杭州灣跨海大橋巖土工程問題

杭州灣跨海大橋巖土工程問題肖向陽【摘要】全面闡述了長度為36km的世界第一跨海大橋--杭州灣大橋的工程地質(zhì)條件、不良地質(zhì)和特殊巖土問題，并提出樁基設(shè)計(jì)和施工建議.【期刊名稱】《鐵道勘察》【年(卷)，期】2006(032)006【總頁數(shù)】4頁(P42-45)【關(guān)鍵詞】杭州灣跨海大橋;不良地質(zhì);淺層氣井莊基【作者】肖向陽【作者單位】中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢,430050【正文語種】中文【中圖分類】U4杭州灣跨海大橋是目前世界上最長的跨海大橋，全長36km，是我國〃五縱七橫”國道主干線中〃同江至三亞”沿海大通道跨越杭州灣的最便捷通道，總投資118億元。大橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向六車道，設(shè)計(jì)行車速度為100km/h，設(shè)計(jì)壽命為100年。其結(jié)構(gòu)形式由北到南包括北引線、北引橋、北航道橋、中引橋、南航道橋、南引橋、南引線7部分。北航道和南副航道橋?yàn)橹骺?78m和200m的雙塔鋼斜拉橋，南、北、中引橋?yàn)榭鐝?0-70m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。大橋建成后，將上海與寧波間的陸域交通里程縮短120km,對充分發(fā)揮上海在長江三角洲的龍頭地位，促進(jìn)蘇浙滬地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，完善國道主干線、國道和省道公路網(wǎng)具有特別重要的作用。1工程特點(diǎn)杭州灣大橋施工圖設(shè)計(jì)階段巖土工程勘察由北到南分為5個(gè)勘察合同段，歷時(shí)8個(gè)月，共完成鉆孔388個(gè)，靜力觸探孔51個(gè)，淺層地震47km。不僅為工程設(shè)計(jì)提供了可靠的巖土參數(shù)和建議，同時(shí)為工程施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。杭州灣復(fù)雜的自然條件和惡劣的工程施工環(huán)境決定了杭州灣大橋的工程實(shí)施難度極大。其特點(diǎn)是：海域氣候條件復(fù)雜，局部區(qū)域有小氣候現(xiàn)象；大橋位于強(qiáng)潮海灣，水文條件復(fù)雜；大橋跨越寬闊的海域，南岸有長達(dá)10km的灘涂；不良地質(zhì)現(xiàn)象多樣，淺層氣分布廣泛。2自然地理?xiàng)l件大橋地處浙北平原，是長江三角洲平原的一部分，平原地形開闊，地勢平坦。杭州I灣為錢塘江入海河口，上游迅速縮窄的喇叭型河口使杭州灣水流動(dòng)力條件十分復(fù)雜。潮流速度最大可達(dá)7m/s，且方向多變，在海鹽附近形成舉世無雙的高差達(dá)8m的涌潮。灣北以沖刷一人工固定為主，灘地狹窄，灣南側(cè)以淤漲為主，在橋址區(qū)附近即為慈溪三北淺灘，最寬處可達(dá)10km，表部堆積厚達(dá)10余m的可流動(dòng)粉土、粉砂。灣內(nèi)有南北兩個(gè)航道，北航道最大水深達(dá)21.9m,南航道較淺，水深為10m。3區(qū)域地質(zhì)和工程地質(zhì)條件根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，橋址區(qū)跨揚(yáng)子準(zhǔn)地臺和華南褶皺系二大構(gòu)造單元，斷裂構(gòu)造較發(fā)育。前期工作中確認(rèn)有區(qū)域性深大斷裂通過，并在上海國際航運(yùn)中心工程物探資料中得到驗(yàn)證。安評成果認(rèn)為：橋址區(qū)域穩(wěn)定性良好，作為公路交通抗震一級工程，設(shè)防地震烈度為VD度，地震概率水平擬按100年超越概率2%考慮，基巖水平加速度峰值為0.13g。橋址區(qū)基巖埋深130-220m，呈中部深兩端淺的碟型。北部基巖大多為侏羅紀(jì)熔泥灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥灰熔巖等火山巖，南段為老第三紀(jì)紅砂巖。