五峰山长江大桥南锚碇倾斜基岩地质条件分析

李守明 张鑫全 王 猛 曾洪贤

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司,武汉 430056)

引言

近年来,我国建设大量跨越江河的特大型悬索桥梁。其中,地锚式锚碇通常作为悬索桥的关键承载结构,将主缆受到的竖向分力和水平力传递给地基。一般情况下,在平原、丘陵地区重力式锚碇的适宜性较好。

国内大型桥梁锚碇基础的工程地质分析评价已有相关经验。赵小晴等搜集国内外10座悬索桥重力式锚碇基础的基础持力层及锚碇基础尺寸,总结锚碇设计方法[1];陈廷君等分析泸定大渡河桥康定岸重力锚在闪长岩冰碛体中锚碇边坡的变形特征,并基于蠕变模型进行稳定性评价[2];邓友生等综合分析武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇处一级阶地后缘湖积地层与重力式沉井基础的适宜性[3];崔豪等综合分析黄埔大桥南汊桥南锚碇处的海陆相交互上覆古生界混合岩的工程地质及水文地质条件,给出基坑开挖方案及注意事项[4];柴春阳等深入分析金沙江特大桥桥址处两岸峡谷构造作用、表生改造作用下的复杂地质特征[5];赖允瑾等以赣州赣江大桥西锚碇为例,分析软岩地基台阶重力式锚碇作用机理[6];何亚东应用有限元数值计算方法,建立台阶式重力锚和基岩相互作用的弹塑性有限元模型,并研究其最大承载能力与抗滑稳定性[7];任丽芳以润扬大桥北锚碇为背景,结合河流相冲洪积地层与风化基岩,对锚碇基础抗滑移、抗倾覆稳定性进行计算分析[8];张晖分析棋盘洲长江公路大桥北锚碇处覆盖层为粉质黏土,基岩为石英片岩地层条件下的锚碇施工技术[9];张利洁等运用三维有限差分法对重庆鱼嘴长江特大悬索桥锚碇区的砂泥岩互层岩体进行数值计算,对围岩稳定性进行分析[10];徐建分析镇江长江大桥倾斜岩面深大圆形锚碇基础的基坑支护结构受力与变形特性[11];边智华等介绍4座长江大桥桩基及锚碇工程涉及的极软岩、软岩的试验研究方法及性质[12];贾洪彪等对桥址区斜坡应力特征进行分析并评价其整体稳定性[13-14];程宏光等总结赤平投影法在岩质边坡稳定性分析中的应用[15];代卫强等针对宜昌庙嘴长江大桥得出极软岩遇水软化易导致槽壁垮塌影响稳定性的结论[16];林早华等研究锚碇基底岩溶条件下的锚碇承载性能[17];祝长春等研究马普托大桥南锚碇坑底细砂岩的水文特征并分析降水方案[18]。

五峰山长江大桥主跨长1 092 m,采用单跨悬吊钢桁梁悬索结构。大桥南锚碇位于山间沟谷,圆形地连墙外径为90 m,墙厚1.5 m。基础采用现浇圆形扩大基础形式。锚碇主要承受2根主缆拉力,单根主缆最大拉力8.85×105kN。抗滑动、抗倾覆安全系数均≮2.0。由于锚碇体量大,受力复杂,施工周期较长,对地基承载力等岩土设计参数、地基及周边岩体稳定等要求较高。查清锚碇及影响范围内的工程地质条件,建议合理的基础持力层及基础方案,对确保锚碇施工及使用的安全、减小施工难度及造价意义重大。

1 南锚碇工程地质条件

南锚碇南北两侧工程地质条件复杂,北侧为岩质边坡,南侧为土质边坡,地形起伏大。地质条件复杂,岩层倾斜,岩石强度较高,风化层厚。充分利用地基岩体的工程特性是保证工程安全,控制锚碇规模的有效方法。以下重点对工程地质分析评价内容及工程建议进行阐述。

1.1 地形地貌

五峰山长江大桥位于长江下游镇扬河段,长江南侧为宁镇山脉隆起区,属剥蚀低山丘陵地貌,地貌单元为垄岗-低山丘陵区。大桥南锚碇位于五峰山的山坳处,线路走向108°,西侧较平坦,东侧为沟谷,东南与北侧邻山,地形起伏大。地面高程为3～50 m,周围山体平均高差达36.3 m,植被多位于山坡,南锚碇周边地形条件见图1。

