盧超健,羅輝

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430060）

馬累－機(jī)場島跨海大橋建設(shè)場地工程地質(zhì)特性及評價

盧超健,羅輝

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430060）

通過采用鉆探取樣、巖土試驗(yàn)、原位測試、物探、地質(zhì)調(diào)查等多種手段，對馬累－機(jī)場島跨海大橋建設(shè)場地的工程地質(zhì)特性展開研究及評價。查明了大橋建設(shè)場地的地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造特征，獲得了以松散珊瑚混砂、礁灰?guī)r為主的地層特點(diǎn)，對礁灰?guī)r的物理力學(xué)特性開展了試驗(yàn)分析，掌握了其物理力學(xué)特性。結(jié)合巖土層工程性質(zhì)、不良地質(zhì)作用、場區(qū)穩(wěn)定性，對大橋建設(shè)場地的工程地質(zhì)進(jìn)行了適宜性評價。研究結(jié)論,揭示了珊瑚礁巖土的工程地質(zhì)特性，為今后同類工程建設(shè)能提供有益的借鑒。

跨海大橋；珊瑚礁；地質(zhì)特性；適宜性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.017

1　引言

隨著我國“一帶一路”也即“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”這一國家發(fā)展戰(zhàn)略的的倡導(dǎo)和實(shí)施，我國主導(dǎo)和參與的國際工程建設(shè)項(xiàng)目也呈現(xiàn)井噴發(fā)展之勢[1，2]。馬爾代夫馬累－機(jī)場島跨海大橋，是我國“21世紀(jì)海上絲綢之路”的必經(jīng)之路，馬累－機(jī)場島跨海大橋的建設(shè)對促進(jìn)我國與馬爾代夫發(fā)展經(jīng)濟(jì)合作伙伴關(guān)系，共同打造政治互信、經(jīng)濟(jì)融合、文化包容的利益共同體、命運(yùn)共同體和責(zé)任共同體有極大推動作用。同時，馬累－機(jī)場島跨海大橋的建設(shè)能促進(jìn)中馬雙方在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的合作，推動中國標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)的輸出。

本文研究對象為馬累－機(jī)場島跨海大橋，通過采用鉆探取樣、巖土試驗(yàn)、原位測試、物探、地質(zhì)調(diào)查等多種手段，對其建設(shè)場地的工程地質(zhì)特性展開研究和評價。

2　工程概況

馬累－機(jī)場島跨海大橋起點(diǎn)位于馬累島東南角，順接規(guī)劃Boduthakurufaanu Magu道路，并設(shè)置橋梁跨越Gaadhoo Koa海峽，在機(jī)場島南端登陸，接線與機(jī)場到胡魯馬累島規(guī)劃路順接。路線全長2.0km，其中，橋梁長度為1.39km，橋梁起點(diǎn)樁號為K0+100，終點(diǎn)樁號為K1+490，橋梁跨徑布置為1830m（引橋）+（100m+2180m+140m+100m+60m）（主橋）+330m（引橋），橋面車道布置為兩側(cè)人行道+兩個摩托車道+兩個客貨車道，橋梁位置如圖1所示。

圖1　馬累-機(jī)場島跨海大橋梁位置示意圖

馬累－機(jī)場島跨海大橋主橋采用為六跨預(yù)應(yīng)力混凝土V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置100+1802+140+100+60m，主橋長760m，引橋采用30m跨預(yù)應(yīng)力I型梁，引橋長630m，橋?qū)?1.0m，橋型布置如圖2所示。

圖2　橋型布置圖（單位：m）

基礎(chǔ)擬采用鉆孔灌注樁：19、20、21號主墩布置12根直徑2.5～2.8m的變截面鉆孔樁。22、23號主墩布置8根直徑2.5～2.8m的變截面鉆孔樁。機(jī)場側(cè)及馬累側(cè)過渡墩采用6根直徑1.5m的鉆孔樁。橋梁建成后的效果如圖3所示。

圖3　橋型布置效果圖

3　研究方法和實(shí)施過程

3.1研究方法

本文研究方法包括：①工程地質(zhì)調(diào)查：側(cè)重于場地區(qū)域地質(zhì)和已有相關(guān)工程資料的收集等；②鉆探；③工程物探：包括側(cè)掃聲納及磁法掃海，地震映像及淺層反射探查橋軸向，兩側(cè)淺層地質(zhì)分布和巖層起伏特征；④孔內(nèi)剪切波及縱波測試：測試巖土類別和基巖完整性；⑤孔內(nèi)電視攝影：包括基巖裂隙、孔洞調(diào)查；⑥巖土試驗(yàn)；⑦水下攝影：橋頭水下岸坡的特征調(diào)查。

