马累－机场岛跨海大桥建设场地工程地质特性及评价

卢超健,罗辉

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司,武汉 430060）

马累－机场岛跨海大桥建设场地工程地质特性及评价

卢超健,罗辉

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司,武汉 430060）

通过采用钻探取样、岩土试验、原位测试、物探、地质调查等多种手段，对马累－机场岛跨海大桥建设场地的工程地质特性展开研究及评价。查明了大桥建设场地的地形地貌和地质构造特征，获得了以松散珊瑚混砂、礁灰岩为主的地层特点，对礁灰岩的物理力学特性开展了试验分析，掌握了其物理力学特性。结合岩土层工程性质、不良地质作用、场区稳定性，对大桥建设场地的工程地质进行了适宜性评价。研究结论,揭示了珊瑚礁岩土的工程地质特性，为今后同类工程建设能提供有益的借鉴。

跨海大桥；珊瑚礁；地质特性；适宜性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.017

1　引言

随着我国“一带一路”也即“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”这一国家发展战略的的倡导和实施，我国主导和参与的国际工程建设项目也呈现井喷发展之势[1，2]。马尔代夫马累－机场岛跨海大桥，是我国“21世纪海上丝绸之路”的必经之路，马累－机场岛跨海大桥的建设对促进我国与马尔代夫发展经济合作伙伴关系，共同打造政治互信、经济融合、文化包容的利益共同体、命运共同体和责任共同体有极大推动作用。同时，马累－机场岛跨海大桥的建设能促进中马双方在基础设施领域的合作，推动中国标准、规范和技术的输出。

本文研究对象为马累－机场岛跨海大桥，通过采用钻探取样、岩土试验、原位测试、物探、地质调查等多种手段，对其建设场地的工程地质特性展开研究和评价。

2　工程概况

马累－机场岛跨海大桥起点位于马累岛东南角，顺接规划Boduthakurufaanu Magu道路，并设置桥梁跨越Gaadhoo Koa海峡，在机场岛南端登陆，接线与机场到胡鲁马累岛规划路顺接。路线全长2.0km，其中，桥梁长度为1.39km，桥梁起点桩号为K0+100，终点桩号为K1+490，桥梁跨径布置为1830m（引桥）+（100m+2180m+140m+100m+60m）（主桥）+330m（引桥），桥面车道布置为两侧人行道+两个摩托车道+两个客货车道，桥梁位置如图1所示。

图1　马累-机场岛跨海大桥梁位置示意图

马累－机场岛跨海大桥主桥采用为六跨预应力混凝土V型墩连续刚构桥，跨径布置100+1802+140+100+60m，主桥长760m，引桥采用30m跨预应力I型梁，引桥长630m，桥宽21.0m，桥型布置如图2所示。

图2　桥型布置图（单位：m）

基础拟采用钻孔灌注桩：19、20、21号主墩布置12根直径2.5～2.8m的变截面钻孔桩。22、23号主墩布置8根直径2.5～2.8m的变截面钻孔桩。机场侧及马累侧过渡墩采用6根直径1.5m的钻孔桩。桥梁建成后的效果如图3所示。

图3　桥型布置效果图

3　研究方法和实施过程

3.1研究方法

本文研究方法包括：①工程地质调查：侧重于场地区域地质和已有相关工程资料的收集等；②钻探；③工程物探：包括侧扫声纳及磁法扫海，地震映像及浅层反射探查桥轴向，两侧浅层地质分布和岩层起伏特征；④孔内剪切波及纵波测试：测试岩土类别和基岩完整性；⑤孔内电视摄影：包括基岩裂隙、孔洞调查；⑥岩土试验；⑦水下摄影：桥头水下岸坡的特征调查。

3.2实施过程

勘探共投入XY-100钻机3台套、XY-300钻机1套，海域孔采用3000t方舶平台勘探方案。钻进工艺采用套管跟进护壁或泥浆循环护壁，全程取芯，并拍照留存。孔位测量及孔口高程：陆域钻孔采用RTK测量平面坐标及高程，海域钻孔平面定位采用RTK测量，孔口高程测量采用孔口水深及岸基水尺水位同步观测后计算得到。黏性土采用厚壁取土器采取，砂类土及夹砂地层作标准贯入试验并留扰动土样。对珊瑚屑等松散地层采用标准贯入或重型动探试验。共获得地质钻探6个（陆域3孔进尺109m，海域3孔进尺159.35m），土工试验12组。

4　工程地质特性

4.1地形地貌

马尔代夫群岛属印度洋环礁链地貌形态，由多个环礁呈串发育或呈圈发育分布。马累岛及机场岛为马代群岛中东部北马累环礁的链岛，地势低平，岛内人工填湖造陆后地形更为平坦，岛上陆地地面高程多在+1.0～+1.5m之间。桥轴线附近两岛之间海沟或海槽总宽度约1.4km，呈宽缓“U”型形态；两岸浅滩台阶地形发育，平台宽缓，浅水平台坡度从0～10毅逐渐加大，倾向海沟。马累岛与机场岛地形如图4所示。马累－机场岛跨海大桥建设场地桥位水下地形如图5所示。

