CPTU在跨海高速鐵路大橋淺層氣勘察中的應(yīng)用

產(chǎn)運(yùn)節(jié)，張建，張鵬

（1.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 蘇州鐵路工程建設(shè)指揮部，江蘇 蘇州 215131；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 線路站場(chǎng)樞紐設(shè)計(jì)研究院，天津 300308；3.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

1 概述

杭州灣是舉世聞名的強(qiáng)潮海灣，其海域分布著較為廣泛的淺層天然氣［1］，對(duì)跨海大橋工程的勘察設(shè)計(jì)和橋梁基礎(chǔ)施工具有十分顯著的影響，甚至?xí)l(fā)安全事故或?qū)е鹿こ淌В?］。我國(guó)沿海水利工程建設(shè)過程中曾出現(xiàn)淺層氣逸出造成工程災(zāi)害的實(shí)例［3-4］，但跨海鐵路工程鮮有淺層氣噴發(fā)的文獻(xiàn)報(bào)道。如何處理淺層氣已成為沿海、沿江地區(qū)工程建設(shè)中的重大問題，也是確保工程質(zhì)量和安全運(yùn)營(yíng)的前提條件。

孔壓靜力觸探技術(shù)（Cone Penetration Test with Pore Pressure，簡(jiǎn)稱CPTU）是1980年代逐漸興起的新原位測(cè)試技術(shù)，其增加的孔壓傳感器可以更準(zhǔn)確地測(cè)定更多的參數(shù)，尤其適用于鐵路、地鐵、公路等線性分布、范圍廣泛的大型工程［5］。1990年代初，我國(guó)學(xué)者開展了CPTU方面的研究，并在理論和應(yīng)用上取得了重大進(jìn)展；但受制于傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)備，CPTU未能得到全面推廣［5-6］。目前，CPTU的應(yīng)用已涉及土體分類、土體工程特性評(píng)價(jià)、樁基承載力、沉降變形和液化判別等方面，并已成功應(yīng)用于港珠澳大橋等重大典型工程。

按功能劃分，CPTU包括貫入設(shè)備、量測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)等3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。貫入設(shè)備負(fù)責(zé)將探頭以準(zhǔn)靜力勻速貫入待測(cè)土體中；量測(cè)系統(tǒng)通過靜力觸探探頭、儀器采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)將所采集的參數(shù)轉(zhuǎn)化為各種工程數(shù)據(jù)與曲線，并最終用于指導(dǎo)工程實(shí)踐［7］。

以擬建杭州灣某跨海高速鐵路特大橋?yàn)槔?，工程位于杭州灣跨海公路大橋上?~15 km不等，淺層氣發(fā)育，存在局部富集高壓淺層氣的可能性［8-9］，橋梁工程勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)難度極大。采取CPTU作為工程地質(zhì)勘察手段，查明工程沿線淺層氣地質(zhì)情況的時(shí)空分布規(guī)律，獲取橋址區(qū)域含氣土的工程力學(xué)特性，探究海底淺層氣地層對(duì)橋梁設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)造成的潛在影響，并提出工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)對(duì)策。

2 CPTU勘察方法

2.1 站位布置

沿跨海高速鐵路特大橋線路布置10個(gè)CPTU調(diào)查站位，其中3個(gè)站位同時(shí)開展淺層氣溫壓測(cè)試，1個(gè)站位開展電阻率測(cè)試（見圖1，紅線標(biāo)示為站位，黃線為既有公路跨海大橋）。

圖1 CPTU調(diào)查站位布置圖

2.2 勘察設(shè)備及安裝

利用工程船進(jìn)行作業(yè)，使用搭配專用采集系統(tǒng)及靜力觸探探頭（見圖2）的靜力觸探儀對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行勘察。使用標(biāo)定儀對(duì)探頭的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力和孔隙水壓力等3組傳感器進(jìn)行校驗(yàn)和標(biāo)定；利用真空飽和儀對(duì)探頭的孔隙水壓力傳導(dǎo)艙進(jìn)行真空除氣，以導(dǎo)壓液體填充飽和，確保探頭飽和，并將探頭裝入靜力觸探儀中備用；利用吊機(jī)將海床式靜力觸探儀放置在海床上并保持穩(wěn)定，在工程船焊接作業(yè)平臺(tái)上進(jìn)行接桿，用液壓缸式貫入設(shè)備以（20±5）mm/s的貫入速度，使探頭貫入試驗(yàn)土層中。錐尖底截面面積為10 cm2的靜力觸探探頭參數(shù)見表1。