3.2實(shí)施過程

勘探共投入XY-100鉆機(jī)3臺套、XY-300鉆機(jī)1套，海域孔采用3000t方舶平臺勘探方案。鉆進(jìn)工藝采用套管跟進(jìn)護(hù)壁或泥漿循環(huán)護(hù)壁，全程取芯，并拍照留存?？孜粶y量及孔口高程：陸域鉆孔采用RTK測量平面坐標(biāo)及高程，海域鉆孔平面定位采用RTK測量，孔口高程測量采用孔口水深及岸基水尺水位同步觀測后計(jì)算得到。黏性土采用厚壁取土器采取，砂類土及夾砂地層作標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)并留擾動土樣。對珊瑚屑等松散地層采用標(biāo)準(zhǔn)貫入或重型動探試驗(yàn)。共獲得地質(zhì)鉆探6個（陸域3孔進(jìn)尺109m，海域3孔進(jìn)尺159.35m），土工試驗(yàn)12組。

4　工程地質(zhì)特性

4.1地形地貌

馬爾代夫群島屬印度洋環(huán)礁鏈地貌形態(tài)，由多個環(huán)礁呈串發(fā)育或呈圈發(fā)育分布。馬累島及機(jī)場島為馬代群島中東部北馬累環(huán)礁的鏈島，地勢低平，島內(nèi)人工填湖造陸后地形更為平坦，島上陸地地面高程多在+1.0～+1.5m之間。橋軸線附近兩島之間海溝或海槽總寬度約1.4km，呈寬緩“U”型形態(tài)；兩岸淺灘臺階地形發(fā)育，平臺寬緩，淺水平臺坡度從0～10毅逐漸加大，傾向海溝。馬累島與機(jī)場島地形如圖4所示。馬累－機(jī)場島跨海大橋建設(shè)場地橋位水下地形如圖5所示。

圖4　馬累島與機(jī)場島

4.2地質(zhì)構(gòu)造

馬爾代夫碳酸鹽臺地是自始新世早期（約5500萬年前）開始建立在火山高原上的碳酸鹽臺地，淹沒厚度2～3km，馬爾代夫環(huán)礁只有高出海平面很小的一部分[3]。馬爾代夫至少有35億年沒有陸源（泥沙）的輸入，因此，它幾乎是全部由碳酸鹽沉積物組成[4]。

圖5　橋位水下地形

4.3地層特點(diǎn)

經(jīng)前期收集資料及場地鉆孔揭示地層的綜合分析，馬累島、機(jī)場島主要工程地質(zhì)層由全新世松散珊瑚混砂或砂混珊瑚，更新世上、中段礁坪相準(zhǔn)礁灰?guī)r、礁灰?guī)r，深部瀉湖相弱膠結(jié)或未膠結(jié)的珊瑚混砂或砂混珊瑚地質(zhì)層組成。其中，準(zhǔn)礁灰?guī)r與礁灰?guī)r的區(qū)分主要依據(jù)膠結(jié)程度、沉積相帶、沉積時代進(jìn)行分帶劃分，區(qū)分性較好。

橋梁建設(shè)場地的鉆探揭示工程地質(zhì)單元層按時代、巖性與工程地質(zhì)特征特征自上而下劃分，分層描述如下：①全新世地層（Q4）：含填土（Q4ml），礁塊石（Q4o+al），含礫塊中粗砂（Q4m），含礫中粗砂（Q4m），珊瑚礫塊混砂（Q4m）；②更新世地層（Q2-3）：含準(zhǔn)礁灰?guī)r（Q3o），礁灰?guī)r（砂礫塊）（Q3o），礁灰?guī)r（礫塊）（Q3o），礁灰?guī)r（砂屑）（Q2-3o），珊瑚礫塊混砂（Q2-3o）。

4.4特殊性巖土

擬建橋區(qū)位于馬爾代夫群島北馬累環(huán)礁，沉積物來源遠(yuǎn)離陸源，沉積建造材料均來源于海洋生物沉積，特殊的沉積環(huán)境與地質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了場區(qū)橋梁建筑影響范圍的巖、土均不同于陸源沉積物[5]。無論是場區(qū)揭示的礁灰?guī)r、準(zhǔn)礁灰?guī)r，還是珊瑚礫屑、生物礫屑堆積物，均屬于特殊性巖土材料?；?guī)r及準(zhǔn)礁灰?guī)r是礁島陸基的主體，也是未來大橋基礎(chǔ)的主要持力地層，但同時又屬于最復(fù)雜的不均勻材料。礁的形成基本前提是礁格架的形成，礁格架的形成始于珊瑚創(chuàng)造的基本構(gòu)造單元柱墩，而柱墩的形態(tài)和大小受組成它的珊瑚屬種和生長位置控制而多變[6]

