地方铁路工程地质探测探索

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作者：徐正宣 张昆 唐林 单位：中铁二院工程集团有限责任公司

区域地质概况

自然地理及气象线路位于埃塞俄比亚中部高原，西起亚的斯亚贝巴西南方向的Sebeta，向东经Akaki、Gelan、Dukem、BISHOFTU、Mojo、Adama、Welenchiti、Metehara、Awash、Asebot至Mieso，线路海拔从ADDIS的2300m逐渐下降到AWASH的860m再上升到MIESO的1480m。埃塞俄比亚境内多高原。虽地处热带，但由于纬度跨度和海拔高度差距较大，各地温度冷热不均。总的来说该国以热带草原气候为主，部分地区为高原山地气候，热带沙漠气候。总体来说，气候温和，6至9月为雨季，10至次年5月为旱季，3至5月是埃塞俄比亚最热的时期，最高会达到37℃的高温;每年11月至次年1月是埃塞俄比亚最凉爽的时期，高原地带甚至会出现0℃的低温;7至8月则是降雨最多的季节。首都亚的斯亚贝巴(平均海拔2450m)等高原地区气候凉爽，年平均温度为15℃;每年2—5月为小雨季，6—9月为大雨季，10—1月为旱季，高原地区年平均降雨量为1000～1500mm，低地和谷地为250～500mm。河流水文沿线地表水主要为沟水、沼泽水、AKAKI河河水、AWASH河河水及BESEKA湖湖水，全线除了AWASH河及AKAKI河以外基本没有常年有水的河流，但是当雨季到来时，沿线河水、沟水暴涨，经常淹没附近农田村舍，在位于WELENCHITI附近段落，每年雨季都会引发平原洪水，公路主干道经常被淹。雨季时节一般对铁路的勘察和施工都会造成很大影响，基本无法开展工作。地形地貌全线属埃塞高原台地、低山、浅丘地貌，地势开阔，分段地形起伏不大，道路稀少、交通不便，地形较好，一般相对高差数十米。沿线从地貌上可分为高原台地及浅丘区(起点～DK114+370)、低山及浅丘区(DK114+370～DK268+800)和浅丘区(DK268+800～终点)。高原台地及浅丘区(起点～DK114+370)线位穿行于高原台地与丘陵间，分段地形起伏不大，海拔高度在1500～2300m，相对高差近100m，由于季节性洪水常年累月的冲刷掏蚀，地表深切的干涸冲沟随处可见，有的深达十几米，Debrezeit附近(DK60～DK68)分布有沼泽和火山湖。低山及浅丘区(DK114+370～DK268+800)线位穿行于丘陵间，分段地形起伏不大，局部为低山河谷地貌，海拔为850～1650m，相对高差近100m，地表以浓密、带尖刺的灌木丛为主，沿线破火山口、火山锥及孤立浑圆堆积的火山角砾分布广泛。平原及浅丘区(DK268+800～终点)线路过Awash河之后，进入地形较为平坦的浅丘区，海拔为950～1500m，相对高差数十米，地表以浓密、带尖刺的灌木丛为主，地形稍有起伏。地层岩性全线地层覆土以黑棉土、粉质黏土、松软土及软土为主，厚度变化较大，软土一般不发育，黑棉土一般具中等～强膨胀性。下伏近代～现代(第三～第四系)玄武岩、火山熔岩、火山灰;玄武岩、凝灰岩等火成岩厚度变化较大，与黏土、火山灰、火山角砾交替产出。地震由于埃塞俄比亚国内没有做详细的地震专题研究，基础地震动参数区划资料相当匮乏，因此无法得出准确、权威及可靠的地震动峰值加速度、地震动反应谱特征周期等地震参数。此项专题工作的重要性和必要性在可研工作开展之前我们已经向业主书面提了出来，我们也已书面建议业主做全线的火山地震专题研究，用于抗震设计工作。

