斷裂發(fā)育區(qū)大型橋梁工程水上勘探技術(shù)研究

蘇海亮

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

1 前言

我國高速公路近年來得到了快速發(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、樁基類型及樁基持力層起著決定性的作用。近年來，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)目采用雙向六車道的一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，特大橋采用主跨為700 m的斜拉橋方案，全長2 199 m；其中主橋橋跨組合60 m+176 m+700 m+176 m+60 m，主橋起止樁號(hào)K1+104～K2+276，長1 172 m。

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1 000 m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、江門至珠海磨刀門延伸入南海，長約200 km。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，如在江門岸橋址。經(jīng)過地質(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40 m，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30～60 cm，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)果表明江門岸與順德岸的斷裂走向與西江斷裂吻合。

根據(jù)江門岸殘丘出露的斷裂及江門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7.50～58.0 m，順德岸厚度大于江門岸，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～-62.05 m，埋深13.60～63.3 m，巖石強(qiáng)度大，但江門岸巖石風(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，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)線和橫江3條測(cè)線。根據(jù)物探成果，上下游50 m測(cè)線的地震反射波時(shí)間剖面與中軸線的地震反射波時(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線時(shí)間剖面，地層同相軸被明顯切斷，該異常處往江門方向水底下可見基巖同相軸，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明顯地層反射同相軸，說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±0.34萬年，了哥山分別為距今4.95±0.43萬年,9.77±0.76萬年，14.66±1.2萬年；岐祥里分別為距今9.50±0.55萬年，10.06±0.81萬年；橫坑里為距今4～5萬年，9～10萬年，13～15萬年和26～30萬年等4個(gè)活動(dòng)時(shí)期，說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30 m，河床卵石厚約20 m，基巖破碎。鉆探平臺(tái)為采用駁船改裝而成，勘探過程常受涌浪影響導(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20 cm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

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?？辈斓某晒Y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)。