地基承载力沿深度逐渐增大，典型地层剖面见图1。砂卵石地层结构松散、胶结性差、渗透性强，卵石粒径大小不一，岩性不均，软硬不一，有的级配均匀，有的级配无规律，粒间充填着砾石、砂和黏性土。勘察难点主要在于钻进过程漏浆严重、取芯困难，岩芯采取率低。钻进效率低、钻具损耗大，孔壁易坍塌，常发生卡钻、埋钻事故。

图1 北京地铁19 号线一期工程勘察07 合同段地层剖面图

2 砂卵石地层综合勘探方法

为查明沿线砂卵石地层的密实度、颗粒级配、卵石强度等以及地下水的赋存特征，本文采用了钻探、探井、物探、原位测试、室内试验、现场抽水试验、地下水流向流速测定等综合勘察方法。

2.1 钻探工艺

为提高钻进效率，同时减小钻具磨损，通常采用金刚石钻头。为防止钻进过程中孔壁坍塌，通常冲击钻进工艺采用套管护壁，反循环钻进工艺采用合适稠度的泥浆护壁。近年来，勘察中引入了SM 植物胶护壁金刚石双管单动钻进工艺[13]，基本保持了砂卵石地层岩芯原状结构，提高了取芯质量，细颗粒夹层基本上得到揭示，大幅度提高了砂卵石地层岩芯采取率。另外，植物胶具有黏度高、失水量小的特点，有良好的护壁作用，能防止钻进过程中孔壁坍塌，减少卡钻、埋钻事故。

2.2 探井

在砂卵石地层中，往往不均匀地分布有大粒径的漂石，大粒径漂石在空间分布上具有随机性，无明显规律。卵石层中大粒径的漂石对围护桩、地下连续墙、暗挖施工、盾构施工影响极大。由于孔径小，一般的钻探工艺无法查明最大粒径及其分布概率。为真实获取砂卵石的颗粒级配、卵石强度特性参数，本工程在金融街站-平安里站区间附近围挡工地内实施人工探井，同时在探井中取样进行颗粒分析以及卵石点荷载强度试验。

2.3 原位测试

密实度是砂卵石层重要的工程特性参数，砂卵石地层天然密度试验通常采用灌砂法或灌水法。现场试坑与相应的砂卵石最大粒径的关系应满足表1[14]的规定。另外，原位测试手段也是查明砂卵石地层密实度的重要方法，主要有重型、超重型圆锥动力触探以及波速测试。

表1 试坑尺寸与相应的最大粒径[14]mm

（1）原位密度试验

19 号线一期工程在金融街站-平安里站区间附近围挡工地内对砂卵石⑤层进行了灌水法原位密度试验，试验结果见表2。

表2 灌水法原位密度试验成果

（2）重型和超重型圆锥动力触探试验

19 号线一期工程在砂卵石地层中分别进行N63.5和N120试验，以金融街站-平安里站区间为例，对实测重型和超重型圆锥动力触探锤击数进行深度修正，测试成果见表3、表4。

表4 N120 测试成果

依据以上统计数据，结合《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）（2009年版）表3.3.8-1、表3.3.8-2可得出场地内砂卵石层均属于密实状态，砂卵石层横向分布均匀，纵向符合沉积韵律特征，砂卵石密实度随深度逐渐增大。

表3 N63.5 测试成果

（3）波速测试

采用单孔测试法测试剪切波速、压缩波速值，判定砂卵石层的密实度，并获得砂卵石层的动弹性模量、动泊松比、动剪切模量以及20 m 深度内的等效剪切波速，依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（2016年版）为地铁抗震设计提供场地类别、抗震设防烈度、特征周期等参数。

19 号线一期工程在金融街站-平安里站区间布置了3 个波速试验孔，其中在砂卵石地层的剪切波速和压缩波速值见表5。

表5 剪切波速和压缩波速平均值统计

根据波速测试成果，可以判定砂卵石地层的密实度、地基承载力[15]以及砂卵石层在动力荷载作用下的动力特性。

2.4 室内试验

在人工探井中分层取样进行颗分试验，量测卵石粒径，绘制卵石的颗粒分配曲线，并计算有效粒径d10、限制粒径d30、d60、平均粒径d50、不均匀系数Cu、曲率系数Cc。同时选取不同深度的卵石进行点荷载试验，并转换为饱和抗压强度，为地铁施工提供依据。典型卵石层颗分曲线见图2，对应特征粒径和不均匀系数Cu、曲率系数Cc见表6。点荷载试验结果见表7。