第四紀(jì)松散堆積層除局部坳陷區(qū)存在更新世地層外，多屬全新統(tǒng)和中、上更新世堆積。淺部全新統(tǒng)地層以海相和沖海相為主，一般厚度為50-60m,堆積時(shí)間較短，為欠固結(jié)一正常固結(jié)土。頂部為近、現(xiàn)代堆積的粉土和粉砂，厚達(dá)10-15m,在杭州灣現(xiàn)代潮流作用下易運(yùn)移搬遷。中部為厚層淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土，為冰后期海侵時(shí)穩(wěn)定環(huán)境下的堆積物，顆粒細(xì)，富含有機(jī)質(zhì)，土性軟弱，高壓縮性，在厭氧菌和化學(xué)作用下易形成甲烷氣體，為淺層氣生氣層。下部為一般黏性土，以粉質(zhì)黏土為主，南北兩側(cè)還局部發(fā)育厚度不大于10m的粉砂層。在60m以下，發(fā)育晚更新世堆積的兩套黏性土和砂層組合的二次堆積韻律，總厚度40-60m不等。頂部為⑥層，即暗綠色硬土層，以硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土為主，含氧化暈和細(xì)微的鐵錳結(jié)核，土性較好，中等壓縮性，但厚度不大，一般小于5m,沿軸線方向南部零星分布，中部近10km缺失。下伏⑦層以粉砂為主，偶見含少量礫的細(xì)砂層，頂板高程一般在-50--60m。北段略偏高，厚度一般為10-15m，最厚可達(dá)30m。中部存在黏性土夾層時(shí)厚度迅速變小。下伏黏性土⑧層，為一般黏性土，中一高壓縮性，厚度為20-30m不等，沿橋軸線變化較大，相應(yīng)的下伏砂層⑨層的頂板一般為-90m左右，有10m左右起伏，厚度為10-20m，局部很薄，該層砂以含礫細(xì)砂為主。中更新世堆積頂板略深于-100m，尚平緩，總厚度60-100m不等，工程地質(zhì)性質(zhì)良好，但埋藏較深，為一般樁長所不及。巖土物理力學(xué)指標(biāo)如表1。表1巖土物理力學(xué)指標(biāo)層號土名含水率/%天然密度/(g/cm3)天然孔隙比液性指數(shù)壓縮模量/MPa-1無側(cè)限強(qiáng)度/kPa固結(jié)快剪凝聚力/kPa摩擦角/(°)標(biāo)貫擊數(shù)2砂質(zhì)粉土302191084496802907-163淤泥質(zhì)黏土3921801083127336261501702-74-1淤泥質(zhì)黏土4781721346115307241701304-64-2粉砂27419207761023030020-285-1粉質(zhì)黏土359181099308544113328020022~385-2粉砂281190082808510922~386粉質(zhì)黏土261195077604087133050020018~287-1粉砂28019307901097030025~407-2細(xì)砂252190079811730~457夾粉質(zhì)黏土322189090807060118030015018~328粉質(zhì)黏土294193081605876192855018025~409粉砂25519407631175033030~>509夾粉質(zhì)黏土266194068302792274532023010粉質(zhì)黏土241201071811中細(xì)砂247195064702687445570020027~404水文地質(zhì)條件場區(qū)地下水按埋藏條件可分為潛水、微承壓水及承壓水。潛水主要分布于海底表層的土層中，含水介質(zhì)主要為全新世沖海積亞砂土，承壓水含水層含水介質(zhì)主要為晚更新世沖海積亞砂土、粉細(xì)砂，屬弱透水性土層。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，對照《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTJ064-98)判定：地下水對混凝土無腐蝕性，海水對混凝土具中等腐蝕性；據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)判定，地下水及海水對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。