郑焦城际铁路黄河特大桥工程地质条件研究

2020-09-24张劳恩

铁道标准设计 2020年10期

张劳恩

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

随着我国铁路建设的高速发展，铁路跨越大江大河成为了工程师们必须面对的问题。已有许多学者对铁路跨越大江大河的勘察、设计及施工进行了相关研究。胡辉跃对三门峡黄河公铁两用大桥主桥钢桁结合梁设计进行了介绍[1]；高永强从桥位选择、桥型选择、桥梁结构、施工方案、运营期间检测监测等方面，对石济客运专线黄河特大桥总体建设方案进行了总结[2]；甘森林等对沿江冲积平原区某铁路特大桥勘察进行了研究，认为下卧软弱地层、液化效应是冲积平原区特大桥勘察的重点和难点[3]。另外，孙宝忠等基于某特大桥桥址区的地层岩性、地质构造、岩土体特征、水文地质、不良地质、特殊岩土、地震参数、场地类别、场地抗震地段划分等特征，对其场地稳定性及场地适宜性等工程地质问题进行了定性分析[4]；赵明东认为，铁路选线应绕避大面积地面沉降区，以降低铁路建成后的运营风险和后续处理地面沉降的巨额投资[5]。基于前人的研究，结合郑焦城际铁路黄河特大桥桥址区的场地情况，采用现场调查、钻探、物探、原位测试和数值模拟相结合的综合勘探方法，对桥址区的工程地质条件进行深入分析，以达到确定桥位、优化桥梁结构及降低造价的目的。

1 桥址区基本情况

1.1 郑焦铁路概述

新建郑州至焦作城际铁路(以下简称“郑焦铁路”)位于河南省西北部，从京广铁路郑州站引出，跨越黄河进入焦作市境内，见图1(红色线为郑焦铁路，蓝色线为南水北调工程)。线路全长约78 km，铁路等级为城际铁路，设计速度为250 km/h。黄河特大桥是郑焦铁路的控制性工程，全长9 292.4 m。

图1 郑焦铁路及黄河特大桥桥位示意

1.2 地形地貌

焦作市修武县以南广大区域为冲积平原区，地面高程为70～100 m，地势平坦开阔，表层为第四系全新统硬塑状粉质黏土、粉土，一般辟为耕地。跨越黄河后，线路西南部为邙山黄土丘陵区，地面高程一般为200～400 m，相对高差80～150 m，冲沟发育，局部地带有冲洪积洼地分布。桥址区地形地貌见图2。

图2 桥址区地形地貌

1.3 地层岩性

采用深孔钻机，搭设水上钻井平台，对桥址区的地层情况进行勘探，钻孔深度为120～150 m。根据钻孔揭示，桥址区勘探深度范围内主要为第四系全新统、第四系上更新统冲积层和第四系中更新统洪积层。根据各土层沉积特点，划分为三大主层。按沉积新老顺序及各土层分布特点(图3)，各地层主要特征如下。

(1)第四系全新统冲积层

①2粉土：黄褐色，稍密，稍湿-饱和，土质均匀，层厚2.1～8.4 m，桥址区均有分布。

①3粉砂：黄褐色，稍密-中密，饱和，主要成分以长石石英为主，含少量云母碎片，在桥址区呈透镜状分布，厚2.8～10.8 m。

①4细砂：黄褐色，稍密～中密，饱和，主要成分以长石石英为主，含少量云母碎片，在桥址区均有分布，该层厚度较大，厚10～52.8 m，未揭穿该层。

①5粉质黏土：浅灰色、黄褐色，硬塑-坚硬，含少量黄色锈斑及铁锰质斑点，含少量姜石，在桥址区呈透镜状分布，厚1.2～4.7 m。

①6粗圆砾土：杂色，密实，饱和，次圆状，成分以石英砂岩为主，见少量灰岩，直径10～40 mm，砂质充填，含量30%～40%，厚10.5 m。

①7中砂：黄褐色，密实，饱和，成分以石英、长石为主，局部夹黏土薄层，在桥址区呈透镜状分布，厚3.2～15.2 m。

②1中砂：灰褐色，密实，饱和，成分以石英、长石为主，局部含小砾石，在桥址区分布较广，层厚24.4～39.8 m，局部未揭穿。

②2粉土：黄褐色，密实，潮湿-饱和，土质均匀，在桥址区呈透镜状分布，厚1.9～3.2 m。

(2)第四系上更新统冲积层

③粉质黏土：黄褐色，坚硬，切面光滑，夹有少量钙质结核，粒径2～16 mm，含有铁锰质斑点，零星分布，含有少量螺壳碎片，在桥址区分布较广，厚21.7 m。

(3)第四系中更新统洪积层

④粉质黏土：棕红色、棕黄色，坚硬，上部含有大量钙质结核，粒径2～12 mm，最大6 cm，含有少量铁锰质斑点及条纹，厚43.5 m。

图3 桥址区地层断面

1.4 水文地质特征

(1)地表水

桥址区地表水主要为黄河水，黄河在此处宽度为900～1 200 m，水位高程为98.21 m，主槽位于南侧，宽约40 m，水深6～7 m，河中多有浅滩。桥位所处河段为黄河下游河道上端，主槽搬动幅度较大，桥位处500 m范围内有京汉铁路老黄河桥、既有京广铁路黄河大桥、郑焦及京广铁路新黄河大桥三座大桥，水文地质状况较复杂。

