對(duì)淺層氣不良地質(zhì)條件下跨海高鐵大橋的地質(zhì)勘察

張 鵬

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 天津 300251)

1 引言

隨著我國(guó)高鐵建設(shè)的高速發(fā)展，工程場(chǎng)地條件越來(lái)越復(fù)雜，高鐵建設(shè)場(chǎng)地逐步由平原、山區(qū)、大江大河向復(fù)雜山區(qū)、海洋等惡劣場(chǎng)地條件延伸。更加深入地了解淺層氣不良地質(zhì)條件下跨海高鐵的建設(shè)，是工程師們必須面對(duì)的問(wèn)題。何財(cái)基[1]等運(yùn)用地球物理調(diào)查的方法，初步查明了拉林鐵路米林隧道有害氣體成因及處置措施。李好強(qiáng)[2]等研究了含氣地層的土力學(xué)性狀與樁基危害影響，從力學(xué)角度研究了含氣土層對(duì)跨海高鐵大橋的成樁及運(yùn)營(yíng)期間樁基的影響。郭愛(ài)國(guó)[3]等通過(guò)對(duì)淺層氣進(jìn)行地球化學(xué)分析，研究了淺層氣的化學(xué)成分及形成原因。

2 工程概況

跨海高鐵工程跨海段長(zhǎng)達(dá)29 km，在海床以下的土層中，普遍存在淺層氣。淺層氣主要聚集于晚更新世及全新世濱海相軟土層下的砂層較高部位，含氣砂層厚度一般不超過(guò)5 m，平面形態(tài)多呈帶狀或串珠狀分布，長(zhǎng)軸方向與古河道方向基本一致(NEE向或EW向)。特大橋避開(kāi)淺層氣發(fā)育帶的可能性不大?？绾Ｌ卮髽蚝^(qū)分布的淺層氣在局部有富集成高壓淺層氣的可能。

3 研究方法與技術(shù)路線

3.1 地球物理探測(cè)

(1)測(cè)線布設(shè)

調(diào)查以大橋軸線為中心，左右各平行布設(shè)5條測(cè)線，測(cè)線間距為50 m，走廊帶寬度為500 m，主測(cè)線共11條，測(cè)線總長(zhǎng)度為240.8 km。檢測(cè)線垂直于軸線布設(shè)，測(cè)線長(zhǎng)度為500 m，間距為1 km，檢測(cè)線共11.5 km。測(cè)線布設(shè)見(jiàn)圖1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，適當(dāng)進(jìn)行測(cè)線加密。

(2)調(diào)查程序

淺地層剖面探測(cè):Benthos CAP6600淺地層剖面系統(tǒng)探測(cè)時(shí)，換能器固定采用懸掛式安裝，工作頻率選擇2～7 kHz。為了減少噪聲，船速控制在4～5 kN以內(nèi)，基本保持勻速航行。

單道地震:正式工作前在工作水域進(jìn)行儀器性能檢驗(yàn)與地層位穿透試驗(yàn)，在Boomer、Sparker和GI槍中選擇合適的震源，震源和接收電纜分別拖曳于調(diào)查船左右兩側(cè)。根據(jù)水深、底質(zhì)條件調(diào)試儀器，選擇最佳工作參數(shù)，確認(rèn)儀器工作正常后開(kāi)始正式工作。

3.2 含氣土工程力學(xué)性狀研究的技術(shù)路線

擬采用非飽和土力學(xué)試驗(yàn)手段，多學(xué)科交叉如物理、化學(xué)、力學(xué)與樁基理論等思路，以及模型試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值仿真相結(jié)合的研究方法。

(1)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供的土層分布特征以及對(duì)大橋橋址區(qū)域淺層氣成因與分布成果，結(jié)合非飽和土力學(xué)理論對(duì)淺層氣在土層的貯存狀態(tài)和形式進(jìn)行分析，建立非飽和含氣土的力學(xué)模型，從理論上探討含氣土體與飽水土體工程力學(xué)性狀的差異、高壓氣體釋放過(guò)程中土體的抗剪強(qiáng)度與變形特性以及對(duì)樁基承載性能的影響及變化趨向。

