鄭焦城際鐵路黃河特大橋工程地質條件研究

張勞恩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

隨著我國鐵路建設的高速發展，鐵路跨越大江大河成為了工程師們必須面對的問題。已有許多學者對鐵路跨越大江大河的勘察、設計及施工進行了相關研究。胡輝躍對三門峽黃河公鐵兩用大橋主橋鋼桁結合梁設計進行了介紹[1]；高永強從橋位選擇、橋型選擇、橋梁結構、施工方案、運營期間檢測監測等方面，對石濟客運專線黃河特大橋總體建設方案進行了總結[2]；甘森林等對沿江沖積平原區某鐵路特大橋勘察進行了研究，認為下臥軟弱地層、液化效應是沖積平原區特大橋勘察的重點和難點[3]。另外，孫寶忠等基于某特大橋橋址區的地層巖性、地質構造、巖土體特征、水文地質、不良地質、特殊巖土、地震參數、場地類別、場地抗震地段劃分等特征，對其場地穩定性及場地適宜性等工程地質問題進行了定性分析[4]；趙明東認為，鐵路選線應繞避大面積地面沉降區，以降低鐵路建成后的運營風險和后續處理地面沉降的巨額投資[5]。基于前人的研究，結合鄭焦城際鐵路黃河特大橋橋址區的場地情況，采用現場調查、鉆探、物探、原位測試和數值模擬相結合的綜合勘探方法，對橋址區的工程地質條件進行深入分析，以達到確定橋位、優化橋梁結構及降低造價的目的。

1 橋址區基本情況

1.1 鄭焦鐵路概述

新建鄭州至焦作城際鐵路(以下簡稱“鄭焦鐵路”)位于河南省西北部，從京廣鐵路鄭州站引出，跨越黃河進入焦作市境內，見圖1(紅色線為鄭焦鐵路，藍色線為南水北調工程)。線路全長約78 km，鐵路等級為城際鐵路，設計速度為250 km/h。黃河特大橋是鄭焦鐵路的控制性工程，全長9 292.4 m。

圖1 鄭焦鐵路及黃河特大橋橋位示意

1.2 地形地貌

焦作市修武縣以南廣大區域為沖積平原區，地面高程為70～100 m，地勢平坦開闊，表層為第四系全新統硬塑狀粉質黏土、粉土，一般辟為耕地。跨越黃河后，線路西南部為邙山黃土丘陵區，地面高程一般為200～400 m，相對高差80～150 m，沖溝發育，局部地帶有沖洪積洼地分布。橋址區地形地貌見圖2。

圖2 橋址區地形地貌

1.3 地層巖性

采用深孔鉆機，搭設水上鉆井平臺，對橋址區的地層情況進行勘探，鉆孔深度為120～150 m。根據鉆孔揭示，橋址區勘探深度范圍內主要為第四系全新統、第四系上更新統沖積層和第四系中更新統洪積層。根據各土層沉積特點，劃分為三大主層。按沉積新老順序及各土層分布特點(圖3)，各地層主要特征如下。

