新建蒙华铁路洞庭湖特大桥工程地质条件研究

孙宝忠 施红艺

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

蒙西至华中地区铁路(简称:蒙华铁路)设计起点为内蒙古自治区浩勒报吉站，设计终点为江西省吉安站，全长1 837 km。线路整体呈北西至南东走向，是我国北煤南运通道的重要组成部分。主要设计技术标准:国铁Ⅰ级，双线，设计速度120 km/h，电力牵引。洞庭湖特大桥是该铁路的重点工程，桥址位于洞庭湖湖口、湘江汇入长江的交汇地段，紧邻城陵矶[1]，见图1。

图1 洞庭湖特大桥位置示意

洞庭湖特大桥大致呈北西-南东走向，桥全长约10.444 km。其中，主桥长1 290 m，为三塔斜拉桥，结构采用钢箱钢桁叠合主梁形式。

朱全宝等运用遥感、地面测绘、物探和原位测试等勘察手段对芜湖长江大桥进行研究，认为综合勘探模式比传统方法更灵活、更精确[2]。陈伟运用地质调绘、钻探、坑探、物探、室内试验勘察技术对西南某铁路特大桥进行研究，得出了以地质调绘为基础，采用多种勘察方法可以更准确地判断地质条件的结论[3]。柴春阳对金沙江特大桥采用了平硐、钻探、物探、地质调绘和室内试验等勘察手段进行研究，查明了危岩落石、不利结构面，并确定了加固方案[4]。宋章等运用地质调绘、钻探、物探、平板载荷试验、室内试验等勘察技术对云桂铁路盘江特大桥进行研究，查明了桥址区工程地质条件并判定其场地稳定性[5]。李昶运用地质调绘、物探、钻探勘察方法对埃塞俄比亚铁路Kench特大桥进行研究，查明了地层岩性、断层分布及特征[6]。以往研究多侧重于桥址区工程地质条件，对场地稳定性分析评价不够全面。

根据洞庭湖特大桥结构特殊、跨度大、荷载大等特点，采用了遥感、地质调绘、钻探、原位试验、物探、土工试验等综合勘察技术[7]，从砂土液化、软土评价、持力层选择、岸坡稳定性、场地稳定性及适宜性评价等方面开展研究，得出相关结论。