5主要不良地質(zhì)現(xiàn)象5.1淺層氣分布情況及其特征大橋地處浙江沿海淺層生物氣有利生成區(qū)，在初步設(shè)計(jì)及施工圖勘察過程中，探明有44個(gè)鉆孔遭遇淺層氣噴發(fā)，主要分布在近10km的南岸灘涂區(qū)。淺層氣主要分布在厚層軟土以下的砂層頂部。鉆探及物探資料均反映在橋位線K54~K57及K61~K64+500段，第四系淺部存在囊狀淺層氣，埋藏較淺，氣量不大，對工程有一定影響；初勘4個(gè)鉆孔、詳勘40個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)淺層氣，埋深51.4~57.5m,局部含氣量較大；橋位線的南岸灘涂地段在高程-53~-60m深處有淺層氣存在，氣量和壓力均較大。在勘察過程中，淺層氣噴發(fā)頻繁，南岸灘涂區(qū)約有1/3~1/2鉆孔有淺層氣噴發(fā)，有2孔海床下陷。根據(jù)氣樣分析成果，本區(qū)淺層氣屬于有機(jī)成因，以其高甲烷(90%以上)，不含乙烷以上的重?zé)N，813C1值極輕(65%~67%)為顯著特征，是經(jīng)過厭氧細(xì)菌生物化學(xué)分解作用而生成的生物成因甲烷氣。③層淤泥質(zhì)亞黏土及④層淤泥質(zhì)黏土局部存在淺層氣，氣體賦存于微薄層粉砂夾層中，氣量很小，氣壓低，為輕微噴發(fā)，不影響鉆探施工。⑤1層亞黏土有較多粉、細(xì)砂夾層或透鏡體，部分粉、細(xì)砂夾層和透鏡體儲藏淺層氣，氣壓較高。鉆進(jìn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)多次噴發(fā)現(xiàn)象，但氣量有限，孔噴時(shí)間較短，為中等噴發(fā)，停噴后仍可繼續(xù)施鉆。淺層氣主要賦存于⑦1層粉細(xì)砂層頂部，但非連續(xù)分布，而是聚集于砂層頂部隆起處、起伏點(diǎn)或尖滅體封閉端，氣層厚度一般不超過5m，深度在-53~-60m間。平面形態(tài)一般為與古河道一致的條帶狀、扁豆?fàn)罨虼闋睢饬枯^大，氣壓高，可達(dá)0.4~0.5MPa，為強(qiáng)烈噴發(fā)。壓力高的淺層氣在自由噴發(fā)過程中往往會帶出儲氣層砂土，儲氣層孔滲越好、氣流量越大，越容易帶出砂土，最多可達(dá)數(shù)十立方米。5.2陡坎在K51+614處(北航道橋北高墩區(qū)引橋北端)海底地形表現(xiàn)為坡度較大的陡坎，最大落差近8m,其中最陡部位的土坡坡高為6m,坡度為50°。土坡由淤泥質(zhì)亞黏土組成，地處杭州灣漏斗狀海灣縮窄部位。此處強(qiáng)大的潮流使沖刷作用加劇，深槽坡體將會對附近橋墩的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)水文和河勢的研究成果分析其穩(wěn)定性。5.3砂土液化橋位區(qū)20m以淺，存在②1、③、⑤三層飽和亞砂土，屬全新世沖海積物。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對地面下20m深度范圍內(nèi)飽和亞砂土進(jìn)行液化判別，并計(jì)算場地液化指數(shù)。從液化判別結(jié)果來看，僅②1層亞砂土為可液化土層，自北向南液化程度不一。由于②1層亞砂土埋藏較淺，層底高程大多在局部沖刷線以上，故橋基設(shè)計(jì)可不考慮其影響。6樁基地質(zhì)條件及樁型選擇橋位區(qū)覆蓋層巨厚，其中軟土層厚度達(dá)35.00-40.00m，工程地質(zhì)條件差。本橋基礎(chǔ)荷載較大，基礎(chǔ)形式只能是樁基礎(chǔ)。根據(jù)橋區(qū)不同的水深、地質(zhì)、荷載等情況，大橋非通航孔采用中1500鉆孔灌注樁、中1200鋼管樁，南、北通航孔橋基擬采用中2500鉆孔灌注樁。從地層的物理力學(xué)性質(zhì)特征看，淺部①-⑤工程地質(zhì)層埋藏淺，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，不宜作樁端持力層。1層亞砂土、粉砂層，厚度較大且分布較穩(wěn)定，工程性能較好，是較好的樁端持力層。但由于該層上覆地層工程性質(zhì)較差，側(cè)摩阻力不大，用作持力層時(shí)單樁承載力較低，故該層只宜作引橋及北、南航道橋兩側(cè)高墩區(qū)的樁端持力層，不宜作主橋區(qū)的樁端持力層。