图1 南锚碇周边地形条件Fig.1 Topographic around the South Anchorage

1.2 地质构造

工程场区地质构造处于秦岭—昆仑纬向构造带南亚带之东延部位,与中国东部新华夏系第二隆起带南段北缘交汇,形成淮阳山字形东翼反射弧——宁镇反射弧构造。区内主要存在弧形、北北东和近东西向3种构造线,分别归属于宁镇弧形构造、新华夏系构造和(晚期)东西向构造。宁镇弧形构造是区内最显著的构造,主要由一系列呈弧形展布的,彼此近于平行的褶皱、压性断裂、北西向和北东-北北东向平移断裂、节理及各类低序次的派生构造或局部构造类型组成。

工程周边涉及宁镇弧形构造中五峰山—西来桥断裂及新华夏构造圌山断层组。五峰山—西来桥断裂为正断层,位于桥位北东侧约5 km,走向北西305°,倾向北东,视倾角75°,延伸长度约35 km,断层破碎带宽达数百米,其最新活动时代为中更新世,为第四纪活动性断裂。圌山断层组由4条北北东向断层组成,西部2条向西倾斜,东部2条向东倾斜,倾角65～70°,延伸长度1～2 km,切割圌山组地层,具压扭性质,宽约10 m,于桥位东南段穿过。

1.3 地层岩性及工程特性

南锚碇工程场区第四系覆盖层厚0.2～44.3 m,以冲洪积、残坡积粉质黏土为主,层厚变化大。全新统为山间冲沟内冲积黏性土层及一级阶地黏性土层。上更新统为下蜀组山前及垄岗边缘残坡积黏性土层,主要分布于南侧山包,因以风成为主,局部为残坡积,以棕黄色、褐黄色为主,含铁锰质结核,土性不稳定,总层厚9.4～34.0 m。

基岩主要为白垩系下统圌山组上部紫红色流纹质沉积火山角砾岩夹凝灰质粉砂岩。钻孔揭示为凝灰质泥岩和凝灰质砂岩,以弱风化、微风化岩层为主,凝灰质砂岩上部普遍风化强烈。凝灰质泥岩泥质结构,块状构造,凝灰质砂岩为砂质碎屑结构,斑杂构造。基岩总体向南南西方向倾斜。岩面低洼的一侧岩面以上分布较厚的含碎石粉质黏土,为风成坡积物。岩面高的一侧含碎石层,厚度较薄,碎石的成分主要为凝灰质砂岩。场区揭示的主要岩土层如下。

(1)①填土,灰黄色,以软塑状粉质黏土为主,局部夹少量粉土、粉砂,结构松散,厚度变化大,压缩性高,承载力差异大,工程地质性质较差。

(2)④1粉质黏土,棕黄色为主,软塑-硬塑;较均匀,偶见少量碎石,压缩性中等,承载力中等,工程地质性质较差。

(3)⑤1粉质黏土,棕黄色,硬塑-坚硬,见铁锰质结核、少量碎石,局部含块石,压缩性中等,承载力较高。

(3)⑤2含碎石粉质黏土：褐黄-黄褐色,硬塑,质不均,含10～50%不等碎石,碎石块径20～80 mm为主,个别粒径大于500 mm,棱角状、次棱角状占多数,不规则,颗粒级配差,碎石主要为弱风化凝灰岩、弱风化凝灰质砂岩,粉质黏土充填;中压缩性土,工程地质性质一般。

(4)⑦5强风化凝灰质砂岩：紫红色为主,风化强烈,岩芯多风化呈碎石土状,碎石岩质硬,层厚变化大。低压缩性,较高承载力,中等透水性。

(5)⑦5弱风化凝灰质砂岩：紫红色为主,杂灰白色,斑杂构造,碎屑结构,岩芯较破碎,多呈短柱状、碎石土状。压缩性低,承载力较高,中等透水性,工程地质性质较好。岩石饱和单轴抗压强度平均值frk=20.9 MPa。

(6)⑦6微风化凝灰质砂岩：紫红色,碎屑结构,斑杂构造,裂隙较发育,局部夹透镜状含砾凝灰质泥岩,岩体完整性指数为0.49,岩体较破碎,岩芯呈短柱状、长柱状。压缩性低,承载力高,弱透水性,饱和单轴抗压强度较高,属于较软岩-较硬岩,工程地质性质好。岩石饱和单轴抗压强度平均值frk=29.8 MPa。