圖2 CPTU探頭示意圖

表1 10 cm2靜力觸探探頭參數(shù)

2.3 溫壓測(cè)試

貫入裝置將壓力溫度的取樣探頭壓入到巖土內(nèi)，巖土內(nèi)的氣、液通過透水石滲入到錐側(cè)連接頭內(nèi)的氣孔內(nèi)，壓力傳感器、溫度傳感器檢測(cè)出對(duì)應(yīng)位置氣、液的壓力和溫度，并傳遞給控制器。溫壓測(cè)試結(jié)果見表2，淺層氣主要分布在35~40 m。

表2 溫壓測(cè)試結(jié)果

2.4 基于CPTU的土層分類方法

結(jié)合Robertson分類方法和劉松玉的中國(guó)土分類，對(duì)土類進(jìn)行命名［10］（見表3）。

表3 中國(guó)土分類與Robertson分類方法對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 CPTU勘察成果分析與運(yùn)用

3.1 CPTU與地勘鉆孔結(jié)果對(duì)比

由于鉆孔遇氣將中止鉆進(jìn)并回收，其土層劃分很難全部達(dá)到全鉆深度。將CPTU分層結(jié)果與附近全鉆深度孔位的土層劃分結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，各站位處土層范圍分布情況與周邊鉆孔勘測(cè)結(jié)果基本一致，僅土層分類定名情況略有差異。這是由于土層分類多采用GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》［11］，而CPTU采用的是美國(guó)ASTM分類標(biāo)準(zhǔn)［12］。各站位CPTU土類分層結(jié)果見表4。

CPTU勘察結(jié)果數(shù)據(jù)連續(xù)，層位表現(xiàn)更為細(xì)致，部分薄層和夾層比鉆孔分層更清晰，且對(duì)于砂與細(xì)粒土的層位劃分更加準(zhǔn)確（見圖4）。

圖4 CPTU地層劃分

3.2 麻坑內(nèi)外CPTU數(shù)據(jù)對(duì)比

海底麻坑是指海底坑洼地貌，是深部流體在海底強(qiáng)烈快速噴逸或緩慢滲漏，或是淺層氣逸散剝蝕海底松散沉積物而形成的殘留海底地貌［13］。在勘察過程中，曾遇淺層氣劇烈噴發(fā)現(xiàn)象（見圖5），在淺層氣釋放2個(gè)月后對(duì)噴發(fā)的鉆孔進(jìn)行物探，可發(fā)現(xiàn)海底麻坑（見圖6）。

圖5 淺層氣噴發(fā)實(shí)景

圖6 海底麻坑淺剖影像及分布

表4各站位CPTU土類分層結(jié)果 m

在海底麻坑內(nèi)外各布置1個(gè)站位，其中HJD-9站位位于麻坑內(nèi)，HJD-10站位位于麻坑外，兩者數(shù)據(jù)對(duì)比見圖7。

圖7 HJD-9站位與HJD-10站位CPTU數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)非飽和土原理，由于飽和度的改變，土體氣相賦存形式也將發(fā)生改變，進(jìn)而影響固液氣三相的組合形式，使土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化［13］。調(diào)查區(qū)的沉積環(huán)境穩(wěn)定，麻坑內(nèi)外土體的物理力學(xué)特性差異主要因淺層氣的存在而產(chǎn)生。分析發(fā)現(xiàn)，在深度0~15 m范圍內(nèi)，HJD-9（麻坑內(nèi)）的錐尖阻力與側(cè)摩阻力均小于HJD-10（麻坑外），這是由于麻坑內(nèi)的淺表層土體結(jié)構(gòu)被氣體噴發(fā)破壞，導(dǎo)致土層整體強(qiáng)度下降，但該層麻坑內(nèi)外錐尖阻力差別不大；從砂土相對(duì)密度上來看，HJD-10（麻坑外）也明顯大于HJD-9（麻坑內(nèi)），說明麻坑外土體更密實(shí)。在深度15~50 m范圍內(nèi)，HJD-9（麻坑內(nèi)）的側(cè)摩阻力與孔壓均大于HJD-10（麻坑外），表明該層位于麻坑內(nèi)的土體更為固結(jié)。

由淺地層剖面分析可知，HJD-9仍受淺層氣影響，說明氣體逸出并未結(jié)束，在深度0~15 m地層中仍存在氣體。而HJD-9站位深度15~50 m范圍內(nèi)土體更為固結(jié)，這是由于淺層氣向上遷移完成，該土層已進(jìn)入重新固結(jié)階段，重新固結(jié)的土層相較于原土層經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)重組，通常強(qiáng)度更好。

