南水北调中线安阳段第三纪岩土施工工程分级

摘要：南水北调中线安阳段主要为地面渠道工程，需开挖大量的岩土体。施工过程中揭露出了大量的泥灰岩、砾岩、砂岩等第三系软岩硬土，同前期工作认识出入较大，施工中对岩土界线认识存在一定分歧。通过进一步现场地质调查、点荷载、现场钻进速率测试试验和室内力学、岩石化学、声波试验等，认识了安阳渠段的岩土工程特性。在对比分析已有岩石质量分级和软岩硬土分界的基础上，提出了适用于安阳段岩土体的可挖性工程分级。该分级以岩石单轴抗压强度、纵波波速、净钻进速率、天然容重等为主要指标，将岩土体可挖性施工工程级别划分为9级16个亚级。结果表明，该分级较好地结合了软岩硬土的开挖特性，与对应等级岩土方量计算相结合，较合理地解决了工程造价问题。该分级体系可望为其他第三系岩土地面工程施工分级提供参考。

关键词：南水北调；中线工程；软岩硬土；施工工程分级

中图分类号：TV68；P642.1 文献标识码：A

文章编号：1672-1683（2011）01-0012-06

Excavation Classification of Neogene Hard Soil-soft Rock at Anyang Section in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

WU Feng-bo1，SHANG Yan-jun1，LIN Da-ming1，WANG Xi-yu2，ZHANG Wei1

(1.Key Laboratory of Engineering Geomechanics,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;

2.GWDC Logging Company，Panjin 124011,China)

Abstract: The canal of Anyang Section in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project needs to excavate a lot of rock and soil.There are lots of Neogene hard soil-soft rocks such as marlite,conglomerate,sandstone etc.It is very different to the preliminary perception and there are quite different understanding of boundary lines between rock and soil.The geotechnical properties were got by field investigation,point load test,drilling test and indoor mechanical and chemical,acoustic tests.The rock and soil excavation classification was made based on rock quality and soft rock-hard soil classifications.Uniaxial compressive strength,longitudinal wave velocity,the net drilling rate and natural bulk density were taken as the indicators and the excavation classification system was composed of 9 classes and 16 sub-classes.The result showed that it gave a good assessment of the different characteristics of rock excavation and gave a reasonable solution to the project cost.The classification system may give a good reference for other similar projects involving Neogene hard soil-soft rocks.

Key words: South-to-North Water Diversion Project;Middle Route;hard soil-soft rock;excavation classification



上第三纪（N）地层岩性多为软岩硬土，在学术界研究较多，因未体现在现有规范中而使实际工程中的应用性受到一定限制。问题关键在于岩石界线、岩土界线划分的人为性、科学性、合理性如何更好地结合，服务于工程实践，尤其是不同施工条件（地下、地表）下指数的选取、测试条件与工程条件的一致性问题较突出。南水北调中线总干渠安阳段6个标段总长40 km的开挖过程中发现大量第三系岩石，无疑为此提供了一个机遇。

该段自南向北主要分布为中新统彰武组（N1z）和上新统鹤壁组（N2h）的泥灰岩、砾岩、灰岩和砂岩。岩石距地表仅数米，岩土过渡特点明显，软岩硬土大量分布，原来按土挖掘或硬岩爆破等快速施工方法难以奏效，只有在远离村庄处实行局部人工爆破，大部分采用液压破碎方法开挖，工程进度受到影响。工程岩土界限划分，尤其软、硬岩界限划分涉及到工程造价和工期问题，而目前现有的规范对岩土界限划分过于简单、粗略，使岩土体可开挖性分级结果各不相同，存在分歧等问题。南水北调中线工程临近人口聚居区域，施工方法较为单一，后续工程建设过程中也可能出现类似安阳段的岩土可挖性分级问题。结合具体干渠段工程，提出科学实用的岩石可挖性分级方法和具体明确的界限值可以很好地统一认识，更好地为其他类似软岩硬土发育区工程施工提供参考。

1 工程概况

南水北调中线总干渠安阳段位于京广铁路西侧，从安阳市所辖汤阴县与安阳县界羑河北岸开始，经过安阳县及安阳市区，最终与漳河涵洞式渡槽进口相连接，见图1。全渠段总长度40.322 1 km，其中渠道长度39.356 7 km。全段共有各类建筑物58座，其中，河渠交叉3座，渠渠交叉9座，左岸排水16座，铁路桥1座，分水闸2座，公路交叉25座，节制闸1座，退水闸1座，人行桥18座。