工程地质勘察方法

地质测绘工程地质测绘紧密结合工程设置，采用远观近察、由面到点、点面结合的工作方法，合理、有效地布置工程物探、勘探、测试工作，为线路方案比选、工程建设场地的工程地质评价和工程设计提供了真实、准确的地质资料。工程地质调绘包括下列内容:(1)地形、地貌形态的成因和发育特征及其与岩性、构造等地质因素的关系，划分沿线地层单元;(2)地层层序、成因、时代、厚度、岩土名称、胶结物，以及岩石破碎程度和深度等;(3)岩层产状、接触关系、节理、裂隙等的发育情况，断裂和褶皱等的位置、走向、产状等形态特征和力学性质，断裂类型、活动程度及破碎带范围、富水情况，新构造运动的痕迹、特点;(4)通过含水地层岩性、富水(或储水)构造、裂隙、水系和地下水埋深及井泉的调查，查明水文地质条件(补给、径流、排泄条件、地下水类型、水位及变化幅度情况等);(5)大量抽取地下水引起的地面沉降、地下水水质的变化、地面塌陷、地裂缝等情况;(6)不良地质的性质、范围及其发生、发展和分布规律，特殊岩土的类型、性质、分布范围及危害程度等;(7)岩、土成分及其密实程度、含水情况、物理力学性质，膨胀土、软土等的物理、化学性质，划分岩土施工工程分级。工程物探全线主要为路基工程，隧道浅埋，适合物探。在物探基础上，验证性的控制钻探，可以有效地查清岩土层结构，节省钻探工作量。代表性的标贯和动探可以有效地取得覆土的力学指标，与取样试验较好地对照分析，合理选取设计参数。采用物探手段进行勘察，应遵循下列原则:(1)对全线重点地段，进行地震波法、电法测试，以划分岩、土层。(2)对全线车站做土壤电阻率、控制性的大地导电率测试，以满足牵引变电、牵引供电及接触网等专业的设计需要。(3)在对重大桥梁工程，应做岩、土波速测试(含纵、横波波速)，结合室内岩块测试资料，计算岩体完整性系数、划分地基土类型、场地类别、岩层风化带、隧道围岩分级、弹性模量、泊松比，绘制Vp－H曲线。(4)如疑遇以下现象，可视情况选用物探作为勘察的辅助手段:地质层突变、不良地质(含软弱地层)、区域断裂、风化深槽等。考虑到本次物探工作范围大，勘探深度大，地形地质条件复杂、异国工作各方面协调难度较大、工期短、工点多、任务重、交通不便、社会治安差等特点，通过对地震反射波法、地震折射波法、直流电法、交流电法、瑞雷面波法、磁法等众多物探方法的比较，选择了对纵、横向分辨率均较高的对称四极直流电测深法为主要勘探方法，配合垂向勘探深度较准确的地震折射波法为辅进行综合勘探，以对称四极直流电测深法确定覆盖层底界面的起伏形态，用地震折射波法校正覆盖层底界面的深度位置。勘探采用的勘探方法包括挖探与钻探，在现有地质调绘的基础上，按地质单元的复杂程度结合具体铁路工程情况来综合确定勘探方案。一般路基段，在工程物探的基础上，合理布置挖探或钻探。桥梁工程，地质条件简单，构造不发育、地层稳定时，结合地形复杂程度及工程物探剖面，特大桥一般布置1～2个钻孔，如大跨、主墩或地质复杂时可适当加密。埃塞俄比亚当地勘察力量有限，从目前了解的情况看，中国公司在当地有工程浅孔钻机10～15台，本地钻机20～30台。每个公司钻机数量均较少，最多的一家仅13台钻机，一般只有2～6台钻机。且多数钻机较为陈旧，在可研阶段，充分利用了当地钻机，效果一般;定测阶段，投入了中铁二院海运到埃塞的国内钻机和熟练工人，效果良好。原位测试原位测试主要以标准贯入试验、静力触探试验和动力触探试验为主，以确定岩土层基本承载力为目的，视地层条件和工程需要，主要与钻孔配合，在钻孔内进行标准贯入试验和动力触探试验。标准贯入试验主要针对全线黏性土的塑性状态及砂类土的密实程度，确定土层力学指标，仅在部分钻孔中进行了。静力触探主要针对表层的黑棉土进行布置，用于确定黑棉土的力学指标。室内试验埃塞俄比亚国内较大的土工试验室仅3家，设备简陋，只能做一部分常规试验，且多为房建服务，采用操作规范不统一，因此，我们在埃塞俄比亚建立了自已的试验室。

