沿江冲积平原区某铁路特大桥勘察

甘森林，喻洪亮，甘建军，张雷



沿江冲积平原区某铁路特大桥勘察

甘森林1，喻洪亮1，甘建军2，张雷3

（1.江西省勘察设计研究院，南昌 330099；2.南昌工程学院，南昌 330099； 3.中铁五院第五勘察设计院有限公司，北京 102600）

沿江冲积平原区工程地质条件较为特殊，地层具有河流相沉积的典型特征：由上至下为洪冲积的粘土、粉土、砂土及圆砾石土，下伏沉积相的全风化、中风化的砂岩，岩土力学性质具软硬交错特点。通过勘察和综合分析，提出下卧软弱地层、液化效应是冲积平原区特大桥勘察的重点和难点，并以京九高速铁路孔垄上行特大桥勘察为例，对沿江冲积平原区铁路特大桥勘察开展工程地质分析，总结了该类型大桥勘察工程地质问题，提出了端承桩+T字梁结构+抗液化措施的建议，为设计和施工提供了科学依据。

铁路桥；冲积平原；工程地质；勘察

深厚土层、软弱下卧层、震动砂土液化问题为沿江冲积平原区特大桥勘察特别要重视的工程地质问题。近年来，软弱下卧层在震动或水的软化作用下的失稳特征及砂土液化效应对铁路、公路工程的影响越来越受到广泛的关注[1]。安庆至九江铁路孔垄联络线上行特大桥位于湖北省黄梅县濯港镇境内，是京九高速铁路重点特大桥之一。该桥于2015年10月通过地质调查和采用钻探、原位试验、静力触探等综合勘探测试手段，结合室内试验，详细查明了桥址范围内的地层分布、岩性、地下水分规律等地质情况，发现桥址范围了内存在超过40m的深厚松软土层和全风化的软弱地层，地质条件差，对特大桥的设计和施工带来一定的影响[3]。

图1 特大桥典型剖面示意图

1 特殊的工程地质背景

1.1 工程地质条件的特殊性

沿江冲积平原区，地形平缓，河流相地质沉积作用复杂。研究区高程仅为10～16m。在河流地质沉积作用和多次洪冲积－水流淤积作用下，特大桥桥址区域形成了地层界限间杂、厚度不一的交错层理，第一层为第四系全新统填土层（Q4ml），厚度0.7~3.0m；第二层为第四系全新统冲积层（Q4al），包括粉质黏土（1.6~27.8m）、粉土（1.0~22.8m）、粉砂（1.1~25.4m）、中砂（2.2~3.9m）、粗砂（1.0~8.0m）、细圆砾土（0.7~16.0m）；第三层为第三系（E1），包括全风化砂岩（0.5~12.96m）和中厚层强风化砂岩。（图1）

特大桥上部结构复杂，对工程地质条件要求高。该桥既有单线（起讫KLSDK0+865.25～KLSDK3+965.98，全长3 100.73m），也有复线（起讫KLSDK3+965.98～KLSDK4+952.185，全长986.21m）；桥墩间距最小1m，最大120m，孔跨样式全为简支T梁或连续梁。

研究区岩土体具层状或硬软相间互层结构特征，其中冲积和洪泛相中砂土、粉土、粉土与全风化粉砂岩这类岩土体中分布稳定的软弱层。这些软弱层呈间隔式分布，厚度由数十厘米至数米，有的呈枣核形分布（85~87号钻孔间），有的呈板状分布（111~113号钻孔间），还有的是透镜体（如50~52号间），分布极不规律。（图2）

