第四纪多次喷发玄武岩地区桥基勘察

杨 磊 樊耀武

(吉林铁道勘察设计院有限公司(铁三院吉林公司), 吉林吉林 132001)

1 概述

靖宇至松江河新建铁路全长74 km,位于吉林省东南部长白山腹地,白山市所辖的靖宇和抚松两县[1]。该区域新生代火山活动频繁,分布广泛,共有七次大的火山喷发活动,火山产物以火山溢流亚相基性熔岩为最发育[2-3],按喷发顺序分别为颤峰山期、奶头山期、平顶村期、军舰山期、广坪期、白头山期和天文峰期,其中前五期的产物为玄武岩,白头山期为粗面岩、石英粗面岩和钠闪碱流岩,天文峰期为钠闪碱流岩质的浮岩、熔接凝灰岩、黑耀岩及凝灰岩[4]。第四纪早更新世军舰山玄武岩(βQ1)喷发形成的熔岩台地,成为两县独特的地貌景观[1]。玄武岩(βQ1)为线路所经过的主要火山岩,占线路全长的50%。众所周之,玄武岩就是岩石,工程上叫基岩,可工程实践表明,某些情况下它的表现却不像基岩。之所以说它特殊,在于它的分布形式、产出结构以及对工程的影响,都与其他岩体有一定的区别,有时还不得不把它作为非基岩看待[5]。其中典型的是靖宇县城附近的玄武岩中松散夹层极其发育(图1),线路在该区域有3座大桥,1座特大桥,松散夹层的存在严重威胁桥梁基础的安全。勘察过程中,将这种情况作为一种不良地质,比照岩溶勘探原则,查清了松散夹层的空间分布和物理力学特征,保证了桥梁基础设计的安全合理。本文通过对该区域一座特大桥的工程地质勘察,确定了该类地层的勘察原则,为今后类似地区的桥基勘察提供一些借鉴。

图1 玄武岩与页岩间的松散夹层

2 工程地质概况

桥址区为青龙河冲积平原,地势较平坦,大部辟为耕地,拟建桥梁横跨青龙河。

桥址区勘探深度范围内地层为第四系全新统冲积层(Q4al)和第四系下更新统玄武岩(βQ1),局部表层分布第四系全新统人工堆积层(Q4ml)。地层岩性及其分布情况见图2。

图2 工程地质纵断面

桥址范围内主要地层描述如下。

(1)第四系全新统人工堆积层(Q4ml)

填筑土：主要为路基填土,分布于拟建铁路DK1+775～DK1+812和DK1+945.1～DK1+963里程,层厚1.2～2.0 m,局部为素填土,主要由细角砾及黏性土组成,主要分布于村庄及青龙河岸附近。

(2)第四系全新统冲积层(Q4al)

粉质黏土：厚度为1.3～8.8 m,黄褐色,硬塑,表层含植物根,分布于桥址区地层上部,在DK2+290～DK2+559.3缺失。

细圆砾土：厚度为2.0～10.2 m,黄褐色,稍湿—饱和,松散—稍密,一般粒径2～20 mm,最大80 mm,母岩成分主要为玄武岩,充填中粗砂及少量黏性土，局部夹粗圆砾土。该层在大部分桥址区均有分布。

粗圆砾土：厚度为5.8～8.8 m,黄褐色,稍湿—饱和,松散—稍密,一般粒径20～60 mm,最大120 mm,局部夹漂石,母岩成分主要为玄武岩,充填细圆砾、中粗砂及少量黏性土，局部夹细圆砾土。该层主要在DK2+320～DK2+480分布。

(3)第四系下更新统(Q1)

玄武岩(βQ1)：灰黑色,斑状结构,基质为交织结构,块状构造,气孔状构造,斑晶为柱粒状橄榄石,基质主要矿物成分为斜长石、橄榄石、磁铁矿,强风化—弱风化。强风化节理裂隙很发育,岩心呈角砾状—碎石状；弱风化节理裂隙发育,岩石岩芯呈碎块状—柱状,遍布整个桥址区下部。