3.3 研究區(qū)淺層氣分布分析

此跨海高速鐵路特大橋地處沿海淺層氣有利生成區(qū)，淺層氣分布廣泛，埋深較淺，氣量普遍較小，但在垂向和橫向上分布不均，局部含氣量較大。橋址沿線北側(cè)淺層氣存量較少，現(xiàn)場(chǎng)未見氣體噴發(fā)現(xiàn)象，偶有小氣泡，與CPTU分層數(shù)據(jù)具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分層結(jié)果清晰；沿線中部和南側(cè)氣體存量多，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)HJD-8、HJD-9、HJD-10站位都存在氣體噴發(fā)現(xiàn)象，溫壓測(cè)試結(jié)果也顯示HJD-7、HJD-8、HJD-9站位35~40 m層位存在較大氣壓，CPTU數(shù)據(jù)在這一層位對(duì)應(yīng)情況不是很好，特別是孔壓數(shù)據(jù)過大，推測(cè)是受淺層氣壓的影響。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察、溫壓測(cè)試、CPTU測(cè)試土層劃分結(jié)果，此跨海高速鐵路特大橋沿線黏土層所含的淺層氣的氣藏量和氣壓均不大，對(duì)工程影響較??；淺層氣富集于中密-密實(shí)狀態(tài)的粉砂層中，大多以單個(gè)砂體存在，氣藏量不大，屬常壓氣藏。個(gè)別氣藏由多個(gè)含氣砂體錯(cuò)疊連接而成，儲(chǔ)氣量相對(duì)較大［14］，在橋梁設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)注意。

3.4 含氣土層特性及其應(yīng)對(duì)措施

CPTU可真實(shí)反映錐尖阻力和側(cè)摩阻力等參數(shù)隨貫入深度的變化，探測(cè)含氣地層分布范圍，可用于海底淺層氣及含氣土工程特性的勘察與分析。

3.4.1 含氣土層特性

工程橋址區(qū)含高壓淺層氣的土體是一類特殊的非飽和海積土，孔隙中存在著氣體。由于土體的孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)很復(fù)雜，使氣、液、固三相之間呈現(xiàn)出復(fù)雜的界面現(xiàn)象。當(dāng)土的飽和度改變時(shí)，氣相在土體中的賦存狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，正是這種變化直接影響著非飽和土的力學(xué)性質(zhì)。

通過對(duì)此跨海高速鐵路特大橋沿線底部?jī)?chǔ)氣砂土開展試驗(yàn)研究，獲取水土特征曲線。結(jié)果表明，在有控放氣條件下，氣體釋放引起的土層總沉降量?jī)H為氣藏總厚度的1‰~5‰，砂土抗剪強(qiáng)度提高約10%，控制性放氣措施可有效減小儲(chǔ)氣層土體的沉降；氣體釋放將引起樁身負(fù)摩阻力產(chǎn)生，無控放氣將比有控放氣措施引起更大的基樁負(fù)摩阻力與土層沉降。

3.4.2 淺層氣對(duì)工程的影響及對(duì)策

淺層氣對(duì)打入（沉管）樁施工的影響較小，但對(duì)鉆孔樁施工的影響較大。因此應(yīng)采用積極主動(dòng)的控制性放氣措施，預(yù)防淺層氣對(duì)樁基施工與承載性能的不利影響。同時(shí)，基于橋址區(qū)的地層分布，從樁基與土體的相互作用角度，應(yīng)采取措施增大樁端阻力或側(cè)阻力，增加樁基的承載力，以確保重大工程的安全儲(chǔ)備。

4 結(jié)論及建議

（1）CPTU可通過貫入土層處錐尖阻力和側(cè)摩阻力等參數(shù)的變化，精確探測(cè)出海底淺層氣的分布范圍，可用于指導(dǎo)跨海大型橋梁設(shè)計(jì)與施工。

（2）研究區(qū)域某鐵路特大橋沿線淺層氣分布廣泛，埋深較淺，普遍含氣量不大，但在垂向和橫向上分布不均，局部含氣量較大。

（3）在淺層氣分布區(qū)域，建議采用打入樁施工工藝。當(dāng)采用鉆孔樁施工時(shí)，施工前應(yīng)主動(dòng)采取控制性放氣措施，同時(shí)增大樁端阻力或側(cè)阻力，以增加樁基的承載力，確保工程安全。

（4）項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期間，應(yīng)建立運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估橋梁狀態(tài)，為橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供保障。