广州地铁沿线岩土分层系统的演变

广州地铁沿线岩土分层系统的演变

1建立沿线岩土分层系统广州地铁沿线岩石层系统的建立、发展和推广应用经历了三个阶段：从20世纪60年代到1992年，在准备阶段进行了第一次大规模测量，并引入了岩石层的分类，结合岩性、成因、风化和物理力学指标。使用相同的符号表示相同或相似的岩石层。1993年至1996年，在广州地铁1号（广钢站）的初步调查和详细调查报告中，统一了整个线路的工程土壤质量分类，并初步建立了广州地铁地质分类体系。1996年至2002年，在对三元里琵琶洲段岩石工程进行初步调查后，线1号线路的工程土壤分为9层，每层分为几个亚层。它延伸到后来的地铁线路，如地铁3号线、大学城线、广佛线等。广州地铁通过建立沿线岩土分层系统,统一了地铁勘察分层标准,使不同线路、工点、勘察阶段各勘察单位完成的勘察成果具有了统一的技术接口,能够避免地层划分和勘察成果混乱,方便了勘察成果的阅读及使用,便于后续勘察工作对于前期完成的勘察成果进行验证和利用,能使后续勘察在充分利用前人勘察成果的基础上持续提高和改进。广州地铁沿线岩土分层系统的建立,对于提高地铁勘察质量、加深设计和施工对岩土条件的认识、保证地铁建设的质量、投资和工期做出了贡献。为方便叙述,本文将广州地铁二号线首期工程勘察阶段建立的岩土分层系统简称为原岩土分层系统。2原岩土分层系统未涉及到冲积洪积层中的岩性广州地铁二号线南延段和北延段、三号线北延段、四号线、五号线、六号线首期工程、珠江新城旅客自动输送系统等线路岩土工程勘察,继续采用了原岩土分层系统。随着近年来线网由广州市中心向城郊地带辐射以及勘察认识的不断提高,原岩土分层系统在使用过程中遇到了一些问题,归纳如下:(1)线网岩土工程勘察揭露到了新的地层。原岩土分层系统以广州地铁1号线、2号线首期工程沿线所揭露的地质条件为依据进行编制。最先建设的两条线主要经过芳村、荔湾、越秀、东山、天河和海珠六个区(2),沿线揭露的地层主要有第四系、白垩系、二叠系、石炭系和震旦系,个别地点揭露侏罗系,同时揭露到岩浆岩。随着建设规模的扩大,线网覆盖范围明显增大,地铁勘察范围已远远超出编制原岩土分层系统时的勘察范围,越来越多的新地层被揭露,如三号线北延段嘉禾～高增段及广佛线魁奇路～菊村揭露第三系,三号线北延段白云大道北～永泰揭露三叠系,六号线横沙站前后揭露泥盆系。受当时研究范围所限,原岩土分层系统未涵盖上述新揭露的地层。(2)个别地层揭露到新的亚层。随着线网建设范围和勘察范围的不断扩大,原分层系统中个别地层揭露到了新的亚层,如五号线鱼珠车辆段、六号线河沙～坦尾等地揭露到了海陆交互相沉积的淤泥质中粗砂或含蠔壳片中粗砂层或灰色中粗砂,二号线南延段南洲～江泰路、四号线奥林匹克～车陂南、五号线茅岗～港湾路～文园和鱼珠车辆段等地揭露到海陆交互相沉积的粉质粘土或粉土,三号线北延段龙归～机场北段多个钻孔揭露到冲积～洪积砾砂。原岩土分层系统未包括上述新揭露的亚层。(3)某些亚层未区分岩土类别。淤泥和淤泥质土均属软土,原岩土分层系统中将淤泥和淤泥质土划分至同一亚层<2-1>。孔隙比是区分淤泥和淤泥质土的主要依据,因此淤泥和淤泥质土的天然孔隙比存在明显差异,除此以外,二者天然含水量、压缩性指标、抗剪强度指标方面也存在差异。对勘察而言,将两类软土土工试验结果合并统计,将使某些数据离散性很大,影响统计结果的可靠性。对设计和施工而言,淤泥和淤泥质土的沉积年代不同,其有机质、盐含量及力学性质存在差异,施工时选择地基加固方法、固化剂配比最佳组合和施工工艺参数等方面亦存在差异,淤泥和淤泥质土的准确定名关系地基稳定和工程造价,在勘察设计中需重视。广州地区全新统～上更新统冲积～洪积土除了粘性土外,相当一部分为粉土,如三号线北延段燕塘～同和、龙归～高增,五号线滘口～小北,六号线东山口～沙河等地均有相当多的钻孔揭露粉土。