由于火山多期喷发,致使玄武岩地层具有多层构造。每一层一般都具有孔洞发育的顶、底气孔带和显微空隙发育的中间微密块状带。垂直上有成层性,水平方向上气孔发育不均匀,但有一定规律,即沿当时的火山喷发熔岩流动方向逐渐减少。在年代较新的晚更新世玄武岩的顶部气孔带和中间致密带交界处，常发育有原生的熔岩隧道或管道。各种孔洞、裂隙交织发育,形成裂隙孔洞网,使熔岩的气孔、原次生裂隙、洞穴、隧道、古风化壳得以相互沟通,并构成丰富、复杂的层状孔洞及裂隙网络系统[6]。夹层中充填有多层黏性土及砂土。玄武岩单轴饱和抗压强度Rc为21.2～78.8 MPa,平均值50.8 MPa,为硬岩。

粉质黏土,灰褐色—黄褐色,硬塑,层厚1.9～15.5 m,该层在大部分桥址区均有分布。

砾砂,灰褐色,稍密,饱和,层厚1.9～15.5 m,充填少量粉质黏土,该夹层在DK2+390～DK2+480出现。

岩土基本承载力及岩土施工工程分级[5]如表1所示。

表1 基本承载力与岩土分级

3 勘探原则

3.1 勘探点平面布置及孔深

初测阶段：根据不同的地貌单元,沿桥址纵断面布置4孔,孔深为钻入完整玄武岩(弱风化—微风化,岩芯长度≥200 mm)10 m,在此深度内如遇松散夹层,则继续钻10 m,如此类推,停钻标准为完整玄武岩10 m或孔深达到40 m。通过钻探，初步了解桥址区地层岩性及其物理力学性质,并通过个别钻孔揭示了玄武岩中的松散夹层。根据玄武岩的埋深,风化、完整程度,松散夹层位置的空间分布,初步确定基础类型为明挖基础、桩基础。

定测阶段：按墩台基础中心位置逐个墩台布置钻孔,孔深为基底或桩尖下钻入完整玄武岩(弱风化—微风化,岩芯长度≥200 mm)10 m,在此深度内如遇松散夹层,则继续钻10 m,如此类推,停钻标准为完整玄武岩10 m或孔深达到40 m。通过钻探基本查清地层分布及其物理力学性质,据此较准确地确定每个墩台的基础类型及埋置深度。

补充定测阶段：按桥梁专业全桥总布置图,明挖基础或摩擦桩基础每个墩台补充1～2孔,柱桩基础每个桩1孔，孔深同定测阶段。详细查明基础轮廓线内的玄武岩面起伏情况、松散夹层的空间分布,为基础设计提供详实准确的资料。

其他测试、取样、试验的原则与常规桥基勘察相同。

成果资料与常规桥基勘察相同,并增加每个墩台的工程地质断面展开图(图3)[7]。

图3 墩台工程地质断面

3.2 勘探原则制定的依据

关于第三纪以后多次喷发火山岩的勘探原则,《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)并未明确提出具体要求。勘探点平面布置方面,只是在4.2.3条第3款中说明“对高墩或工程地质条件复杂和岩溶发育地区,勘探点应增加”[8],而没有具体说明如何增加和增加的数量；勘探深度方面,在4.2.3条第4款中仅说明“遇到第三纪以后多次喷发的火山岩时,钻孔应适当加深”[8],而没有具体说明如何加深。如果对区域地质资料不熟悉,不知道玄武岩中存在松散夹层,或在工作中疏忽,没有考虑松散夹层的影响,而把这种玄武岩当作一般基岩看待,在平原区布置钻孔时,隔墩或逐墩钻探,孔深为钻至基岩弱风化或微风化层2～3 m,如果钻孔深度以下的岩石中存在松散夹层,则可能对桥梁基础安全构成严重威胁。

