斷裂發(fā)育區(qū)大型橋梁工程水上勘探技術(shù)
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摘要:橋梁工程通過(guò)斷裂發(fā)育區(qū)的勘探技術(shù)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。本研究以廣東某跨江大型橋梁工程為例，在詳細(xì)分析其工程地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上，采用了綜合解譯區(qū)域構(gòu)造、改進(jìn)深水區(qū)勘探控制技術(shù)、信息化勘察以及三維地質(zhì)建模等技術(shù)手段，并結(jié)合常規(guī)勘探技術(shù)，形成了一套適用于斷裂發(fā)育區(qū)的跨江橋梁的勘探技術(shù)，為今后跨江、海斷裂發(fā)育區(qū)橋位勘察積累了成功經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:斷裂發(fā)育區(qū);跨江橋梁;勘探技術(shù)
1前言
我國(guó)高速公路近年來(lái)得到了快速發(fā)展，越嶺和跨江、海公路建設(shè)都需要大跨徑橋梁工程的建設(shè)?；顒?dòng)性斷裂是橋梁工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的不良地質(zhì)之一，它對(duì)橋址區(qū)的選擇、樁基類(lèi)型及樁基持力層起著決定性的作用。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)橋梁工程斷裂發(fā)育區(qū)勘察方法和手段進(jìn)行了深入研究［1－2］。本研究以廣東省斷裂發(fā)育區(qū)某跨江大型橋梁工程為例，對(duì)復(fù)雜的跨江橋梁的勘察進(jìn)行分析，旨在為類(lèi)似工程提供借鑒。
2工程概況
2．1工程規(guī)模
項(xiàng)目采用雙向六車(chē)道的一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80km/h，特大橋采用主跨為700m的斜拉橋方案，全長(zhǎng)2199m;其中主橋橋跨組合60m+176m+700m+176m+60m，主橋起止樁號(hào)K1+104～K2+276，長(zhǎng)1172m。
2．2區(qū)域概況
擬建橋梁選址地處平原、河谷和丘陵地貌交匯處，跨越江面寬約1000m的西江主干流，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，處于北東向與北西向斷裂構(gòu)造交匯區(qū)，北西走向之西江斷裂。該斷裂北自四會(huì)往南東經(jīng)鶴山、江門(mén)至珠海磨刀門(mén)延伸入南海，長(zhǎng)約200km。斷裂基本是沿西江下游的北西向河谷地區(qū)發(fā)育，總體走向北西310°～330°，傾角大于50°。根據(jù)斷裂不同段落的幾何形態(tài)和活動(dòng)性可將西江斷裂分成北段、南段和中段，其中北段位于古勞—廣州斷裂以北，主要由兩條斷層組成，主干斷裂偏西，并出現(xiàn)在泥盆系至石炭系中，控制河谷和沖溝的發(fā)育;南段位于新會(huì)斷裂以南，由多條斷層組成，主要出現(xiàn)在燕山期花崗巖中，控制磨刀門(mén)第四紀(jì)斷陷的發(fā)育;中段位于古勞—廣州斷裂至新會(huì)斷裂之間，即鶴山至江門(mén)之間，由多條斷層組成，沿西江兩岸分布，出現(xiàn)在古生界和侏羅系、白堊系地層中。本橋位位于西江斷裂中段即鶴山至江門(mén)段。以西江斷裂為界，西南側(cè)為老地層，廣泛分布花崗巖，其地層和巖體構(gòu)造線(xiàn)主要為北北東向，其次為東西向，為山地丘陵區(qū);東北側(cè)分布第三系、第四系等新地層，巖層產(chǎn)狀平緩，構(gòu)造線(xiàn)呈北西向，為三角洲平原區(qū)。西江斷裂雖為推測(cè)斷裂，但從其兩側(cè)地層巖性、構(gòu)造線(xiàn)方向、地形地貌等均有差異，可證實(shí)西江斷裂的存在。在橋位附近區(qū)域，如地貌上西江東西兩側(cè)截然相反，西側(cè)以山地丘陵為主，東側(cè)為三角洲平原。