密实圆砾土下方有时可见一个旋回的呈扁豆状分布的全风化的砂岩，当其富含泥质砂砾时，也为一软弱夹层。但厚度较薄（0～3.6m），连续性差，在部分钻孔深处发生尖灭。这类相式中砂岩体的厚度与古河流水深相近，厚度变化小。根据岩相学研究，河流水深（D）与砂岩体中斜层理层性系的厚度（H）之间有如下经验关系：

lgD=0.8271 lgH+0.8901 （1）

在研究区的第四纪沉积物中，上覆盖连续性较好的厚度较大的冲积物、粉质粘土和淤泥质饱和粉土，这些土层一般上部结构透水性较好，底部为密实粘土隔水层，这些隔水层在外动荷载作用条件下，可造成液化而引起上覆盖土层沉降，它往往是冲积平原区地层的重要下卧软弱层。

图2 沿江冲积平原沉积相模式

冲积河流沉积相模式中还有一些水流事件性变化造成的沉积物，如河道更改，决口扇等沉积物，它们使岩土体结构复杂化，这些沉积物有的由于形成了厚薄不均的淤泥或饱和软粘土，如在85至88号墩之间存在厚度约0.5~3.2m的软粘土。

1.2 岩土力学性质的交错性

岩土力学性质由上至下递变规律多变也是冲积平原区铁路特大桥勘察特别要注意的问题[6]。由于冲积平原地层成因受气候、洪水等季节性变化因素的影响，各地层岩土力学性往往呈现上下交错的性质，一般情况下，上部为第四纪冲积形成的粉质黏土由软塑向硬塑递变，基本承载力逐渐增大；再往下沉积的是粉土、粉砂层，承载力由大变小；第三层是细砂、中砂、粗砂至细圆砾土，基本承载力由110kpa逐渐递增到600kpa；最下面一层为全风化的砂岩、强风化砂岩、微风化砂岩，力学性质又迅速减弱后，又逐渐增强，数据变化见附表。

1.3 充沛的地下水

冲积区特大桥勘察另一个显著特点是地下水含量非常充沛，主要原因是由于研究区属于冲积扇前缘，地层由上至下分别是孔隙度比较高的粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂和细圆砾土组成，富含第四系孔隙潜水；下覆全风化和强风化砂岩裂隙较多，富含基岩裂隙水；这些地层透水性随着埋深逐渐加强，加之地表水埋深仅为1.70～5.10m，水位季节变幅1～2m，地表水源充足，水位稳定，极有可能存在沿钻孔发生涌水现象，影响特大桥桩基础的长期稳定性和大桥工程的安全。

孔垄联络线上行特大桥典型地层岩土力学表

地层编号岩土名称岩土状态岩土物理力学参数建议取值 γ（kN/m3）c(kPa)φ压缩模量Ｅs(MPa)基本承载力(kPa)桩周极限摩阻力(kPa) ①12粉质黏土软塑18.416.65.4°3.969020 ①12粉质黏土硬塑19.58.36.2°6.4515040 ②21粉土稍密18.312.92.8°3.1512030 ②22粉砂中密---3.6211035 ③31细砂中密----21050 ③32中砂中密----37065 ③33粗砂中密----43080 ③34细圆砾土密实----600160 ④41砂岩全风化----20060 ④42砂岩强风化----30080

2 地震与断裂构造

2.1 断裂构造

桥址区北距南北向郯庐断裂南段嘉山-庐江断裂末端约46km，下覆新元古代张八岭岩群Pt3z,南跟长江约25km。因桥址区距大型断裂构造距离较远，且地层分布为厚度8～15m的粗砂、砾石或硬质土层，断裂构造对工程的影响程度较小。

2.2 地震及地震动参数

桥区地处湖北省南部滨湖沉积平原和沿江冲积平原区，工点内地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度Ⅵ度，地震动反应谱特征周期分区为1区，未来百年内，研究区处于相对平静期，总体地震活动水平较弱。

2.3 砂土液化分析

冲积平原区地层广泛分布粉土、粉质粘土、粉细砂和中砂，在地基土体受到地震和强震动作用下，砂性土层可能会产生震动压密、下沉、地震液化，而饱和的软弱夹层及松软土层在震动作用下可能会流塑变形；在进行桩基施工和深基坑开挖时可能性渗透变形，从而导致桥基失效造成特大桥的破坏，因此建议根据相关规范对地基砂土进行震动流化的判别。部分钻孔（如ZK13-20，ZK77-79，ZK92-93，ZK128-129号）的含粉砂百度超过20m，在振动作用极易发生砂土液化（图3）。

