對淺層氣不良地質條件下跨海高鐵大橋的地質勘察

張 鵬

(中國鐵路設計集團有限公司 天津 300251)

1 引言

隨著我國高鐵建設的高速發展，工程場地條件越來越復雜，高鐵建設場地逐步由平原、山區、大江大河向復雜山區、海洋等惡劣場地條件延伸。更加深入地了解淺層氣不良地質條件下跨海高鐵的建設，是工程師們必須面對的問題。何財基[1]等運用地球物理調查的方法，初步查明了拉林鐵路米林隧道有害氣體成因及處置措施。李好強[2]等研究了含氣地層的土力學性狀與樁基危害影響，從力學角度研究了含氣土層對跨海高鐵大橋的成樁及運營期間樁基的影響。郭愛國[3]等通過對淺層氣進行地球化學分析，研究了淺層氣的化學成分及形成原因。

2 工程概況

跨海高鐵工程跨海段長達29 km，在海床以下的土層中，普遍存在淺層氣。淺層氣主要聚集于晚更新世及全新世濱海相軟土層下的砂層較高部位，含氣砂層厚度一般不超過5 m，平面形態多呈帶狀或串珠狀分布，長軸方向與古河道方向基本一致(NEE向或EW向)。特大橋避開淺層氣發育帶的可能性不大。跨海特大橋海區分布的淺層氣在局部有富集成高壓淺層氣的可能。

3 研究方法與技術路線

3.1 地球物理探測

(1)測線布設

調查以大橋軸線為中心，左右各平行布設5條測線，測線間距為50 m，走廊帶寬度為500 m，主測線共11條，測線總長度為240.8 km。檢測線垂直于軸線布設，測線長度為500 m，間距為1 km，檢測線共11.5 km。測線布設見圖1。

根據現場調查情況，適當進行測線加密。

(2)調查程序

淺地層剖面探測:Benthos CAP6600淺地層剖面系統探測時，換能器固定采用懸掛式安裝，工作頻率選擇2～7 kHz。為了減少噪聲，船速控制在4～5 kN以內，基本保持勻速航行。

單道地震:正式工作前在工作水域進行儀器性能檢驗與地層位穿透試驗，在Boomer、Sparker和GI槍中選擇合適的震源，震源和接收電纜分別拖曳于調查船左右兩側。根據水深、底質條件調試儀器，選擇最佳工作參數，確認儀器工作正常后開始正式工作。

3.2 含氣土工程力學性狀研究的技術路線

擬采用非飽和土力學試驗手段，多學科交叉如物理、化學、力學與樁基理論等思路，以及模型試驗、理論分析與數值仿真相結合的研究方法。

(1)根據工程地質勘察報告提供的土層分布特征以及對大橋橋址區域淺層氣成因與分布成果，結合非飽和土力學理論對淺層氣在土層的貯存狀態和形式進行分析，建立非飽和含氣土的力學模型，從理論上探討含氣土體與飽水土體工程力學性狀的差異、高壓氣體釋放過程中土體的抗剪強度與變形特性以及對樁基承載性能的影響及變化趨向。

(2)開展非飽和含氣土的室內試驗。選用符合該工程工況條件的土類，針對砂土在不同飽和度與上覆荷載工況條件下，考慮不同孔隙氣壓力大小與變化速率，獲取含氣土物理力學指標與土類、氣壓水平、氣體釋放速率的相互關系。

(3)通過設計加工非飽和相關設備，在獲得非飽和海相砂土上覆軟土工程特性的基礎上，通過模擬非飽和海相砂土氣壓不同釋放水平和速率條件下的土體沉降量與力學指標變化，分析非飽和海相砂土的孔壓釋放對軟土工程特性的影響。

(4)在上述研究成果的基礎上，提出原位試樁的檢測內容與相關技術要求，分析論證淺層氣對特大橋工程的危害形式與機理，并提出相應的災害防治對策與處理措施。

4 取得的成果及分析

4.1 地球物理探測

4.1.1 反射層位劃分

分析調查海域有9組有效反射波組，可劃分為8個物性層。考慮到淺層地震所使用震源頻率較低，主要解決深部地層分析，對極淺部分層的精度較低，而淺地層剖面探測對于小于30 m的界面劃分精度較高，所以海底界面和第一次淺層氣界面的劃定采用淺地層剖面儀探測成果，30 m以下層位劃分采用多道地震調查成果，見圖2。經與鉆孔資料對比劃分，海底面以下120 m以內地層及巖性見表1。