图4　马累岛与机场岛

4.2地质构造

马尔代夫碳酸盐台地是自始新世早期（约5500万年前）开始建立在火山高原上的碳酸盐台地，淹没厚度2～3km，马尔代夫环礁只有高出海平面很小的一部分[3]。马尔代夫至少有35亿年没有陆源（泥沙）的输入，因此，它几乎是全部由碳酸盐沉积物组成[4]。

图5　桥位水下地形

4.3地层特点

经前期收集资料及场地钻孔揭示地层的综合分析，马累岛、机场岛主要工程地质层由全新世松散珊瑚混砂或砂混珊瑚，更新世上、中段礁坪相准礁灰岩、礁灰岩，深部泻湖相弱胶结或未胶结的珊瑚混砂或砂混珊瑚地质层组成。其中，准礁灰岩与礁灰岩的区分主要依据胶结程度、沉积相带、沉积时代进行分带划分，区分性较好。

桥梁建设场地的钻探揭示工程地质单元层按时代、岩性与工程地质特征特征自上而下划分，分层描述如下：①全新世地层（Q4）：含填土（Q4ml），礁块石（Q4o+al），含砾块中粗砂（Q4m），含砾中粗砂（Q4m），珊瑚砾块混砂（Q4m）；②更新世地层（Q2-3）：含准礁灰岩（Q3o），礁灰岩（砂砾块）（Q3o），礁灰岩（砾块）（Q3o），礁灰岩（砂屑）（Q2-3o），珊瑚砾块混砂（Q2-3o）。

4.4特殊性岩土

拟建桥区位于马尔代夫群岛北马累环礁，沉积物来源远离陆源，沉积建造材料均来源于海洋生物沉积，特殊的沉积环境与地质结构决定了场区桥梁建筑影响范围的岩、土均不同于陆源沉积物[5]。无论是场区揭示的礁灰岩、准礁灰岩，还是珊瑚砾屑、生物砾屑堆积物，均属于特殊性岩土材料。灰岩及准礁灰岩是礁岛陆基的主体，也是未来大桥基础的主要持力地层，但同时又属于最复杂的不均匀材料。礁的形成基本前提是礁格架的形成，礁格架的形成始于珊瑚创造的基本构造单元柱墩，而柱墩的形态和大小受组成它的珊瑚属种和生长位置控制而多变[6]

大量的礁灰岩物理力学特性研究结果也显示[7～9]，礁灰岩具有密度轻、多孔隙、强度各向变异显著的特点。同时，受珊瑚礁生长地域生态环境的变化，礁灰岩也具有不同的地域属性；即使在同一礁岛区，受珊瑚礁生长的沉积历史环境、沉积相带演变，珊瑚礁灰岩的结构性、粒度组成、胶结程度也会具有明显的差异性。勘区珊瑚礁岩土的特殊性主要体现在如下方面[10]：（1）空间上，物资颗粒组构的极其复杂和不均匀性；（2）各组构孔隙、孔洞的不均匀性；（3）各组构胶结程度的不均匀性；（4）颗粒易碎性，低围压下颗粒也有破碎；（5）骨架性结构，具有很强的结构性强度。总之，松散砂砾屑地层，软硬互层，孔洞发育、级配不均、颗粒破碎；半成岩的准礁灰岩和礁灰岩具有典型的硬脆性。

4.5岩土体物理力学性质

大桥建设场地岩土体的物理力学试验结果显示：由密度试验可知，礁灰岩总体骨密度一般，平均孔隙度高达23%～35%，岩石质量呈疏松结构。由抗压强度试验可知，礁灰岩抗压强度多小于15MPa，按强度特征分类岩石坚硬程度划分总体属于软岩，局部较软岩。由抗拉强度试验点荷载强度试验可知，礁灰岩点荷载试验强度Is（50）值与抗拉强度试验结果接近，大量的点荷载岩石破裂特征多沿竖向劈开，与抗拉试验巴西劈裂裂隙特征相似，反映该岩石沿垂直生长方向具有弱化面的结构特征。

此外，钙质砂多中级配压缩试验结果显示，采用初始密度1.5g/cm3的珊瑚砂（钙质砂）在干燥条件下珊瑚砂的初始孔隙比在 0.65～0.75之间，100～200kPa压力段的压缩系数0.079～0.257MPa之间，压缩模量8.6～22.3MPa，混合料珊瑚砾块、珊瑚枝条含量的增加对低应力条件下珊瑚砂的压缩性有增大影响，应与大粒径颗粒料的骨架作用影响珊瑚砂的挤密效果有关。

桩侧摩阻力试验结果显示，礁灰岩中桩侧残余摩阻力试验值介于321.5～1996.0kPa之间，数据的离散性较大，综合平均值为1091.2kPa。残余摩阻力值与围压大小密切相关，随围压而增加，围压为500kPa时，残余摩阻力平均值为803.7kPa；围压为1000kPa时，平均值为1014.0kPa；围压为2000kPa时，平均值为1936kPa。残余摩阻力值与单轴抗压强度间存在正相关性，个别试验点的离散性较大，可能与试验过程有关。另结果统计还发现，残余摩阻力值与试样的密度间不存在明显的对应关系。