(2)開(kāi)展非飽和含氣土的室內(nèi)試驗(yàn)。選用符合該工程工況條件的土類，針對(duì)砂土在不同飽和度與上覆荷載工況條件下，考慮不同孔隙氣壓力大小與變化速率，獲取含氣土物理力學(xué)指標(biāo)與土類、氣壓水平、氣體釋放速率的相互關(guān)系。

(3)通過(guò)設(shè)計(jì)加工非飽和相關(guān)設(shè)備，在獲得非飽和海相砂土上覆軟土工程特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬非飽和海相砂土氣壓不同釋放水平和速率條件下的土體沉降量與力學(xué)指標(biāo)變化，分析非飽和海相砂土的孔壓釋放對(duì)軟土工程特性的影響。

(4)在上述研究成果的基礎(chǔ)上，提出原位試樁的檢測(cè)內(nèi)容與相關(guān)技術(shù)要求，分析論證淺層氣對(duì)特大橋工程的危害形式與機(jī)理，并提出相應(yīng)的災(zāi)害防治對(duì)策與處理措施。

4 取得的成果及分析

4.1 地球物理探測(cè)

4.1.1 反射層位劃分

分析調(diào)查海域有9組有效反射波組，可劃分為8個(gè)物性層。考慮到淺層地震所使用震源頻率較低，主要解決深部地層分析，對(duì)極淺部分層的精度較低，而淺地層剖面探測(cè)對(duì)于小于30 m的界面劃分精度較高，所以海底界面和第一次淺層氣界面的劃定采用淺地層剖面儀探測(cè)成果，30 m以下層位劃分采用多道地震調(diào)查成果，見(jiàn)圖2。經(jīng)與鉆孔資料對(duì)比劃分，海底面以下120 m以內(nèi)地層及巖性見(jiàn)表1。

圖2 地震剖面(局部)

表1 地震層序

海底面以下120 m以內(nèi)地層的分層情況:

T1:層厚4～15 m，主要為粉土，灰黃色，飽和，松散～稍密，夾淤泥質(zhì)土薄層或混淤泥，易發(fā)生液化。

T2:層厚20～45 m，上部主要為淤泥質(zhì)土夾砂，下部為粉質(zhì)黏土。

T3:在基巖區(qū)缺失，層厚5～20 m，主要為粉砂，灰黃色，飽和，中密，成分以石英、長(zhǎng)石為主，含黏粒，局部可見(jiàn)腐木碎屑，整個(gè)場(chǎng)區(qū)均有分布。局部受淺層氣影響，反射波較凌亂，起伏較大。

T4:全部大部可追蹤，層厚3～35 m，主要為黏土或粉質(zhì)黏土，局部含粉砂夾層。

T5:層厚一般5～15 m，最大可達(dá)25 m，該層以粉砂為主，灰黃色，飽和，密實(shí)，成分以石英、長(zhǎng)石為主，夾粉質(zhì)黏土薄層，部分區(qū)域?yàn)橹猩啊?/p>

T6:層厚10～20 m，主要為黏土或粉質(zhì)黏土。

T7:以細(xì)砂、局部為粉砂和中砂為主。

T8:基巖，根據(jù)鉆探結(jié)果，主要為中風(fēng)化花崗斑巖，見(jiàn)圖3。

圖3 淺地層剖面探測(cè)到的基巖

4.1.2 淺層氣探測(cè)情況分析

根據(jù)探測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)淺層氣主要分布于T2和T3兩層。第一含氣層位于T2，在淺地層剖面探測(cè)記錄上主要表現(xiàn)為聲波反射雜亂或振幅增強(qiáng)，頂界面深度一般位于海底面以下5～15 m[4]，見(jiàn)圖4。

