黃河下游第四系地層特征及樁基礎方案選擇
——以濟南某跨黃河特大橋為例

程紅濤，代常友，卜新峰

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

黃河下游河道自河南省孟津縣出峽谷后，自西向東流經豫魯兩省，于山東省墾利縣注入渤海，長約800 km，流經地主要是黃河沖積形成的廣闊平原[1]。濟南處于黃河下游，是黃河下游平原地區跨黃河發展的省會城市。濟南為改善城市交通狀況，溝通黃河兩岸交通網，促進黃河兩岸經濟融合，讓黃河不再成為城市發展的限制條件，使得濟南的跨黃河橋梁工程的建設加快了步伐，無形中加快了對黃河工程地質條件的研究。

文章以濟南某跨黃河公軌兩用特大橋為例，對黃河下游工程地質特征進行研究[2-4]，特別是濟南市地層結構的研究[5-6]，為跨越（穿越）黃河的市政道路和軌道交通的規劃設計提供了地質依據[7-8]。濟南跨黃河公軌兩用大橋為市政道路北延、軌道交通線北延跨黃河工程的控制性工程，屬公軌合建橋梁，橋梁鋼箱梁寬度59.7 m，主橋主跨429 m。

1 區域地質背景

1.1 地質構造

區內大地構造單元屬華北板塊的二級構造單元魯西隆起北部，魯西隆起位于聊蘭斷裂以東，安丘-莒縣斷裂（沂沭斷裂帶的東側邊界斷裂）之西，齊廣斷裂南部的魯中、魯東南山區和魯西南平原覆蓋區。該構造單元受控于古隆起和聊蘭斷裂、齊廣斷裂、沂沭斷裂帶。魯西隆起結晶基底為太古宙變質地層和古元古代變質地層及其同時期的變質變形的花崗質侵入巖類，其蓋層由新元古代、古生代海相沉積組成，在古生代蓋層基底上發育的中、新生代陸相沉積蓋層為主體及第四紀松散堆積。魯西隆起于晚中生代活動性逐漸增強，至古近紀該隆起構造活動最強烈，到了新近紀，斷層也幾乎不活動，基本處于穩定狀態。

1.2 區域第四系地層

黃河下游河道已被黃河大堤限制，在濟南段河道穩定。魯西隆起區地層第四系不連續沉積，缺失下更新統地層，濟南沿黃河地帶第四系地層厚度大，150～200 m不等，自濟南附近向北向東有逐漸變厚的趨勢。第四系中更新世時，黃河沉積物占主導地位，以沖積為主，巖性以粉質黏土為主；中、上更新世時，黃河沉積及季節性洪水堆積而成的沖洪積物占主導地位，巖性以粉質黏土、粉細砂為主；全新世時，主要為黃河沉積，巖性以粉細砂、粉土等為主。

2 第四系地層結構與性質

2.1 地層結構

濟南市南依泰山，北跨黃河，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，橋址區地貌單元為黃河堆積平原地貌，地形較為平坦，橋址區地層剖面為黃河下游平原地貌的代表性剖面。勘探成果顯示，橋址區勘探深度范圍內均為第四系地層，連續性較好，上部為第四系全新統沖積物（Q4al）、沖洪積物（Q4al+pl），巖性為粉質黏土、粉土、粉細砂；下部為上更新統沖洪積物（Q3al+pl）巖性為粉質黏土、粉細砂、圓礫，分布較穩定；底部為中更新統沖積物（Q2al）巖性為粉質黏土、中粗砂等，各時代成因類型巖土特征及厚度特征見表1。

表1 第四系各時代成因類型巖土特征及厚度特征表

由勘察成果可看出第四系地層的分布特征，從時代成因上看，多個勘探點同一時代成因的地層分布厚度差別不大，主層分布穩定無缺失，不同時代成因的地層厚度差別較大。從分布位置來看，各時代成因的地層分布穩定，從上到下依次分布第四系全新統、上更新統、中更新統地層，黃河南北兩岸及上下游方向上地層均連續，厚度差別并不懸殊，表層全新統地層厚度兩岸大堤外側明顯比內側薄；從巖土類型來看，除河床處表層第四系全新統沖積層以粉細砂為主外，其他各層均以粉質黏土為主，且厚度大，多夾粉土、粉細砂薄層或透鏡體，含鈣質結核且局部有富集現象。勘察深度內（最大揭露深度161.0 m）均為第四系覆蓋層。

