五峰山長江大橋南錨碇傾斜基巖地質條件分析

李守明 張鑫全 王 猛 曾洪賢

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,武漢 430056)

引言

近年來,我國建設大量跨越江河的特大型懸索橋梁。其中,地錨式錨碇通常作為懸索橋的關鍵承載結構,將主纜受到的豎向分力和水平力傳遞給地基。一般情況下,在平原、丘陵地區重力式錨碇的適宜性較好。

國內大型橋梁錨碇基礎的工程地質分析評價已有相關經驗。趙小晴等搜集國內外10座懸索橋重力式錨碇基礎的基礎持力層及錨碇基礎尺寸,總結錨碇設計方法[1];陳廷君等分析瀘定大渡河橋康定岸重力錨在閃長巖冰磧體中錨碇邊坡的變形特征,并基于蠕變模型進行穩定性評價[2];鄧友生等綜合分析武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇處一級階地后緣湖積地層與重力式沉井基礎的適宜性[3];崔豪等綜合分析黃埔大橋南汊橋南錨碇處的海陸相交互上覆古生界混合巖的工程地質及水文地質條件,給出基坑開挖方案及注意事項[4];柴春陽等深入分析金沙江特大橋橋址處兩岸峽谷構造作用、表生改造作用下的復雜地質特征[5];賴允瑾等以贛州贛江大橋西錨碇為例,分析軟巖地基臺階重力式錨碇作用機理[6];何亞東應用有限元數值計算方法,建立臺階式重力錨和基巖相互作用的彈塑性有限元模型,并研究其最大承載能力與抗滑穩定性[7];任麗芳以潤揚大橋北錨碇為背景,結合河流相沖洪積地層與風化基巖,對錨碇基礎抗滑移、抗傾覆穩定性進行計算分析[8];張暉分析棋盤洲長江公路大橋北錨碇處覆蓋層為粉質黏土,基巖為石英片巖地層條件下的錨碇施工技術[9];張利潔等運用三維有限差分法對重慶魚嘴長江特大懸索橋錨碇區的砂泥巖互層巖體進行數值計算,對圍巖穩定性進行分析[10];徐建分析鎮江長江大橋傾斜巖面深大圓形錨碇基礎的基坑支護結構受力與變形特性[11];邊智華等介紹4座長江大橋樁基及錨碇工程涉及的極軟巖、軟巖的試驗研究方法及性質[12];賈洪彪等對橋址區斜坡應力特征進行分析并評價其整體穩定性[13-14];程宏光等總結赤平投影法在巖質邊坡穩定性分析中的應用[15];代衛強等針對宜昌廟嘴長江大橋得出極軟巖遇水軟化易導致槽壁垮塌影響穩定性的結論[16];林早華等研究錨碇基底巖溶條件下的錨碇承載性能[17];祝長春等研究馬普托大橋南錨碇坑底細砂巖的水文特征并分析降水方案[18]。

五峰山長江大橋主跨長1 092 m,采用單跨懸吊鋼桁梁懸索結構。大橋南錨碇位于山間溝谷,圓形地連墻外徑為90 m,墻厚1.5 m。基礎采用現澆圓形擴大基礎形式。錨碇主要承受2根主纜拉力,單根主纜最大拉力8.85×105kN。抗滑動、抗傾覆安全系數均≮2.0。由于錨碇體量大,受力復雜,施工周期較長,對地基承載力等巖土設計參數、地基及周邊巖體穩定等要求較高。查清錨碇及影響范圍內的工程地質條件,建議合理的基礎持力層及基礎方案,對確保錨碇施工及使用的安全、減小施工難度及造價意義重大。

1 南錨碇工程地質條件

南錨碇南北兩側工程地質條件復雜,北側為巖質邊坡,南側為土質邊坡,地形起伏大。地質條件復雜,巖層傾斜,巖石強度較高,風化層厚。充分利用地基巖體的工程特性是保證工程安全,控制錨碇規模的有效方法。以下重點對工程地質分析評價內容及工程建議進行闡述。

1.1 地形地貌

五峰山長江大橋位于長江下游鎮揚河段,長江南側為寧鎮山脈隆起區,屬剝蝕低山丘陵地貌,地貌單元為壟崗-低山丘陵區。大橋南錨碇位于五峰山的山坳處,線路走向108°,西側較平坦,東側為溝谷,東南與北側鄰山,地形起伏大。地面高程為3～50 m,周圍山體平均高差達36.3 m,植被多位于山坡,南錨碇周邊地形條件見圖1。