該斷裂在本次勘察中發(fā)現(xiàn)部分構(gòu)造形跡，如在江門(mén)岸橋址。經(jīng)過(guò)地質(zhì)調(diào)查，出露的地層為白堊系紅色粉砂巖，巖層產(chǎn)狀走向北西300°，傾向北東30°，傾角65°;節(jié)理發(fā)育，產(chǎn)狀走向北西300°，傾向北東32°，傾角70°;斷裂切割白堊系紫紅色砂巖，斷裂走向北西320°，傾向南西，傾角65°。斷裂帶中構(gòu)造片理、劈理、壓扁狀和透鏡體狀石英脈發(fā)育，巖體構(gòu)造透鏡體普遍發(fā)育，巖石節(jié)理化、擠壓破碎現(xiàn)象明顯。順德岸橋址附近潭窯山、了哥山、星槎等地出露明顯構(gòu)造跡象，發(fā)育強(qiáng)烈的構(gòu)造角礫巖，構(gòu)成斷層三角面或斷層崖。在了哥山，斷裂切割白堊系紫紅色砂巖，斷層破碎帶寬40m，以壓應(yīng)力作用為主，導(dǎo)致巖石脆性破裂的形成，由碎裂巖至角礫巖組成，其內(nèi)間有糜棱巖帶，每條糜棱巖帶寬30～60cm，斷裂走向北西320°～330°，傾向南西，傾角60°～77°。在了哥山斷裂帶內(nèi)存在多條高角度構(gòu)造斷面，組成疊瓦狀構(gòu)造，斷裂總體表現(xiàn)為:早期可能發(fā)生自西南向東北方向的高角度擠壓逆沖運(yùn)動(dòng)，中至后期則以拉張作用為主。從不太發(fā)育的斷層階步可證明，斷裂早期活動(dòng)兼有左旋滑動(dòng)，但滑動(dòng)量不大，最新一次活動(dòng)則以高角度傾滑為主。地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果表明江門(mén)岸與順德岸的斷裂走向與西江斷裂吻合。根據(jù)江門(mén)岸殘丘出露的斷裂及江門(mén)岸江邊鉆孔揭露的斷層角礫巖都是西江斷裂的次級(jí)斷裂活動(dòng)所致，是西江斷裂存在的重要依據(jù)。根據(jù)1∶25萬(wàn)珠三角地質(zhì)資料，橋址上游江心洲出露走向北西約320°、傾向南西、傾角約為70°的斷裂，該斷裂順江延伸后為第四系覆蓋，走向與西江斷裂吻合，為西江斷裂的組成部分，推測(cè)為西江斷裂的主斷面。橋址順德岸北側(cè)發(fā)育走向北東、傾向南東、傾角約為30°的斷裂，向河床延伸，與橋位走向呈小角度相交。在靠順德岸主墩水中鉆孔QZK12、QZK13揭露的構(gòu)造角礫巖，證實(shí)了該斷裂向河床延伸，是西江斷裂的配套構(gòu)造，該斷裂對(duì)橋址的選擇和方案起決定性作用。
3水文地質(zhì)與工程地質(zhì)
3．1水文地質(zhì)
橋位地下水主要為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。由于地處西江主干流，地下水與河水有密切水力聯(lián)系，但地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給。第四系海陸交互相的細(xì)砂層和河流相的砂礫、卵石層為主要含水層位，基巖裂隙水分布于低緩丘陵區(qū)，因植被稀少，大氣降水難以補(bǔ)給地下水，因此水量貧乏。
3．2工程地質(zhì)
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料結(jié)合勘探成果，橋位地層巖土性較為復(fù)雜，第四系覆蓋層發(fā)育不均勻，一般厚7．50～58．0m，順德岸厚度大于江門(mén)岸，覆蓋層由表層素填土、耕植土和三角洲相淤泥、淤泥質(zhì)土、粉砂以及河流相粉質(zhì)黏土、砂礫層等組成，但以三角洲相淤積層為主，河床兩岸軟土分布較廣泛，厚度較大;基底以白堊系紫紅色粉砂巖、礫巖及其風(fēng)化層為主，局部有砂巖，基巖面起伏較大，基巖頂面標(biāo)高－10．39～－62．05m，埋深13．60～63．3m，巖石強(qiáng)度大，但江門(mén)岸巖石風(fēng)化不均勻現(xiàn)象明顯，橋臺(tái)附近中風(fēng)化層厚。受后期構(gòu)造應(yīng)力的影響，局部巖石具片理化、碎裂化等現(xiàn)象，巖石完整性較差，強(qiáng)度明顯降低。
4勘察技術(shù)與創(chuàng)新
4．1多手段綜合解譯區(qū)域構(gòu)造
