新建铁路荆岳线公安长江大桥工程地质条件研究

孙宝忠　施红艺

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

新建铁路荆岳线呈近北西至南东走向，北西起荆州，南东至岳阳，是江汉平原与洞庭湖地区便捷的联络通道，是焦柳线、沪汉蓉铁路和京广线三线间的联络通道，是我国北煤南运蒙西至华中地区铁路煤运通道的重要组成部分。建设荆岳线，对于改善沿线交通运输条件，联络区域旅游资源，促进沿线旅游事业发展，完善路网布局和综合交通体系，加强战备及长江防洪、抗洪、快速疏散转移等方面均有重要的意义。荆岳线公安长江大桥在湖北省上荆江河段的郝穴弯道段，南、北两岸分属荆州市公安县和江陵县管辖[1]，见图1。

图1　公安长江大桥位置示意

公安长江特大桥为公铁两用桥，铁路为一次双线电气化，等级为Ⅰ级；公路为一级双向四车道。桥全长约9.968 km，其中跨江长1.560 m，主桥结构采用主跨(98+182+518+182+98) m钢桁梁斜拉桥+4×94.5 m连续钢桁梁。作为特大型过江桥梁，工程地质条件研究是公安长江特大桥重要基础课题，地层岩性，地质构造，水文地质条件，持力层分析，桥基础类型确定，工程地质条件的优劣直接影响大桥的桥梁位置选择、实施和造价。

1　工程地质条件

1.1　地形地貌

新建铁路荆岳线公安长江大桥位于江汉平原西南部，南、北两岸分属荆州市公安县和江陵县管辖。地貌上属长江冲积平原，地势开阔平坦，主要为长江高漫滩和一级阶地，多被辟为农田，植被发育，地面高程一般为30～36 m。两岸沟、塘较为发育，水深一般小于2 m。

1.2　区域地层

工程场区地层主要为第四系黏性土、砂类土和碎石土，厚度150～250 m。第四系与下伏新第三系呈平行不整合或微角度不整合关系。

(1)全新统

人工堆积层(Q4ml)：杂填土和素填土，厚变化较大，一般不大于3 m。

河湖相(Q4l)：淤泥质粉质黏土、黏土、粉质黏土，厚2～15.5 m；冲洪积(Q4al+pl)粉砂、细砂和砂砾石层，厚5～21.5 m。

(2)上更新统

冲洪积(Q3al+pl)：主要岩性为粉砂、细砂和砂砾石层，厚度35～65 m，构成二级长江阶地。

(3)中更新统

冲洪积(Q2al+pl)：主要岩性为细砂夹粉质黏土、粉土、砂砾，厚度50～100 m，构成三级长江阶地。

(4)下更新统

(5)上第三系

上第三系广华寺组(N)岩性主要为杂色泥岩、砂岩和互层砂砾岩，普遍具有底砾岩，局部夹泥灰岩，近场区厚约300～700 m。

1.3　地质构造

区域大地构造上，工程场区位于江汉-洞庭差异升降区的江汉凹陷区东南隅，近场区北部以北东向断层为主，北西向和近东西向断层次之；而南部以近东西向断层为主，北东向和北西向断层次之，见图2。它们大部分发育于白垩系-古近系沉积层中，少部分切割到前白垩系盆地底垫层。

对桥梁工程有影响的断层为公安断层(F5)，该断层位于桥址的南部，走向近东西，波状曲折，全长约50 km，倾向北，视倾角45°，发育于公安单斜带中，切割白垩系地层，最大倾滑复合断距达1 200 m，但断层下端收敛于白垩系与盆地底垫层之间向北倾斜的界面上，亦为盖层滑脱构造，并且未切割上复第三系、第四系地层，属前新近纪构造[2]。

1.4　地震地质特征

根据资料[3]，地震动峰值加速度为0.05g，与之对应桥址区抗震设防烈度为Ⅵ度，设计地震分区为一区。对桥址区场地的地震危险性分析计算，场地地表水平峰值加速度值50年超越概率10%时约为0.08g，50年超越概率2%时约为0.16g[2]。

1.5　河床变迁

据资料[4]，长江江面宽约1 000 m，河床呈不对称“U”形，北深南浅，深槽靠近北岸，水深大于5 m的航道宽约800 m，最深处约22 m，桥位处江陵岸(北岸)为冲刷岸，采用块石护坡，岸坡稳定性较差，易垮塌；公安岸(南侧)为淤积岸，土质边坡，岸边发育有宽约200 m的沙洲。桥位处长江两岸均植有防护林，宽100～150 m。公安岸长江干堤北临清水河，该河道枯水时一般干涸，仅局部有少量积水，洪水时长江水倒灌则形成河流。

