高速鐵路工程地質勘察特點
摘 要  針對高速鐵路的設計要求，結合高速鐵路工程地質勘察實踐，從工程地質勘察理念、場地穩(wěn)定性及地基巖土適宜性評價、勘探的密度和深度、巖土設計參數(shù)的統(tǒng)計分析、高烈度地震區(qū)的勘察、建筑材料的專門勘察、綜合勘探方法的應用、成果的綜合分析等方面論述了高速鐵路工程地質勘察的特點。
關鍵詞 高速鐵路 工程地質勘察
  高速鐵路勘察設計不同于常規(guī)鐵路的勘察設計，有許多新的課題需要研究。近兩年，筆者先后參加了武廣客運專線和福廈快速鐵路的勘察設計、地質勘察監(jiān)理，通過在工作中不斷學習、摸索，系統(tǒng)總結了高速鐵路工程地質勘察的特點。
1 工程地質勘察理念要體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展觀
高速鐵路工程地質勘察必須貫徹可持續(xù)發(fā)展觀，充分體現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的理念。在鐵路工程地質勘察中，任何對巖土環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的大規(guī)模破壞都不應提倡。因此，在工程地質勘察中要分析評價鐵路工程對環(huán)境的影響程度，提出措施和建議，使高速鐵路建設與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。
2 場地穩(wěn)定性及地基巖土適宜性評價
高速鐵路建設對工程場地區(qū)域穩(wěn)定性提出了較高的要求。因此，在高速鐵路選線階段，工程地質工作者就應從區(qū)域地質穩(wěn)定性角度參與線路方案的比選，避免線路方案走行于活動斷裂帶、不穩(wěn)定地塊及高烈度地震區(qū)，同時也要避免線路方案位于人為坑洞密集、時間久遠、不宜查清巷道空間位置的古老采空區(qū)，地表明顯形成移動盆地且處于移動活躍的大型煤礦采空區(qū)或活躍移動盆地邊緣地帶，以及地表移動和變形可能引起邊坡失穩(wěn)、山崖崩塌地帶；此外，線路方案還要避免走行于易發(fā)生巖溶地面塌陷的溶蝕谷洼地區(qū)、易產(chǎn)生大面積濕陷的黃土塬區(qū)，以及明顯存在危及線路方案的重大不良地質、特殊巖土、不穩(wěn)定斜坡地段。總之，工程地質勘察應從區(qū)域穩(wěn)定性角度對線路方案給予評價，確保高速鐵路線路方案一開始就走行于場地穩(wěn)定、地基適宜、工程地質條件相對較好的地段。
高速鐵路建筑物對沉降變形要求極高，《京滬設計暫規(guī)》（鐵建設[2004]157號）規(guī)定:路基工后沉降量不應大于5cm，年沉降速率應小于2cm，橋臺臺尾過渡段路基工后沉降量不應大于3cm，橋梁墩臺工后沉降小于3，相臨墩臺沉降量差不大于15mm；無碴軌道的工后沉降量小于2cm。對沉降的嚴格控制要求基底下巖土層有極高的強度，因此，在高速鐵路勘察中，必須對基礎下部的巖土適宜性做出準確評價，確保各類工程基礎置于滿足極高工后沉降要求的巖土層中。
松軟土是針對高速鐵路路基沉降變形而在京滬高速鐵路工程地質勘察中特別提出來的一種特殊類土。目前，《京滬高速地質勘察暫規(guī)》（鐵建設[2003]13號）中確定的松軟土劃分標準已經(jīng)廣泛用于高速鐵路及快速鐵路的工程地質勘察中。松軟土天然含水率大、壓縮性高、強度低，但又有別于軟土，由呈軟塑狀態(tài)的黏性土、粉土及細砂組成。松軟土地基一般不產(chǎn)生滑動失穩(wěn)，但其沉降變形不能滿足高速鐵路的設計要求。因此，此類松軟地基仍需要清除或加固處理。
目前，在高速鐵路勘察中已單獨劃分出此類松軟土，但具體的劃分標準還存在一定的分歧，有待于在今后的勘察工作中不斷摸索、總結和完善。
3 勘探的密度和深度