圖1 南錨碇周邊地形條件Fig.1 Topographic around the South Anchorage

1.2 地質構造

工程場區地質構造處于秦嶺—昆侖緯向構造帶南亞帶之東延部位,與中國東部新華夏系第二隆起帶南段北緣交匯,形成淮陽山字形東翼反射弧——寧鎮反射弧構造。區內主要存在弧形、北北東和近東西向3種構造線,分別歸屬于寧鎮弧形構造、新華夏系構造和(晚期)東西向構造。寧鎮弧形構造是區內最顯著的構造,主要由一系列呈弧形展布的,彼此近于平行的褶皺、壓性斷裂、北西向和北東-北北東向平移斷裂、節理及各類低序次的派生構造或局部構造類型組成。

工程周邊涉及寧鎮弧形構造中五峰山—西來橋斷裂及新華夏構造圌山斷層組。五峰山—西來橋斷裂為正斷層,位于橋位北東側約5 km,走向北西305°,傾向北東,視傾角75°,延伸長度約35 km,斷層破碎帶寬達數百米,其最新活動時代為中更新世,為第四紀活動性斷裂。圌山斷層組由4條北北東向斷層組成,西部2條向西傾斜,東部2條向東傾斜,傾角65～70°,延伸長度1～2 km,切割圌山組地層,具壓扭性質,寬約10 m,于橋位東南段穿過。

1.3 地層巖性及工程特性

南錨碇工程場區第四系覆蓋層厚0.2～44.3 m,以沖洪積、殘坡積粉質黏土為主,層厚變化大。全新統為山間沖溝內沖積黏性土層及一級階地黏性土層。上更新統為下蜀組山前及壟崗邊緣殘坡積黏性土層,主要分布于南側山包,因以風成為主,局部為殘坡積,以棕黃色、褐黃色為主,含鐵錳質結核,土性不穩定,總層厚9.4～34.0 m。

基巖主要為白堊系下統圌山組上部紫紅色流紋質沉積火山角礫巖夾凝灰質粉砂巖。鉆孔揭示為凝灰質泥巖和凝灰質砂巖,以弱風化、微風化巖層為主,凝灰質砂巖上部普遍風化強烈。凝灰質泥巖泥質結構,塊狀構造,凝灰質砂巖為砂質碎屑結構,斑雜構造。基巖總體向南南西方向傾斜。巖面低洼的一側巖面以上分布較厚的含碎石粉質黏土,為風成坡積物。巖面高的一側含碎石層,厚度較薄,碎石的成分主要為凝灰質砂巖。場區揭示的主要巖土層如下。

(1)①填土,灰黃色,以軟塑狀粉質黏土為主,局部夾少量粉土、粉砂,結構松散,厚度變化大,壓縮性高,承載力差異大,工程地質性質較差。

(2)④1粉質黏土,棕黃色為主,軟塑-硬塑;較均勻,偶見少量碎石,壓縮性中等,承載力中等,工程地質性質較差。

(3)⑤1粉質黏土,棕黃色,硬塑-堅硬,見鐵錳質結核、少量碎石,局部含塊石,壓縮性中等,承載力較高。

(3)⑤2含碎石粉質黏土：褐黃-黃褐色,硬塑,質不均,含10～50%不等碎石,碎石塊徑20～80 mm為主,個別粒徑大于500 mm,棱角狀、次棱角狀占多數,不規則,顆粒級配差,碎石主要為弱風化凝灰巖、弱風化凝灰質砂巖,粉質黏土充填;中壓縮性土,工程地質性質一般。

(4)⑦5強風化凝灰質砂巖：紫紅色為主,風化強烈,巖芯多風化呈碎石土狀,碎石巖質硬,層厚變化大。低壓縮性,較高承載力,中等透水性。

(5)⑦5弱風化凝灰質砂巖：紫紅色為主,雜灰白色,斑雜構造,碎屑結構,巖芯較破碎,多呈短柱狀、碎石土狀。壓縮性低,承載力較高,中等透水性,工程地質性質較好。巖石飽和單軸抗壓強度平均值frk=20.9 MPa。

(6)⑦6微風化凝灰質砂巖：紫紅色,碎屑結構,斑雜構造,裂隙較發育,局部夾透鏡狀含礫凝灰質泥巖,巖體完整性指數為0.49,巖體較破碎,巖芯呈短柱狀、長柱狀。壓縮性低,承載力高,弱透水性,飽和單軸抗壓強度較高,屬于較軟巖-較硬巖,工程地質性質好。巖石飽和單軸抗壓強度平均值frk=29.8 MPa。