大量的礁灰?guī)r物理力學(xué)特性研究結(jié)果也顯示[7～9]，礁灰?guī)r具有密度輕、多孔隙、強(qiáng)度各向變異顯著的特點(diǎn)。同時，受珊瑚礁生長地域生態(tài)環(huán)境的變化，礁灰?guī)r也具有不同的地域?qū)傩?；即使在同一礁島區(qū)，受珊瑚礁生長的沉積歷史環(huán)境、沉積相帶演變，珊瑚礁灰?guī)r的結(jié)構(gòu)性、粒度組成、膠結(jié)程度也會具有明顯的差異性。勘區(qū)珊瑚礁巖土的特殊性主要體現(xiàn)在如下方面[10]：（1）空間上，物資顆粒組構(gòu)的極其復(fù)雜和不均勻性；（2）各組構(gòu)孔隙、孔洞的不均勻性；（3）各組構(gòu)膠結(jié)程度的不均勻性；（4）顆粒易碎性，低圍壓下顆粒也有破碎；（5）骨架性結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度?？傊?，松散砂礫屑地層，軟硬互層，孔洞發(fā)育、級配不均、顆粒破碎；半成巖的準(zhǔn)礁灰?guī)r和礁灰?guī)r具有典型的硬脆性。

4.5巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

大橋建設(shè)場地巖土體的物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示：由密度試驗(yàn)可知，礁灰?guī)r總體骨密度一般，平均孔隙度高達(dá)23%～35%，巖石質(zhì)量呈疏松結(jié)構(gòu)。由抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可知，礁灰?guī)r抗壓強(qiáng)度多小于15MPa，按強(qiáng)度特征分類巖石堅(jiān)硬程度劃分總體屬于軟巖，局部較軟巖。由抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)可知，礁灰?guī)r點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度Is（50）值與抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果接近，大量的點(diǎn)荷載巖石破裂特征多沿豎向劈開，與抗拉試驗(yàn)巴西劈裂裂隙特征相似，反映該巖石沿垂直生長方向具有弱化面的結(jié)構(gòu)特征。

此外，鈣質(zhì)砂多中級配壓縮試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用初始密度1.5g/cm3的珊瑚砂（鈣質(zhì)砂）在干燥條件下珊瑚砂的初始孔隙比在 0.65～0.75之間，100～200kPa壓力段的壓縮系數(shù)0.079～0.257MPa之間，壓縮模量8.6～22.3MPa，混合料珊瑚礫塊、珊瑚枝條含量的增加對低應(yīng)力條件下珊瑚砂的壓縮性有增大影響，應(yīng)與大粒徑顆粒料的骨架作用影響珊瑚砂的擠密效果有關(guān)。

樁側(cè)摩阻力試驗(yàn)結(jié)果顯示，礁灰?guī)r中樁側(cè)殘余摩阻力試驗(yàn)值介于321.5～1996.0kPa之間，數(shù)據(jù)的離散性較大，綜合平均值為1091.2kPa。殘余摩阻力值與圍壓大小密切相關(guān)，隨圍壓而增加，圍壓為500kPa時，殘余摩阻力平均值為803.7kPa；圍壓為1000kPa時，平均值為1014.0kPa；圍壓為2000kPa時，平均值為1936kPa。殘余摩阻力值與單軸抗壓強(qiáng)度間存在正相關(guān)性，個別試驗(yàn)點(diǎn)的離散性較大，可能與試驗(yàn)過程有關(guān)。另結(jié)果統(tǒng)計(jì)還發(fā)現(xiàn)，殘余摩阻力值與試樣的密度間不存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。

5　工程地質(zhì)評價

5.1巖土層工程性質(zhì)評價

場區(qū)揭示的主要巖土工程地質(zhì)層主要可分為填土層、生物碎屑堆積層、準(zhǔn)礁灰?guī)r、礁灰?guī)r巖層。填土層填料成分主要為生物碎屑、珊瑚礫塊類型的中粗砂、粗礫砂，一般為稍密狀態(tài)，局部松散，作為路基工程填層而言，工程性質(zhì)較好。生物碎屑堆積層主要為大橋海溝、海槽部位松散沉積物層，上部松散，下部中密～至密實(shí)狀，該松散層粒度變化大、多含珊瑚殘肢等脆性礫塊，影響碎屑層的均勻性和密實(shí)度，對大橋樁基工程而言工程性質(zhì)一般。礁灰?guī)r、準(zhǔn)礁灰?guī)r為大橋場地主要工程地質(zhì)層，構(gòu)成馬累島、機(jī)場島礁現(xiàn)代沉積地貌的基礎(chǔ)格架，多呈半膠結(jié)、局部弱膠結(jié)狀態(tài)，對于一般路基工程而言，強(qiáng)度較高、低壓縮性，工程性質(zhì)較好，可作為路基的主要持力地層，對于大橋樁基工程而言，工程性質(zhì)一般，不宜選作樁端持力層。礁灰?guī)r為成巖化作用較好的島礁基礎(chǔ)，但礁灰?guī)r隨沉積回旋周期、沉積相帶的不斷演變，同一部位鉆孔，隨鉆探深度的增加揭示到的礁灰?guī)r類型（如塊狀灰?guī)r、礫塊灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r等）、膠結(jié)程度也會發(fā)生較明顯的變化，甚至夾藏弱膠結(jié)或膠結(jié)不良、或未膠結(jié)的珊瑚礫塊混砂或生物碎屑混珊瑚的情況。