2 地质环境

2.1 地形地貌

洞庭湖特大桥位于湘江入长江的咽喉地段，紧邻城陵矶，河道两岸均为湘江泄洪区，地面多被芦苇等植被覆盖，地势平坦、开阔，地面高程一般为26.0～31.0 m。

2.2 地层

(1)第四系全新统

①1黏土:灰褐色，软塑，厚1.20～11.40 m，主要分布于表层。

①2淤泥质黏土:灰黑色，流塑，厚1.40～17.10 m，分布于湘江河道及西岸区。

②1粉砂:灰色，饱和，稍密；厚4.00～15.00 m，受间歇性淤积、冲刷影响，厚度变化较大，分布于整个西岸区。

③1细砂:灰色-深灰色，饱和，稍密，厚2.10～3.30 m，分布于整个西岸区。

③2细砂:灰色，饱和，中密，厚3.20～16.00 m，厚度变化较大，分布于整个西岸区。

③3细砂:灰色，饱和，密实，厚12.20～19.60 m，分布于整个西岸区。

④2粗砂:灰褐色，中密-密实，饱和，厚4.00～4.90 m，分布西岸区。

⑤细圆砾土:灰色，饱和，中密，厚1.00～1.60 m，厚度较薄，充填物主要为砂类土。

(2)上更新统

⑥粉质黏土:褐黄色，硬塑，厚2.30～6.90 m，主要分布于湘江东岸的Ⅰ级阶地上。

(3)中元古界

⑦1全风化板岩:灰色，风化严重，岩芯呈硬塑-坚硬状，受风化控制，分布不连续，厚2.10～5.00 m。

⑦2强风化板岩:灰绿色，岩芯呈碎块状，厚0.70～13.30 m，厚度变化较大，桥址区均有分布。

⑦3弱风化板岩:浅灰色，泥质结构，板状构造，风化裂隙不发育，岩质较硬，局部岩石较破碎；厚0.90～13.20 m，厚度变化较大，桥址区均有分布，顶面起伏大。

⑦4微风化板岩:浅灰色，泥质结构，板状构造，岩体较完整，顶面起伏较大，钻探未揭穿该岩层。

2.3 地质构造

在区域大地构造上，桥址位于洞庭湖凹陷区东南隅，近场区以北东向断裂带为主，北西向和近东西向断裂次之，见图2。这些断裂发育于元古界浅变质岩地层中，少部分切割到前白垩系盆地底垫层。场区内地层经历多期地质构造运动作用，层间褶皱引起的局部挤压破碎强烈，地质构造复杂[8]。

对桥梁工程有影响的断裂主要为沙湖-湘阴隐伏断裂带(F4)。该断裂带走向NE，受其影响，桥址区发育NNE及EW向次级断裂。

桥址区位于平池倒转背斜西南翼，倒转背斜轴走向NW300°，轴面南倾，翼部倾角55°～70°。

图2 地质构造

3 水文地质特征

桥址区地下水类型主要有:第四系孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水。地下水位埋深2.20～3.70 m。

3.1 孔隙潜水

主要赋存于第四系黏土及淤泥质土层中，水量较小，表现为上层滞水，接受大气降水及地表水补给，地下水位埋深随季节变化较大。

3.2 承压水

赋存于黏土及淤泥质粉质黏土层下部的粉砂、细砂、粗砂、细圆砾土层中，总厚度一般大于10 m，水量丰富，具承压性，但压力不大。主要接受大气降水和湘江补给。

3.3 基岩裂隙水

基岩裂隙水受基岩裂隙发育及风化程度控制，浅部风化裂隙发育，渗透性较强、富水性中等，深部裂隙多闭合，富水性弱。接受地表水和孔隙水的垂向补给[9]。

3.4 水质评价

桥址区地表水和地下水对混凝土、混凝土中的钢筋均具有微腐蚀性，对混凝土化学侵蚀的环境作用等级为H1。

3.5 水文地质条件评价

孔隙潜水埋深较浅，水量较小，对桥梁承台基坑的影响很小。承压水赋存于砂类土层中，水量丰富，但压力不大。持力层基岩裂隙不发育，富水性弱，对钻孔灌注桩的影响很小。综合分析，地下水对该桥梁工程的影响不大。

4 主要工程地质问题

4.1 砂土液化

场地基本地震烈度为Ⅶ度，桥址区第四系覆盖层②1粉砂、③1细砂层均呈松散-稍密状，埋深介于2.10～15.00 m，地下水位以下饱和状态的粉细砂易发生地震液化。地震液化对桥梁基础稳定影响较大，是工程地质评价的重点。

4.2 软土

桥址区分布有第四系全新统淤泥质粉质黏土层，物理力学性质较差。软土压缩将对桩基产生负摩阻力，软土震陷可以导致构筑物地基的附加不均匀沉陷，造成其上构筑物的开裂、倾斜或倒塌。软土对桥梁基坑的开挖及加固方案会产生重要影响。

4.3 断裂带

对桥梁工程有大影响的断裂为沙湖-湘阴隐伏断裂带(F4)。该断裂带内发育破碎板岩及构造角砾、断层泥，可见挤压错动痕迹及揉皱变形。该断裂带影响桥梁选址和桥跨布置。

5 综合勘察方法

5.1 航空和卫星遥感

运用航片和SPOT卫星图像解译地形、地貌、岩土类型、地质构造、软土分布范围等。经过遥感解译，认为桥址区无滑坡、崩塌、泥石流等不良地质。

5.2 地质调绘

通过分析蒲圻幅(1∶20万)地质图，以1∶2 000地形图为底图，采用穿越法和追溯法对桥址区地形地貌、地层岩性、地质构造、特殊岩土进行详细调绘。查明了软土的类型、成因、分布范围。认为桥址区无不良地质分布，并验证了遥感解译结论。