(1)第四系全新統沖積層

①2粉土：黃褐色，稍密，稍濕-飽和，土質均勻，層厚2.1～8.4 m，橋址區均有分布。

①3粉砂：黃褐色，稍密-中密，飽和，主要成分以長石石英為主，含少量云母碎片，在橋址區呈透鏡狀分布，厚2.8～10.8 m。

①4細砂：黃褐色，稍密～中密，飽和，主要成分以長石石英為主，含少量云母碎片，在橋址區均有分布，該層厚度較大，厚10～52.8 m，未揭穿該層。

①5粉質黏土：淺灰色、黃褐色，硬塑-堅硬，含少量黃色銹斑及鐵錳質斑點，含少量姜石，在橋址區呈透鏡狀分布，厚1.2～4.7 m。

①6粗圓礫土：雜色，密實，飽和，次圓狀，成分以石英砂巖為主，見少量灰巖，直徑10～40 mm，砂質充填，含量30%～40%，厚10.5 m。

①7中砂：黃褐色，密實，飽和，成分以石英、長石為主，局部夾黏土薄層，在橋址區呈透鏡狀分布，厚3.2～15.2 m。

②1中砂：灰褐色，密實，飽和，成分以石英、長石為主，局部含小礫石，在橋址區分布較廣，層厚24.4～39.8 m，局部未揭穿。

②2粉土：黃褐色，密實，潮濕-飽和，土質均勻，在橋址區呈透鏡狀分布，厚1.9～3.2 m。

(2)第四系上更新統沖積層

③粉質黏土：黃褐色，堅硬，切面光滑，夾有少量鈣質結核，粒徑2～16 mm，含有鐵錳質斑點，零星分布，含有少量螺殼碎片，在橋址區分布較廣，厚21.7 m。

(3)第四系中更新統洪積層

④粉質黏土：棕紅色、棕黃色，堅硬，上部含有大量鈣質結核，粒徑2～12 mm，最大6 cm，含有少量鐵錳質斑點及條紋，厚43.5 m。

圖3 橋址區地層斷面

1.4 水文地質特征

(1)地表水

橋址區地表水主要為黃河水，黃河在此處寬度為900～1 200 m，水位高程為98.21 m，主槽位于南側，寬約40 m，水深6～7 m，河中多有淺灘。橋位所處河段為黃河下游河道上端，主槽搬動幅度較大，橋位處500 m范圍內有京漢鐵路老黃河橋、既有京廣鐵路黃河大橋、鄭焦及京廣鐵路新黃河大橋三座大橋，水文地質狀況較復雜。

(2)地下水

橋址區地下水類型主要有：第四系松散巖類孔隙潛水，含水層為粉砂、粉土及細砂，勘探期間，地下水埋深1.3～11.1 m，水位高程80.85～94.98 m。

根據區域地質資料，地下水流向為西南至東北，主要以河流側向徑流和大氣降水的形式補給，以蒸發的形式排泄。

1.5 地震動參數

根據《中國地震動參數區劃圖》，結合沿線地形地貌及地質構造特征，橋址區地震動參數劃分如下：地震動峰值加速度為0.15g，地震烈度為Ⅶ度，地震動反應譜特征周期為0.40 s。

1.6 項目難點

橋址區存在區域地面沉降、活動斷裂帶、砂(粉)土地震液化、軟土震陷等多種不良地質，以及人工填土、軟土、松軟土等特殊土，且橋址區第四系土層深厚(大于300 m)，其工程地質條件較為復雜。其中，地面沉降對橋位的選擇影響極大；而地震地質災害評價對主橋的梁型選擇、樁長的確定至關重要。

2 工程地質條件研究

2.1 地面沉降

橋址區處于黃河沖積平原，第四系地層厚度大，沉積地層以砂土(含水層)、黏性土(隔水層)互層為主，由于抽取地下水，形成了以鄭州、武陟、焦作等地為中心的沉降漏斗。線路方案原則上應繞避沉降漏斗中心區域或走在其邊緣。根據既有高速鐵路經驗，鄰近線路的新增水井抽采地下水對鐵路軌道沉降影響較大，應嚴格控制[6-8]。

根據現場調查與資料分析，橋址區的地下水開采以淺層為主[9]，當過量開采地下水形成地下水降落漏斗后，地層應力發生變化，特別是表層軟土受到壓縮，導致地層下陷。

2.1.1 含水層結構特征

結合該區域淺層、中深層地下水的運動特征，對地下水運動進行概化。不難發現，地下水在垂向的運動主要為層間的越流，其流動隨時間和空間發生變化，體現了地下水系統的非均質性和非穩定性。因此，宜將橋址區的地下水系統概化成具有各向異性的空間三維非穩定流。

2.1.2 地下水系統數學模型

根據橋址區的水文地質條件及工程地質條件，采用使用較為普遍的伽遼金法，對滲流區域進行三角剖分，邊界記作R，則三維非穩定流的微分方程為

h(x，y，z，t)|t=0=h0

(1)

式中，Kx、Ky、Kz、Kn分別為x、y、z、邊界法向方向的滲透系數；S為自由面以下含水層儲水系數；ε為分含水層的匯源項；h0為含水層的初始分布；h(x，y，z，t)為某點在t時刻的含水層分布；R1、R2為滲流區域的側邊界、下邊界；q(x，y，z，t)為單寬流量。