2 倾斜岩体稳定性分析

2.1 岩面分布特征

南锚碇范围内岩面高程为-21.4～4.2 m,高程变化大,倾向为南南西,产状平稳,反映了其倾斜特征是经过一侧抬升构造运动作用的结果,见图2。

图2 南锚碇附近岩面高程(单位：m)Fig.2 Rock surface elevation near South Anchorage

2.2 风化面分布特征

南锚碇范围内弱风化面高程为-25.5～4.2 m,高程变化大,倾角较岩面稍大,见图3。高程低的一侧与弱风化层特征相一致,只是受表面风化作用发育深度更深,其上分布的全-强风化层厚度较厚,弱风化面的产状局部倾角有陡增后陡缓的现象,反映了局部弱风化作用不均匀的特征,与山前平地形成后的风化作用有较大关联。高程高的一侧弱风化层埋深浅,接近岩面,局部厚度差异大,产状较稳定,反映了风化作用较均匀的特征。

图3 附近弱风化岩面高程(单位：m)Fig.3 Elevation of weakly weathered rock surface nearby

南锚碇范围内微风化面高程为-32.18～-0.35 m,产状较不平稳,平均倾角介于岩面与弱风化面之间,局部倾角有陡增后陡缓的现象,见图4。锚碇东北侧的微风化面产状有变化,表现为中间高,东西向低的特征,与弱风化面、岩面的单方向倾斜的特征不同,反映了弱风化作用在北侧山的东侧有较明显的竖直方向的作用,使风化裂隙发育,锚碇范围内微风化作用较均匀。

图4 附近微风化岩面高程(单位：m)Fig.4 Elevation of slightly weathered rock surface nearby

2.3 构造裂隙特征

受宁镇弧形构造与新华夏系构造的影响,场区基岩破碎严重,软硬不均,工程范围内发育多条小型破碎带,带内岩体裂隙发育密集,见明显擦痕,裂面处矿物高岭土化强烈。结合邻近钻孔,破碎带岩体多为构造角砾岩。桥址区基岩节理普遍发育,勘察于南锚碇附近基岩露头测得节理面发育以北西向(80～85°∠60～70°)与北东向(330～355°∠50～70°)走向为主,玫瑰花图见图5、图6。

图5 走向玫瑰花图Fig.5 Towards the rose diagram

图6 倾向玫瑰花图Fig.6 Tendentious rose diagram

由图5、图6可知,节理间距一般为10～20 cm,局部稀疏,有的则更密集,节理间互相切割,优势方向明显。

构造裂隙发育使得风化作用趋向于岩体内部,直接导致风化层厚度大,岩体被互相切割而变得破碎,岩体完整性较差,但对岩石抗压强度影响较小。

2.4 地下水作用分析

场区地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水中的上层滞水赋存于表层填筑土、黏性土中,受地表水和大气降水入渗补给,水量不大。基岩裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙、构造裂隙、断层破碎带中。裂隙一般密闭,水量贫乏。破碎带内地下水富集,与砂砾土接触的风化带与孔隙水联系密切,水量丰富,其他区域水量较贫乏。勘测期间南岸地下水埋深0.40～18.0 m,高程为1.93～43.3 m。

南锚碇场区地下水主要为基岩裂隙水,由于上部黏土覆盖,具承压性,选取了3个钻孔进行基岩裂隙水抽水试验,试验采用非完整井单孔稳定流缠丝滤管抽水,滤管长度小于0.3倍的含水层厚度。非完整井单孔稳定流抽水试验计算参数成果见表1。

表1 非完整井单孔稳定流抽水试验计算参数成果

基岩含水层具有微透水性及弱富水性,对工程影响较小。

2.5 倾斜岩体稳定性评价

南锚碇位于山壑间,岩面倾斜,开挖深度大,基坑防护和岩体开挖难度大。岩面倾斜,基坑稳定性问题突出。基岩主要为凝灰质砂岩、凝灰质泥岩、凝灰角砾岩等,岩面高程6～-24 m不等。

根据场区内的地形高程及各钻孔地层分层信息,综合计算了典型面的总体产状(见表2)。

表2 典型面产状 (°)

岩面、弱风化面、微风化面属于表部结构面,三者产状接近,倾向205°～210°,倾角约18°,与附近岩石露头测量的小型构造裂隙面在平面上互相斜交,近似60°,倾角上近似互余,采用赤平极射投影表示,见图7。推测岩层的产状在形成过程中,一方面受垂直于岩面的单侧上升推力作用,另一方面受倾向方向水平推力的作用。同时受地形、风化裂隙的控制,使岩体在倾斜方向上的风化程度较均匀。北侧山坡的产状与岩层较一致,地形成因与岩层形成及结构面稳定分布关系密切。南侧山坡产状与岩层差异大,覆盖层厚,其形成晚于北侧山坡。山间坳谷平地表面较平,高程略有波动起伏,沉积物形成较两侧山坡晚,工程性质较差。南侧山坡与山间坳谷平地与岩体稳定关系较小。