2 傾斜巖體穩定性分析

2.1 巖面分布特征

南錨碇范圍內巖面高程為-21.4～4.2 m,高程變化大,傾向為南南西,產狀平穩,反映了其傾斜特征是經過一側抬升構造運動作用的結果,見圖2。

圖2 南錨碇附近巖面高程(單位：m)Fig.2 Rock surface elevation near South Anchorage

2.2 風化面分布特征

南錨碇范圍內弱風化面高程為-25.5～4.2 m,高程變化大,傾角較巖面稍大,見圖3。高程低的一側與弱風化層特征相一致,只是受表面風化作用發育深度更深,其上分布的全-強風化層厚度較厚,弱風化面的產狀局部傾角有陡增后陡緩的現象,反映了局部弱風化作用不均勻的特征,與山前平地形成后的風化作用有較大關聯。高程高的一側弱風化層埋深淺,接近巖面,局部厚度差異大,產狀較穩定,反映了風化作用較均勻的特征。

圖3 附近弱風化巖面高程(單位：m)Fig.3 Elevation of weakly weathered rock surface nearby

南錨碇范圍內微風化面高程為-32.18～-0.35 m,產狀較不平穩,平均傾角介于巖面與弱風化面之間,局部傾角有陡增后陡緩的現象,見圖4。錨碇東北側的微風化面產狀有變化,表現為中間高,東西向低的特征,與弱風化面、巖面的單方向傾斜的特征不同,反映了弱風化作用在北側山的東側有較明顯的豎直方向的作用,使風化裂隙發育,錨碇范圍內微風化作用較均勻。

圖4 附近微風化巖面高程(單位：m)Fig.4 Elevation of slightly weathered rock surface nearby

2.3 構造裂隙特征

受寧鎮弧形構造與新華夏系構造的影響,場區基巖破碎嚴重,軟硬不均,工程范圍內發育多條小型破碎帶,帶內巖體裂隙發育密集,見明顯擦痕,裂面處礦物高嶺土化強烈。結合鄰近鉆孔,破碎帶巖體多為構造角礫巖。橋址區基巖節理普遍發育,勘察于南錨碇附近基巖露頭測得節理面發育以北西向(80～85°∠60～70°)與北東向(330～355°∠50～70°)走向為主,玫瑰花圖見圖5、圖6。

圖5 走向玫瑰花圖Fig.5 Towards the rose diagram

圖6 傾向玫瑰花圖Fig.6 Tendentious rose diagram

由圖5、圖6可知,節理間距一般為10～20 cm,局部稀疏,有的則更密集,節理間互相切割,優勢方向明顯。

構造裂隙發育使得風化作用趨向于巖體內部,直接導致風化層厚度大,巖體被互相切割而變得破碎,巖體完整性較差,但對巖石抗壓強度影響較小。

2.4 地下水作用分析

場區地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。孔隙水中的上層滯水賦存于表層填筑土、黏性土中,受地表水和大氣降水入滲補給,水量不大。基巖裂隙水主要賦存于基巖風化裂隙、構造裂隙、斷層破碎帶中。裂隙一般密閉,水量貧乏。破碎帶內地下水富集,與砂礫土接觸的風化帶與孔隙水聯系密切,水量豐富,其他區域水量較貧乏。勘測期間南岸地下水埋深0.40～18.0 m,高程為1.93～43.3 m。

南錨碇場區地下水主要為基巖裂隙水,由于上部黏土覆蓋,具承壓性,選取了3個鉆孔進行基巖裂隙水抽水試驗,試驗采用非完整井單孔穩定流纏絲濾管抽水,濾管長度小于0.3倍的含水層厚度。非完整井單孔穩定流抽水試驗計算參數成果見表1。

表1 非完整井單孔穩定流抽水試驗計算參數成果

基巖含水層具有微透水性及弱富水性,對工程影響較小。

2.5 傾斜巖體穩定性評價

南錨碇位于山壑間,巖面傾斜,開挖深度大,基坑防護和巖體開挖難度大。巖面傾斜,基坑穩定性問題突出。基巖主要為凝灰質砂巖、凝灰質泥巖、凝灰角礫巖等,巖面高程6～-24 m不等。

根據場區內的地形高程及各鉆孔地層分層信息,綜合計算了典型面的總體產狀(見表2)。

表2 典型面產狀 (°)

巖面、弱風化面、微風化面屬于表部結構面,三者產狀接近,傾向205°～210°,傾角約18°,與附近巖石露頭測量的小型構造裂隙面在平面上互相斜交,近似60°,傾角上近似互余,采用赤平極射投影表示,見圖7。推測巖層的產狀在形成過程中,一方面受垂直于巖面的單側上升推力作用,另一方面受傾向方向水平推力的作用。同時受地形、風化裂隙的控制,使巖體在傾斜方向上的風化程度較均勻。北側山坡的產狀與巖層較一致,地形成因與巖層形成及結構面穩定分布關系密切。南側山坡產狀與巖層差異大,覆蓋層厚,其形成晚于北側山坡。山間坳谷平地表面較平,高程略有波動起伏,沉積物形成較兩側山坡晚,工程性質較差。南側山坡與山間坳谷平地與巖體穩定關系較小。