渠道位于太行山前低丘地带和山麓洪积-冲积平原区，地势西高东低，地面海拔高程一般为100.0～90.0 m。渠道以半挖半填居多，兼有全挖方段和全填方段。设计水位为94.045～92.190 m，总水位差为1.855 m。渠道过水断面呈梯形，设计底宽18.5～12.0 m，水深7.0 m，堤顶宽5.0 m。土渠边坡系数为2.0～3.0，设计纵坡为1/28 000［1-2］。

2 第三系岩土特性

根据野外地质调查对比，结合点荷载、现场钻进试验和室内力学、化学、声学试验结果，对安阳渠段上第三系岩土体特性描述如下。

2.1 黏土岩

渠段南部主要为绿色裂纹化黏土岩，天然容重均值约[JP4]165 g/cm³，饱和单轴抗压强度0.03～0.15 MPa，平均0.11 MPa。

渠段南、中部发育紫红色、杂色黏土岩，分布于砾岩和砂岩之间，天然容重1.65～1.77 g/cm³，饱和单轴抗压强度002～5.02 MPa；化学分析结果SiO2含量较高为40.46%～58.47%，Al2O3含量11.66%～16.44%，烧失量13.24%～21.49%；X-射线衍射分析结果石英含量25.8%～41.2%，黏土矿物总量43.3%～58.7%，I/S（伊利石/蒙脱石混层）为75%～88%，混层比为60%。

北部黏土岩主要为紫色和绿色为主的杂色，天然容重均值约1.67 g/cm³，天然抗压强度0.01～1.48 MPa，平均0.27 MPa；绿色黏土岩化学分析结果SiO2含量达55.45%～5722% ，Al2O3含量11.66%～16.44%，烧失量13.24%～21.49%；X-射线衍射分析结果石英含量28.5%～377%，黏土矿物总量56.1%～71.5%，I/S为84%～94%，混层比为55%～75%，绿色黏土岩膨胀性较强，膨胀力可达165 MPa。

2.2 泥灰岩

主要分布于渠段南部，为整体状，厚度较大，基本不显示层理，颜色灰白、亮灰色。岩石中多碳酸盐碎屑和鲕粒，化学分析结果SiO2含量8.98%～21.07% ，CaO含量36.15%～45.89%，CO2含量28.20%～36.26%，烧失量32.69%～4024%；X-射线衍射分析结果石英含量1.5%～8.4%，方解石含量达74.7%～92.5%，黏土矿物总量5.8%～16.7%，I/S为 65%～90%混层比为40%～70%。

天然容重约为2.28～2.45 g/cm³，天然单轴抗压强度31.0～37.0 MPa，饱和抗压强度21.0～31.0 MPa，软化系数0.66以上，纵波波速Vp约为3 361～4 011 m/s，弹性模量775～13.04 GPa，泊松比0.26～0.30，抗剪强度内聚力c=6.378 MPa，内摩擦角φ=34.6o。

2.3 砾岩

分布较广，南部砾石中微晶泥晶灰岩占80%～95%，钙质胶结，砾石分选差，大小不等，为复成分砾岩；中部砾石多为微晶泥晶灰岩和细砂岩，钙质泥质胶结；北部砾石以长石砂岩和微晶灰岩为主，砾石块度较大，球度好、磨圆好、分选好。根据钻进速率、点荷载测试，参考国内实验结果手册［3］，该区砾岩抗压强度约为20.0～70.0 MPa，局部深灰色硅质胶结较明显的砾岩强度很高。

2.4 生物碎屑灰岩

主要为整体状灰色含中粒砂亮晶碎屑鲕粒灰岩，鲕粒含量55.0%～75.0%，化学分析结果SiO2含量3.16%～320% ，CaO含量51.68%～51.90%，CO2含量39.48%～4069%，烧失量较大为43.01%～43.21%。天然容重2.44 g/cm³，纵波速度Vp约为4 659～4 852 m/s，天然单轴抗压强度37.0～54.0 MPa，软化系数0.87，抗剪强度内聚力c=15051 MPa，内摩擦角φ=44.12o。

2.5 砂岩

分布较广，渠段南部砂岩呈透镜体或薄层状夹于含巨厚层泥质灰岩中，颜色为暗灰、灰色，岩石中含细砾，岩屑成分多为泥晶灰岩，其次为石英和长石，化学分析结果SiO2含量10.63%～61.03%，CaO含量2.94%～47.97%，CO2含量181%～35.45%，烧失量9.10%～38.68%。天然容重约25 g/cm³，单轴抗压强度48.0～74.0 MPa，软化系数为0.88～0.91。纵波波速Vp约为4 900 m/s，三轴抗压强度实验得到的内聚力c=27.283 MPa，内摩擦角φ=26.56o。