高速鐵路對地質勘察提出了較高的精度和深度要求，一是路基工程技術標準高，要求嚴格控制路基變形和工后沉降，在路基、橋涵、隧道不同構筑物間均需設置過渡段。對一定深度地基土的性質、指標均要分層查清，特別是查明軟土、松軟土、膨脹土等特殊巖土，避免路基直接置于松軟地基土上產(chǎn)生較大的沉降變形。“京滬暫規(guī)”規(guī)定，應查明路基基底以下25m深度范圍內(nèi)巖土層的工程地質特性。其次，在高速鐵路設計中，因考慮路基工后沉降因素，路橋分界高度大為降低，橋梁比例較大，如武廣客運專線橋梁長度約占線路長度的42%，鄭西客運專線橋梁長度約占線路長度的40%，福廈快速鐵路橋梁比例占線路長度的28%。為了保證橋梁結構的橫向剛度，一般采用中、小跨度的橋梁。同時，地質勘察還要確保橋梁樁基礎置于完整基巖之上或者滿足樁身沉降檢算要求。高速鐵路對路基填料要求極高，一般均要求填筑A、B、C級填料，路基填料要求按建筑材料場地進行地質勘察。
由于以上原因，勘探點的密度和深度大幅增加。據(jù)對武廣、鄭西等客運專線及其他快速鐵路勘探工作量的統(tǒng)計分析，地質鉆探工作量是一般鐵路的5~8倍。
盡管勘探點密度、深度大幅度增加，但是高速鐵路設計理論的不完善、不成熟仍然給工程地質勘察帶來了一些困難。比如橋梁樁基礎沉降檢算，樁尖以下的壓縮層計算到什么深度；在碳酸鹽巖可溶巖地層中，樁基礎是否一定要置于10無溶蝕完整的灰?guī)r中，如果無10m完整灰?guī)r，可否采用摩擦樁；完整巖石的樁周側壁摩阻力如何計算。由于未解決上述設計中遇到的問題，地質勘察中鉆探深度大幅增加，設計顯得十分保守。這些問題有待于結合生產(chǎn)，進行專門的課題研究。
4 巖土設計參數(shù)統(tǒng)計分析
高速鐵路各類工程基礎地基沉降、變形計算量大，要求提供相對可靠、適用的巖土設計參數(shù)。可靠就是指提出的巖土參數(shù)能正確地反映巖土體在規(guī)定條件下的性狀，能比較有把握地估計參數(shù)真值所在的區(qū)間；適用是指巖土參數(shù)能滿足巖土力學計算的假定條件和計算精度。因此，工程地質勘察報告中提供給設計采用的巖土設計參數(shù)應有可靠試驗依據(jù)，這就要求地質勘察中分不同的工程地質單元、不同的巖土層甚至不同的工程類別，有針對性地提取大量的巖土樣進行試驗。在成果報告中，巖土物理力學設計參數(shù)盡可能采用試驗數(shù)據(jù)，分別按工程地質單元、區(qū)段及層位進行統(tǒng)計分析，沿線重點工程、重大不良地質工點應按壓縮層范圍內(nèi)不同層位的試驗資料、數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，提出設計需要的巖土設計參數(shù)標準值。
目前，《京滬高速地質勘察暫規(guī)》（鐵建設[2003]13號）中已明確規(guī)定巖土設計參數(shù)的統(tǒng)計分析方法，即《巖土工程勘察規(guī)范》（50021-2001）中規(guī)定采用的統(tǒng)計分析方法。
巖土參數(shù)統(tǒng)計分析后提供設計的標準值仍然是接近自然界巖土真值的可靠性估值。可靠性估值是在統(tǒng)計學區(qū)間估計理論基礎上得到的關于參數(shù)母體平均值置信區(qū)間的單側置信界限值。近十幾年，國外巖土工程界正流行概率法定量分析巖土設計參數(shù)，歐洲的巖土規(guī)范中已作了原則規(guī)定，但國內(nèi)還未完全推行。隨著我國高速鐵路勘察設計理論和實踐的豐富完善，也一定會有自己的概率法設計，工程地質勘察也會更加貼近真實的自然巖土。
5 高地震烈度區(qū)的專門勘察
現(xiàn)行《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306）適用于一般鐵路工程，對于高速鐵路，通過高地震烈度區(qū)時，應進行專門的沿線地震小區(qū)劃安全性及場地穩(wěn)定性評價，結合沿線地質情況、工程設置劃分地震動峰值加速度及地震動反映譜特征周期分區(qū)，對沿線重大、特殊橋梁也應專門進行橋址場地地震安全性評價，同時還應進行場地剪切波速測試。
