斷裂發育區大型橋梁工程水上勘探技術研究

蘇海亮

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

1 前言

我國高速公路近年來得到了快速發展，越嶺和跨江、海公路建設都需要大跨徑橋梁工程的建設。活動性斷裂是橋梁工程建設中經常遇到的不良地質之一，它對橋址區的選擇、樁基類型及樁基持力層起著決定性的作用。近年來，學術界對橋梁工程斷裂發育區勘察方法和手段進行了深入研究[1-2]。本研究以廣東省斷裂發育區某跨江大型橋梁工程為例，對復雜的跨江橋梁的勘察進行分析，旨在為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

2.1 工程規模

項目采用雙向六車道的一級公路標準，設計速度為80 km/h，特大橋采用主跨為700 m的斜拉橋方案，全長2 199 m；其中主橋橋跨組合60 m+176 m+700 m+176 m+60 m，主橋起止樁號K1+104～K2+276，長1 172 m。

2.2 區域概況

擬建橋梁選址地處平原、河谷和丘陵地貌交匯處，跨越江面寬約1 000 m的西江主干流，區內地質構造復雜，處于北東向與北西向斷裂構造交匯區，北西走向之西江斷裂。該斷裂北自四會往南東經鶴山、江門至珠海磨刀門延伸入南海，長約200 km。斷裂基本是沿西江下游的北西向河谷地區發育，總體走向北西310°～330°，傾角大于50°。根據斷裂不同段落的幾何形態和活動性可將西江斷裂分成北段、南段和中段，其中北段位于古勞—廣州斷裂以北，主要由兩條斷層組成，主干斷裂偏西，并出現在泥盆系至石炭系中，控制河谷和沖溝的發育；南段位于新會斷裂以南，由多條斷層組成，主要出現在燕山期花崗巖中，控制磨刀門第四紀斷陷的發育；中段位于古勞—廣州斷裂至新會斷裂之間，即鶴山至江門之間，由多條斷層組成，沿西江兩岸分布，出現在古生界和侏羅系、白堊系地層中。

本橋位位于西江斷裂中段即鶴山至江門段。以西江斷裂為界，西南側為老地層，廣泛分布花崗巖，其地層和巖體構造線主要為北北東向，其次為東西向，為山地丘陵區；東北側分布第三系、第四系等新地層，巖層產狀平緩，構造線呈北西向，為三角洲平原區。西江斷裂雖為推測斷裂，但從其兩側地層巖性、構造線方向、地形地貌等均有差異，可證實西江斷裂的存在。在橋位附近區域，如地貌上西江東西兩側截然相反，西側以山地丘陵為主，東側為三角洲平原。

該斷裂在本次勘察中發現部分構造形跡，如在江門岸橋址。經過地質調查，出露的地層為白堊系紅色粉砂巖，巖層產狀走向北西300°，傾向北東30°，傾角65°；節理發育，產狀走向北西300°，傾向北東32°，傾角70°；斷裂切割白堊系紫紅色砂巖，斷裂走向北西320°，傾向南西，傾角65°。斷裂帶中構造片理、劈理、壓扁狀和透鏡體狀石英脈發育，巖體構造透鏡體普遍發育，巖石節理化、擠壓破碎現象明顯。

順德岸橋址附近潭窯山、了哥山、星槎等地出露明顯構造跡象，發育強烈的構造角礫巖，構成斷層三角面或斷層崖。在了哥山，斷裂切割白堊系紫紅色砂巖，斷層破碎帶寬40 m，以壓應力作用為主，導致巖石脆性破裂的形成，由碎裂巖至角礫巖組成，其內間有糜棱巖帶，每條糜棱巖帶寬30～60 cm，斷裂走向北西320°～330°，傾向南西，傾角60°～77°。在了哥山斷裂帶內存在多條高角度構造斷面，組成疊瓦狀構造，斷裂總體表現為：早期可能發生自西南向東北方向的高角度擠壓逆沖運動，中至后期則以拉張作用為主。從不太發育的斷層階步可證明，斷裂早期活動兼有左旋滑動，但滑動量不大，最新一次活動則以高角度傾滑為主。地質調繪結果表明江門岸與順德岸的斷裂走向與西江斷裂吻合。

根據江門岸殘丘出露的斷裂及江門岸江邊鉆孔揭露的斷層角礫巖都是西江斷裂的次級斷裂活動所致，是西江斷裂存在的重要依據。

根據1∶25萬珠三角地質資料，橋址上游江心洲出露走向北西約320°、傾向南西、傾角約為70°的斷裂，該斷裂順江延伸后為第四系覆蓋，走向與西江斷裂吻合，為西江斷裂的組成部分，推測為西江斷裂的主斷面。橋址順德岸北側發育走向北東、傾向南東、傾角約為30°的斷裂，向河床延伸，與橋位走向呈小角度相交。在靠順德岸主墩水中鉆孔QZK12、QZK13揭露的構造角礫巖，證實了該斷裂向河床延伸，是西江斷裂的配套構造，該斷裂對橋址的選擇和方案起決定性作用。

3 水文地質與工程地質

3.1 水文地質

橋位地下水主要為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。由于地處西江主干流，地下水與河水有密切水力聯系，但地下水主要靠大氣降水補給。第四系海陸交互相的細砂層和河流相的砂礫、卵石層為主要含水層位，基巖裂隙水分布于低緩丘陵區，因植被稀少，大氣降水難以補給地下水，因此水量貧乏。