针对这种情况,必须制定明确的勘探原则,才能有效的指导勘察工作。玄武岩的空间分布特征主要受下伏古地形和间歇式喷发的控制,玄武岩通常以岩盖或岩被覆盖于古地形之上,其下伏地形可能是沟谷,也可能是丘陵；地层可能是基岩或松散土层,同时由于间歇式喷发,两次喷发期间也可能沉积松散土层,这就使玄武岩的空间分布极不均匀,常规勘察很难查清其分布特征。这种玄武岩中夹土的现象虽然形成的机理与岩溶不同,但岩溶溶洞中的松散堆积物,类似于玄武岩中的松散夹层,溶洞分布的复杂性也与玄武岩中松散夹层分布的复杂性相似。所以,这类玄武岩地层的勘察,可以作为一种不良地质,比照岩溶的勘探原则。

《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)第4.2.3条第4款规定“在岩溶发育及地下采空地段,应钻至基底以下不小于10 m,在此深度内如遇溶洞及空洞,勘探深度应专门研究确定[8]”；《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2001)第8.7.2条第1款规定“每个工点的控制性钻孔不应少于2孔；孔深应至完整基岩内10 m[10]”；第8.8.2条第5款“钻探深度应至建筑物基础以下10～15 m,桩基础应至桩尖以下10 m,揭露溶洞时应结合工程需要适当加深[8]”,玄武岩勘探可引用以上3条款。并规定所有钻孔均为控制孔,如遇多层松散夹层,而完整玄武岩的厚度每层都达不到10 m,可按摩擦桩勘探深度考虑,本工程控制在40 m,即可满足摩擦桩设计需要。

《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2001)第8.8.2条第4款“岩溶复杂地段的桥基应勘探2次,先进行控制性勘探,再按墩台位置勘探；一般明挖基础应在基础中心钻孔,高桥的明挖基础应在基础对角布置2孔,发现溶洞后,宜增加钻孔数量；沉井基础应布置5孔,当基岩溶蚀严重或基岩面参差不齐时应增加钻孔；柱桩基础宜每桩1孔,摩擦桩基础每个墩、台不宜少于2孔”[10],玄武岩勘探可引用此条款,定测阶段逐墩台控制性勘探,补充定测阶段再按每个墩台详细勘探。

4 第四纪玄武岩的分布范围

中国第四纪火山岩主要分布在东部地区,除吉林白头山有部分粗面岩,台湾基隆、大屯火山群有部分安山岩外,其余地区均为玄武岩。按其分布特征及其与构造活动的关系可分为以下3条玄武岩带。

4.1 长白山—龙岗山带

此带分布在郑庐断裂以东,受向抚顺一密山断裂带及图门江—鸭绿江断裂控制,由北至南分布有如下火山群。

(1)镜泊火山群:其玄武岩主要分布在张广才岭主脊东坡、卧龙河、东湖头和牡丹江河谷等地。

(2)龙岗火山群:其玄武岩分布在吉林辉南和靖宇一带。

以上两地玄武岩几乎在第四纪各时期均有发育。

(3)长白山火山群：位于吉林省东部白头山周围,即抚松、安图、长白及和龙县等地。

玄武岩时代主要为早更新世,有少部分属晚更新世。

(4)宽甸火山群：位于吉林省宽甸盆地中，玄武岩时代为中—晚更新世。

其次在山东蓬莱、安徽女山均有玄武岩零星分布。

4.2 大兴安岭—太行山带

此带大致处于中国地形从第二台阶向第三台阶的转变地带,由北至南分布有如下火山群。

(1)诺敏河—逊克火山群：主要受东西向海拉尔—逊克深断裂及向嫩江深断裂控制。自西向东玄武岩主要分布在内蒙古的辉河、甘河、诺敏河流域，以及黑龙江省的门鹿河、科洛、五大连池和石参山等地，玄武岩时代属中更新世至全新世。