5　工程地质评价

5.1岩土层工程性质评价

场区揭示的主要岩土工程地质层主要可分为填土层、生物碎屑堆积层、准礁灰岩、礁灰岩岩层。填土层填料成分主要为生物碎屑、珊瑚砾块类型的中粗砂、粗砾砂，一般为稍密状态，局部松散，作为路基工程填层而言，工程性质较好。生物碎屑堆积层主要为大桥海沟、海槽部位松散沉积物层，上部松散，下部中密～至密实状，该松散层粒度变化大、多含珊瑚残肢等脆性砾块，影响碎屑层的均匀性和密实度，对大桥桩基工程而言工程性质一般。礁灰岩、准礁灰岩为大桥场地主要工程地质层，构成马累岛、机场岛礁现代沉积地貌的基础格架，多呈半胶结、局部弱胶结状态，对于一般路基工程而言，强度较高、低压缩性，工程性质较好，可作为路基的主要持力地层，对于大桥桩基工程而言，工程性质一般，不宜选作桩端持力层。礁灰岩为成岩化作用较好的岛礁基础，但礁灰岩随沉积回旋周期、沉积相带的不断演变，同一部位钻孔，随钻探深度的增加揭示到的礁灰岩类型（如块状灰岩、砾块灰岩、砾屑灰岩、砂屑灰岩等）、胶结程度也会发生较明显的变化，甚至夹藏弱胶结或胶结不良、或未胶结的珊瑚砾块混砂或生物碎屑混珊瑚的情况。

5.2不良地质作用评价

场区不良地质作用主要为桥轴线两岸前端陡坡状水下岸坡的稳定性，稳定与否对未来桥基的安全具有决定性影响。经收集到的马累区域地质资料、现阶段水下地形测量资料、水文资料、水下岸坡摄影资料，钻探揭示的地质基本资料的综合分析，以及当地岸坡形态的工程地质类比，综合判断，轴线附近的马累岸水下岸坡整体稳定性较好、机场岸水下岸坡整体稳定性良好。

5.3稳定性评价

据场地地震安全稳定性分析，场地地震地质活动不活跃、强度低，区域地壳结构稳定性好。

桥区工程地质调查与勘探结果显示，影响大桥场地稳定的潜在因素主要为两岸的高倾角水下边坡，其中尤以马累岸桥轴线以北约100m处的水下陡坡（局部坡度达47毅）的稳定性及可能的破坏影响最值得关注。马累岸桥轴线以北约100m处的水下陡坡（局部坡度达47毅），总体坡度与马累岛南岸下坡段坡形接近，整体稳定性较好。虽20～34m水深坡段（坡度47毅）存在浅层小型潜在滑坡的可能，但其上方为约60m宽度、水深约20m平缓礁坪台地，故即使该陡坡区发生局部的坡形调整，也只是有发生顺坡向的浅层破坏的风险，不足以影响到桥墩所处的位置。

6　总结

通过对马累－机场岛跨海大桥建设场地的工程地质特性展开研究，总结如下：

1）要充分认识珊瑚礁岩土的特殊性对基础工程设计的影响，加强后期桥墩间的岩土工程勘察，充分揭示珊瑚礁岩土的分带特征，详细把握每个桥墩珊瑚礁岩土竖向的变化特点，按逐墩岩土分布条件逐桥进行设计。

2）马累环礁中更新世礁灰岩，有溶蚀的不良地质特征。在设计及施工过程中，应评估其对大桥工程可能带来的不良影响。

3）马尔代夫群岛为珊瑚礁自然生态保护区，桥梁建设不可避免会影响场地附近的珊瑚礁生长，但不能因桥梁建设而破坏当地的生态环境。故无论是桥梁设计方案、还是施工方案的选择，均应按影响珊瑚礁生态环境最小化的措施进行，以保护自然环境。

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Engineering Geological Characteristic and Evaluation for Construction Site of Cross-sea Bridge in Male-Airportisland

LU Chao-jian,LUOHui
(CCCC Second Harbor Consultants Co.Ltd.,Wuhan 430060,China)

In this paper,the sampling drilling,geotechnical testing,in situ testing,geophysical prospecting,geological survey,and other means have been used to reveal the engineering geological characteristic and evaluation for construction site of cross-sea bridge in Male-Airport island.By that,we find out the construction of the bridge site topography and geological structure features.Won a loosely coral sand,reef limestone strata characteristics.The physical and mechanical characteristics of reef limestone was carried out by test analysis, mastered the physical and mechanical characteristics.Finally,combining with the engineering properties ofrock and soillayer,bad geological effect and stability in jobsite,the bridge construction site engineering geological suitability is evaluated.Research conclusion reveals the coral reefsin geotechnical engineering geological properties,can provide beneficial reference for the future similar projects construction.

cross-sea bridge;coralreefs;geological characteristics;suitability

TU422.2

A

1007-9467(2016)05-0071-04

卢超健（1975～），男，湖北武汉人，工程师，从事工程地质研究，（电子信箱）244593421@qq.com。

2015-12-26