產(chǎn)運節(jié)，張建，張鵬

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

1 概述

杭州灣是舉世聞名的強潮海灣，其海域分布著較為廣泛的淺層天然氣［1］，對跨海大橋工程的勘察設(shè)計和橋梁基礎(chǔ)施工具有十分顯著的影響，甚至會引發(fā)安全事故或?qū)е鹿こ淌В?］。我國沿海水利工程建設(shè)過程中曾出現(xiàn)淺層氣逸出造成工程災(zāi)害的實例［3-4］，但跨海鐵路工程鮮有淺層氣噴發(fā)的文獻報道。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)量和安全運營的前提條件。

孔壓靜力觸探技術(shù)（Cone Penetration Test with Pore Pressure，簡稱CPTU）是1980年代逐漸興起的新原位測試技術(shù)，其增加的孔壓傳感器可以更準確地測定更多的參數(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，我國學者開展了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、土體工程特性評價、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、量測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析評價系統(tǒng)等3個相對獨立的部分。貫入設(shè)備負責將探頭以準靜力勻速貫入待測土體中；量測系統(tǒng)通過靜力觸探探頭、儀器采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析評價系統(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)工程實踐［7］。

以擬建杭州灣某跨海高速鐵路特大橋為例，工程位于杭州灣跨海公路大橋上游2~15 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、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)情況的時空分布規(guī)律，獲取橋址區(qū)域含氣土的工程力學特性，探究海底淺層氣地層對橋梁設(shè)計、施工和運營造成的潛在影響，并提出工程設(shè)計、建設(shè)和運營對策。

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CPTU調(diào)查站位，其中3個站位同時開展淺層氣溫壓測試，1個站位開展電阻率測試（見圖1，紅線標示為站位，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）的靜力觸探儀對研究區(qū)域進行勘察。使用標定儀對探頭的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力和孔隙水壓力等3組傳感器進行校驗和標定；利用真空飽和儀對探頭的孔隙水壓力傳導(dǎo)艙進行真空除氣，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)平臺上進行接桿，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、溫度傳感器檢測出對應(yīng)位置氣、液的壓力和溫度，并傳遞給控制器。溫壓測試結(jié)果見表2，淺層氣主要分布在35~40 m。

表2 溫壓測試結(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土分類，對土類進行命名［10］（見表3）。

表3 中國土分類與Robertson分類方法對應(yīng)關(guān)系

3 CPTU勘察成果分析與運用

3.1 CPTU與地勘鉆孔結(jié)果對比

由于鉆孔遇氣將中止鉆進并回收，其土層劃分很難全部達到全鉆深度。將CPTU分層結(jié)果與附近全鉆深度孔位的土層劃分結(jié)果進行對比，各站位處土層范圍分布情況與周邊鉆孔勘測結(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ASTM分類標準［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)更為細致，部分薄層和夾層比鉆孔分層更清晰，且對于砂與細粒土的層位劃分更加準確（見圖4）。

圖4 CPTU地層劃分

3.2 麻坑內(nèi)外CPTU數(shù)據(jù)對比

海底麻坑是指海底坑洼地貌，是深部流體在海底強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個月后對噴發(fā)的鉆孔進行物探，可發(fā)現(xiàn)海底麻坑（見圖6）。

圖5 淺層氣噴發(fā)實景

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)對比見圖7。

圖7 HJD-9站位與HJD-10站位CPTU數(shù)據(jù)對比

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，進而影響固液氣三相的組合形式，使土體的物理力學性質(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)致土層整體強度下降，但該層麻坑內(nèi)外錐尖阻力差別不大；從砂土相對密度上來看，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。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)在這一層位對應(yīng)情況不是很好，特別是孔壓數(shù)據(jù)過大，推測是受淺層氣壓的影響。

結(jié)合現(xiàn)場勘察、溫壓測試、CPTU測試土層劃分結(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，對工程影響較小；淺層氣富集于中密-密實狀態(tài)的粉砂層中，大多以單個砂體存在，氣藏量不大，屬常壓氣藏。個別氣藏由多個含氣砂體錯疊連接而成，儲氣量相對較大［14］，在橋梁設(shè)計、施工時應(yīng)注意。

3.4 含氣土層特性及其應(yīng)對措施

CPTU可真實反映錐尖阻力和側(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。當土的飽和度改變時，氣相在土體中的賦存狀態(tài)也會發(fā)生變化，正是這種變化直接影響著非飽和土的力學性質(zhì)。

通過對此跨海高速鐵路特大橋沿線底部儲氣砂土開展試驗研究，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僅為氣藏總厚度的1‰~5‰，砂土抗剪強度提高約10%，控制性放氣措施可有效減小儲氣層土體的沉降；氣體釋放將引起樁身負摩阻力產(chǎn)生，無控放氣將比有控放氣措施引起更大的基樁負摩阻力與土層沉降。

3.4.2 淺層氣對工程的影響及對策

淺層氣對打入（沉管）樁施工的影響較小，但對鉆孔樁施工的影響較大。因此應(yīng)采用積極主動的控制性放氣措施，預(yù)防淺層氣對樁基施工與承載性能的不利影響。同時，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。當采用鉆孔樁施工時，施工前應(yīng)主動采取控制性放氣措施，同時增大樁端阻力或側(cè)阻力，以增加樁基的承載力，確保工程安全。

（4）項目運營期間，應(yīng)建立運營安全監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測和評估橋梁狀態(tài)，為橋梁運營維護提供保障。