3.2 工程地質

根據區域地質資料結合勘探成果，橋位地層巖土性較為復雜，第四系覆蓋層發育不均勻，一般厚7.50～58.0 m，順德岸厚度大于江門岸，覆蓋層由表層素填土、耕植土和三角洲相淤泥、淤泥質土、粉砂以及河流相粉質黏土、砂礫層等組成，但以三角洲相淤積層為主，河床兩岸軟土分布較廣泛，厚度較大；基底以白堊系紫紅色粉砂巖、礫巖及其風化層為主，局部有砂巖，基巖面起伏較大，基巖頂面標高-10.39～-62.05 m，埋深13.60～63.3 m，巖石強度大，但江門岸巖石風化不均勻現象明顯，橋臺附近中風化層厚。受后期構造應力的影響，局部巖石具片理化、碎裂化等現象，巖石完整性較差，強度明顯降低。

4 勘察技術與創新

4.1 多手段綜合解譯區域構造

擬建橋梁是一座地處地質構造發育的過江大型橋梁工程，橋位選擇的關鍵是如何選擇從斷裂帶發育相對較弱處通過，而使用何種勘察手段探明水域橋址區的斷裂構造是本工程最主要的技術難點。本項目采用小型無人機航拍配合衛星遙感影像的方法進行區域地質構造分析，并引用國內先進的水域走航式地震反射波法，共布置順江19條測線和橫江3條測線。根據物探成果，上下游50 m測線的地震反射波時間剖面與中軸線的地震反射波時間剖面大體一致，在里程樁號約K1+580處(江中間)出現明顯的傾斜同相軸，從該處附近的順江V8～V9線時間剖面，地層同相軸被明顯切斷，該異常處往江門方向水底下可見基巖同相軸，水底下覆蓋層較薄，基巖埋深較淺；往順德方向除水底多次波外未見明顯地層反射同相軸，說明該段的土層較均勻，波阻抗差異小，覆蓋層較厚，基巖埋深大。根據出現異常的位置分析，判斷斷裂位置在V8、V9測線中間，為西江主斷裂，走向約300°，斷裂呈高傾角，傾向南西。

據在與橋址區同屬西江斷裂中段的九江、了哥山、岐祥里、橫坑里等地采集的斷層樣品進行熱釋光年齡測試(TL)，九江河段的斷層泥樣品測年為距今4.42±0.34萬年，了哥山分別為距今4.95±0.43萬年,9.77±0.76萬年，14.66±1.2萬年；岐祥里分別為距今9.50±0.55萬年，10.06±0.81萬年；橫坑里為距今4～5萬年，9～10萬年，13～15萬年和26～30萬年等4個活動時期，說明西江斷裂中段在更新世晚期至晚更新世中晚期曾發生過多次較為強烈的活動，西江斷裂中段最新一次活動時期在晚更新世中晚期(距今4～5萬年)，根據其年齡，屬非工程性活動斷裂，區域穩定。對擬建橋位場地穩定性沒有構成直接影響。

該方法有效查明了橋址區斷裂的分布特征，解決了工程建設中橋梁選址及設計、施工方案等重大基礎地質問題，形成了跨江斷裂發育區大型橋梁工程的水上勘探關鍵技術。

4.2 改進復雜地質條件下深水區勘探控制技術

橋址所處河段江面寬，江水湍急，最大水深約30 m，河床卵石厚約20 m，基巖破碎。鉆探平臺為采用駁船改裝而成，勘探過程常受涌浪影響導致套管折斷，卵石層及基巖漏漿，鉆進困難，勘探工作多次中斷。針對套管受涌浪影響易折斷問題，首次提出采用了嵌套式套管方法，使工作套管與外層套管之間有20 cm的空間，可以解決由于涌浪引起的平臺搖擺導致的套管折斷問題。

4.3 信息化勘察

本項目勘察采用了信息化管理平臺，將衛星定位技術與野外地質調繪、鉆孔編錄結合在一起，改變了傳統的勘察作業模式，實現無紙化電子編錄。鉆探巖芯揭露的地質信息、鉆孔位置、采用的鉆機類型、鉆進方法、鉆進施工時間、水位特征、樣品采集和原位測試等資料在野外編錄完成后及時上傳至互聯網服務器，為項目審核人員的審核、設計人員的利用及時提供資料，實現項目基礎地質資料的動態管理。

4.4 三維地質建模

本項目結合鉆探成果和收集的其他相關資料，利用地質地層數學推演模型，使用BIM技術和三維仿真技術構建工程走廊帶區域內全三維地質信息模型(BIM模型)，并實現靈活、精確的斷面剖切與三維體剖切功能，改變了以往工程地質地層成果信息更多依賴人工根據有限勘察、勘探資料憑經驗推演的方式，實現基于BIM的立體勘察和管理，為勘察方案優化和科學決策提供依據，為勘察質量管理提質增效。

5 結語

對斷裂發育區橋位的選擇及避免坐落在不良地質體中，采用先進的勘察技術方法探明橋位工程地質、水文地質條件，對工程的影響是深遠的。針對本項目地質構造發育水深流急等難重點，采用小型無人機航拍配合衛星遙感影像圖的方法進行區域地質構造分析；首次應用基于互聯網的公路工程地質鉆探信息采集系統；采用國內領先的水域走航式地震反射波法探測水文復雜條件下隱伏斷裂；應用三維地質模型為勘察質量管理提質增效。勘察的成果資料對場地的工程地質條件評價恰當，建議合理，為設計和施工提供了準確可靠的地質依據。該技術的應用有效減少盲目布置鉆孔及濫用常規物探，減少勘察費用。同時準確探明橋位樁持力層，減少變更，有效控制了工程建設費用，為今后跨江、海斷裂發育區橋位勘察積累了成功經驗。