粉土孔隙比、塑性指数、颗粒组成、剪切指标、透水性、渗透变形特征等与粘性土明显不同。原岩土分层系统对于粘性土和粉土采用的是相同的地层代号,不便于凸现粉土与粘性土之间的性质差异。勘察经验表明,第三系、白垩系碎屑岩残积土同样可分为粘性土和粉土两大类。原岩土分层系统虽然考虑了岩土类别、塑性状态和密实度状态,但在地层代号上未将粘性土和粉土进行区分。与单独划分冲积～洪积粉土的原因相类似,为了使土工试验成果和勘察成果更趋合理,凸现粉土与粘性土之间的性质差异,碎屑岩残积的粘性土和粉土需采用不同的地层代号。二号线北延段、三号线北延段灰岩发育区揭露到了软塑、可塑和硬塑三种状态的灰岩残积土,由于三种状态的残积土物理、力学性质迥异,原岩土分层系统中在地层代号上未进行区分是不妥当的。(4)原分层系统<4-1>应用时存在突出问题。原岩土分层系统将冲积～洪积层划分为两个亚层,即冲积～洪积土层<4-1>和河湖相沉积淤泥质土层<4-2>。按照该划分方法,实质上只是区分了冲积～洪积层中的软土和一般粘性土。根据本地区勘察实践,地铁线网范围内的冲积～洪积土层种类繁多,以可塑状粉质粘土最为常见,但粘土、粉土和软土一样常常被揭露。冲积～洪积土层的塑性状态或密实度状态差异很大(例如揭露的粉质粘土有软塑～坚硬四种状态),原岩土分层系统对于<4-1>的划分,给勘察和设计带来了困扰。对勘察而言,野外工作时参照原岩土分层系统将不同类别、不同状态的粘性土、粉土和粘土均划分至<4-1>,由此导致整理土工试验数据时发现数据离散性很大,往往要剔除大量的数据才能使统计结果趋于“合理”,并且怀疑野外分层是否错误或土样被严重扰动。实际上,这些被剔除的试验数据并不一定是异常数据,它们反应的是某个工程场地内非主流的冲积～洪积土层性状。对设计而言,时常对相悖的勘察成果疑惑不解,例如勘察报告提供的<4-1>抗剪强度指标、地基承载力特征值建议值表明该层土的工程性质尚可,但实测标贯击数N=3。造成以上情形的根本原因,在于原岩土分层系统本身存在突出问题,即原岩土分层系统中对于<4-1>的划分过于笼统,未结合土的类别、状态从岩土名称、地层代号上区分不同的冲积～洪积土。(5)不能体现花岗岩类残积土的工程特性。花岗岩类残积土具有级配不良、结构性强、易扰动、遇水软化崩解等工程特性,其性质明显不同于河流、洪流、湖沼、海洋等作用形成的第四系沉积物或其它母岩风化残积土。对于花岗岩类残积土的分类目前尚无统一标准。深圳市根据≥2mm颗粒质量百分含量不同,将其分为砾质粘性土、砂质粘性土和粘性土三类,并根据土的塑性指数确定粘性土的名称。福建省和深圳市划分标准类似,不同之处在于福建省根据修正后的标贯击数区分残积土的状态,并且将≥2mm颗粒质量百分含量小于5%的残积土命名为残积粘性土。文献则选用粒径大于0.5mm颗粒质量百分含量作为花岗岩类残积土的分类指标。文献则以《土的工程分类标准》(GBJ145-90)为基准,提出了综合考虑颗粒组成和塑性指数的综合分类方法。广州地铁原岩土分层系统对于花岗岩类残积土的分类,仅考虑了母岩性质和塑性状态,但没有考虑残积土的颗粒组成,并且套用了一般第四系冲积～洪积土的分类方法将残积土分为粉土和粘性土两大类。由于花岗岩类残积土的性质与母岩矿物成份和残积物的颗粒组成有密切关系,因此原岩土分层系统对于花岗岩类残积土的分层方法,不能较好地体现花岗岩类残积土的工程特性。3冲洪洪积土层的层序分层针对原岩土分层系统在使用中遇到的问题,广州地铁相关勘察和设计单位于2005年6月对原岩土分层系统进行了第一次修订。