圖2 地震剖面(局部)

表1 地震層序

海底面以下120 m以內地層的分層情況:

T1:層厚4～15 m，主要為粉土，灰黃色，飽和，松散～稍密，夾淤泥質土薄層或混淤泥，易發生液化。

T2:層厚20～45 m，上部主要為淤泥質土夾砂，下部為粉質黏土。

T3:在基巖區缺失，層厚5～20 m，主要為粉砂，灰黃色，飽和，中密，成分以石英、長石為主，含黏粒，局部可見腐木碎屑，整個場區均有分布。局部受淺層氣影響，反射波較凌亂，起伏較大。

T4:全部大部可追蹤，層厚3～35 m，主要為黏土或粉質黏土，局部含粉砂夾層。

T5:層厚一般5～15 m，最大可達25 m，該層以粉砂為主，灰黃色，飽和，密實，成分以石英、長石為主，夾粉質黏土薄層，部分區域為中砂。

T6:層厚10～20 m，主要為黏土或粉質黏土。

T7:以細砂、局部為粉砂和中砂為主。

T8:基巖，根據鉆探結果，主要為中風化花崗斑巖，見圖3。

圖3 淺地層剖面探測到的基巖

4.1.2 淺層氣探測情況分析

根據探測結果，發現淺層氣主要分布于T2和T3兩層。第一含氣層位于T2，在淺地層剖面探測記錄上主要表現為聲波反射雜亂或振幅增強，頂界面深度一般位于海底面以下5～15 m[4]，見圖4。

圖4 淺地層剖面典型記錄

第二含氣層位于T3中，以粉砂為主。根據地震反射記錄可以看出，受淺層氣影響，聲波反射一般表現為反射層出現“下拉”現象，但當淺層氣含量較高時，聲波反射呈現為“上升”[5]。圖5為ZK1孔淺層氣涌出海底在淺地層反射記錄上呈現“煙囪”的地層剖面；同時發現，第二層的淺層氣并非連續分布，而是呈現從上百米至一公里不等距離的間隔分布。

圖5 ZK1孔井噴后1個月沿麻坑軸向的淺部地層剖面

4.2 含氣土的工程力學性狀研究

針對本區域普遍發育的兩層砂性土，現場取原狀土樣進行室內分析，并在此基礎上進行含氣砂性土的土力學特性及其對樁基的影響分析，見表2。

表2 普遍發育的兩層砂性土物理指標

典型砂性土的顆分曲線見圖6。

圖6 顆分曲線

5 淺層氣地質條件下橋梁樁基施工安全措施建議

無控制條件下高壓淺層氣急劇釋放是造成對橋梁樁基基礎產生不利影響的主要原因，那么應對淺層氣工程危害的基本防治方向應是防止高壓淺層氣在工程施工、建成使用過程中的釋放，同時采取合理有效的措施預防淺層氣逸出造成對樁基承載性能的不利影響，確保一定的安全儲備[6]。

5.1 積極主動的控制放氣對策

淺層氣無控釋放危害性極大，一旦發生井噴，幾乎難以控制，因井噴攜走大量的泥漿與砂土，出現塌陷。

5.1.1 淺層氣的釋放應在可控制條件下實施

從跨海特大橋初勘現場的ZK1孔和ZK8孔淺層氣噴發情況分析，淺層氣無控制性釋放對原位土層的擾動范圍很大，且氣體需要一定的時間才能較徹底地釋放[7]。淺層氣的釋放速率應以不導致對放氣孔周圍地層造成顯著擾動為原則，放氣程度應滿足樁基安全順利施工要求為前提(氣孔壓力不大于0.05 MPa，且流量不大于1.5 m3/h)；此外，還應以放氣過程中不帶走泥沙為控制標準。

