孫寶忠　施紅藝

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京　100055)

新建鐵路荊岳線呈近北西至南東走向，北西起荊州，南東至岳陽，是江漢平原與洞庭湖地區(qū)便捷的聯(lián)絡(luò)通道，是焦柳線、滬漢蓉鐵路和京廣線三線間的聯(lián)絡(luò)通道，是我國北煤南運蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道的重要組成部分。建設(shè)荊岳線，對于改善沿線交通運輸條件，聯(lián)絡(luò)區(qū)域旅游資源，促進沿線旅游事業(yè)發(fā)展，完善路網(wǎng)布局和綜合交通體系，加強戰(zhàn)備及長江防洪、抗洪、快速疏散轉(zhuǎn)移等方面均有重要的意義。荊岳線公安長江大橋在湖北省上荊江河段的郝穴彎道段，南、北兩岸分屬荊州市公安縣和江陵縣管轄[1]，見圖1。

圖1　公安長江大橋位置示意

公安長江特大橋為公鐵兩用橋，鐵路為一次雙線電氣化，等級為Ⅰ級；公路為一級雙向四車道。橋全長約9.968 km，其中跨江長1.560 m，主橋結(jié)構(gòu)采用主跨(98+182+518+182+98) m鋼桁梁斜拉橋+4×94.5 m連續(xù)鋼桁梁。作為特大型過江橋梁，工程地質(zhì)條件研究是公安長江特大橋重要基礎(chǔ)課題，地層巖性，地質(zhì)構(gòu)造，水文地質(zhì)條件，持力層分析，橋基礎(chǔ)類型確定，工程地質(zhì)條件的優(yōu)劣直接影響大橋的橋梁位置選擇、實施和造價。

1　工程地質(zhì)條件

1.1　地形地貌

新建鐵路荊岳線公安長江大橋位于江漢平原西南部，南、北兩岸分屬荊州市公安縣和江陵縣管轄。地貌上屬長江沖積平原，地勢開闊平坦，主要為長江高漫灘和一級階地，多被辟為農(nóng)田，植被發(fā)育，地面高程一般為30～36 m。兩岸溝、塘較為發(fā)育，水深一般小于2 m。

1.2　區(qū)域地層

工程場區(qū)地層主要為第四系黏性土、砂類土和碎石土，厚度150～250 m。第四系與下伏新第三系呈平行不整合或微角度不整合關(guān)系。

(1)全新統(tǒng)

人工堆積層(Q4ml)：雜填土和素填土，厚變化較大，一般不大于3 m。

河湖相(Q4l)：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土，厚2～15.5 m；沖洪積(Q4al+pl)粉砂、細砂和砂礫石層，厚5～21.5 m。

(2)上更新統(tǒng)

沖洪積(Q3al+pl)：主要巖性為粉砂、細砂和砂礫石層，厚度35～65 m，構(gòu)成二級長江階地。

(3)中更新統(tǒng)

沖洪積(Q2al+pl)：主要巖性為細砂夾粉質(zhì)黏土、粉土、砂礫，厚度50～100 m，構(gòu)成三級長江階地。

(4)下更新統(tǒng)

(5)上第三系

上第三系廣華寺組(N)巖性主要為雜色泥巖、砂巖和互層砂礫巖，普遍具有底礫巖，局部夾泥灰?guī)r，近場區(qū)厚約300～700 m。

1.3　地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域大地構(gòu)造上，工程場區(qū)位于江漢-洞庭差異升降區(qū)的江漢凹陷區(qū)東南隅，近場區(qū)北部以北東向斷層為主，北西向和近東西向斷層次之；而南部以近東西向斷層為主，北東向和北西向斷層次之，見圖2。它們大部分發(fā)育于白堊系-古近系沉積層中，少部分切割到前白堊系盆地底墊層。