模擬過程可劃分為12個時段，每個時段為一個月，將水位觀測資料作為計算的初始水位賦給模型。然后，將觀測井的觀測值與模型預測值進行擬合，不斷調整其參數，使得擬合結果達到預期。最后，采用FEFLOW及Sufer軟件對水位、高程等數據進行處理，即可獲得橋址區地下水的變化情況。

通過計算，在現有開采條件下，橋址區地下水水位呈整體下降的趨勢，下降速率為5～25 mm/a(圖4)。

由圖4可知，在橋址區西側，地下水下降速率較大，一般為15～20 mm/a；在橋址區東側，地下水下降速率較小，一般為5～10 mm/a。由此可見，橋位應盡量靠東，以減小地下水位變化對橋梁工程的影響。

圖4 橋址區地下水位下降情況示意(單位：mm)

2.1.3 地面沉降計算

根據土力學相關原理，開采地下水引起的地面沉降可分為黏性土層的變形與砂層(含水層)的變形。

砂土層的變形量為

(2)

式中，S砂總為砂層總沉降量；E為壓縮模量；ΔPi為水位變化引起的砂層附加荷載；Hi為砂層的分層厚度。

黏性土層的變形量為

(3)

式中，S總為黏性土層總沉降量；αvi為土層的壓縮系數；eoi為初始狀態土層孔隙比；ΔPi為水位變化引起的土層附加荷載；Hi為砂層的分層厚度。

由式(2)、式(3)可知，土層的總沉降量為

S總=S砂總+S黏總

(4)

計算表明，現狀條件下地下水抽采10年，因開采淺層地下水引發的地面沉降量為4.75～16.23 mm，開采中深層地下水引發的地面沉降量為31.35～61.23 mm，產生的總沉降量為36.10～77.46 mm(圖5)，平均沉降速率為3.61～7.74 mm/a。

圖5 橋址區沉降分布示意(單位：mm)

由圖5可知，橋址區西側的地面沉降速率較大，一般為2～3 mm/a，最大為7.74 mm/a(主要為開采中深層地下水所致)；橋址區東側的地面沉降速率較小，一般為1～2 mm/a。由此可見，橋位應盡量靠東，并遠離中深層地下水開采井，以減小地面沉降對橋梁建設的影響。

2.1.4 地面沉降小結

根據研究成果，除橋址區西部沉降漏斗區域外，其余區域沉降量均較小；橋址區附近有運行多年鐵路、公路的橋梁工程，也暫未發現遭受不均勻沉陷地質災害。故認為橋梁工程受地面沉降影響的危險性較小。另外，考慮既有京廣鐵路黃河大橋因病害嚴重需拆除(本橋需一次建成四線鐵路特大橋)，最終選擇的橋位位于既有京廣鐵路鄭州黃河大橋下游約110 m處，以盡量避免既有京廣鐵路的遷改。

2.2 地震地質災害

根據本工程所處地理位置、地質條件以及地形、地貌特征，該工程場地需要考慮的主要震害為飽和砂土的液化、軟土震陷及活動斷裂等。震害評價對主橋的梁型選擇、樁長的確定至關重要。因此，采用綜合勘察的方法對其進行深入研究。

2.2.1 飽和砂土液化

鄭焦鐵路黃河特大橋為國家重大工程中的甲類建筑，其橋址區上覆地層中普遍存在第四系全新統地層，地表下20 m深度范圍內存在較厚的飽和粉細砂層，橋址區處于抗震設防Ⅶ度(地震動峰值加速度0.15g，地震動反映譜特征周期0.55 s)區，根據GB50011—2001《建筑抗震設計規范》，對該擬建工程需考慮飽和砂土的液化問題[10-11]，且從安全的角度還應將其烈度提高1度(Ⅷ 度)進行判定。

當實測剪切波速Vs大于土層剪切波速臨界值Vscr時，可判別該層為不液化。

對于砂土，有

(5)

對于粉土，有

(6)

式中，ds為砂土或粉土剪切波速測點深度；Kc為經驗系數按表1取值，計算得到橋址區20 m范圍內飽和砂、粉土的液化判別結果見表2。

表1 剪切波速臨界值經驗系數

表2 橋址區20 m范圍內土層的液化判別結果

研究表明：設計烈度為Ⅷ度時，橋址區4～20 m深度內的飽和粉土、砂土層均為可液化土層。故可判定該橋址區存在液化潛勢[12]。另外，根據剪切波速結果，可判定橋址區場地類別為Ⅲ類，場地土類別為中軟土。