5.2不良地質(zhì)作用評價

場區(qū)不良地質(zhì)作用主要為橋軸線兩岸前端陡坡狀水下岸坡的穩(wěn)定性，穩(wěn)定與否對未來橋基的安全具有決定性影響。經(jīng)收集到的馬累區(qū)域地質(zhì)資料、現(xiàn)階段水下地形測量資料、水文資料、水下岸坡攝影資料，鉆探揭示的地質(zhì)基本資料的綜合分析，以及當(dāng)?shù)匕镀滦螒B(tài)的工程地質(zhì)類比，綜合判斷，軸線附近的馬累岸水下岸坡整體穩(wěn)定性較好、機(jī)場岸水下岸坡整體穩(wěn)定性良好。

5.3穩(wěn)定性評價

據(jù)場地地震安全穩(wěn)定性分析，場地地震地質(zhì)活動不活躍、強(qiáng)度低，區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。

橋區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查與勘探結(jié)果顯示，影響大橋場地穩(wěn)定的潛在因素主要為兩岸的高傾角水下邊坡，其中尤以馬累岸橋軸線以北約100m處的水下陡坡（局部坡度達(dá)47毅）的穩(wěn)定性及可能的破壞影響最值得關(guān)注。馬累岸橋軸線以北約100m處的水下陡坡（局部坡度達(dá)47毅），總體坡度與馬累島南岸下坡段坡形接近，整體穩(wěn)定性較好。雖20～34m水深坡段（坡度47毅）存在淺層小型潛在滑坡的可能，但其上方為約60m寬度、水深約20m平緩礁坪臺地，故即使該陡坡區(qū)發(fā)生局部的坡形調(diào)整，也只是有發(fā)生順坡向的淺層破壞的風(fēng)險(xiǎn)，不足以影響到橋墩所處的位置。

6　總結(jié)

通過對馬累－機(jī)場島跨海大橋建設(shè)場地的工程地質(zhì)特性展開研究，總結(jié)如下：

1）要充分認(rèn)識珊瑚礁巖土的特殊性對基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)的影響，加強(qiáng)后期橋墩間的巖土工程勘察，充分揭示珊瑚礁巖土的分帶特征，詳細(xì)把握每個橋墩珊瑚礁巖土豎向的變化特點(diǎn)，按逐墩巖土分布條件逐橋進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2）馬累環(huán)礁中更新世礁灰?guī)r，有溶蝕的不良地質(zhì)特征。在設(shè)計(jì)及施工過程中，應(yīng)評估其對大橋工程可能帶來的不良影響。

3）馬爾代夫群島為珊瑚礁自然生態(tài)保護(hù)區(qū)，橋梁建設(shè)不可避免會影響場地附近的珊瑚礁生長，但不能因橋梁建設(shè)而破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。故無論是橋梁設(shè)計(jì)方案、還是施工方案的選擇，均應(yīng)按影響珊瑚礁生態(tài)環(huán)境最小化的措施進(jìn)行，以保護(hù)自然環(huán)境。

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Engineering Geological Characteristic and Evaluation for Construction Site of Cross-sea Bridge in Male-Airportisland

LU Chao-jian,LUOHui
(CCCC Second Harbor Consultants Co.Ltd.,Wuhan 430060,China)

In this paper,the sampling drilling,geotechnical testing,in situ testing,geophysical prospecting,geological survey,and other means have been used to reveal the engineering geological characteristic and evaluation for construction site of cross-sea bridge in Male-Airport island.By that,we find out the construction of the bridge site topography and geological structure features.Won a loosely coral sand,reef limestone strata characteristics.The physical and mechanical characteristics of reef limestone was carried out by test analysis, mastered the physical and mechanical characteristics.Finally,combining with the engineering properties ofrock and soillayer,bad geological effect and stability in jobsite,the bridge construction site engineering geological suitability is evaluated.Research conclusion reveals the coral reefsin geotechnical engineering geological properties,can provide beneficial reference for the future similar projects construction.

cross-sea bridge;coralreefs;geological characteristics;suitability

TU422.2

A

1007-9467(2016)05-0071-04

盧超健（1975～），男，湖北武漢人，工程師，從事工程地質(zhì)研究，（電子信箱）244593421@qq.com。

2015-12-26