渠段中部为粗粒长石岩屑杂砂岩，砂粒中石英、长石为主，化学成分中SiO2和CaCO3含量占一半以上，天然容重为2.52 g/cm³，纵波波速Vp约为4 683 m/s，单轴抗压强度5170 MPa，抗剪强度内聚力c=10.53 MPa，内摩擦角φ=44.12°。

渠段北部主要为灰黄褐色细中粒、粗中粒、含砾粗中粒长石岩屑杂砂岩，巨厚层-中层状结构，与砾岩相间出现后构成透镜体，砂粒为石英和长石，钙质胶结。化学成分主要为SiO2和CaO。天然容重2.45～2.49 g/cm³，纵波波速Vp约为3 419～4 778 m/s，天然单轴抗压强度30.0～42.0 MPa，抗剪强度内聚力c=7.492 MPa，内摩擦角φ=45.59°。

3 岩土试验结果分析

表征岩石力学指标有很多，如抗压、抗剪、抗拉强度等。其中对开挖工程的岩石可钻掘性而言，主要的相关指标是岩石的硬度、抗压强度。应用最为广泛的是岩石单轴（无侧限）抗压强度（UCS）。实际工作中为常使用点荷载仪、回弹仪、冲击试验、声波测试等简便方法进行测定。这些方法得到的结果与UCS换算公式和系数主要来自于大量岩石力学实验统计结果。国际岩石力学学会（ISRM）开展了这方面的大量研究，如标准试件的点荷载强度指数（Is(50)）和单轴抗压强度（UCS）之间的换算系数就随着岩石软硬不同而有所差别。在野外现场工作期间，作者采用钻孔机械和便携式点荷载仪进行了现场地质测试工作。风钎钻速测试采用直径34 mm合金钻头，工作气压为0.55 MPa，在待测定原地平整岩石表面上进入一定深度后测量钻进深度和所用时间，计算净钻进速率（min/m）；采用STZD-1点荷载仪进行现场不规则块体试验，根据相关规范进行换算，得出岩石的单轴抗压强度。

室内使用TAW-2000微机控制电液伺服试验机进行了单轴压缩变形试验和三轴压缩强度试验，使用ZBL-U520非金属超声检测仪进行了岩块声波测试。综合现场和室内的试验结果，对安阳段的岩土体特性和相关指标的相关性进行研究。

3.1 岩石单轴抗压强度试验结果对比分析

对同一点的同种岩性由点荷载强度指数换算得到的单轴抗压强度（R）同标准圆柱样单轴压缩变形试验得到的结果（Rc）进行对比（图2(a)），点荷载试验换算结果（1组20个样）整体上反映了岩石的相对强度，与室内试验结果（1组3个）较为接近。将单轴压缩变形试验、点荷载强度指数换算结果和三轴压缩强度试验的换算结果进行比较，对比发现这三者数值总体比较接近（图2(b)），尤其是对第三系中强度较高或较低的砂岩更为明显，这或许是灰岩、泥灰岩和砂岩中，砂岩结构最为均匀的原因，但也证明了三者试验结果的相关性还是较好的，点荷载试验可以作为野外第三系岩石强度初步判断的重要手段。

3.2 岩石单轴抗压强度与其他指标对比分析

岩石单轴抗压强度（UCS）与岩石密度的对应关系见图3(a)。随着单轴抗压强度的增大，岩石的密度整体上呈上升的趋势。密度反映了岩石内部结构特点，密实度较大的岩石内部结构致密，一般难于开挖，而密实度较小、结构相对疏松的岩石开挖相对容易一些。因此，岩石的密度也可作为衡量岩石可挖性的一个重要指标。

野外净钻进速率（DTH）测试结果显示，即使在同一断面上同一套岩层中，[HJ2.07mm]钻速仍有较大差别。这一方面反映了岩石（尤其是砾岩）结构的不均匀性，另外也受到岩石风化及其下伏软弱红色黏土岩等的影响。实际操作中应剔除异常值，同一地点取多次钻进均值。净钻进速率（DTH）试验的数值较为离散（图3(b)），但仍可作为现场判断岩石强度的技术指标。