對橋梁工程有影響的斷層為公安斷層(F5)，該斷層位于橋址的南部，走向近東西，波狀曲折，全長約50 km，傾向北，視傾角45°，發(fā)育于公安單斜帶中，切割白堊系地層，最大傾滑復(fù)合斷距達1 200 m，但斷層下端收斂于白堊系與盆地底墊層之間向北傾斜的界面上，亦為蓋層滑脫構(gòu)造，并且未切割上復(fù)第三系、第四系地層，屬前新近紀構(gòu)造[2]。

1.4　地震地質(zhì)特征

根據(jù)資料[3]，地震動峰值加速度為0.05g，與之對應(yīng)橋址區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計地震分區(qū)為一區(qū)。對橋址區(qū)場地的地震危險性分析計算，場地地表水平峰值加速度值50年超越概率10%時約為0.08g，50年超越概率2%時約為0.16g[2]。

1.5　河床變遷

據(jù)資料[4]，長江江面寬約1 000 m，河床呈不對稱“U”形，北深南淺，深槽靠近北岸，水深大于5 m的航道寬約800 m，最深處約22 m，橋位處江陵岸(北岸)為沖刷岸，采用塊石護坡，岸坡穩(wěn)定性較差，易垮塌；公安岸(南側(cè))為淤積岸，土質(zhì)邊坡，岸邊發(fā)育有寬約200 m的沙洲。橋位處長江兩岸均植有防護林，寬100～150 m。公安岸長江干堤北臨清水河，該河道枯水時一般干涸，僅局部有少量積水，洪水時長江水倒灌則形成河流。

圖2　地質(zhì)構(gòu)造

1.6　橋址區(qū)地層

根據(jù)資料[4-5]，按照時代、成因及其物理力學(xué)性質(zhì)，橋址區(qū)巖土工程地質(zhì)層共劃分為5個工程地質(zhì)層，巖性特征又細分為若干亞層。工程地質(zhì)層特征見表1。

①第四系全新統(tǒng)地層黏性土

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、黏土、粉質(zhì)黏土為流塑-軟塑，天然含水量高(W=30.3%～46.4%)，天然孔隙比大(e=0.911～1.392)，壓縮模量較低[Es0.1-0.2=2.35～4.42 MPa]，具有高壓縮性，地基基本承載力較低(σ0=90～180 kPa)；砂類土：粉砂、細砂為飽和，稍密-中密，地基基本承載力較低(σ0=90～210 kPa)。

②第四系上更新統(tǒng)地層黏性土

粉質(zhì)黏土、黏土為硬塑-堅硬，天然含水量W=20.6%～31.2%，天然孔隙比e=0.578～0.874，壓縮模量較高[Es0.1-0.2=6.02～9.93 MPa]，具有低壓縮性，地基承載力較高(σ0=250～300 kPa)；砂類土：粉砂、細砂為飽和，密實，地基基本承載力較高(σ0=200～300 kPa)；碎石土：細圓礫土、粗圓礫土為飽和、中密-密實，地基基本承載力高(σ0=750～1 000 kPa)。

表1　工程地質(zhì)層特征

2　水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水埋藏條件，橋址區(qū)地下水可劃分為孔隙潛水、承壓水。

2.1　孔隙潛水

孔隙潛水主要賦存于長江漫灘區(qū)上部地層，含水介質(zhì)為黏土、粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)土，其滲透性差，滲透系數(shù)0.40×10-6cm/s～1.25×10-6cm/s，水量貧乏。

2.2　承壓水

承壓水含水介質(zhì)為粉砂、細砂、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土層，厚60～90 m，水量豐富，承壓力不大，為弱承壓水。地下水埋深一般在0.50～2.00 m，枯水期最深達8.50 m，均為負水頭；滲透系數(shù)6.00×10-3cm/s～8.00×10-2cm/s，滲透性較好，單井涌水量1 000～5 000 t/d，與長江水存在互補關(guān)系。

2.3　水質(zhì)評價

據(jù)本次勘察所取地下水和地表水水質(zhì)分析結(jié)果，按照《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)附錄F環(huán)境水、土對混凝土侵蝕性的判定標準，橋址處地下水、長江水和土層對混凝土均無侵蝕性。