表7 卵石荷载强度试验成果

图2 探井砂卵石颗分曲线

表6 卵石特性粒径、不均匀系数、曲率系数

另外，采用热线法和热平衡法测定卵石地层的导热系数和比热容，计算导温系数，为地铁的通风设计提供参数。

2.5 地下水

（1）分层观测地下水位

根据区域地质资料，北京地铁19 号线一期工程07 合同段场地存在3 层地下水，地下水对地铁施工影响极大，为了查清场地内地下水类型及赋存状态，采用SH-30 型钻机分层观测地下水位。

在勘察40 m 深度范围内赋存3 层地下水，分别为上层滞水（一）、潜水（二）、层间水（三）。地下水观测结果见表8 和图1。20世纪70年代以来，北京市大规模开采地下水，地下水位逐年下降，2014年底南水北调中线工程通水，2015年地下水连年下降的趋势停止。本场地潜水（二）20世纪70年代以来逐年下降疏干，具有层间滞水的性质，水量不大，分布不稳定，随含水层底板的起伏而变化，主要分布在卵石⑤层、粉细砂③3的底部。

表8 地下水特征表

（2）视电阻率测地下水位

本工程沿线布置了18 个视电阻率钻孔，据试验成果，地下水位以上非饱和卵石层视电阻率一般为190～230 Ω·m，地下水位以下的饱和卵石层视电阻率一般为35～50 Ω·m，卵石层视电阻率骤然下降，据此可推测地下水位埋深，与分层观测地下水位埋深基本一致。

2.6 抽水试验

据地下水分层观测结果，金融街站-平安里站、北太平庄站-牡丹园站部分隧道结构底板低于层间水（三）水位标高约4 m，是施工竖井、暗挖区间地下水控制的主要对象。本工程在北太平庄站布置了1组单井抽水试验，试验布设1 个抽水井，3 个观测井，井结构参数见表9。抽水试验水泵型号为250QJ140-46，水位监测采用标准测绳，流量监测采用 TDS-100F1(DN100)型超声波管井流量计，标定误差<3%。

表9 试验井结构参数

单井抽水试验延续46 h，稳定降深3.97 m，持续时间33 h，涌水量39.389 L/s。抽水试验实施过程中受电压、水泵稳定性等多方面影响，流量较不稳定，而抽水试验水位恢复为自然恢复过程，相对稳定。因此，本文利用水位恢复数据，采用非稳定流 Jacob 直线图解法计算渗透系数。计算方法如下：对于潜水，首先对剩余降深s进行修正，修正公式为。根据水位恢复延续时间t修正降深s′随时间参数的变化，绘制单对数曲线图可得一直线，由直线斜率可求取渗透系数k。当满足条件时，停止抽水后的剩余降深为：

可根据直线段的斜率i求得渗透系数k，即：

通过抽水试验计算的卵石⑦层渗透系数k见表10。

表10 水文地质参数计算结果

最终计算求出渗透系数取值范围233.4 ～ 273.6 m/d，平均值为251.96 m/d。

2.7 地下水流向流速测定

本工程在北太平站进行了砂卵石层地下水流向流速测定。地下水流向流速测定采用了三角形井孔法。

在场区布置了6 口测量井孔，形成4 个三角形分区。通过线性插值的方法分别作出4 个三角形分区的地下水等水位线，垂直于地下水等水位线，水位由高到低的方向即为地下水流向（见图3）。通过地下水等水位线，据达西定律计算出场地内的地下水渗透流速（见表11）。

图3 三角形井孔法平面布置及测量地下水流向示意图

表11 三角形井孔法测量地下水流向流速计算结果

根据三角形井孔法得到地下水流向为北偏东53.96°～73.68°，地下水渗透流速1.27～1.99 m/d，地下水实际流速3.42～5.37 m/d。

3 结论

（1）本文采用钻探、探井、物探、原位测试、室内试验等手段查明了19 号线07 合同段沿线砂卵石地层的密实度、颗粒级配、卵石强度等物理力学性质,为盾构机选型、刀盘结构设计及刀具布置、暗挖法支护方案以及基坑围护桩成孔工艺的选择提供依据。

（2）通过抽水试验提供卵石⑦层的渗透系数k，指导施工竖井以及暗挖隧道涌水量的计算以及地下水控制方案的选择。

（3）地下水流向流速反映了砂卵石层水文地质的实际状况，揭示了地下水运动特点，有利于进一步分析水文地质条件，为地下水渗流场计算提供水文地质参数。