5.1.2 釋放淺層氣應在施工前預先進行

預先排氣是確保橋梁施工安全的前提，如在樁基礎施工過程中或建成使用過程中釋放，將可能造成災難性的工程事故。

5.1.3 排氣孔位設置應保持與橋址一定距離

設置排氣孔位應在基本摸清含氣層的位置與分布的基礎上進行，排氣孔尺寸與數量應視透鏡體氣囊的大小與連通性而定。由于連通的高壓淺層氣釋放時對地層擾動的范圍較大，施工前預先放氣嚴禁在橋址區進行，排氣點原則上在距橋址一定距離的上游和下游處布設。合理的距離界限取決于氣壓的高低、氣囊的連通性，氣壓越高，距離應加大，氣壓越低，距離可減小；同樣，氣囊的連通性越好，距離應加長，氣囊的連通性越差，距離可縮短[8]。

5.2 增大端阻力與發揮樁側阻力增強效應的對策

除采用積極主動的控制放氣措施，減小淺層氣對土體工程性質的劣化影響外，還需基于跨海特大橋橋址的地層分布，從樁基與土體的相互作用角度，采取增大樁端阻力與側摩阻力的措施，以增加樁基的承載力。

跨海特大橋橋址區地層分布并不均勻，第四系中更新統沖積硬塑狀黏性土、密實砂土(7、8、9層)厚度較大，工程性能相對較好，在滿足上部荷載的情況下，可作為摩擦樁基礎持力層[9]。由于持力層埋深較深，不管采用鉆孔灌注樁還是鋼管樁，樁長徑比均會比較大，樁側阻力為承載力的主體，但樁端仍可分擔一定比例的荷載。從樁基工程質量出發，在本工程的樁基礎設計與施工中，宜將樁基穿過含氣層并在持力層中延伸一定深度，除能預防由于淺層氣噴發擾動土層而影響樁基承載力外，還能增大側阻力和發揮端阻的潛能[10]。

5.3 充分考慮樁基產生負摩擦力的安全設計對策

在設計工作中，需要充分考慮負摩阻力對樁基承載力的影響，既要驗算樁基承載力，也要驗算樁基沉降，尤其是要驗算各樁基因在遭受不同程度淺層氣影響這種極端工況條件下，樁基承載力與沉降能否滿足高鐵橋梁工程的要求，以增加工程建設的安全可靠性[11]。

5.4 試樁工程原位測試建議

同時考慮打入樁與鉆孔灌注樁兩種方案，試樁位置重點選在典型淺層氣分布富集區，同時在其他淺層氣井噴現象不明顯的位置也適當布點，以比較淺層氣對樁基工程的影響程度，并分析樁基之間產生不均勻沉降的可能性[12]。

對于鋼管樁需了解在打入過程中的沉樁阻力變化規律，尤其在樁體穿過含淺層氣地層時，避免淺層氣沿樁周大量逸出，尋求一套切實可行的沉樁法工藝參數；對于灌注樁，充分考慮成孔過程可能遇到的流沙等，特別是鉆進含淺層氣地層時，由于淺層氣對土的沖刷作用，很容易導致塌孔等現象，需要進行超前控制放氣，獲得能安全順利施工的放氣工藝與控制措施[13]。此外，需確定合適的鉆機類型、合理的護壁方式(對泥漿的要求)以及清孔方法等，并驗證進行孔底壓漿的效果。

鋼管樁的原位試樁，建議除采用錨樁靜載法確定其樁側摩阻力分布及端承力，同時獲取錨樁在不同荷載水平下的上拔量，考慮基準樁的設置方法，測定試樁樁內土體的閉塞效應，以及用高應變法確定其樁側摩阻力分布與端承力。針對鉆孔灌注樁，在進行靜載試驗時，建議用o-cell壓力盒加載試驗法確定單樁極限承載力和樁側摩阻力分布及端承力[14]，同時分別采用聲波透射法與高應變法檢測其樁身質量和校核樁基承載力，并對孔底壓漿進行鉆孔取芯，以檢查砼與孔底土層的結合情況。孔底壓漿前做一次試驗，孔底壓漿以后再做一次試驗。