福州洪塘大桥改建工程岩土勘察评价

林 翔

(福建省地质测绘院，福州，350001)

福州市洪塘大桥改建工程为连接福州市仓山区与闽侯县上街大学城的重要交通枢纽。新建桥梁宽度32.75 m，长度1 710 m，主桥采用两跨独塔钢箱梁自锚式悬索桥，主跨跨径150 m。引桥段采用钢筋混凝土小箱梁。此外，包括立交匝道、2座过街人行天桥。大桥东岸位于福州市妙峰山麓，跨越乌龙江河床，西岸位于闽侯上街冲海积平原。场地综合地质调查在区域地质资料的基础上，以1∶2 000地形图为手图，通过穿越与追索相结合的方法，开展基础地质、水文地质、工程地质与环境地质等综合调查；针对主线桥、匝道引桥、人行桥及一般路基、边坡及挡墙布设勘探钻孔点[1]，对特大桥的主桥的每个墩台勘探点不少于2个，对其他桥梁采取逐墩台布置勘探点。完成各类钻孔285个，所有钻孔均作为原位测试孔，取样孔占50%以上；各类钻孔终孔验收和水位观测完成后，均采用黏土球分层回填夯实封孔处理。

1 场地工程地质条件

1.1 地质概况

图1 福州拟建洪塘大桥地质略图Fig.1 Geological map of proposed Hongtang bridge in Fuzhou city1—第四系全新统长乐组冲积层；2—第四系全新统长乐组冲海积层；3—侏罗系上统南园组第三段熔结凝灰岩；4—侏罗系上统南园组第二段凝灰熔岩；5—燕山晚期钾长花岗岩；6—燕山晚期花岗斑岩；7—燕山晚期钾长石英斑岩；8—正长斑岩；9—断层；10—拟建洪塘大桥

桥址分布地层主要为第四系人工填土层、冲积土层、冲海积土层、坡积土层、残积土层。基底岩层为燕山晚期侵入的花岗岩、花岗闪长岩及后期辉绿岩脉等。在花岗岩体内见有晚侏罗世南园组火山岩俘虏体。桥址未见明显构造迹象，但桐口-洪山桥隐伏断裂[注]福建省区域地质测量调查大队，1∶20万区域地质调查报告，1981。在桥址东侧约2.0 km处近垂直于主桥走向通过(图1)。 受断裂构造影响，岩体节理裂隙较发育，东桥台边坡区测得裂隙主要有4组，走向主要为北北西向，其次为北东向，节理裂隙面呈平整、闭合状，局部微张，宽度1～3 mm，见有风化黏土矿物，裂隙长度一般大于2 m，间距5～50 cm，倾角一般大于50°，力学性质以压扭性为主。

1.2 岩土层特征

场地岩土层自上而下分布特征如下描述(图2)。

①填土：分布于桥头两端的路基地段，杂色，松散-稍密，稍湿，以黏性土及碎石为主，堆填时间大于10 a，已基本完成自重固结。厚度0.60～21.40 m。

②中砂：灰色、灰黄色，松散-稍密，局部呈中密状，湿-饱和，成分以石英、长石颗粒为主，局部夹有砾卵石层或过渡为粗砂层，分选性较好。标贯实测击数5～15，平均击数11.21。局部夹厚度0.60～2.80 m淤泥或淤泥质黏土。中砂厚度3.80～20.80 m，层底高程-24.60～5.72 m。

③-1淤泥、③-2淤泥质黏土：分布于桥址两侧，与中砂层呈相变过渡关系。灰色、深灰色，饱和，流塑-软塑，黏性强，质较纯，切面光滑，局部含少量砂，含腐殖质，属高压缩性土，力学强度低。局部夹有粉质黏土、中砂、卵石层。厚度1.80～26.40 m，层底高程-40.06～4.29 m。

④卵石：杂色，饱和，中密-密实，动探实测击数11～48击，平均23.52击。卵石粒径为2～8 cm，呈亚圆-浑圆状，成分主要由中风化花岗岩、凝灰岩组成，级配良好，分选性较好，厚度1.00～37.30 m，层底高程-56.92～-25.63 m。