(2)阿巴嘎—惠通梁火山群：分布在内蒙古中东部的阿巴嘎旗和阿巴哈纳尔旗等地,是在晚第三纪形成的玄武岩台地上发育的第四纪玄武岩,时代属早—晚更新世。

(3)山西大同火山群：位于山西大同县和阳高县，玄武岩时代主要为中更新世。

另外在太行山东麓昔阳、左权等地也有玄武岩零星出露。

4.3 东南沿海带

该带位于中国东南沿海,分布在台湾、广东和海南等省,主要受NE向断裂控制。

(1)台湾省：在北部大屯、基隆火山群及周围岛屿分布,以安山岩为主,部分玄武岩,其时代主要为早更新世。

(2)广东省：雷州半岛中南部英利、下桥、曲界、龙门等地,北部分布在城里岭、湖光岩、涸洲岛、姻洲岛和斜阳岛等地。玄武岩时代为中一晚更新世。

(3)海南省：北部主要分布在澹县、临高、澄迈、琼山、定安和龙桥等地，玄武岩时代为早、晚更新世至全新世。

总之,中国东部第四纪火山及其所形成的玄武岩,主要发育在新构造运动强烈的东北和东南地区,受断裂控制,沿断裂方向呈条带分布,东北区呈NNE向,东南地区由NNE向向西随构造线方向的改变,逐渐过渡为近东西向分布。

上新世末期至第四纪早期火山喷发方式是以裂隙式溢流为主,玄武岩多为致密块状形成熔岩台地。而第四纪火山是以中心式喷发为主,特别是晚更新世晚期至全新世全部是中心式喷发。中心式喷发的特点是含气体多、喷发猛烈,形成以气孔构造为主的玄武岩[11]。

由此可见,第四纪玄武岩分布广泛,专门研究该类地层的勘探原则具有现实意义。

5 结论

通过钻探揭示,第三纪以后多次喷发的火山岩(工程实例为第四纪玄武岩)松散夹层极其发育,空间分布复杂,如勘察不清,则可能严重威胁桥梁基础安全。规范未明确规定该类地层的勘探原则,根据其特点,将该类地层作为不良地质,比照岩溶勘探原则进行勘探,可查清每个墩台的松散夹层分布特征,为桥梁基础设计提供可靠依据。经施工检验,勘察成果准确度较高,效果良好,可为全国其他类似地层的勘探原则提供参考。

[1] 吉林铁道勘察设计院有限公司.新建铁路靖宇至松江河线初步设计(第四篇地质)[R].吉林：吉林铁道勘察设计院有限公司,2008

[2] 吉林省地质局区域地质调查大队.中华人民共和国区域地质调查报告(1∶200 000)靖宇县幅(地质部分)[R].长春：吉林省地质局,1979

[3] 吉林省地质矿产局.中华人民共和国地质矿产部地质专报(区域地质第10号吉林省区域地质志)[M].北京：地质出版社,1988

[4] 田 丰,汤德平.吉林省长白山地区新生代火山岩的特点及其成因[J].岩石学报,1989(2)

[5] 赵 文.玄武岩分布特征及工程性状[J].铁道勘察,2009(5)

[6] 秦志学,韩子夜.我国玄武岩地下水的基本特征[J].水文地质工程地质,1993(4)

[7] 吉林铁道勘察设计院有限公司.新建铁路靖宇至松江河线初步设计(青龙河特大桥)[R].吉林：吉林铁道勘察设计院有限公司,2008

[8] TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[9] 铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社,2005

[10] TB10027—2001 铁路工程不良地质勘察规程[S]

[11] 张玉芳.中国东部第四纪玄武岩空隙特征及其水文地质意义[J].中国地质科学院水文地质工程地质研究所所刊,1992(8)