擬建橋梁是一座地處地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的過(guò)江大型橋梁工程，橋位選擇的關(guān)鍵是如何選擇從斷裂帶發(fā)育相對(duì)較弱處通過(guò)，而使用何種勘察手段探明水域橋址區(qū)的斷裂構(gòu)造是本工程最主要的技術(shù)難點(diǎn)。本項(xiàng)目采用小型無(wú)人機(jī)航拍配合衛(wèi)星遙感影像的方法進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析，并引用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的水域走航式地震反射波法，共布置順江19條測(cè)線(xiàn)和橫江3條測(cè)線(xiàn)。根據(jù)物探成果，上下游50m測(cè)線(xiàn)的地震反射波時(shí)間剖面與中軸線(xiàn)的地震反射波時(shí)間剖面大體一致，在里程樁號(hào)約K1+580處(江中間)出現(xiàn)明顯的傾斜同相軸，從該處附近的順江V8～V9線(xiàn)時(shí)間剖面，地層同相軸被明顯切斷，該異常處往江門(mén)方向水底下可見(jiàn)基巖同相軸，水底下覆蓋層較薄，基巖埋深較淺;往順德方向除水底多次波外未見(jiàn)明顯地層反射同相軸，說(shuō)明該段的土層較均勻，波阻抗差異小，覆蓋層較厚，基巖埋深大。根據(jù)出現(xiàn)異常的位置分析，判斷斷裂位置在V8、V9測(cè)線(xiàn)中間，為西江主斷裂，走向約300°，斷裂呈高傾角，傾向南西。據(jù)在與橋址區(qū)同屬西江斷裂中段的九江、了哥山、岐祥里、橫坑里等地采集的斷層樣品進(jìn)行熱釋光年齡測(cè)試(TL)，九江河段的斷層泥樣品測(cè)年為距今4．42±0．34萬(wàn)年，了哥山分別為距今4．95±0．43萬(wàn)年，9．77±0．76萬(wàn)年，14．66±1．2萬(wàn)年;岐祥里分別為距今9．50±0．55萬(wàn)年，10．06±0．81萬(wàn)年;橫坑里為距今4～5萬(wàn)年，9～10萬(wàn)年，13～15萬(wàn)年和26～30萬(wàn)年等4個(gè)活動(dòng)時(shí)期，說(shuō)明西江斷裂中段在更新世晚期至晚更新世中晚期曾發(fā)生過(guò)多次較為強(qiáng)烈的活動(dòng)，西江斷裂中段最新一次活動(dòng)時(shí)期在晚更新世中晚期(距今4～5萬(wàn)年)，根據(jù)其年齡，屬非工程性活動(dòng)斷裂，區(qū)域穩(wěn)定。對(duì)擬建橋位場(chǎng)地穩(wěn)定性沒(méi)有構(gòu)成直接影響。該方法有效查明了橋址區(qū)斷裂的分布特征，解決了工程建設(shè)中橋梁選址及設(shè)計(jì)、施工方案等重大基礎(chǔ)地質(zhì)問(wèn)題，形成了跨江斷裂發(fā)育區(qū)大型橋梁工程的水上勘探關(guān)鍵技術(shù)。
4．2改進(jìn)復(fù)雜地質(zhì)條件下深水區(qū)勘探控制技術(shù)
橋址所處河段江面寬，江水湍急，最大水深約30m，河床卵石厚約20m，基巖破碎。鉆探平臺(tái)為采用駁船改裝而成，勘探過(guò)程常受涌浪影響導(dǎo)致套管折斷，卵石層及基巖漏漿，鉆進(jìn)困難，勘探工作多次中斷。針對(duì)套管受涌浪影響易折斷問(wèn)題，首次提出采用了嵌套式套管方法，使工作套管與外層套管之間有20cm的空間，可以解決由于涌浪引起的平臺(tái)搖擺導(dǎo)致的套管折斷問(wèn)題。
4．3信息化勘察
本項(xiàng)目勘察采用了信息化管理平臺(tái)，將衛(wèi)星定位技術(shù)與野外地質(zhì)調(diào)繪、鉆孔編錄結(jié)合在一起，改變了傳統(tǒng)的勘察作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化電子編錄。鉆探巖芯揭露的地質(zhì)信息、鉆孔位置、采用的鉆機(jī)類(lèi)型、鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)施工時(shí)間、水位特征、樣品采集和原位測(cè)試等資料在野外編錄完成后及時(shí)上傳至互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，為項(xiàng)目審核人員的審核、設(shè)計(jì)人員的利用及時(shí)提供資料，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目基礎(chǔ)地質(zhì)資料的動(dòng)態(tài)管理。