⑤残坡积粉质黏土：褐黄-灰黄色，稍湿，可塑-硬塑，以黏粉粒为主，干强度中等，土质细腻，韧性高，局部含有少量碎石、砾石等，层底高程4.85～52.49 m。

⑥全风化花岗岩：灰黄色、褐黄色，岩体极破碎，呈散体状结构，岩芯呈土状，手捏易散，泡水易软化、崩解，强度低。该层厚度变化较大，层顶埋深2.60～54.10 m，层顶标高-41.14～20.27 m。

⑦强风化岩体：包括强风化花岗岩、强风化熔结凝灰岩、强风化灰绿岩，以强风化花岗岩为主。该层厚度变化较大，层厚一般为0.40～27.30 m，层顶埋深0～60.40 m，层顶标高-57.90～52.49 m。

⑧中风化岩体：包括中风化花岗岩、中风化熔结凝灰岩、中风化辉绿岩，以中风化花岗岩为主。岩体风化裂隙发育，RQD为30%～60%，TCR大于90%，属较坚硬岩，岩体质量等级属Ⅲ级。该层厚度变化较大，层厚0.50～8.60 m，层顶埋深0.60～79.10 m，层顶标高-74.79～50.49 m。

⑨微风化岩体：钻孔中揭露的岩性与中风化岩体层相对应。节理裂隙不发育，RQD为50%～80%，TCR大于90%，属坚硬岩，岩体基本质量等级属Ⅱ级，未揭穿。

1.3 岩土层物理力学特征

岩土体主要物理力学指标按照国家标准[2]有关要求进行数理统计，异常值剔除采用正负三倍标准差法。统计结果表明，除个别指标由于土层自身的不均匀性，离散较大(δ>0.3)外，大部分指标的变异系数小于0.3。

根据室内岩、土试验及现场标贯等结果，并结合地区工程经验综合确定岩土设计参数(表1)。其中重度(γ)、压缩模量(Es)、变形模量(Eo)、岩石饱和单轴抗压强度(R)为平均值；抗剪强度(Ck、φk)为标准值。

1.4 不良地质现象

1.4.1 楔形体

拟建桥址东侧妙峰山麓，岩石裸露。据现场调查边坡岩石节理裂隙发育，有4组主要节理。①产状45°∠30°，长1.5～2.0 m，间距3～15 cm,节理裂隙面平整、闭合状，局部微张；②产状155°∠55°，长大于3.0 m，间距5～20 cm,呈密集带，宽0.6 m，节理裂隙面平整、闭合状，局部张开宽度1～3 mm；③产状63°∠86°，长大于2.0 m，间距5～15 cm,节理裂隙面平整、闭合状，局部张开宽度3～5 mm；④产状305°∠60°，长大于3.0 m，间距20～50 cm，节理裂隙面平整、闭合状，局部张开宽度1～3 mm，见有风化黏土矿物。其中①②组节理成共轭节理，加上③组近于垂直节理相互作用、交切形成楔形岩体，④组与边坡倾向基本一致的节理的叠加，构成影响边坡稳定的楔形体[3]。

1.4.2 风化残留体

拟建主线桥钻孔QCK16、QXK75、QXK77、QXK93、QXK95，在全风化花岗岩层中揭露有中风化花岗岩残留体，厚度1.20～6.90 m；EN匝道钻孔ENXK3、DFD匝道钻孔DFDCK4、人行天桥钻孔TQ-ZK23揭露有厚度1.20～2.00 m的中风化花岗岩残留体。其余钻孔未揭露，但不排除勘探孔之间分布有风化残留体的可能性。弱风化花岗岩残留体在勘察场地面上分布没有显著的规律性，以孤立存在为特点；垂向上以单体出现，未见有相邻风化残留体出现；其体积大小也各异，但直径一般小于2 m，个别达6 m。风化残留体成因与岩体节理裂隙发育，在地下水的作用下的差异风化作用有关。风化残留体的存在可能造成岩体风化界面可靠埋深的误判[4]。

表1 岩土层设计参数建议值

注：带*号的为经验值。

2 场地工程地质条件评价

2.1 抗震评价

2.1.1 抗震场地类别划分

根据建筑抗震设计规范[5]，桥址场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，场地地表下20 m深度内分布土层为人工填土、中砂、淤泥、淤泥质土等，据实测剪切波速计算场地等效剪切波速180 m/s,场地类别为III类，特征周期为0.55 s。

