新建蒙華鐵路洞庭湖特大橋工程地質(zhì)條件研究

孫寶忠 施紅藝

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

蒙西至華中地區(qū)鐵路(簡稱:蒙華鐵路)設(shè)計起點為內(nèi)蒙古自治區(qū)浩勒報吉站，設(shè)計終點為江西省吉安站，全長1 837 km。線路整體呈北西至南東走向，是我國北煤南運(yùn)通道的重要組成部分。主要設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):國鐵Ⅰ級，雙線，設(shè)計速度120 km/h，電力牽引。洞庭湖特大橋是該鐵路的重點工程，橋址位于洞庭湖湖口、湘江匯入長江的交匯地段，緊鄰城陵磯[1]，見圖1。

圖1 洞庭湖特大橋位置示意

洞庭湖特大橋大致呈北西-南東走向，橋全長約10.444 km。其中，主橋長1 290 m，為三塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)采用鋼箱鋼桁疊合主梁形式。

朱全寶等運(yùn)用遙感、地面測繪、物探和原位測試等勘察手段對蕪湖長江大橋進(jìn)行研究，認(rèn)為綜合勘探模式比傳統(tǒng)方法更靈活、更精確[2]。陳偉運(yùn)用地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、坑探、物探、室內(nèi)試驗勘察技術(shù)對西南某鐵路特大橋進(jìn)行研究，得出了以地質(zhì)調(diào)繪為基礎(chǔ)，采用多種勘察方法可以更準(zhǔn)確地判斷地質(zhì)條件的結(jié)論[3]。柴春陽對金沙江特大橋采用了平硐、鉆探、物探、地質(zhì)調(diào)繪和室內(nèi)試驗等勘察手段進(jìn)行研究，查明了危巖落石、不利結(jié)構(gòu)面，并確定了加固方案[4]。宋章等運(yùn)用地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探、平板載荷試驗、室內(nèi)試驗等勘察技術(shù)對云桂鐵路盤江特大橋進(jìn)行研究，查明了橋址區(qū)工程地質(zhì)條件并判定其場地穩(wěn)定性[5]。李昶運(yùn)用地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探勘察方法對埃塞俄比亞鐵路Kench特大橋進(jìn)行研究，查明了地層巖性、斷層分布及特征[6]。以往研究多側(cè)重于橋址區(qū)工程地質(zhì)條件，對場地穩(wěn)定性分析評價不夠全面。

根據(jù)洞庭湖特大橋結(jié)構(gòu)特殊、跨度大、荷載大等特點，采用了遙感、地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、原位試驗、物探、土工試驗等綜合勘察技術(shù)[7]，從砂土液化、軟土評價、持力層選擇、岸坡穩(wěn)定性、場地穩(wěn)定性及適宜性評價等方面開展研究，得出相關(guān)結(jié)論。

2 地質(zhì)環(huán)境

2.1 地形地貌

洞庭湖特大橋位于湘江入長江的咽喉地段，緊鄰城陵磯，河道兩岸均為湘江泄洪區(qū)，地面多被蘆葦?shù)戎脖桓采w，地勢平坦、開闊，地面高程一般為26.0～31.0 m。

2.2 地層

(1)第四系全新統(tǒng)

①1黏土:灰褐色，軟塑，厚1.20～11.40 m，主要分布于表層。

①2淤泥質(zhì)黏土:灰黑色，流塑，厚1.40～17.10 m，分布于湘江河道及西岸區(qū)。

②1粉砂:灰色，飽和，稍密；厚4.00～15.00 m，受間歇性淤積、沖刷影響，厚度變化較大，分布于整個西岸區(qū)。

③1細(xì)砂:灰色-深灰色，飽和，稍密，厚2.10～3.30 m，分布于整個西岸區(qū)。

③2細(xì)砂:灰色，飽和，中密，厚3.20～16.00 m，厚度變化較大，分布于整個西岸區(qū)。

③3細(xì)砂:灰色，飽和，密實，厚12.20～19.60 m，分布于整個西岸區(qū)。

④2粗砂:灰褐色，中密-密實，飽和，厚4.00～4.90 m，分布西岸區(qū)。

⑤細(xì)圓礫土:灰色，飽和，中密，厚1.00～1.60 m，厚度較薄，充填物主要為砂類土。

(2)上更新統(tǒng)

⑥粉質(zhì)黏土:褐黃色，硬塑，厚2.30～6.90 m，主要分布于湘江東岸的Ⅰ級階地上。

(3)中元古界

⑦1全風(fēng)化板巖:灰色，風(fēng)化嚴(yán)重，巖芯呈硬塑-堅硬狀，受風(fēng)化控制，分布不連續(xù)，厚2.10～5.00 m。

⑦2強(qiáng)風(fēng)化板巖:灰綠色，巖芯呈碎塊狀，厚0.70～13.30 m，厚度變化較大，橋址區(qū)均有分布。

⑦3弱風(fēng)化板巖:淺灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙不發(fā)育，巖質(zhì)較硬，局部巖石較破碎；厚0.90～13.20 m，厚度變化較大，橋址區(qū)均有分布，頂面起伏大。