3　不良地質(zhì)和特殊巖土

3.1　岸坡失穩(wěn)

橋址區(qū)江陵岸邊坡較陡，為土質(zhì)岸坡，其成份以粉質(zhì)黏土和粉土為主，含較多粉粒，由于常年受長江水浸泡和降水影響，其土質(zhì)一般較軟。粉質(zhì)黏土層中夾有薄層狀的粉土和粉砂，河床附近為厚層狀細砂層，土體抗沖刷能力弱，長江水位變化頻繁和洪水水位時，易發(fā)生小規(guī)模塌岸現(xiàn)象，局部重復(fù)塌岸可能危及長江干堤安全。

3.2　砂土液化

橋址區(qū)地面以下15 m范圍內(nèi)的飽和粉土和粉細砂層均呈松散—稍密狀。采用標準貫入試驗法對地面以下15 m范圍內(nèi)的粉土和砂層進行砂土液化判別，結(jié)果顯示：當?shù)卣鹆叶葹棰鞫葧r，場區(qū)內(nèi)地面以下15 m范圍內(nèi)的①1粉土、①2細砂、①5粉砂、②1粉砂、②2細砂層多會發(fā)生地震液化。

3.3　管涌

擬建橋梁跨躍的長江荊江河段屬長江堤防險段，北引橋段長江干堤附近地面高程低，一般在30～32 m之間，基本與長江正常水位持平。汛期長江水位平均高于堤外地面低洼處3～5 m，成為“懸河”，加之地表硬殼層薄，下部粉細砂、圓礫土強透水層厚，該段自古就是管涌和潰堤的易發(fā)地段。長江南側(cè)的兩道子堤及干堤地質(zhì)條件也易于發(fā)生管涌，但其易發(fā)性低于荊北干堤。擬建橋梁的施工將破壞地表硬殼層，使發(fā)生管涌的可能性增大。

3.4　軟土

橋址場區(qū)內(nèi)不均勻分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，尤其是北引橋段的長江干堤兩側(cè)有較多分布。該層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土主要呈灰色、灰褐色，流塑狀，多夾腐殖物，埋深一般在3～7 m，局部可達14 m。其工程性質(zhì)一般為：含水率W=40.5%，孔隙比e=1.095，壓縮系數(shù)a1-2=0.64 MPa-1，直剪快剪cq=13.8 kPa，φq=6.9°，無側(cè)限抗壓強度qu=45 kPa，靈敏度St=1.63～3.29(主要為中靈敏性軟土)，超固結(jié)比OCR=0.51～0.99(局部為近期填塘而成，多呈欠固結(jié)狀態(tài))，具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度等軟土特征。

對大橋基礎(chǔ)的影響，軟土的不良作用體現(xiàn)在其提供的狀側(cè)限摩阻力較低，在產(chǎn)生壓縮沉降的情況下，對樁基礎(chǔ)還會產(chǎn)生負摩阻力。同時，在鉆孔施鉆過程中，軟土層易發(fā)生縮孔，對工程施工將會產(chǎn)生一定影響。

4　工程地質(zhì)條件評價

4.1　場地穩(wěn)定性及適宜性評價

擬建橋梁在橋址南引橋附近與公安斷層正交，該斷層走向近東西，該斷層切割白堊系、古近系地層，并且未切割上覆上第三系、第四系地層，屬前新近紀構(gòu)造，對大橋影響甚微。

擬建場地斷裂構(gòu)造以前第四紀斷裂為主，近場區(qū)及近鄰地帶歷史地震活動水平強度、頻度均較低，現(xiàn)代地震活動呈較低水平[2]，場地相對穩(wěn)定。

場地第四系覆蓋層深厚，以中密—密實的砂類土、碎石類土為主，地質(zhì)條件較好，適宜大橋建設(shè)。

4.2　場地土類型

根據(jù)勘察7個鉆孔剪切波速測試結(jié)果統(tǒng)計，場區(qū)淺層土剪切波速Vse=119～187 m/s，場區(qū)土類型以中軟土為主，局部夾軟弱土；②層以下土剪切波速Vse=252～503 m/s，場區(qū)土類型以中硬土為主，局部為中軟土[6]。