2.1.2 软土震陷

根据钻孔揭露情况，拟建工程软弱土(淤泥、淤泥质土)除边坡区外大部分路段都有，揭露厚度1.60～30.00 m、1.10～23.40 m，实测剪切波速值大于90 m/s，根据规范，拟建工程在7度地震时可不考虑震陷影响。

2.1.3 砂层液化

在拟建场地地面下20 m范围内可能液化土层主要分布有中砂，依据选取的11个钻孔的标贯试验结果，采用交通工程标准贯入试验判别法[6]，对中砂层进行初步液化判别，其中1孔不液化；5孔轻微液化，液化指数0.10～5.86；5孔中等液化，液化指数6.59～13.00；无严重液化。依据判定在7度地震时，中砂层会产生轻微-中等液化；按最不利因素考虑，综合评定拟建场地中砂层在7度地震时会产生中等液化。

拟建场地中等液化分布范围为主线桥K0+410至终点，WSK0+000～WSK0+160，TQSK0+000～TQSK0+130，TQNK0+210至终点，SW0+200至终点及NW匝道全部。

2.2 桥梁工程岩土条件分析与评价

2.2.1 基础型式与持力层建议

由于洪塘大桥荷载较大，而且场地上部土层工程力学强度低，且局部分布有软土及液化砂层，不具备天然地基条件。场地局部区段砂砾卵石厚度较大，最厚达38.0 m，层底埋深达56.10 m，其中下部可作为拟建桥梁桩基持力层，但由于只是中部小范围分布，其他均采用中风化层作为桩基持力层，易引起较大的差异沉降。桥基选择中，中-微风化岩力学强度较高，为不可压缩层，可满足桥基设计的强度和变形要求，桩基稳定性好。因此，建议各桥墩、桥台采用冲孔灌注桩，以中、微风化花岗岩或熔结凝灰岩做为桩端持力层的端承桩方案。中微风化花岗岩岩面起伏较大，局部全风化花岗岩岩体中存在中风化残留体，可能造成中风化界面误判，建议施工阶段加强地质验槽。

2.2.2 桩基设计参数

根据福建省建筑地基基础技术规范[7]及公路桥函地基与基础设计规范[8]，钻(冲)孔灌注桩的桩侧摩阻力及桩端承载力计算参数(表2)。场地内中砂层在7度地震时会产生中等液化。因此液化土的桩侧摩阻力标准值及桩水平抗力均应折减[9]，折减系数建议取1/3。

表2 钻(冲)孔灌注桩设计参数

2.3 引桥接线与匝道工程岩土条件分析与评价

根据工程地质钻探资料并结合设计路面标高，拟建桥梁两端接线、匝道路基存在地表路基工程，其地基土以填土为主。地表路基层整体结构疏密不均匀，厚度变化较大，地基均匀性差。

现有道路区域范围内填土经车辆多年碾压，一般已达密实状，根据同类工程经验，可以作为拟建路基天然地基持力层。

道路拓宽区域范围内填土层一般呈松散状，局部稍密，不均匀，稳定性差，不宜直接作为路基持力层。填土厚度较薄时，建议进行换填处理；在主线K0+000～K0+300和东辅道DFD0+420～DFD0+500范围内杂填土厚度15～20 m，其下为淤泥层，最大厚度10 m，可采用水泥土搅拌桩、CFG桩或路堤桩进行处理。

此外，东侧桥头拓宽区域存在高填土，局部填土高度为6～7 m，下伏为淤泥、淤泥质粉质黏土等软土，必要时需采取有效的地基处理措施如搅拌桩、CFG桩或路堤桩等进行加固处理，以减少新老路基差异沉降[10]。

东辅道匝道下穿主线的车行箱涵地道总长50 m，均为暗埋段箱涵。地道开挖深度7.50～9.00 m，基底标高12.38～13.83 m，宽度约15.00 m，单向纵坡，最低点位于地道外，地道内部不设置泵房。地道中心线位于设计道路主线桩号K0+240处，基坑工程安全等级为二级。沿线地下管线雨水管、污水管等沿道路两侧双排敷设，埋深3.00～4.50 m，属明挖深埋，基坑工程安全等级为三级。