岩块纵波波速测试结果与单轴抗压强度试验结果较为接近，两者具有很好的相关性（图3(c)），可结合纵波波速判定第三系岩石的单轴抗压强度。

4 岩土可挖性分级

4.1 岩石坚硬程度划分现有岩土分类的规范中，多将岩体质量划分为5级，其中岩石强度一般为主要指标，[HJ2.1mm]多将饱和单轴抗压强度30.0～150 MPa作为较软岩的上下界限值。水利水电相关规范根据平均容重、净钻孔时间和极限抗压强度指标，将岩土分为16类，以便于岩土开挖的定量化评价，但其软石强度规定为<20 MPa，与土体无具体数值界限。综合国内外岩石分类方案（表1）［3-7］，发现大多采用饱和单轴抗压强度Rc来划分岩石的坚硬程度，但与施工有关的岩土分类如水利部和铁道部有关规范，则采用的是天然湿度下的单轴抗压强度，而国外一般只提单轴抗压强度而不强调是否饱和还是天然，显然取决于开挖时的条件。各部门所划分的级别数和界限值不尽相同，但国内基本上以30 MPa，国外多以25 MPa作为软、硬岩的划分界限。

4.2 岩土界限划分

土和岩石的分界问题已经有很长的研究历史，但仍未取得适用于各类工程的定量化指标，国内外对岩石和土体之间的明确分界尚无统一认识。目前国内外硬土、软岩的界限划定见表2［8-13］。一般对极软岩没有下限规定，对极硬土也没有上限，客观上存在似岩似土的过渡岩土，国际上统称为硬土/软岩（hard soil/soft rock）。

由此可见，对岩土体划分所涉及的指标及个数、分级数及界限值等，不同单位和学者的方案都存在一定差别。在开挖工程评价上，应用最为广泛的是岩石单轴抗压强度（UCS）分级；其次是考虑多个指标，如抗压强度和弹性波速度、抗压强度/容重/净钻进速率等；再就是定量、定性相结合的方法。岩石开挖性分级需综合考虑因素较多，如岩石风化程度、结构面的存在和影响、机械钻进速率、岩石硬度、可凿性、耐磨性、现场强度、施密特锤回弹指标等。各指标所代表的力学属性不尽相同，测试方法、精度也有差别，结果也存在不完全一致性，实际工程应用情况也各不相同，应根据工程特点选取可操作性较强的适宜的评价指标。

4.3 安阳段岩土可挖性分级

安阳渠段岩土体交错发育，开挖揭露的同一断面岩石强度也随着深度增加、风化程度降低而明显提高，岩土分界、软岩和硬岩过渡的特征较为明显，对岩土的开挖等级划分需要较为详细的方案才能反映现场实际情况。

考虑到我国北方地区地面工程特点，地应力和地下水条件相对简单，第三系形成时代较晚，没有完全成岩，受构造运动作用影响较小，岩体完整性好，故岩石坚硬程度成为衡量岩体质量或开挖难易程度的最重要指标。如果结合风化壳分带、成岩程度和地下水位与开挖面相对高程等，可采用单轴抗压强度（UCS）作为主要指标，辅以岩石纵波波速、净钻进速率和天然容重等将岩土按可挖性分为9级16亚级，具体分级见表3，与其他岩土界限分级方案的比较见图4。

由图4可知，本研究的岩土可挖性分级主要根据工程实际特点，以南水北调安阳段第三系的岩性特点为基础进行划分，对于抗压强度很大的岩石未予包括。根据该分级方案，安阳段出现的黏土岩为普通土II~极软岩IV-2，泥灰岩为较硬岩VII-1，砾岩为较软岩VI-2~硬岩VIII-1，生物碎屑灰岩为较硬岩VII-1~ VII-3，砂岩为较硬岩VII-1~硬岩VIII-1，对岩土体进行了很好的细化和量化分级。

5 结语

南水北调中线安阳段岩土可挖性分级研究以目前国内外的岩土质量分级为基础，根据安阳段第三系软岩硬土特点，选取典型指标进行详细的定量化分，提出了针对渠道开挖的岩土可挖性分级体系。该体系很好地反映了工程特点，对岩土界限的划分提供了研究，并应用于工程实际，与工程造价相结合，取得了良好的效果。

安阳段岩土体开挖分级以目前岩石分级多采用的单轴抗压强度（UCS）为主要指标，结合岩石纵波波速、净钻进速率和天然容重等反映岩土开挖特性的相关指标进行综合确认。工程试验表明，辅助指标与单轴抗压强度（UCS）有很好的相关性，点荷载、净钻进速率试验等现场试验便于获取分级的相关参数，综合分级便于工程现场应用。

目前国内外没有硬土/软岩的明确分界线，而实际工程中又需要指标来解决这一难题。本研究主要针对南水北调中线安阳段的岩土体开挖分为9级16亚级，可为类似第三系开挖分级问题提供参考。

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注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”

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