4.3　場地類別

綜合橋位各鉆孔資料，橋址區(qū)兩岸陸地場地類別為Ⅲ類，水域除3號主墩場地類別為Ⅱ類外，其余均為Ⅲ類場地。

場地地震動反映譜特征周期按場地類別調(diào)整，Ⅱ類場地為0.35 s，Ⅲ類場地為0.45 s。

4.4　場地抗震地段劃分

橋址區(qū)淺層存在液化土及軟弱土等不良地質(zhì)，長江兩岸土質(zhì)邊坡坡度較陡，橋址區(qū)屬于抗震不利地段，設(shè)計需采取有效的防震害措施。

4.5　持力層選擇

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件和擬建橋梁工程特點，建議采用摩擦樁基礎(chǔ)，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層黏性土和粉細砂層及②層粉細砂層工程性質(zhì)較差，存在軟土層及砂土液化層，且埋深淺，基本承載力低，不易作為持力層。

北引橋，南引橋段及主橋邊墩基礎(chǔ)以②、③層下部的碎石土層作為主要持力層，基礎(chǔ)樁尖應(yīng)避免置于碎石土層中的軟弱層透鏡體中。對于跨江主橋段3～4號主墩，宜采用群樁、大直徑樁深基礎(chǔ)，建議以③、④層的碎石土層作為主要持力層，樁尖置于④層下部卵礫石土層，但應(yīng)避免置于碎石土層中的軟弱夾層中。主橋段其他墩可考慮以③層碎石土層作為基礎(chǔ)持力層。

5　結(jié)束語

5.1　地震動參數(shù)

據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，湖北江陵、公安地震動峰值加速度為0.05g，與之對應(yīng)橋址區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。但區(qū)域地震對工程場地的最大影響烈度為Ⅶ度，本工程為特大橋，橋梁設(shè)計時應(yīng)根據(jù)地震安全性評價復(fù)核后的烈度及測定的設(shè)計地震動參數(shù)進行抗震設(shè)計。

5.2　砂土液化

根據(jù)液化判別結(jié)果顯示，當?shù)卣鹆叶葹棰鞫葧r，場區(qū)內(nèi)地面以下15 m范圍內(nèi)的粉土、粉砂、細砂層多會發(fā)生地震液化，大橋設(shè)計須考慮采取措施消除地基液化影響，相關(guān)設(shè)計參數(shù)須按規(guī)范進行相應(yīng)折減。

5.3　軟土震陷

橋址區(qū)兩岸分布有厚度不等的軟土，其剪切波速平均值為128 m/s，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》(第四版)相關(guān)規(guī)定，可不考慮軟土震陷的影響。

5.4　管涌

長江干堤及子堤附近汛期施工時存在管涌的危險，施工時應(yīng)采取相關(guān)防護措施。

5.5　鈣質(zhì)膠結(jié)層

橋址區(qū)內(nèi)②、③、④層的碎石土層中不均勻夾有大粒徑卵石，漂石，③1、④1、⑤1層粉質(zhì)黏土多微膠結(jié)，局部泥鈣質(zhì)膠結(jié)呈10～30 cm半成巖狀膠結(jié)層，質(zhì)較硬，樁基施工時應(yīng)予重視。

[1]中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，新建鐵路荊州至岳陽線初步設(shè)計第一篇(總說明書)[R].北京：中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，2011

[2]武漢地震工程研究院，新建鐵路荊州至岳陽線公安長江大橋工程場地地震安全性評價報告[R].武漢：武漢地震工程研究院，2008

[3]GB 18306—2001 中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[S]

[4]中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司.新建鐵路荊州至岳陽線公安長江大橋(定測)工程地質(zhì)勘查報告[R].武漢：中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司，2010(9)

[5]中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司.新建鐵路荊州至岳陽線公安長江大橋南北引橋(定測)工程地質(zhì)勘查報告[R].北京：中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，2011

[6]GB 50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]