5.3 钻探

本工程采用双管单动钻探工艺，钻探点主要沿桥基础轮廓线布设。通过钻探查明了桥址区地层岩性、地质构造、基岩面埋深、岩体完整性，准确划分了风化层、破碎带，并对物探成果进行了验证。

5.4 原位试验

在钻孔内进行标准贯入试验，查明了桥址区砂类土的密实度(标准贯入试验可以判别20 m范围内的饱和砂类土的液化等级)。利用静力触探还可以查明桥址区软土的分布范围和厚度。

5.5 工程物探

(1)剪切波速测试

采用单孔波速测试技术测定桥址区各类岩土的剪切波速，据此可以划分场区土类别、场地类别。

根据勘察期间钻孔剪切波速测试结果统计，①2淤泥质粉质黏土剪切波速为86～121 m/s，场区土类型为软弱土；①1黏土、②1粉砂、③1细砂、③2细砂、④2粗砂土层，剪切波速为161～246 m/s，场区土类型为中软土；④3粗砂、⑤细圆砾土、⑦1全风化板岩层剪切波速为366～423 m/s，场区土类型以中硬土为主；⑦2强风化板岩、⑦3弱风化板岩剪切波速为626～864 m/s，场区土类型为软质岩石-岩石。

结合桥位钻孔资料和实测的波速资料，判定湘江西岸桥址场地类别为Ⅲ类；河道水域地段和湘江东岸场地类别均为Ⅱ类。

(2)场地抗震地段划分

桥址场地区地表及上部分布有软土层，埋深8.0～15 m范围内分布有松散-稍密的饱和粉砂、细砂液化砂土层；湘江两岸均为土质边坡，桥址区属于抗震不利地段。设计需要采取合理的防震害措施[10]。

(3)地震反射测试

地震反射波测试可以提供场地土动力参数，可用于划分地震层序，评价岩体的完整性。本次勘察识别出2个地震反射波组界面，并划分出2个地震层序(见图3)。从上到下分别为:河床反射面、基岩面，各反射波组连续清晰，界面完整。河床面起伏微弱，基岩面无断层显示。由此推测，钻孔揭露的挤压破碎带不属沙湖-湘阴断裂带或其分支断层，亦不属活动断裂。

图3 地震剖面地震层位划分

(4)电测深法

采用对称四极方法，测量电极距MN/2为1 m和5 m，最大供电电极距AB/2为215 m。可以推断出桥址区内第四系覆盖层厚度、基岩面起伏形态。

结合钻孔资料分析，桥址区基岩为板岩。桥址区电测深曲线主要为“H”形和“A”形，前半段反映覆盖层地层变化，后半段的变化反映了基岩岩性的变化(见图4)。

图4 典型电测深曲线

根据电测深资料，桥址区基岩埋深小于40 m，基岩面起伏平缓，未见明显物探异常。

5.6 室内土工试验

桥址区分布有第四系全新统淤泥质粉质黏土，其岩土体力学性质指标统计成果见表1。

桥址区淤泥质粉质黏土具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、低强度触变性等特点。当其受到震动等外力作用时，土层结构易受到破坏，抗剪强度和承载力也随之大幅下降。

表1 岩土体力学性质指标统计_____________

6 综合分析

6.1 场地砂土液化综合评估

桥址区地震烈度为Ⅶ度，依据《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)对桥址场地深度为20 m范围采用标准贯入试验进行液化判别。②1粉砂、③1细砂层会发生液化，液化最大深度约为15 m，液化指数为0.3～16.5，液化等级为轻微-中等。桥址场地液化指数及液化等级见表2。