⑦4微風(fēng)化板巖:淺灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，巖體較完整，頂面起伏較大，鉆探未揭穿該巖層。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

在區(qū)域大地構(gòu)造上，橋址位于洞庭湖凹陷區(qū)東南隅，近場區(qū)以北東向斷裂帶為主，北西向和近東西向斷裂次之，見圖2。這些斷裂發(fā)育于元古界淺變質(zhì)巖地層中，少部分切割到前白堊系盆地底墊層。場區(qū)內(nèi)地層經(jīng)歷多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動作用，層間褶皺引起的局部擠壓破碎強(qiáng)烈，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[8]。

對橋梁工程有影響的斷裂主要為沙湖-湘陰隱伏斷裂帶(F4)。該斷裂帶走向NE，受其影響，橋址區(qū)發(fā)育NNE及EW向次級斷裂。

橋址區(qū)位于平池倒轉(zhuǎn)背斜西南翼，倒轉(zhuǎn)背斜軸走向NW300°，軸面南傾，翼部傾角55°～70°。

圖2 地質(zhì)構(gòu)造

3 水文地質(zhì)特征

橋址區(qū)地下水類型主要有:第四系孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水。地下水位埋深2.20～3.70 m。

3.1 孔隙潛水

主要賦存于第四系黏土及淤泥質(zhì)土層中，水量較小，表現(xiàn)為上層滯水，接受大氣降水及地表水補(bǔ)給，地下水位埋深隨季節(jié)變化較大。

3.2 承壓水

賦存于黏土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層下部的粉砂、細(xì)砂、粗砂、細(xì)圓礫土層中，總厚度一般大于10 m，水量豐富，具承壓性，但壓力不大。主要接受大氣降水和湘江補(bǔ)給。

3.3 基巖裂隙水

基巖裂隙水受基巖裂隙發(fā)育及風(fēng)化程度控制，淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育，滲透性較強(qiáng)、富水性中等，深部裂隙多閉合，富水性弱。接受地表水和孔隙水的垂向補(bǔ)給[9]。

3.4 水質(zhì)評價

橋址區(qū)地表水和地下水對混凝土、混凝土中的鋼筋均具有微腐蝕性，對混凝土化學(xué)侵蝕的環(huán)境作用等級為H1。

3.5 水文地質(zhì)條件評價

孔隙潛水埋深較淺，水量較小，對橋梁承臺基坑的影響很小。承壓水賦存于砂類土層中，水量豐富，但壓力不大。持力層基巖裂隙不發(fā)育，富水性弱，對鉆孔灌注樁的影響很小。綜合分析，地下水對該橋梁工程的影響不大。

4 主要工程地質(zhì)問題

4.1 砂土液化

場地基本地震烈度為Ⅶ度，橋址區(qū)第四系覆蓋層②1粉砂、③1細(xì)砂層均呈松散-稍密狀，埋深介于2.10～15.00 m，地下水位以下飽和狀態(tài)的粉細(xì)砂易發(fā)生地震液化。地震液化對橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定影響較大，是工程地質(zhì)評價的重點。

4.2 軟土

橋址區(qū)分布有第四系全新統(tǒng)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，物理力學(xué)性質(zhì)較差。軟土壓縮將對樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力，軟土震陷可以導(dǎo)致構(gòu)筑物地基的附加不均勻沉陷，造成其上構(gòu)筑物的開裂、傾斜或倒塌。軟土對橋梁基坑的開挖及加固方案會產(chǎn)生重要影響。

4.3 斷裂帶

對橋梁工程有大影響的斷裂為沙湖-湘陰隱伏斷裂帶(F4)。該斷裂帶內(nèi)發(fā)育破碎板巖及構(gòu)造角礫、斷層泥，可見擠壓錯動痕跡及揉皺變形。該斷裂帶影響橋梁選址和橋跨布置。

5 綜合勘察方法

5.1 航空和衛(wèi)星遙感

運(yùn)用航片和SPOT衛(wèi)星圖像解譯地形、地貌、巖土類型、地質(zhì)構(gòu)造、軟土分布范圍等。經(jīng)過遙感解譯，認(rèn)為橋址區(qū)無滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)。

5.2 地質(zhì)調(diào)繪

通過分析蒲圻幅(1∶20萬)地質(zhì)圖，以1∶2 000地形圖為底圖，采用穿越法和追溯法對橋址區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、特殊巖土進(jìn)行詳細(xì)調(diào)繪。查明了軟土的類型、成因、分布范圍。認(rèn)為橋址區(qū)無不良地質(zhì)分布，并驗證了遙感解譯結(jié)論。