從橋址區的地層結構可以明顯看出，其地層結構和區域第四系地層結構相符。

2.2 地層物理力學特征

對地基地層而言，影響地基承載力主要因素有地層的成因及形成時代、地層的分布及結構、地層巖性的力學性質、地基深度等因素，同時地基承載力、壓縮模量是兩個重要的工程地質力學指標。勘察時第四系巖土層的物理力學性質指標通過原位測試、室內試驗等方法獲取，對試驗成果整理分析，得出覆蓋層各巖土層物理力學參數，見表2。同時通過波速測試、電阻率測試等手段獲取覆蓋層巖土層的波速、電阻率數據，見表3。

表2 第四系各巖土層物理力學參數表

表3 第四系各巖土層波速值、電阻率值表

由表2可知，第四系全新統（Q4al、Q4al+pl）地層物理力學指標較低，工程地質性質較差，下部第四系上更新統（Q3al+pl）、中更新統（Q2al）地層物理力學指標相對較高，工程地質性質相對較好。由上到下而言，橋址區第四系地層工程地質性質逐漸變好。

由表3可知，第四系全新統（Q4al、Q4al+pl）地層原位測試各成果指標相對較低，下部第四系上更新統（Q3al+pl）、中更新統（Q2al）地層原位測試各成果指標相對較高，下部地層工程性質明顯優于上部地層。

2.3 水文地質特征

橋位區河床（主河槽）寬度約450 m，地表徑流為黃河，地下水為第四系松散堆積層孔隙潛水。地下水埋藏較淺，黃河兩岸（大堤外側）地下水埋深為1.80～3.60 m。黃河兩岸均有黃河大堤及淤背區，淤背區地下水埋深7.90～12.90 m。地下水主要賦存于第四系全新統沖積形成的粉質黏土、粉土及以下地層中。地下水主要受黃河河水及大氣降水入滲補給，以蒸發和人工開采為主要排泄途徑。受黃河水位的影響，工程區地下水位變幅為2～3 m。防洪評價結果顯示，橋址區黃河最大沖刷水深下相應沖刷線深度為9.29 m。

3 樁基礎方案選擇

3.1 場地穩定性特征

魯西隆起于晚中生代活動性逐漸增強，至古近紀該隆起構造活動最強烈。到了新近紀，斷層也幾乎不活動，基本處于穩定狀態。橋址區地貌為黃河沖積平原，地勢較為平坦。勘察期間在場地及鉆孔內未發現對工程安全有影響的諸如巖溶、滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫等不良地質作用，場地基本穩定。場地內主要為第四系地層，場地巖土種類較多，以粉質黏土為主，局部粉土、粉細砂夾層呈透鏡體狀分布，分布較不均勻，上部巖土層工程性質一般，下部工程性質較好。

結合各鉆孔標準貫入試驗錘擊數，20 m以上的第四系全新統沖積而形成的粉土、粉細砂為液化土層，場地液化等級為輕微～中等；工程設計時，抗震設防烈度大于6°時對橋梁工程應將承載力特征值及側摩阻力等基礎設計參數應按照規范進行折減。鉆孔波速測試得到各土層剪切波波速，得出橋位區場地土類型為中軟土～堅硬土，場地類別為Ⅲ類，屬于抗震不利地段。

3.2 地層工程地質特征

在勘探深度范圍內的地層為第四系沖積物、沖洪積物，第四系全新統沖積物、沖洪積物主要分布于上部，下部為第四系上更新統沖洪積物、沖積物，底部為第四系中更新統沖積物。

場地上部地基土為第四系全新統沖積物、全新統沖洪積物，巖性以粉質黏土為主，層底深度分別為15.2～28.5 m、30.4～50.0 m，可塑～硬塑狀態，含少量鈣質結核，其第四系全新統沖積成因的亞層粉土、粉細砂多為液化土層。該層分布穩定、連續，層厚變化較大，強度較低，工程性質一般。