(2)地下水

桥址区地下水类型主要有：第四系松散岩类孔隙潜水，含水层为粉砂、粉土及细砂，勘探期间，地下水埋深1.3～11.1 m，水位高程80.85～94.98 m。

根据区域地质资料，地下水流向为西南至东北，主要以河流侧向径流和大气降水的形式补给，以蒸发的形式排泄。

1.5 地震动参数

根据《中国地震动参数区划图》，结合沿线地形地貌及地质构造特征，桥址区地震动参数划分如下：地震动峰值加速度为0.15g，地震烈度为Ⅶ度，地震动反应谱特征周期为0.40 s。

1.6 项目难点

桥址区存在区域地面沉降、活动断裂带、砂(粉)土地震液化、软土震陷等多种不良地质，以及人工填土、软土、松软土等特殊土，且桥址区第四系土层深厚(大于300 m)，其工程地质条件较为复杂。其中，地面沉降对桥位的选择影响极大；而地震地质灾害评价对主桥的梁型选择、桩长的确定至关重要。

2 工程地质条件研究

2.1 地面沉降

桥址区处于黄河冲积平原，第四系地层厚度大，沉积地层以砂土(含水层)、黏性土(隔水层)互层为主，由于抽取地下水，形成了以郑州、武陟、焦作等地为中心的沉降漏斗。线路方案原则上应绕避沉降漏斗中心区域或走在其边缘。根据既有高速铁路经验，邻近线路的新增水井抽采地下水对铁路轨道沉降影响较大，应严格控制[6-8]。

根据现场调查与资料分析，桥址区的地下水开采以浅层为主[9]，当过量开采地下水形成地下水降落漏斗后，地层应力发生变化，特别是表层软土受到压缩，导致地层下陷。

2.1.1 含水层结构特征

结合该区域浅层、中深层地下水的运动特征，对地下水运动进行概化。不难发现，地下水在垂向的运动主要为层间的越流，其流动随时间和空间发生变化，体现了地下水系统的非均质性和非稳定性。因此，宜将桥址区的地下水系统概化成具有各向异性的空间三维非稳定流。

2.1.2 地下水系统数学模型

根据桥址区的水文地质条件及工程地质条件，采用使用较为普遍的伽辽金法，对渗流区域进行三角剖分，边界记作R，则三维非稳定流的微分方程为

h(x，y，z，t)|t=0=h0

(1)

式中，Kx、Ky、Kz、Kn分别为x、y、z、边界法向方向的渗透系数；S为自由面以下含水层储水系数；ε为分含水层的汇源项；h0为含水层的初始分布；h(x，y，z，t)为某点在t时刻的含水层分布；R1、R2为渗流区域的侧边界、下边界；q(x，y，z，t)为单宽流量。

模拟过程可划分为12个时段，每个时段为一个月，将水位观测资料作为计算的初始水位赋给模型。然后，将观测井的观测值与模型预测值进行拟合，不断调整其参数，使得拟合结果达到预期。最后，采用FEFLOW及Sufer软件对水位、高程等数据进行处理，即可获得桥址区地下水的变化情况。

通过计算，在现有开采条件下，桥址区地下水水位呈整体下降的趋势，下降速率为5～25 mm/a(图4)。

由图4可知，在桥址区西侧，地下水下降速率较大，一般为15～20 mm/a；在桥址区东侧，地下水下降速率较小，一般为5～10 mm/a。由此可见，桥位应尽量靠东，以减小地下水位变化对桥梁工程的影响。

图4 桥址区地下水位下降情况示意(单位：mm)

2.1.3 地面沉降计算

根据土力学相关原理，开采地下水引起的地面沉降可分为黏性土层的变形与砂层(含水层)的变形。

砂土层的变形量为

(2)

式中，S砂总为砂层总沉降量；E为压缩模量；ΔPi为水位变化引起的砂层附加荷载；Hi为砂层的分层厚度。

黏性土层的变形量为

(3)

式中，S总为黏性土层总沉降量；αvi为土层的压缩系数；eoi为初始状态土层孔隙比；ΔPi为水位变化引起的土层附加荷载；Hi为砂层的分层厚度。

由式(2)、式(3)可知，土层的总沉降量为

S总=S砂总+S黏总

(4)

计算表明，现状条件下地下水抽采10年，因开采浅层地下水引发的地面沉降量为4.75～16.23 mm，开采中深层地下水引发的地面沉降量为31.35～61.23 mm，产生的总沉降量为36.10～77.46 mm(图5)，平均沉降速率为3.61～7.74 mm/a。

图5 桥址区沉降分布示意(单位：mm)

