新建鐵路荊岳線公安長江大橋工程地質條件研究

孫寶忠　施紅藝

(中鐵工程設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便捷的聯絡通道，是焦柳線、滬漢蓉鐵路和京廣線三線間的聯絡通道，是我國北煤南運蒙西至華中地區鐵路煤運通道的重要組成部分。建設荊岳線，對于改善沿線交通運輸條件，聯絡區域旅游資源，促進沿線旅游事業發展，完善路網布局和綜合交通體系，加強戰備及長江防洪、抗洪、快速疏散轉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，主橋結構采用主跨(98+182+518+182+98) m鋼桁梁斜拉橋+4×94.5 m連續鋼桁梁。作為特大型過江橋梁，工程地質條件研究是公安長江特大橋重要基礎課題，地層巖性，地質構造，水文地質條件，持力層分析，橋基礎類型確定，工程地質條件的優劣直接影響大橋的橋梁位置選擇、實施和造價。

1　工程地質條件

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，多被辟為農田，植被發育，地面高程一般為30～36 m。兩岸溝、塘較為發育，水深一般小于2 m。

1.2　區域地層

工程場區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系。

(1)全新統

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)：淤泥質粉質黏土、黏土、粉質黏土，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

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

(3)中更新統

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

(4)下更新統

(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，局部夾泥灰巖，近場區厚約300～700 m。

1.3　地質構造

區域大地構造上，工程場區位于江漢-洞庭差異升降區的江漢凹陷區東南隅，近場區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°，發育于公安單斜帶中，切割白堊系地層，最大傾滑復合斷距達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，亦為蓋層滑脫構造，并且未切割上復第三系、第四系地層，屬前新近紀構造[2]。

1.4　地震地質特征

根據資料[3]，地震動峰值加速度為0.05g，與之對應橋址區抗震設防烈度為Ⅵ度，設計地震分區為一區。對橋址區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，岸坡穩定性較差，易垮塌；公安岸(南側)為淤積岸，土質邊坡，岸邊發育有寬約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　地質構造

1.6　橋址區地層

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

①第四系全新統地層黏性土

淤泥質粉質黏土、粉土、黏土、粉質黏土為流塑-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第四系上更新統地層黏性土

粉質黏土、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　工程地質層特征

2　水文地質條件

根據地下水埋藏條件，橋址區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上部地層，含水介質為黏土、粉質黏土及淤泥質土，其滲透性差，滲透系數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系。

2.3　水質評價

據本次勘察所取地下水和地表水水質分析結果，按照《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2007)附錄F環境水、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　不良地質和特殊巖土

3.1　岸坡失穩

橋址區江陵岸邊坡較陡，為土質岸坡，其成份以粉質黏土和粉土為主，含較多粉粒，由于常年受長江水浸泡和降水影響，其土質一般較軟。粉質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，易發生小規模塌岸現象，局部重復塌岸可能危及長江干堤安全。

3.2　砂土液化

橋址區地面以下15 m范圍內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范圍內的粉土和砂層進行砂土液化判別，結果顯示：當地震烈度為Ⅶ度時，場區內地面以下15 m范圍內的①1粉土、①2細砂、①5粉砂、②1粉砂、②2細砂層多會發生地震液化。

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地段。長江南側的兩道子堤及干堤地質條件也易于發生管涌，但其易發性低于荊北干堤。擬建橋梁的施工將破壞地表硬殼層，使發生管涌的可能性增大。

3.4　軟土

橋址場區內不均勻分布有淤泥質粉質黏土層，尤其是北引橋段的長江干堤兩側有較多分布。該層淤泥質粉質黏土主要呈灰色、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。其工程性質一般為：含水率W=40.5%，孔隙比e=1.095，壓縮系數a1-2=0.64 MPa-1，直剪快剪cq=13.8 kPa，φq=6.9°，無側限抗壓強度qu=45 kPa，靈敏度St=1.63～3.29(主要為中靈敏性軟土)，超固結比OCR=0.51～0.99(局部為近期填塘而成，多呈欠固結狀態)，具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度等軟土特征。

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

4　工程地質條件評價

4.1　場地穩定性及適宜性評價

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，屬前新近紀構造，對大橋影響甚微。

擬建場地斷裂構造以前第四紀斷裂為主，近場區及近鄰地帶歷史地震活動水平強度、頻度均較低，現代地震活動呈較低水平[2]，場地相對穩定。

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，地質條件較好，適宜大橋建設。

4.2　場地土類型

根據勘察7個鉆孔剪切波速測試結果統計，場區淺層土剪切波速Vse=119～187 m/s，場區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

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

4.5　持力層選擇

根據場地工程地質條件和擬建橋梁工程特點，建議采用摩擦樁基礎，樁尖埋深應結合橋梁結構形式、基礎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以②、③層下部的碎石土層作為主要持力層，基礎樁尖應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，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持力層。

5　結束語

5.1　地震動參數

據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)，湖北江陵、公安地震動峰值加速度為0.05g，與之對應橋址區地震基本烈度為Ⅵ度。但區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，橋梁設計時應根據地震安全性評價復核后的烈度及測定的設計地震動參數進行抗震設計。

5.2　砂土液化

根據液化判別結果顯示，當地震烈度為Ⅶ度時，場區內地面以下15 m范圍內的粉土、粉砂、細砂層多會發生地震液化，大橋設計須考慮采取措施消除地基液化影響，相關設計參數須按規范進行相應折減。

5.3　軟土震陷

橋址區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《工程地質手冊》(第四版)相關規定，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，施工時應采取相關防護措施。

5.5　鈣質膠結層

橋址區內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層粉質黏土多微膠結，局部泥鈣質膠結呈10～30 cm半成巖狀膠結層，質較硬，樁基施工時應予重視。

[1]中鐵工程設計咨詢集團有限公司，新建鐵路荊州至岳陽線初步設計第一篇(總說明書)[R].北京：中鐵工程設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 中國地震動參數區劃圖[S]

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

[5]中鐵工程設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)工程地質勘查報告[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2011

[6]GB 50021—2001 巖土工程勘察規范[S]