注：①北东向露头节理产状范围;②北西向露头节理产状范围;③岩面产状;④弱风化面产状;⑤微风化面产状;⑥北侧山坡面产状;⑦谷底及山前平地产状;⑧南侧山坡面产状图7 赤平极射投影Fig.7 Stereographic projection

综合岩土体分布及节理裂隙的分布特征,岩土分布规律性较强,山体稳定,风化均匀性较强,不良裂隙发育较少,岩石强度较高,倾斜基岩岩体整体稳定性较好,基岩水对岩体影响较弱,充分改造后适合于锚碇工程建设。

3 锚碇基坑评价

不同于土质基坑,岩质基坑因岩体具有一定的构造特征,在基坑的各部位表现为不同的工程特性。下游侧岩面高,基岩对地下连续墙的约束作用显著,变形小。根据基坑展开剖面,开挖后岩体起伏大,对地下连续墙的作用非对称,南锚碇基坑地质剖面展开见图8。在岩层倾向与基坑临空面垂直方向一致处倾斜岩体对地下连续墙的作用力最大。

图8 南锚碇基坑地质剖面Fig.8 Geological section of south anchorage foundation pit

北侧山坡局部基岩裸露,覆盖层上部软-流塑粉质黏土,力学强度低,工程地质性能差,不能做基础持力层。覆盖层中下部的硬塑-坚硬状粉质黏土、弱、微风化基岩,岩石强度满足地基承载力要求,工程性能较好,可作为基础持力层。岩层的走向与线位走向基本一致,倾角较大,抗压强度高,适宜沿岩层倾向方向采用台阶形基底布置方式,以充分适应和利用微风化岩层的良好的工程地质性能,减少基坑开挖量,协调地基与基础的共同作用,南锚碇地质断面见图9。

图9 南锚碇地质断面Fig.9 Geological section of South Anchorage

依据上述地质分析与建议,锚碇结构按台阶式基底设计锚碇基础,基坑开挖深度22～38 m,基底高程为-31～-15 m,基顶高程为6 m,垂直线路方向共设置5级台阶,实现了与岩层倾向相一致,南锚碇结构见图10。该方案锚体混凝土方量20万m3,基础混凝土方量18万m3,较不考虑岩层倾斜平底基础方案减少约4万m3的开挖方量及混凝土方量。

图10 南锚碇结构(高程单位：m;其余：cm)Fig.10 South anchorage structure

结合工程地质分析的结果,针对性地提出如下重点的施工建议,在施工阶段均得到充分应用。

(1)基坑基底置于弱、微风化岩体中,基底高程设计宜与岩层倾斜特征相匹配,可在微风化岩下15 m以内呈台阶式布置。-1.5～+7 m建议采用岛式开挖,-31～-1.5 m采用盆式开挖。

(2)基坑开挖过程中应注意圆形基坑的拱效应使不对称荷载作用下的环向压应力向一侧转移,应实时监测环向压应力的变化。

(3)基坑施工场地内需注意两侧山体的稳定性,在有出现滑坡、崩塌等不良地质作用的地段,应设置挡土墙进行边坡治理。

4 结论

对五峰山长江大桥南锚碇场地范围进行工程地质分析,分析主要岩土层的地质成因和岩土特性,定量分析岩面、风化面、裂隙面的总体产状特征。结合锚碇基坑的特征,从地质角度分析和评价锚碇基坑工程的适宜性、稳定性,对施工提供针对性强的建议。主要结论如下。

(1)南锚碇位于丘陵及坳谷区,场区覆盖层厚度变化较大,基岩为火山碎屑岩。岩石强度较高,岩面及风化面倾角约18°,沿倾斜方向分布稳定,工程地质性质好,宜采用扩大基础。

(2)倾斜岩层超大基坑的勘察成果为桥梁锚碇基础设计及施工提供依据。采用基础底面与岩层的倾斜相协调台阶型布置,可以在满足地基承载能力的充分发挥情况下,与基底采用同一高程布置。

(3)准确划分岩土分布界面,评价典型结构面的特征,可为充分利用地基岩体、合理评价锚碇方案提供保证,使其兼具安全性和经济性。