5.3 鉆探

本工程采用雙管單動鉆探工藝，鉆探點主要沿橋基礎(chǔ)輪廓線布設(shè)。通過鉆探查明了橋址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、基巖面埋深、巖體完整性，準(zhǔn)確劃分了風(fēng)化層、破碎帶，并對物探成果進(jìn)行了驗證。

5.4 原位試驗

在鉆孔內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，查明了橋址區(qū)砂類土的密實度(標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗可以判別20 m范圍內(nèi)的飽和砂類土的液化等級)。利用靜力觸探還可以查明橋址區(qū)軟土的分布范圍和厚度。

5.5 工程物探

(1)剪切波速測試

采用單孔波速測試技術(shù)測定橋址區(qū)各類巖土的剪切波速，據(jù)此可以劃分場區(qū)土類別、場地類別。

根據(jù)勘察期間鉆孔剪切波速測試結(jié)果統(tǒng)計，①2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土剪切波速為86～121 m/s，場區(qū)土類型為軟弱土；①1黏土、②1粉砂、③1細(xì)砂、③2細(xì)砂、④2粗砂土層，剪切波速為161～246 m/s，場區(qū)土類型為中軟土；④3粗砂、⑤細(xì)圓礫土、⑦1全風(fēng)化板巖層剪切波速為366～423 m/s，場區(qū)土類型以中硬土為主；⑦2強(qiáng)風(fēng)化板巖、⑦3弱風(fēng)化板巖剪切波速為626～864 m/s，場區(qū)土類型為軟質(zhì)巖石-巖石。

結(jié)合橋位鉆孔資料和實測的波速資料，判定湘江西岸橋址場地類別為Ⅲ類；河道水域地段和湘江東岸場地類別均為Ⅱ類。

(2)場地抗震地段劃分

橋址場地區(qū)地表及上部分布有軟土層，埋深8.0～15 m范圍內(nèi)分布有松散-稍密的飽和粉砂、細(xì)砂液化砂土層；湘江兩岸均為土質(zhì)邊坡，橋址區(qū)屬于抗震不利地段。設(shè)計需要采取合理的防震害措施[10]。

(3)地震反射測試

地震反射波測試可以提供場地土動力參數(shù)，可用于劃分地震層序，評價巖體的完整性。本次勘察識別出2個地震反射波組界面，并劃分出2個地震層序(見圖3)。從上到下分別為:河床反射面、基巖面，各反射波組連續(xù)清晰，界面完整。河床面起伏微弱，基巖面無斷層顯示。由此推測，鉆孔揭露的擠壓破碎帶不屬沙湖-湘陰斷裂帶或其分支斷層，亦不屬活動斷裂。

圖3 地震剖面地震層位劃分

(4)電測深法

采用對稱四極方法，測量電極距MN/2為1 m和5 m，最大供電電極距AB/2為215 m。可以推斷出橋址區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度、基巖面起伏形態(tài)。

結(jié)合鉆孔資料分析，橋址區(qū)基巖為板巖。橋址區(qū)電測深曲線主要為“H”形和“A”形，前半段反映覆蓋層地層變化，后半段的變化反映了基巖巖性的變化(見圖4)。

圖4 典型電測深曲線

根據(jù)電測深資料，橋址區(qū)基巖埋深小于40 m，基巖面起伏平緩，未見明顯物探異常。

5.6 室內(nèi)土工試驗

橋址區(qū)分布有第四系全新統(tǒng)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其巖土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計成果見表1。

橋址區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、低強(qiáng)度觸變性等特點。當(dāng)其受到震動等外力作用時，土層結(jié)構(gòu)易受到破壞，抗剪強(qiáng)度和承載力也隨之大幅下降。

表1 巖土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計_____________

6 綜合分析

6.1 場地砂土液化綜合評估

橋址區(qū)地震烈度為Ⅶ度，依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)對橋址場地深度為20 m范圍采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗進(jìn)行液化判別。②1粉砂、③1細(xì)砂層會發(fā)生液化，液化最大深度約為15 m，液化指數(shù)為0.3～16.5，液化等級為輕微-中等。橋址場地液化指數(shù)及液化等級見表2。

表2 橋址場地液化指數(shù)及液化等級

6.2 場地軟土評價

根據(jù)2018年4月出版的《工程地質(zhì)手冊》(第五版)，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為7度，地基承載力特征值＜80 kPa或等效剪切波速＜90 m/s時，應(yīng)考慮軟土震陷。橋址區(qū)范圍內(nèi)分布有一定厚度淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層和薄層淤泥，其承載力標(biāo)準(zhǔn)值小于80 kPa。因此，在地震烈度為Ⅶ度時，需要考慮橋址區(qū)場地的淤泥質(zhì)黏土層和淤泥層的軟土震陷影響。