具体工点勘察实例

本实例以SEBETA车站(里程范围DK0+000～DK1+800)工程地质勘察工作为例，其工程地质纵断面（图略）经过先前地质测绘，该车站地形平坦，无基岩，为查明覆土层分层、厚度及物理力学指标，需要运用综合勘察手段。在未有任何勘探资料可利用之前，为了确定车站整个覆盖土层的厚度，同时为了节约钻探工作量、省工期，布置物探电阻率法及地震波法以查明土石分界线，由于在埃塞无可利用的各土层视电阻率及地震纵波速度经验数据，采用了物探范围内布置个别钻探孔查明准确的土石分界线来对物探结果进行修正的方法，确保了物探资料的可靠性，且获取了各土层视电阻率及地震纵波速度的可靠经验参数:覆盖层和基岩全风化层视电阻率极低，一般小于13Ω•m，地震纵波速度小于2000m/s;强风化至弱风化基岩视电阻率一般大于10Ω•m，地震纵波速度大于2000m/s。由于覆盖土和基岩全风化层(呈土状)电阻率及地震纵波速度差异极小，且其岩土工程特性接近，故将其作为一个物理综合层(覆盖层)进行勘探。以上物探方法所获得的经验数据，在其他工程勘察工作的运用如路堑挖方工程、桥梁工程中起到了很好的效果，节约了大量的钻探工作量。为了场地土层分类的划分，并获取各土层的物理力学指标，辅助以适量的钻探工作及原位测试工作。以钻探工作中标贯试验来获取土层的塑性状态、承载力等指标;以孔内取样及室内试验来获取土层准确的密度、液塑限、含水率、自由膨胀率、孔隙比、有机质含量、凝聚力、内摩擦角、压缩模量等物理力学指标;以静力触探试验查明土层分层、承载力、压缩模量等指标。最终综合各方法得出的数据加以分析，提出可靠的工程勘察数据。最终该工点在无任何资料可利用的情况下，采取了地质调绘、物探、钻探、静探、标贯、取样、室内试验等综合勘察方法，节约了以往国内铁路勘察需要的大量钻探量，节省了时间、人力、物力和财力，并且查明了各工程地质条件，提供了客观可靠的工程勘察数据。

结论

(1)中国铁路正进行“走出去”战略，首先要进行勘察设计，探索一套适合铁路建设所在国国情的工程地质勘察方法，才能顺利完成勘察工作，为项目成功提供保证;(2)埃塞SENETA－ADAMA－MIESO铁路项目是埃塞俄比亚第一条待建准轨铁路，由于当地基础地质研究较少，可利用资料也较少，给铁路勘察工作带来较大困难。在无既有经验可循的条件下，有必要研究一套适应该国国情的工程地质勘察方法;(3)通过精心组织和安排，采用地质调绘、物探先行，再根据调绘和物探成果布置钻探、静探、挖探等现场勘探测试工作，然后取样进行室内试验，各种方法相互补充，相互验证，最后通过综合分析，为本线工程地质勘察取得了翔实、准确的地质资料，圆满地完成了本线的工程地质勘察工作;(4)通过现场勘察实践，合理采用各种综合勘察手段，是一件行之有效的、适合该国国情的工程地质勘察方法;(5)该项目的工程地质勘察实践，可作为在海外勘察项目的一个借鉴与指导。