图2　地质构造

1.6　桥址区地层

根据资料[4-5]，按照时代、成因及其物理力学性质，桥址区岩土工程地质层共划分为5个工程地质层，岩性特征又细分为若干亚层。工程地质层特征见表1。

①第四系全新统地层黏性土

淤泥质粉质黏土、粉土、黏土、粉质黏土为流塑-软塑，天然含水量高(W=30.3%～46.4%)，天然孔隙比大(e=0.911～1.392)，压缩模量较低[Es0.1-0.2=2.35～4.42 MPa]，具有高压缩性，地基基本承载力较低(σ0=90～180 kPa)；砂类土：粉砂、细砂为饱和，稍密-中密，地基基本承载力较低(σ0=90～210 kPa)。

②第四系上更新统地层黏性土

粉质黏土、黏土为硬塑-坚硬，天然含水量W=20.6%～31.2%，天然孔隙比e=0.578～0.874，压缩模量较高[Es0.1-0.2=6.02～9.93 MPa]，具有低压缩性，地基承载力较高(σ0=250～300 kPa)；砂类土：粉砂、细砂为饱和，密实，地基基本承载力较高(σ0=200～300 kPa)；碎石土：细圆砾土、粗圆砾土为饱和、中密-密实，地基基本承载力高(σ0=750～1 000 kPa)。

表1　工程地质层特征

2　水文地质条件

根据地下水埋藏条件，桥址区地下水可划分为孔隙潜水、承压水。

2.1　孔隙潜水

孔隙潜水主要赋存于长江漫滩区上部地层，含水介质为黏土、粉质黏土及淤泥质土，其渗透性差，渗透系数0.40×10-6cm/s～1.25×10-6cm/s，水量贫乏。

2.2　承压水

承压水含水介质为粉砂、细砂、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土层，厚60～90 m，水量丰富，承压力不大，为弱承压水。地下水埋深一般在0.50～2.00 m，枯水期最深达8.50 m，均为负水头；渗透系数6.00×10-3cm/s～8.00×10-2cm/s，渗透性较好，单井涌水量1 000～5 000 t/d，与长江水存在互补关系。

2.3　水质评价

据本次勘察所取地下水和地表水水质分析结果，按照《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)附录F环境水、土对混凝土侵蚀性的判定标准，桥址处地下水、长江水和土层对混凝土均无侵蚀性。

3　不良地质和特殊岩土

3.1　岸坡失稳

桥址区江陵岸边坡较陡，为土质岸坡，其成份以粉质黏土和粉土为主，含较多粉粒，由于常年受长江水浸泡和降水影响，其土质一般较软。粉质黏土层中夹有薄层状的粉土和粉砂，河床附近为厚层状细砂层，土体抗冲刷能力弱，长江水位变化频繁和洪水水位时，易发生小规模塌岸现象，局部重复塌岸可能危及长江干堤安全。

3.2　砂土液化

桥址区地面以下15 m范围内的饱和粉土和粉细砂层均呈松散—稍密状。采用标准贯入试验法对地面以下15 m范围内的粉土和砂层进行砂土液化判别，结果显示：当地震烈度为Ⅶ度时，场区内地面以下15 m范围内的①1粉土、①2细砂、①5粉砂、②1粉砂、②2细砂层多会发生地震液化。

3.3　管涌

拟建桥梁跨跃的长江荆江河段属长江堤防险段，北引桥段长江干堤附近地面高程低，一般在30～32 m之间，基本与长江正常水位持平。汛期长江水位平均高于堤外地面低洼处3～5 m，成为“悬河”，加之地表硬壳层薄，下部粉细砂、圆砾土强透水层厚，该段自古就是管涌和溃堤的易发地段。长江南侧的两道子堤及干堤地质条件也易于发生管涌，但其易发性低于荆北干堤。拟建桥梁的施工将破坏地表硬壳层，使发生管涌的可能性增大。

3.4　软土

桥址场区内不均匀分布有淤泥质粉质黏土层，尤其是北引桥段的长江干堤两侧有较多分布。该层淤泥质粉质黏土主要呈灰色、灰褐色，流塑状，多夹腐殖物，埋深一般在3～7 m，局部可达14 m。其工程性质一般为：含水率W=40.5%，孔隙比e=1.095，压缩系数a1-2=0.64 MPa-1，直剪快剪cq=13.8 kPa，φq=6.9°，无侧限抗压强度qu=45 kPa，灵敏度St=1.63～3.29(主要为中灵敏性软土)，超固结比OCR=0.51～0.99(局部为近期填塘而成，多呈欠固结状态)，具有高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度等软土特征。