表2 桥址场地液化指数及液化等级

6.2 场地软土评价

根据2018年4月出版的《工程地质手册》(第五版)，当抗震设防烈度为7度，地基承载力特征值＜80 kPa或等效剪切波速＜90 m/s时，应考虑软土震陷。桥址区范围内分布有一定厚度淤泥质粉质黏土层和薄层淤泥，其承载力标准值小于80 kPa。因此，在地震烈度为Ⅶ度时，需要考虑桥址区场地的淤泥质黏土层和淤泥层的软土震陷影响。

软土对特大桥基础的不良影响还表现为桩侧限摩阻力较低，在压缩固结情况下会发生沉降，对桩基础还会产生负摩阻力[11]。此外，软土钻孔灌注基桩还易发生缩径。

6.3 持力层选择

根据桥址区工程地质条件和桥梁工程的特点，建议采用钻孔灌注桩的基础形式。桩尖埋深应结合桥梁结构形式、基础荷载情况及墩位处地层条件综合确定。

(1)西北引桥段上覆地层主要为①1黏土、①2淤泥质粉质黏土、②1粉砂、③1细砂、③2细砂土层，厚35～42 m。由于上部分布有软土层和砂土液化层，地基基本承载力低，工程性质较差，不能做为基础持力层；西北引桥段基岩面总体较平，但局部较低洼，对于基岩面埋深较大、桩长小于基岩埋深的地段，建议采用摩擦桩基础，可将③3细砂、④3粗砂、⑤细圆砾土层作为基础持力层。中元古界板岩基岩面产状倾角较大(多为60°～80°)，岩层风化不均匀。上部全风化-强风化层厚度差异较大，分布不连续，工程性质较差，不适宜作为基础持力层；弱风化板岩属较硬岩，地基基本承载力高(σ0=1 200 kPa)，是很好的基础持力层；微风化板岩岩体完整，抗压强度高，工程性质良好，但大多埋藏较深，起伏较大，在埋藏较浅地段可作为优质的基础持力层。受沙湖-湘阴断裂带影响，断裂带内发育构造角砾、断层泥，地基均匀性差，工程性质差，桩尖部位应避开断裂带，置于相对稳定岩层中。

(2)主桥和东南引桥段基岩面埋藏较浅，全风化、强风化板岩厚度不大，可将弱风化、微风化板岩作为基础持力层。

6.4 岸坡稳定性

河道两岸均为湘江泄洪区，地势平坦、开阔，岸坡均为人工填筑的粉质黏土岸体，岸坡宽缓，无不良地质体发育，整体稳定性较好。

6.5 场地稳定性

桥址区场地在大地地质构造分区上属于喜马拉雅期凹陷区，标志着地壳下降运动。区域性的沙湖-湘阴隐伏断裂带(F4)穿越桥址区，该断裂带属于早第四纪断裂带，近期无活动迹象；岳阳-南江桥断裂带(F9)、临湘-通山断裂带(F16)距桥址场区较远。全新世以来，桥址场区未发生大的地震，不存在发生强地震的构造背景，桥址区处于相对稳定状态。

6.6 场地适宜性评价

桥址区地势开阔，地形平坦，场地稳定；基岩埋藏较浅，基岩面较平缓，大部分岩体较稳定。设计时，应根据实际地层情况选择适宜的桩基类型及桩长。上部第四系覆盖层分布有软土和液化砂层，宜采用钻孔灌注桩基础，以消除其不利影响。

综上所述，场区地质条件适宜大桥建设[12]。

7 结论

(1)桥址场区工程地质条件较复杂，但断裂构造对桥梁工程影响较小。

(2)桥址场区地表水和地下水对混凝土、混凝土中的钢筋具有微腐蚀性，地下水对桥工程建设影响较小。

(3)设计须考虑采取措施消除砂土地基液化影响，相关设计参数应进行相应折减。

(4)软土地基对基桩产生负摩阻力，钻孔灌注桩易发生缩径，需考虑淤泥质黏土和淤泥层软土震陷影响。

(5)建议采用钻孔灌注桩，弱风化、微风化板岩作为基础持力层。

(6)桥址场区处于相对稳定状态，场区地质条件适宜特大桥建设。