勘探资料显示，地道、地下管线工程主要岩土工程地质问题为特殊性填土、软弱土层淤泥对基坑稳定性构成影响。基坑表层特殊性填土于坑内及外围分布不均匀，处于松散-稍密状，整体结构疏密不均匀，厚度变化较大，地基均匀性差，欠压实，固结程度和稳定性也差；下伏为软弱土层淤泥，高压缩性土，厚度变化较大，地基均匀性一般，力学强度及工程性能差；基坑边坡整体稳定性差。坑底下部土层也为杂填土，稳定性相对较差，需进行地基处理。基坑开挖深度范围内水位标高13.50～20.50 m，抗浮水位标高取21.00 m。基坑开挖时，在地下水作用下基坑边坡会出现坑壁垮塌现象，将给基坑施工带来不利影响，建议采取适当的围护措施和降、排水措施。

地道工程因基坑两侧均为现有道路，不具备放坡条件，坑底下伏的中风化基岩埋深变化大，界面起伏大，对地道工程差异沉降控制可能造成影响。建议地基处理采用高压喷射注浆法[11]满堂加固或其他有效方法。围护措施建议采用排桩+止水帷幕+钢支撑形式，止水帷幕建议采用旋喷桩。由于杂填土透水性较强，建议采用止水帷幕隔断坑内外水力联系。

管线基坑开挖时，可采用放坡开挖，放坡坡率据该地经验可采用1∶1；如场地不能放坡时，可采用垂直开挖，但应做好基坑支护工作，可采用木桩或钢板桩支护，确保基坑施工安全。

2.4 边坡工程岩土条件分析与评价

根据设计标高，福州侧高架桥接线道路扩宽路段为挖方段，开挖边坡高度为10～15 m，局部20 m, 边坡分布主要有残坡积砂(砾)质黏性土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中-微风化花岗岩。边坡工程主要岩土工程地质问题为残坡积土层强降雨诱发崩塌滑坡、顺坡结构面岩体(块)或不稳定楔形体滑移、坠落等地质灾害。该段建议进行分台阶放坡开挖，单阶坡高取8 m，两阶间设2 m平台。坡顶及两侧应设截排水沟等防排水措施，残坡积土层及全风化-强风化层采用拱形骨架植草防护，中、微风化岩采用素喷混凝土防护。挖方边坡坡率按照边坡岩土层结构的不同，建议采用如下边坡工程坡率参数(表3)。

表3 挖方边坡坡度建议值

3 地质条件可能产生的工程风险评价

(1)东侧丘陵边坡存在影响边坡稳定的顺坡结构面岩体(块)或楔形岩块体、孤石滑塌或坠落等地质灾害，应采取边坡防治措施。

(2)桥墩台基础下部存在岩石风化界面的花岗岩风化残留体(中-微风化岩核)，在实际应用中容易被误判，影响桥墩台基础稳定，应准确预测与判定，桩基穿越时应采取相应的防范措施。

(3)冲积中砂层在7度地震时会产生中等液化，对接线与匝道路基稳定不利，对桩梁桩基础影响较小，设计施工应考虑防范措施。

(4)下穿地道、地下管线埋设基坑施工时，侧壁土层松散，稳定性差，易产生基坑跨塌，地下水位以下会产生管涌、流砂、流泥(土)等现象，施工时应采取有效的基坑防护与防治水措施。

(5)乌龙江航道通航频率高、过往船只吨位高，排水量与动水压力大、潜蚀作用强，对桥墩基础，特别是主塔墩基础施工围堰会产生基底与侧壁冲刷、渗漏水淹没施工场地等，对施工人员设备安全危害大，影响桥墩桩基础成桩质量，危及桥墩基础稳定，应采取切实有效的安全防护措施。

4 结语

洪塘大桥场地因其所处位置地质条件较复杂，岩土勘察工作具有一定挑战性。通过洪塘大桥场地岩土工程勘察，以及采取原状土样、岩样和水样进行室内分析测试的综合分析并评价桥址场地岩土工程条件，提供了桥梁基础工程设计所需的岩土物理力学相关参数，为洪塘大桥改建工程施工图设计提供了详细的岩土工程资料。目前洪塘大桥设计采纳了岩土工程勘察报告建议的基础类型与持力层方案，地基基础工作已接近尾声，桥梁桩基施工过程较顺利，保证工程进度和质量要求。