除上述場地安全性、穩(wěn)定性小區(qū)劃分析評價外，高速鐵路通過高地震烈度區(qū)工程地質勘察與常規(guī)鐵路基本相同。高速鐵路在調(diào)查測繪精度、勘探點密度及綜合分析評價方面要求更高一些，重點應在收集區(qū)域地質、水文地質資料及沿線地震歷史資料的基礎上，重點查明主要活動斷裂帶及其與線路關系，調(diào)查沿線各類不良地質及特殊巖土的規(guī)模、特征及分布，判斷地震使其發(fā)展或復活的可能性，分析評價容易造成地震危害的地貌和巖體的穩(wěn)定狀態(tài)，同時還要調(diào)查河流的變遷、古河道的分布、第四系地層特征、地下水位和可液化土的分布范圍。在地質調(diào)繪的基礎上布置一定數(shù)量的勘探和測試，以查明沿線液化層的分布范圍、埋深厚度及液化程度（等級）。
6 建筑材料的專門地質勘察
高速鐵路對填料標準要求高，施工難度大�！毒�滬高速地質勘察暫規(guī)》（鐵建設[2003]13號）明確規(guī)定，高速鐵路填料應按建筑材料進行工程地質勘察。對建筑材料場地的調(diào)查應以查明儲量、質量為主，通過高速鐵路沿線地質調(diào)繪和足夠的勘探、試驗工作，查明料場的巖土性質、分布及儲量，為設計提供可靠的地質資料。在沿線工程地質勘察中，應做好區(qū)域性取土場、采石場的判定工作，對路堤填料特性、料源進行詳細勘察，分段選取代表性土源進行土工試驗，落實填料類型及分布，以確定料源。對沿線碎石道碴場地也應按相應地質勘察規(guī)范要求，查明巖土性質、分布及儲量。
路堤填料應按照《鐵路路基設計規(guī)范》中的有關要求，對于作為路基填料的路塹挖方、隧道棄碴、集中取土場料源的類別和性質作出判定。
在地質勘察中要了解料場的開采條件和環(huán)境地質問題，料場的設置與開采應符合國家有關政策法規(guī)和環(huán)保要求。
7 綜合勘探方法的應用
工程地質勘察中應大力推廣綜合勘探方法，利用不同的勘察方法相互驗證，提高地質勘察質量。綜合勘探方法的推廣應用就是不斷采用新技術、新方法，最大限度的為高速鐵路工程設計提供可靠、適用的基礎地質資料。如多種原位測試方法已在我國工程地質勘察領域得到廣泛應用，原位測試方法可直接在勘察現(xiàn)場對巖土體進行測試，獲取適用和可靠的承載力、壓縮模量、密實度等巖土物理力學參數(shù)。近年來，高速鐵路勘察中因地制宜地采用多種原位測試方法進行現(xiàn)場測試，并與鉆探、試驗結果相互驗證，取得了較好效果，得到廣泛的推廣應用。此外，多種物探方法在高速鐵路勘察中也得到推廣應用，如在武廣客運專線勘察中，廣泛使用了地震方法測試隧道進出口圍巖地震波速，較為準確地進行了圍巖分級；還應用了可控源大地音頻電磁（CSAMT）法，解決深埋隧道的地質問題，查明巖溶洞穴、斷層富水帶突水涌泥段的位置，效果非常好。特別是物探解譯結果與鉆探、原位測試方法結合使用，大大促進了物探技術方法在鐵路勘探中的應用。
由于高速鐵路鉆探工作量大、巖土取樣量大，為保證鉆探質量和取樣質量，應采用先進鉆探工藝，提高鉆探進度和巖心采取率。高速鉆進、斜孔鉆進、雙層單動鉆進等鉆探方法，以及薄壁取土器、活塞巖心管也得到了很好的推廣使用。
8 勘察成果資料的綜合分析
分析評價時，要與工程密切結合，切實解決工程問題，而不是離開工程去分析地質規(guī)律，所有地質資料的分析利用都應為工程服務。
要求預測不僅為設計服務，還要考慮施工、運營全過程。由于工程地質的復雜性以及各種難以預測的因素，對巖土工程穩(wěn)定及變形問題的預測，不可能十分精確，特別是對于高速鐵路這樣的重大工程，沿線一些重點工程或重大巖土工程，必要時應在施工中進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測資料適當調(diào)整設計和施工方案，這就是通常意義上所說的“重大、復雜工程動態(tài)設計”。
要求綜合分析不僅為設計提供各種需要的巖土性質、參數(shù)資料，而且地質勘察報告中還應針對工程施工、運營中可能產(chǎn)生的問題，提出相應的對策和建議。
工程地質綜合分析評價應在定性的基礎上進行定量分析。一般來說，定性分析評價主要包括線路選線及沿線擬建工程的適宜性、沿線工程場地的穩(wěn)定性；定量分析評價包括巖土變形特征及其極限值、巖土強度穩(wěn)定性及其極限值、巖土體中應力分布與傳遞及其他臨界狀態(tài)的判定問題。