圖4 淺地層剖面典型記錄

第二含氣層位于T3中，以粉砂為主。根據(jù)地震反射記錄可以看出，受淺層氣影響，聲波反射一般表現(xiàn)為反射層出現(xiàn)“下拉”現(xiàn)象，但當(dāng)淺層氣含量較高時(shí)，聲波反射呈現(xiàn)為“上升”[5]。圖5為ZK1孔淺層氣涌出海底在淺地層反射記錄上呈現(xiàn)“煙囪”的地層剖面；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，第二層的淺層氣并非連續(xù)分布，而是呈現(xiàn)從上百米至一公里不等距離的間隔分布。

圖5 ZK1孔井噴后1個(gè)月沿麻坑軸向的淺部地層剖面

4.2 含氣土的工程力學(xué)性狀研究

針對(duì)本區(qū)域普遍發(fā)育的兩層砂性土，現(xiàn)場(chǎng)取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行含氣砂性土的土力學(xué)特性及其對(duì)樁基的影響分析，見(jiàn)表2。

表2 普遍發(fā)育的兩層砂性土物理指標(biāo)

典型砂性土的顆分曲線見(jiàn)圖6。

圖6 顆分曲線

5 淺層氣地質(zhì)條件下橋梁樁基施工安全措施建議

無(wú)控制條件下高壓淺層氣急劇釋放是造成對(duì)橋梁樁基基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響的主要原因，那么應(yīng)對(duì)淺層氣工程危害的基本防治方向應(yīng)是防止高壓淺層氣在工程施工、建成使用過(guò)程中的釋放，同時(shí)采取合理有效的措施預(yù)防淺層氣逸出造成對(duì)樁基承載性能的不利影響，確保一定的安全儲(chǔ)備[6]。

5.1 積極主動(dòng)的控制放氣對(duì)策

淺層氣無(wú)控釋放危害性極大，一旦發(fā)生井噴，幾乎難以控制，因井噴攜走大量的泥漿與砂土，出現(xiàn)塌陷。

5.1.1 淺層氣的釋放應(yīng)在可控制條件下實(shí)施

從跨海特大橋初勘現(xiàn)場(chǎng)的ZK1孔和ZK8孔淺層氣噴發(fā)情況分析，淺層氣無(wú)控制性釋放對(duì)原位土層的擾動(dòng)范圍很大，且氣體需要一定的時(shí)間才能較徹底地釋放[7]。淺層氣的釋放速率應(yīng)以不導(dǎo)致對(duì)放氣孔周?chē)貙釉斐娠@著擾動(dòng)為原則，放氣程度應(yīng)滿足樁基安全順利施工要求為前提(氣孔壓力不大于0.05 MPa，且流量不大于1.5 m3/h)；此外，還應(yīng)以放氣過(guò)程中不帶走泥沙為控制標(biāo)準(zhǔn)。

5.1.2 釋放淺層氣應(yīng)在施工前預(yù)先進(jìn)行

預(yù)先排氣是確保橋梁施工安全的前提，如在樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中或建成使用過(guò)程中釋放，將可能造成災(zāi)難性的工程事故。

5.1.3 排氣孔位設(shè)置應(yīng)保持與橋址一定距離

設(shè)置排氣孔位應(yīng)在基本摸清含氣層的位置與分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行，排氣孔尺寸與數(shù)量應(yīng)視透鏡體氣囊的大小與連通性而定。由于連通的高壓淺層氣釋放時(shí)對(duì)地層擾動(dòng)的范圍較大，施工前預(yù)先放氣嚴(yán)禁在橋址區(qū)進(jìn)行，排氣點(diǎn)原則上在距橋址一定距離的上游和下游處布設(shè)。合理的距離界限取決于氣壓的高低、氣囊的連通性，氣壓越高，距離應(yīng)加大，氣壓越低，距離可減?。煌瑯?，氣囊的連通性越好，距離應(yīng)加長(zhǎng)，氣囊的連通性越差，距離可縮短[8]。

5.2 增大端阻力與發(fā)揮樁側(cè)阻力增強(qiáng)效應(yīng)的對(duì)策

除采用積極主動(dòng)的控制放氣措施，減小淺層氣對(duì)土體工程性質(zhì)的劣化影響外，還需基于跨海特大橋橋址的地層分布，從樁基與土體的相互作用角度，采取增大樁端阻力與側(cè)摩阻力的措施，以增加樁基的承載力。