4．4三維地質(zhì)建模
本項(xiàng)目結(jié)合鉆探成果和收集的其他相關(guān)資料，利用地質(zhì)地層數(shù)學(xué)推演模型，使用BIM技術(shù)和三維仿真技術(shù)構(gòu)建工程走廊帶區(qū)域內(nèi)全三維地質(zhì)信息模型(BIM模型)，并實(shí)現(xiàn)靈活、精確的斷面剖切與三維體剖切功能，改變了以往工程地質(zhì)地層成果信息更多依賴(lài)人工根據(jù)有限勘察、勘探資料憑經(jīng)驗(yàn)推演的方式，實(shí)現(xiàn)基于BIM的立體勘察和管理，為勘察方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供依據(jù)，為勘察質(zhì)量管理提質(zhì)增效。
5結(jié)語(yǔ)
對(duì)斷裂發(fā)育區(qū)橋位的選擇及避免坐落在不良地質(zhì)體中，采用先進(jìn)的勘察技術(shù)方法探明橋位工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，對(duì)工程的影響是深遠(yuǎn)的。針對(duì)本項(xiàng)目地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育水深流急等難重點(diǎn)，采用小型無(wú)人機(jī)航拍配合衛(wèi)星遙感影像圖的方法進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析;首次應(yīng)用基于互聯(lián)網(wǎng)的公路工程地質(zhì)鉆探信息采集系統(tǒng);采用國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水域走航式地震反射波法探測(cè)水文復(fù)雜條件下隱伏斷裂;應(yīng)用三維地質(zhì)模型為勘察質(zhì)量管理提質(zhì)增效。勘察的成果資料對(duì)場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)恰當(dāng)，建議合理，為設(shè)計(jì)和施工提供了準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)依據(jù)。該技術(shù)的應(yīng)用有效減少盲目布置鉆孔及濫用常規(guī)物探，減少勘察費(fèi)用。同時(shí)準(zhǔn)確探明橋位樁持力層，減少變更，有效控制了工程建設(shè)費(fèi)用，為今后跨江、海斷裂發(fā)育區(qū)橋位勘察積累了成功經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn):
［1］王華強(qiáng)，劉銅仿．淺地層剖面儀在港珠澳大橋橋區(qū)水下工程勘探中的應(yīng)用研究［C］．中國(guó)航海學(xué)會(huì)航標(biāo)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)測(cè)繪學(xué)組學(xué)術(shù)研討會(huì)學(xué)術(shù)交流論文集，2009:206－210．
［2］徐威，鈕建定，胡建平．一種新型水上勘探平臺(tái)系統(tǒng)在港珠澳大橋主體工程地質(zhì)詳勘中的應(yīng)用［C］．中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司2014年現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交流會(huì)，2014:613－615．
作者：蘇海亮 單位：廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司