2.2.2 場地軟土震陷評價

軟土主要由淤泥、淤泥質土、泥炭質土、有機質土或其他高壓縮性土組成，軟土能否發生震陷，與土層承載力標準值和平均剪切波速有關，按照相關研究[13-15]，當地基承載力標準值或平均剪切波速滿足表3時，可不考慮震陷的影響。根據勘察資料，黃河特大橋橋址區地表下20 m深度范圍內，存在厚5～13 m的松軟土層，故需考慮軟土震陷對擬建工程的影響。從本次鉆孔波速測試結果看，按Ⅷ度考慮時(設計烈度提高1度)，橋址區部分土層剪切波速值及標準承載力值小于表3中所列值。因此，部分區段粉土層存在震陷的潛勢(表4)，需考慮軟土震陷問題對擬建工程造成的危害[16-19]。

表3 震陷影響判別標準

表4 橋址區地層震陷評價

2.2.3 活動斷裂的影響

新構造期以來，場址區由前期的斷陷轉化為更大范圍的坳陷，第四紀以來一直處于穩定沉降狀態。地表為第四紀地層所覆蓋，均為沖積-湖積相沉積。

新鄉—盤古寺斷裂、薄壁斷裂、新鄉—商丘斷裂和上街斷裂均穿越了擬建鐵路線，但與橋址區距離均大于1 km，這兩條斷裂晚更新世晚期以來均未見明顯活動跡象，未來百年斷裂的構造活動形成地表破裂的可能性不大[20-21]，故判斷其對橋梁工程影響較小。

老鴉陳斷裂展布于橋址區東側(距橋位最近處約200 m)，為一走向北西、傾向北東的正斷裂，地震勘探揭示，斷裂兩側奧陶系灰巖頂板反射界面明顯斷錯，并控制了下第三系堆積，南北兩剖面基巖垂直斷錯分別為200 m和400 m，在第四系地層中未發現斷層引起的地層斷錯現象(圖6)。綜上，可判斷該斷裂為非全新活動斷裂(僅1萬年前活動過)，且距離橋位相對較遠，故認為其對橋梁工程影響不大。

圖6 鄭州老鴉陳村淺層地震解釋剖面(單位：m)

2.2.4 地震地質災害勘察小結

該工程所處地理位置接近黃河風景區，黃河在此處寬度為900～1 200 m，水深6～7 m，地層以松軟土、軟土為主，且存在地震液化、軟土震陷、活動斷裂等地震地質災害。因此，建議橋位遠離活動斷裂帶；采用大跨度(大于100 m)鋼梁跨越黃河主河道，以減少水上施工的工程量。另外，應采取適當增加樁長等措施，以克服砂土液化、軟土震陷的影響。

3 結論與建議

(1)橋址區處于黃河沖積平原，第四系地層厚度大，線路方案原則上應繞避沉降漏斗中心區域，并應根據計算結果，選擇地下水位變化速率小、地面沉降少的區域通過。

(2)當橋址區場地土類別為中軟土，且設計烈度為Ⅶ度以上時，需重點關注地震地質災害對橋梁的影響。主橋部分應盡量采用國內成熟應用的大跨度鋼結構形式，并滿足黃河防洪、通航的技術要求。另外，應采取適當增加樁長等工程措施，以減弱地震地質災害的影響。

(3)對于地質條件復雜場地，由于單一的勘察方法均有其自身的局限性，故應采取多種勘察方法進行綜合勘探，重點查明橋址區的場地穩定性，為橋梁的選址、布跨、基礎設置提供可靠的地質資料。

(4)通過對橋址區域的綜合勘察，鄭焦鐵路黃河橋橋址選在距既有京廣鐵路黃河大橋下游110 m處，主橋采用11聯2×100 m下承式連續鋼桁梁(圖7)，橋梁樁基采用了鉆孔灌注樁，樁長105～115 m。

該橋于2015年投入運營，運營監測表明，該橋的沉降變形、結構變形均在允許范圍內，健康狀況良好。