跨海特大橋橋址區(qū)地層分布并不均勻，第四系中更新統(tǒng)沖積硬塑狀黏性土、密實(shí)砂土(7、8、9層)厚度較大，工程性能相對(duì)較好，在滿足上部荷載的情況下，可作為摩擦樁基礎(chǔ)持力層[9]。由于持力層埋深較深，不管采用鉆孔灌注樁還是鋼管樁，樁長(zhǎng)徑比均會(huì)比較大，樁側(cè)阻力為承載力的主體，但樁端仍可分擔(dān)一定比例的荷載。從樁基工程質(zhì)量出發(fā)，在本工程的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工中，宜將樁基穿過(guò)含氣層并在持力層中延伸一定深度，除能預(yù)防由于淺層氣噴發(fā)擾動(dòng)土層而影響樁基承載力外，還能增大側(cè)阻力和發(fā)揮端阻的潛能[10]。

5.3 充分考慮樁基產(chǎn)生負(fù)摩擦力的安全設(shè)計(jì)對(duì)策

在設(shè)計(jì)工作中，需要充分考慮負(fù)摩阻力對(duì)樁基承載力的影響，既要驗(yàn)算樁基承載力，也要驗(yàn)算樁基沉降，尤其是要驗(yàn)算各樁基因在遭受不同程度淺層氣影響這種極端工況條件下，樁基承載力與沉降能否滿足高鐵橋梁工程的要求，以增加工程建設(shè)的安全可靠性[11]。

5.4 試樁工程原位測(cè)試建議

同時(shí)考慮打入樁與鉆孔灌注樁兩種方案，試樁位置重點(diǎn)選在典型淺層氣分布富集區(qū)，同時(shí)在其他淺層氣井噴現(xiàn)象不明顯的位置也適當(dāng)布點(diǎn)，以比較淺層氣對(duì)樁基工程的影響程度，并分析樁基之間產(chǎn)生不均勻沉降的可能性[12]。

對(duì)于鋼管樁需了解在打入過(guò)程中的沉樁阻力變化規(guī)律，尤其在樁體穿過(guò)含淺層氣地層時(shí)，避免淺層氣沿樁周大量逸出，尋求一套切實(shí)可行的沉樁法工藝參數(shù)；對(duì)于灌注樁，充分考慮成孔過(guò)程可能遇到的流沙等，特別是鉆進(jìn)含淺層氣地層時(shí)，由于淺層氣對(duì)土的沖刷作用，很容易導(dǎo)致塌孔等現(xiàn)象，需要進(jìn)行超前控制放氣，獲得能安全順利施工的放氣工藝與控制措施[13]。此外，需確定合適的鉆機(jī)類型、合理的護(hù)壁方式(對(duì)泥漿的要求)以及清孔方法等，并驗(yàn)證進(jìn)行孔底壓漿的效果。

鋼管樁的原位試樁，建議除采用錨樁靜載法確定其樁側(cè)摩阻力分布及端承力，同時(shí)獲取錨樁在不同荷載水平下的上拔量，考慮基準(zhǔn)樁的設(shè)置方法，測(cè)定試樁樁內(nèi)土體的閉塞效應(yīng)，以及用高應(yīng)變法確定其樁側(cè)摩阻力分布與端承力。針對(duì)鉆孔灌注樁，在進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)，建議用o-cell壓力盒加載試驗(yàn)法確定單樁極限承載力和樁側(cè)摩阻力分布及端承力[14]，同時(shí)分別采用聲波透射法與高應(yīng)變法檢測(cè)其樁身質(zhì)量和校核樁基承載力，并對(duì)孔底壓漿進(jìn)行鉆孔取芯，以檢查砼與孔底土層的結(jié)合情況。孔底壓漿前做一次試驗(yàn)，孔底壓漿以后再做一次試驗(yàn)。