軟土對特大橋基礎(chǔ)的不良影響還表現(xiàn)為樁側(cè)限摩阻力較低，在壓縮固結(jié)情況下會發(fā)生沉降，對樁基礎(chǔ)還會產(chǎn)生負(fù)摩阻力[11]。此外，軟土鉆孔灌注基樁還易發(fā)生縮徑。

6.3 持力層選擇

根據(jù)橋址區(qū)工程地質(zhì)條件和橋梁工程的特點，建議采用鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)形式。樁尖埋深應(yīng)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)荷載情況及墩位處地層條件綜合確定。

(1)西北引橋段上覆地層主要為①1黏土、①2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②1粉砂、③1細(xì)砂、③2細(xì)砂土層，厚35～42 m。由于上部分布有軟土層和砂土液化層，地基基本承載力低，工程性質(zhì)較差，不能做為基礎(chǔ)持力層；西北引橋段基巖面總體較平，但局部較低洼，對于基巖面埋深較大、樁長小于基巖埋深的地段，建議采用摩擦樁基礎(chǔ)，可將③3細(xì)砂、④3粗砂、⑤細(xì)圓礫土層作為基礎(chǔ)持力層。中元古界板巖基巖面產(chǎn)狀傾角較大(多為60°～80°)，巖層風(fēng)化不均勻。上部全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化層厚度差異較大，分布不連續(xù)，工程性質(zhì)較差，不適宜作為基礎(chǔ)持力層；弱風(fēng)化板巖屬較硬巖，地基基本承載力高(σ0=1 200 kPa)，是很好的基礎(chǔ)持力層；微風(fēng)化板巖巖體完整，抗壓強(qiáng)度高，工程性質(zhì)良好，但大多埋藏較深，起伏較大，在埋藏較淺地段可作為優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)持力層。受沙湖-湘陰斷裂帶影響，斷裂帶內(nèi)發(fā)育構(gòu)造角礫、斷層泥，地基均勻性差，工程性質(zhì)差，樁尖部位應(yīng)避開斷裂帶，置于相對穩(wěn)定巖層中。

(2)主橋和東南引橋段基巖面埋藏較淺，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化板巖厚度不大，可將弱風(fēng)化、微風(fēng)化板巖作為基礎(chǔ)持力層。

6.4 岸坡穩(wěn)定性

河道兩岸均為湘江泄洪區(qū)，地勢平坦、開闊，岸坡均為人工填筑的粉質(zhì)黏土岸體，岸坡寬緩，無不良地質(zhì)體發(fā)育，整體穩(wěn)定性較好。

6.5 場地穩(wěn)定性

橋址區(qū)場地在大地地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)上屬于喜馬拉雅期凹陷區(qū)，標(biāo)志著地殼下降運(yùn)動。區(qū)域性的沙湖-湘陰隱伏斷裂帶(F4)穿越橋址區(qū)，該斷裂帶屬于早第四紀(jì)斷裂帶，近期無活動跡象；岳陽-南江橋斷裂帶(F9)、臨湘-通山斷裂帶(F16)距橋址場區(qū)較遠(yuǎn)。全新世以來，橋址場區(qū)未發(fā)生大的地震，不存在發(fā)生強(qiáng)地震的構(gòu)造背景，橋址區(qū)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

6.6 場地適宜性評價

橋址區(qū)地勢開闊，地形平坦，場地穩(wěn)定；基巖埋藏較淺，基巖面較平緩，大部分巖體較穩(wěn)定。設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際地層情況選擇適宜的樁基類型及樁長。上部第四系覆蓋層分布有軟土和液化砂層，宜采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，以消除其不利影響。

綜上所述，場區(qū)地質(zhì)條件適宜大橋建設(shè)[12]。

7 結(jié)論

(1)橋址場區(qū)工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，但斷裂構(gòu)造對橋梁工程影響較小。

(2)橋址場區(qū)地表水和地下水對混凝土、混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性，地下水對橋工程建設(shè)影響較小。

(3)設(shè)計須考慮采取措施消除砂土地基液化影響，相關(guān)設(shè)計參數(shù)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)折減。

(4)軟土地基對基樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力，鉆孔灌注樁易發(fā)生縮徑，需考慮淤泥質(zhì)黏土和淤泥層軟土震陷影響。

(5)建議采用鉆孔灌注樁，弱風(fēng)化、微風(fēng)化板巖作為基礎(chǔ)持力層。

(6)橋址場區(qū)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，場區(qū)地質(zhì)條件適宜特大橋建設(shè)。