由图5可知，桥址区西侧的地面沉降速率较大，一般为2～3 mm/a，最大为7.74 mm/a(主要为开采中深层地下水所致)；桥址区东侧的地面沉降速率较小，一般为1～2 mm/a。由此可见，桥位应尽量靠东，并远离中深层地下水开采井，以减小地面沉降对桥梁建设的影响。

2.1.4 地面沉降小结

根据研究成果，除桥址区西部沉降漏斗区域外，其余区域沉降量均较小；桥址区附近有运行多年铁路、公路的桥梁工程，也暂未发现遭受不均匀沉陷地质灾害。故认为桥梁工程受地面沉降影响的危险性较小。另外，考虑既有京广铁路黄河大桥因病害严重需拆除(本桥需一次建成四线铁路特大桥)，最终选择的桥位位于既有京广铁路郑州黄河大桥下游约110 m处，以尽量避免既有京广铁路的迁改。

2.2 地震地质灾害

根据本工程所处地理位置、地质条件以及地形、地貌特征，该工程场地需要考虑的主要震害为饱和砂土的液化、软土震陷及活动断裂等。震害评价对主桥的梁型选择、桩长的确定至关重要。因此，采用综合勘察的方法对其进行深入研究。

2.2.1 饱和砂土液化

郑焦铁路黄河特大桥为国家重大工程中的甲类建筑，其桥址区上覆地层中普遍存在第四系全新统地层，地表下20 m深度范围内存在较厚的饱和粉细砂层，桥址区处于抗震设防Ⅶ度(地震动峰值加速度0.15g，地震动反映谱特征周期0.55 s)区，根据GB50011—2001《建筑抗震设计规范》，对该拟建工程需考虑饱和砂土的液化问题[10-11]，且从安全的角度还应将其烈度提高1度(Ⅷ 度)进行判定。

当实测剪切波速Vs大于土层剪切波速临界值Vscr时，可判别该层为不液化。

对于砂土，有

(5)

对于粉土，有

(6)

式中，ds为砂土或粉土剪切波速测点深度；Kc为经验系数按表1取值，计算得到桥址区20 m范围内饱和砂、粉土的液化判别结果见表2。

表1 剪切波速临界值经验系数

表2 桥址区20 m范围内土层的液化判别结果

研究表明：设计烈度为Ⅷ度时，桥址区4～20 m深度内的饱和粉土、砂土层均为可液化土层。故可判定该桥址区存在液化潜势[12]。另外，根据剪切波速结果，可判定桥址区场地类别为Ⅲ类，场地土类别为中软土。

2.2.2 场地软土震陷评价

软土主要由淤泥、淤泥质土、泥炭质土、有机质土或其他高压缩性土组成，软土能否发生震陷，与土层承载力标准值和平均剪切波速有关，按照相关研究[13-15]，当地基承载力标准值或平均剪切波速满足表3时，可不考虑震陷的影响。根据勘察资料，黄河特大桥桥址区地表下20 m深度范围内，存在厚5～13 m的松软土层，故需考虑软土震陷对拟建工程的影响。从本次钻孔波速测试结果看，按Ⅷ度考虑时(设计烈度提高1度)，桥址区部分土层剪切波速值及标准承载力值小于表3中所列值。因此，部分区段粉土层存在震陷的潜势(表4)，需考虑软土震陷问题对拟建工程造成的危害[16-19]。

表3 震陷影响判别标准

表4 桥址区地层震陷评价

2.2.3 活动断裂的影响

新构造期以来，场址区由前期的断陷转化为更大范围的坳陷，第四纪以来一直处于稳定沉降状态。地表为第四纪地层所覆盖，均为冲积-湖积相沉积。

新乡—盘古寺断裂、薄壁断裂、新乡—商丘断裂和上街断裂均穿越了拟建铁路线，但与桥址区距离均大于1 km，这两条断裂晚更新世晚期以来均未见明显活动迹象，未来百年断裂的构造活动形成地表破裂的可能性不大[20-21]，故判断其对桥梁工程影响较小。

老鸦陈断裂展布于桥址区东侧(距桥位最近处约200 m)，为一走向北西、倾向北东的正断裂，地震勘探揭示，断裂两侧奥陶系灰岩顶板反射界面明显断错，并控制了下第三系堆积，南北两剖面基岩垂直断错分别为200 m和400 m，在第四系地层中未发现断层引起的地层断错现象(图6)。综上，可判断该断裂为非全新活动断裂(仅1万年前活动过)，且距离桥位相对较远，故认为其对桥梁工程影响不大。

图6 郑州老鸦陈村浅层地震解释剖面(单位：m)

2.2.4 地震地质灾害勘察小结

该工程所处地理位置接近黄河风景区，黄河在此处宽度为900～1 200 m，水深6～7 m，地层以松软土、软土为主，且存在地震液化、软土震陷、活动断裂等地震地质灾害。因此，建议桥位远离活动断裂带；采用大跨度(大于100 m)钢梁跨越黄河主河道，以减少水上施工的工程量。另外，应采取适当增加桩长等措施，以克服砂土液化、软土震陷的影响。