注：①北東向露頭節理產狀范圍;②北西向露頭節理產狀范圍;③巖面產狀;④弱風化面產狀;⑤微風化面產狀;⑥北側山坡面產狀;⑦谷底及山前平地產狀;⑧南側山坡面產狀圖7 赤平極射投影Fig.7 Stereographic projection

綜合巖土體分布及節理裂隙的分布特征,巖土分布規律性較強,山體穩定,風化均勻性較強,不良裂隙發育較少,巖石強度較高,傾斜基巖巖體整體穩定性較好,基巖水對巖體影響較弱,充分改造后適合于錨碇工程建設。

3 錨碇基坑評價

不同于土質基坑,巖質基坑因巖體具有一定的構造特征,在基坑的各部位表現為不同的工程特性。下游側巖面高,基巖對地下連續墻的約束作用顯著,變形小。根據基坑展開剖面,開挖后巖體起伏大,對地下連續墻的作用非對稱,南錨碇基坑地質剖面展開見圖8。在巖層傾向與基坑臨空面垂直方向一致處傾斜巖體對地下連續墻的作用力最大。

圖8 南錨碇基坑地質剖面Fig.8 Geological section of south anchorage foundation pit

北側山坡局部基巖裸露,覆蓋層上部軟-流塑粉質黏土,力學強度低,工程地質性能差,不能做基礎持力層。覆蓋層中下部的硬塑-堅硬狀粉質黏土、弱、微風化基巖,巖石強度滿足地基承載力要求,工程性能較好,可作為基礎持力層。巖層的走向與線位走向基本一致,傾角較大,抗壓強度高,適宜沿巖層傾向方向采用臺階形基底布置方式,以充分適應和利用微風化巖層的良好的工程地質性能,減少基坑開挖量,協調地基與基礎的共同作用,南錨碇地質斷面見圖9。

圖9 南錨碇地質斷面Fig.9 Geological section of South Anchorage

依據上述地質分析與建議,錨碇結構按臺階式基底設計錨碇基礎,基坑開挖深度22～38 m,基底高程為-31～-15 m,基頂高程為6 m,垂直線路方向共設置5級臺階,實現了與巖層傾向相一致,南錨碇結構見圖10。該方案錨體混凝土方量20萬m3,基礎混凝土方量18萬m3,較不考慮巖層傾斜平底基礎方案減少約4萬m3的開挖方量及混凝土方量。

圖10 南錨碇結構(高程單位：m;其余：cm)Fig.10 South anchorage structure

結合工程地質分析的結果,針對性地提出如下重點的施工建議,在施工階段均得到充分應用。

(1)基坑基底置于弱、微風化巖體中,基底高程設計宜與巖層傾斜特征相匹配,可在微風化巖下15 m以內呈臺階式布置。-1.5～+7 m建議采用島式開挖,-31～-1.5 m采用盆式開挖。

(2)基坑開挖過程中應注意圓形基坑的拱效應使不對稱荷載作用下的環向壓應力向一側轉移,應實時監測環向壓應力的變化。

(3)基坑施工場地內需注意兩側山體的穩定性,在有出現滑坡、崩塌等不良地質作用的地段,應設置擋土墻進行邊坡治理。

4 結論

對五峰山長江大橋南錨碇場地范圍進行工程地質分析,分析主要巖土層的地質成因和巖土特性,定量分析巖面、風化面、裂隙面的總體產狀特征。結合錨碇基坑的特征,從地質角度分析和評價錨碇基坑工程的適宜性、穩定性,對施工提供針對性強的建議。主要結論如下。

(1)南錨碇位于丘陵及坳谷區,場區覆蓋層厚度變化較大,基巖為火山碎屑巖。巖石強度較高,巖面及風化面傾角約18°,沿傾斜方向分布穩定,工程地質性質好,宜采用擴大基礎。

(2)傾斜巖層超大基坑的勘察成果為橋梁錨碇基礎設計及施工提供依據。采用基礎底面與巖層的傾斜相協調臺階型布置,可以在滿足地基承載能力的充分發揮情況下,與基底采用同一高程布置。

(3)準確劃分巖土分布界面,評價典型結構面的特征,可為充分利用地基巖體、合理評價錨碇方案提供保證,使其兼具安全性和經濟性。