对大桥基础的影响，软土的不良作用体现在其提供的状侧限摩阻力较低，在产生压缩沉降的情况下，对桩基础还会产生负摩阻力。同时，在钻孔施钻过程中，软土层易发生缩孔，对工程施工将会产生一定影响。

4　工程地质条件评价

4.1　场地稳定性及适宜性评价

拟建桥梁在桥址南引桥附近与公安断层正交，该断层走向近东西，该断层切割白垩系、古近系地层，并且未切割上覆上第三系、第四系地层，属前新近纪构造，对大桥影响甚微。

拟建场地断裂构造以前第四纪断裂为主，近场区及近邻地带历史地震活动水平强度、频度均较低，现代地震活动呈较低水平[2]，场地相对稳定。

场地第四系覆盖层深厚，以中密—密实的砂类土、碎石类土为主，地质条件较好，适宜大桥建设。

4.2　场地土类型

根据勘察7个钻孔剪切波速测试结果统计，场区浅层土剪切波速Vse=119～187 m/s，场区土类型以中软土为主，局部夹软弱土；②层以下土剪切波速Vse=252～503 m/s，场区土类型以中硬土为主，局部为中软土[6]。

4.3　场地类别

综合桥位各钻孔资料，桥址区两岸陆地场地类别为Ⅲ类，水域除3号主墩场地类别为Ⅱ类外，其余均为Ⅲ类场地。

场地地震动反映谱特征周期按场地类别调整，Ⅱ类场地为0.35 s，Ⅲ类场地为0.45 s。

4.4　场地抗震地段划分

桥址区浅层存在液化土及软弱土等不良地质，长江两岸土质边坡坡度较陡，桥址区属于抗震不利地段，设计需采取有效的防震害措施。

4.5　持力层选择

根据场地工程地质条件和拟建桥梁工程特点，建议采用摩擦桩基础，桩尖埋深应结合桥梁结构形式、基础荷载情况及墩位处地层条件综合确定。

①层黏性土和粉细砂层及②层粉细砂层工程性质较差，存在软土层及砂土液化层，且埋深浅，基本承载力低，不易作为持力层。

北引桥，南引桥段及主桥边墩基础以②、③层下部的碎石土层作为主要持力层，基础桩尖应避免置于碎石土层中的软弱层透镜体中。对于跨江主桥段3～4号主墩，宜采用群桩、大直径桩深基础，建议以③、④层的碎石土层作为主要持力层，桩尖置于④层下部卵砾石土层，但应避免置于碎石土层中的软弱夹层中。主桥段其他墩可考虑以③层碎石土层作为基础持力层。

5　结束语

5.1　地震动参数

据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，湖北江陵、公安地震动峰值加速度为0.05g，与之对应桥址区地震基本烈度为Ⅵ度。但区域地震对工程场地的最大影响烈度为Ⅶ度，本工程为特大桥，桥梁设计时应根据地震安全性评价复核后的烈度及测定的设计地震动参数进行抗震设计。

5.2　砂土液化

根据液化判别结果显示，当地震烈度为Ⅶ度时，场区内地面以下15 m范围内的粉土、粉砂、细砂层多会发生地震液化，大桥设计须考虑采取措施消除地基液化影响，相关设计参数须按规范进行相应折减。

5.3　软土震陷

桥址区两岸分布有厚度不等的软土，其剪切波速平均值为128 m/s，根据《工程地质手册》(第四版)相关规定，可不考虑软土震陷的影响。

5.4　管涌

长江干堤及子堤附近汛期施工时存在管涌的危险，施工时应采取相关防护措施。

5.5　钙质胶结层

桥址区内②、③、④层的碎石土层中不均匀夹有大粒径卵石，漂石，③1、④1、⑤1层粉质黏土多微胶结，局部泥钙质胶结呈10～30 cm半成岩状胶结层，质较硬，桩基施工时应予重视。

[1]中铁工程设计咨询集团有限公司，新建铁路荆州至岳阳线初步设计第一篇(总说明书)[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2011

[2]武汉地震工程研究院，新建铁路荆州至岳阳线公安长江大桥工程场地地震安全性评价报告[R].武汉：武汉地震工程研究院，2008

[3]GB 18306—2001 中国地震动参数区划图[S]

[4]中铁大桥勘测设计院有限公司.新建铁路荆州至岳阳线公安长江大桥(定测)工程地质勘查报告[R].武汉：中铁大桥勘测设计院有限公司，2010(9)

[5]中铁工程设计咨询集团有限公司.新建铁路荆州至岳阳线公安长江大桥南北引桥(定测)工程地质勘查报告[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2011

[6]GB 50021—2001 岩土工程勘察规范[S]