3 勘察成果分析及建议

3.1 地基稳定性

桥址区对应的地震基本烈度为Ⅵ度，地震分区为第Ⅰ区。地质勘察表明第四系全新统冲洪积的9层密实细圆砾土因埋深在40m左右，承载力在600MPa左右，厚度也较稳定，可作为桩基础的持力层。勘察深度范围内分布有可液化土层，在设计应充分考试，并注意水位变化对桩的摩擦力的影响；同时因下覆全风化第三系砂岩，承载力较弱，在设计时要进行软弱基底验算。

图3 孔垄联络线上行特大桥88号墩地质概化剖面图

基于上述分析，先利用钻探和标贯对桥基稳定性进行分析，再利用剪切波速测试法对研究区0－89墩、90－121墩两个剖面的ZK35、ZK36、ZK65等6个孔位进行剪切波速和地震液化进行分析，发现剪切波速Vse均小于150m/s；在设计时要对单线和双线剖面进行桥基稳定性分析，看是否发生桩基失稳和变形破坏。特别是在饱和工况下，要充分考虑地基渗透变形和桩基负摩擦力的影响，将桩穿透液化土层并深入到下部密实稳定的圆砾土层足够长度（3m以上），增强液化场地的防震措施。建议采用墩台桩基和摩擦桩，以防止负摩擦力对降低桩的负摩擦力的产生。

3.2 桥梁结构建议

特大桥桥梁上部结构安全除与上部荷载大小及方法有关，且与地层岩性、各地层厚度等因素密切相关，其中软弱地层和深厚砂层渗透系数高，且场地存在砂土液化的可能性，桥梁抗震要求较高，综合考虑因素多。结合地质情况、桥梁抗震要求和安全经济实用、施工工期的等综合因素，桥梁结构单线KLSDK0+865.25～KLSDK3+965.98，全长3 100.73m，孔跨样式采用（6～32m、1～24m、9～32m）简支T梁+(72～120m）m连续梁+（59～32m、1～24m、11～32m）简支T梁；（双线）KLSDK3+965.98～KLSDK4+952.185，全长986.21m，孔跨样式采用（1～32m、1～24m、21～32m、3～24m、5～32m）简支T梁；（单线）KLSDK4+952.185～KLSDK7+116.95，全长2164.37m，孔跨样式采用（15-32m、1～24m、2～32m、1～24m、15～32m、2～24m、7～32m、2～24m、1～32m)；桥跨中间是简支T梁+(32+48+32)m连续梁+18～32m简支T梁。

3.3 岩土工程问题及基础设计建议

结合以上分析，桥址区的岩土工程地质问题主要有:软弱地层的承载力过低问题、砂土液化问题、负摩擦力问题、库岸边坡的稳定性问题。

根据这些问题，拟对特大桥两端路桥过渡段、锥体护坡基底及桥台填土路基段建议考虑加固处理设计，如对ZK1、ZK2、ZK3、ZK170~ZK171可采用端承桩和桥台换填土法路基；地下水埋藏浅，建议做好承台开挖时的降水、排水设计和基坑支护措施设计，防止基坑溜坍及基槽浸泡，如ZK99、ZK100、ZK101、ZK102等施工时，施工时要大面积的围堰清淤，或者下套管防止涌水塌坑现象的入情入理；冲积平原砂层厚度大，桥梁桩基施工期间易发生缩颈、跨孔、地面塌陷等孔内事故，桥梁设计时需注意加强防护措施设计，以免影响成桩质量，如在砂层厚度超过8m的ZK49~ZK53，ZK92~ZK93等钻孔采用钢护筒跟进法、片石粘土筑壁法、真空吸进法等进行技术处理。