場地下部地基土為第四系上更新統沖洪積物、中更新統沖積物，巖性主要以粉質黏土為主，層底深度分別為107.0～119.6 m、151.7～161.0 m（未揭穿），硬塑～堅硬狀態，多夾鈣質結核，局部富集成層，且夾粉土、粉細砂、圓礫等，分布連續，厚度大，工程性質好。

3.3 基礎類型選擇

濟南跨黃河特大橋處于黃河下游河道及兩岸沖洪積平原區，第四系地層厚度大。勘察結果顯示，上部第四系全新統沖積層、沖洪積層工程性質較差，沖積粉細砂、粉土為液化地層。下部第四系上更新統沖洪積層、中更新統沖積層均以硬塑-堅硬粉質黏土為主，分布連續，厚度大，強度較高，工程性質相對較好，埋藏較深。

橋址區第四系地層在勘察深度161 m內未揭穿，根據其工程性質，結合橋梁上部荷載大、對地基強度及變形要求高的特征，需選擇地基承載力較高的土層作為地基持力層。橋址區為典型的黃河下游平原地區地層結構，以第四系地層為主，對大型橋梁來說，樁基為最適宜的基礎方案，設計時采用鉆孔灌注樁（摩擦樁）方案，主墩采用直徑為2.0 m，樁長為110 m樁基方案，以下部第四系上更新統沖洪積層、中更新統沖積層硬塑～堅硬粉質黏土樁端持力層。

3.4 成樁可能性

橋位區位于黃河沖積平原上，場地開闊，黃河兩岸地表多林地、耕地等，少量為民居、廠房等，場地內施工障礙物較少，且未發現地下管線等其他地下埋藏物，場地情況對樁基施工較為有利。

場地內主要第四系地層，從上到下依次分布第四系全新統、上更新統、中更新統地層。上部粉細砂、粉土層多為稍密狀態，飽和為液化土層，易塌孔。下部粉質黏土多含鈣質結核，特別是第四系全新統沖洪積地層及以下地層中多含鈣質結核，局部富集成層，且局部夾圓礫層，均不利于樁的施工。特別是第四系上更新統地層及以下地層多含鈣質結核，強度較高，局部富集成層，膠結成大塊狀或層狀，對樁的施工產生不利影響，設計時應采取合適的施工成孔工藝。

從地層條件來看，場地內并沒有鉗制樁基施工的因素，雖然地層中有鈣質結核及圓礫，但采用相應的成樁工藝是可以解決的。

3.5 環境影響因素

橋址區處于濟南市黃河河床及其兩岸，地貌單元為沖積平原，地形較平坦。橋址區未發現地下電纜、光纜、煤氣、自來水管、排水管線等地下管線；沿線多為耕地，線路處于村莊附近并未直接經過村莊，附近建筑多低矮民居，多在3層以下，無地下室、地下停車場等地下建（構）筑物；黃河南、北兩岸有高壓架空線纜分布，施工前應進行拆除或移位。

橋址區主要穿過耕地、林地，與村莊相鄰，未直接經過村莊，設計時擬采用樁基礎方案，施工過程中會產生噪音，應采取一定的措施降低施工噪聲，進行隔離或屏蔽等，以免影響附近居民的正常休息。鉆孔灌注樁施工時，泥漿不得隨意排放，以免污染環境，且避免黃河生態環境。

4 結束語

黃河下游平原地區分布著深厚的第四系地層，濟南齊魯大道北延跨黃河特大橋的地層結構為黃河下游平原地區地層的典型代表。文中對濟南跨黃河特大橋的區域地質背景進行分析，論述了其地質構造及第四系地層特征。通過地質勘察成果，橋址區地層主要為第四系地層，自上而下分別為第四系全新統沖積物、沖洪積物、上更新統沖洪積物、中更新統沖積物，巖性以粉質黏土為主，與黃河下游區域第四系地層結構一致。結合第四系地層的結構特征，研究地層的物理力學性質，評價其場地穩定性、地層工程地質特征，為跨黃河大橋的工程建設的基礎方案選擇奠定了基礎。根據橋梁上部荷載大、對地基強度及變形要求高的特征，選擇摩擦樁方案，且對其成樁可行性進行了分析，同時鑒于黃河流域生態環境的敏感性，分析了橋梁建設中對環境的影響因素。