本次修订的主要内容有:用<2-1A>和<2-1B>区分了海陆交互相淤泥和淤泥质土;将原<2-2>岩土层名称改为淤泥质粉细砂或灰色粉细砂;增加了<2-3>海陆交互相淤泥质中粗砂层(或含蠔壳片中粗砂层或灰色中粗砂层),增加了<2-4>海陆交互粉质粘土和粉土层,增加了<3-3>含卵石粗砾砂层;由于石灰岩发育区冲洪～洪积土层类别与其它地区无明显分别,于是删去了原<4C-1>和<4C-2>层;结合灰岩残积土的特性修正了土层名称并按状态将其分为三个亚层;在时代及成因方面引入“碎屑岩”这一概念,以涵盖本地区第三系、侏罗系、白垩系、三叠系和泥盆系等地层中可能遇到的各类碎屑岩;对于花岗岩类残积土,摒弃了“粘性土”和“粉土”等一般冲积～洪积土的分类方法;根据岩石试验结果,本地区变质岩多属较硬～坚硬的混合岩、混合花岗岩、花岗片麻岩,因而删去了“软变质岩”分层。2009年10月,相关单位对广州地铁沿线岩土分层系统进行了第二次修订,修订的主要内容有:将原<4-1>亚层拆分为6个亚层,从而将不同密实度的粉土、不同塑性状态的粘性土进行区分;将原<4-2>拆分为2个亚层,以区分河湖相淤泥和淤泥质土;将原碎屑岩残积土<5-1>和<5-2>分别拆分为两个亚层,以区分不同状态的碎屑岩残积的粉土和粘性土。经过两次修订后的岩土分层系统见表1。4巷道生长与岩土分层系统历经两次修订的岩土分层系统,在四个方面较原岩土分层系统有明显的进步:首先,冲积～洪积土层进行了细分;第二,对砂土的划分充分考虑了颗粒级配;第三,区别了淤泥和淤泥质土;第四,对碎屑岩残积土、灰岩残积土分别进行细分。修订后的岩土分层系统自2009年10月起,开始在六号线二期、七号线、九号线和十三号线岩土工程勘察中应用。参照文献提供的变异系数δ与岩土物理力学性质指标的变异性关系,对比分析2005～2009年完成的二号线北延段、三号线北延段灰岩残积土<5C-1A>、<5C-1B>和<5C-2>岩土试验统计结果,发现剔除的样本数量较少,统计结果的变异系数处于可接受范围。对比分析2009年后完成的九号线、十三号线海陆交互相沉积层,六号线二期、七号线和九号线冲积～洪积层,以及上述线路碎屑岩残积土的土工试验分层统计数据,发现采用第二次修订的分层系统后,相关土层剔除样本数量明显减少,各土层物理性质指标变异性“很低～低”,极少部分为“中等偏低”,力学性质指标变异性为“低～中等偏低”。5地层东北部排岩带分类及研究问题的提出总的来说,广州地铁沿线岩土分层系统是广州地区建立较早、覆盖及应用范围较广、体系较完整且应用效果较好的岩土分层系统。该分层系统为确保和提高广州地铁勘察质量发挥了举足轻重的作用。除了应用于本地区地铁勘察外,该分层系统亦被本地区其它工程使用或参考。尽管经过两次修订后的分层系统较原岩土分层系统已明显完善,但依然存在一些不足需要继续修改完善。下一次修订时,建议考虑以下内容:(1)填石、填砂较一般填土而言具有特殊的可挖性等级、透水性,对地基处理有特别影响,建议对人工填土层地层代号进行细分,以便区别对工程有重大影响的某些填土层。(2)花岗岩类残积土的特性与其颗粒级配有密切关系,建议参考借鉴福建、深圳等地经验,综合考虑母岩岩性、残积土的颗粒组成和塑性状态,完善花岗岩类残积土层的分层。(3)本地区碎屑岩按碎屑颗粒大小进行分类,页岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩和砾岩各种类型均有揭露,碎屑岩呈极软～坚硬不同硬度状态,不同类型的碎屑岩对设计和施工有着明显不同的影响。建议结合并综合碎屑颗粒大小、胶结物类型、岩石硬度对碎屑岩分层进行完善,从岩石名称及地层代号上将不同颗粒大小、不同硬度的碎屑岩进行区分。(4)基岩强风化带是区分土层和岩层的过渡带,当强风化带厚度较大时,其顶部与底部的强度会有较大差别,建议结合标准