4 结论与讨论

孔垄特大桥与长江中下游的黄石长江大桥、南京长江二桥、铜陵大格一样，属于沿江冲积平原区深厚冲积层上的特大桥,在震动作用下易发生桥基失稳现象，面临共有的工程地质问题：

1）地层结构具有冲积平原的典型河流沉积相特征。在U型河谷两岸，地层由上至下存在交错的层理，上部地层多由第四系堆积土、粘土、砂土到圆砾，下覆软弱的河流相全风化沉积砂岩。间杂地层呈透境体或尖灭分布。这种特殊的沉积相结构造成其岩土力学由上至下由弱到强、再由强到弱的分布特征，对工程的影响较为复杂。

2）通过综合勘探结果表明，冲积平原区特大桥地基水位埋藏较浅，岩土渗透系数较大，涌水量较大，在勘查施工时要注意排水措施，防止发生涌砂、塌孔现象。在河谷边缘还要注意防止基底滑坡，桥基要注意不均匀沉降。结合工程的剖面图和柱状图，孔垄上行特大桥的56~88号桥墩由于粉砂厚度较大，还要特别注意防止砂土震动液化。

3）鉴于冲积平原区工程地质条件复杂、岩土力学性质交错性的的特点，采用综合勘察方法对桥基进行勘察效果对比分析，重点做好地基稳定性分析及下卧软弱层承载力计算。在此基础上，合理设计端承桩的长度和桩径、桥梁的类型和跨距、砂土的液化地基灌浆或换填挤密、水位涨跌引起负摩擦桩等，科学处理其可能面临的岩土工程问题，保障特大桥的安全施工运行。

[1] 杨怀玉，许再良. 铁路工程勘察钻探技术[M]. 北京；中国铁道出版社，2013.

[2] 中铁五院第五勘察设计院有限公司. 孔垄上行特大桥勘察报告[Ｒ]. 2015.

[3] 徐福兴，石林. 长江中下游特大桥主要工程地质地质问题的勘察与勘察[J], 中国地质大学学报，2001，26（4）：377-380。

[4] 李书轮.珠江口某特大桥岩土工程勘察重难点分析[J], 中国水运,2013,13(11):373～376.

[5] 伍红祥，徐容.铁山港跨海特大桥的勘察[J]. 公路交通科技, 2010,63(03):150-153)

[6] 李建文，唐咸远. 高海拔强液化场地沙害区特大桥的勘察设计[J]. 中外公路,2013,33(3):179-183.

[7] 陈伟.西南某铁路大桥综合勘察认识，铁道工程学报[J]. 2011.159(12):49-54.

Geological Investigation of A Railway Bridges over the Yangtze River Alluvial Plain

GAN Sen-lin1YU Hong-liang1GAN Jian-jun1ZHANG Lei3

(1-Survey and Design Institute of Jiangxi Province, Nanchang 330099; 2-Nanchang Institute of Engineering, Nanchang 330099; 3-Five-Department Fifth China Railway Survey and Design Institute Co., Ltd, Beijing 102600)

Sediments on the Yangtze River alluvial plain is fluvial deposits consisting of diluvium- alluvium such as clay, silt soil, sandy soil and round gravel soil and underlying weathered sandstone whose rock and soil mechanics is characterized by soft hard alternation. The investigation indicates that the underlying weak rock bed and liquefied effect are the key of the railway bridge construction. Accordingly, in combination with experiences of the Konglong bridge, a suggestion on the end bearing pile, T beam structure and liquefaction resistance measures is put forward which provides scientific basis for design and construction.

railway bridge; alluvial plain; engineering geology; investigation

2017-06-15

江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ151124），国家自然科学基金(41272297)资助

甘森林（1990- ），男，江西永新县人，工程师，从事岩土工程勘察及设计工作

甘建军(1975- )，男，江西永新县人，博士，主要从事岩土工程和边坡稳定性的研究和实践工作

[P642.3]

A

1006-0995（2017）04-0655-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.029