、⑨、⑩工程地質(zhì)層及其以下各層，多是硬塑狀黏性土或密實(shí)狀粉細(xì)砂，容許承載力多在200kPa以上，強(qiáng)度大，壓縮性小，是本橋較理想的樁端持力層或下臥層。以⑦1層作樁端持力層，可選用鋼管樁或鉆孔灌注樁；以⑧層及以下各層作樁端持力層，宜采用鉆孔灌注樁；主橋區(qū)樁端高程在-110m左右，樁長較長，鉆孔灌注樁受樁徑、樁長影響較小，可提供較大的單樁承載力，是比較適宜的樁型。目前，在橋基中廣泛使用的樁型主要包括預(yù)制混凝土樁、鋼管樁、鉆孔灌注樁等。目前我國廣泛使用的預(yù)制樁最大樁徑可達(dá)1.5m,樁長達(dá)60m以上。其優(yōu)點(diǎn)是樁的單位面積承載力較高，樁身質(zhì)量易于保證和檢查，抗腐蝕性能力強(qiáng)，施工效率高。但預(yù)制樁屬擠土樁，樁間距設(shè)計(jì)過密時(shí)，會影響相鄰樁的承載力，易產(chǎn)生沉樁困難。樁需穿透⑦1層亞砂土、粉砂層，而該層局部標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)偏高(N>50擊)，按目前的打樁設(shè)備穿透此層比較困難，試樁結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。持力層埋深要求穩(wěn)定，截樁較困難，接樁的工藝難度大。根據(jù)河勢演變及水文方面的專題研究成果，預(yù)制樁很難適應(yīng)該區(qū)域水流波浪力。因此，本橋深水區(qū)不適宜采用預(yù)制樁。大直徑鋼管樁其貫入能力、抗彎曲的剛度、單樁承載力和接長焊接方面都有明顯的優(yōu)越性，目前國內(nèi)使用最大樁徑達(dá)1.5m，樁長可達(dá)70-80m,對沉樁設(shè)備要求不苛刻。但鋼管樁造價(jià)較高，一般為混凝土樁的2倍以上；鋼管樁的抗腐蝕性能較差，本區(qū)域海水對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性，欲采用此樁型需進(jìn)行復(fù)雜的表面防腐蝕處理。因此該樁不宜用于荷載較大的主橋，北、中、南引橋及主橋兩側(cè)高墩區(qū)引橋可考慮采用此樁。南岸灘涂淺層氣發(fā)育區(qū)適宜采用此樁型，但該區(qū)域水深條件差，打樁船難以進(jìn)入。大直徑鉆孔灌注樁近年在我國得到了廣泛應(yīng)用，具有地層適應(yīng)力強(qiáng)，樁長、樁徑可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整等特點(diǎn)，在國內(nèi)有比較成熟的施工工藝。但其施工周期長，施工質(zhì)量較難控制，樁身質(zhì)量較難保證。盡管如此，由于大直徑鉆孔灌注樁單樁總承載能力大，能夠滿足設(shè)計(jì)對單樁承載力的要求，特別是南、北通航孔橋采用大直徑鋼管樁受到打樁船高度的限制，可采用大直徑鉆孔灌注樁。7巖土工程評價(jià)7.1樁基地質(zhì)問題表層②1層亞砂土層強(qiáng)度較高，其下臥軟弱的③淤泥質(zhì)亞黏土、④1淤泥質(zhì)黏土、④2黏土層，強(qiáng)度較低，樁側(cè)摩阻力小，沉樁貫入易發(fā)生突變，可能會出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象，施工時(shí)應(yīng)預(yù)先采取措施，以防止機(jī)損和保證樁的正位率。高墩區(qū)引橋若采用打入樁基礎(chǔ)形式，當(dāng)選用⑦1層作樁端持力層時(shí)，需進(jìn)入該層一定深度才能使承載力滿足荷載要求。但因該層標(biāo)貫擊數(shù)較高，可能會發(fā)生沉樁困難。因此，應(yīng)選擇適宜的打樁設(shè)備。⑶應(yīng)根據(jù)上部荷載情況和地層埋藏特征，選擇適宜的樁長、樁徑，注意地層起伏和軟弱夾層(透鏡體)的影響。⑷采用鉆孔灌注樁時(shí)，為使樁端承載力充分發(fā)揮，終孔時(shí)注意清底，重視樁體完整性檢測。目前已有的試樁資料都是樁徑小于1.5m的，而本工程設(shè)計(jì)樁徑是1.5m、2.0m、2.5m，直徑較大。按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—94)的規(guī)定，大直徑樁存在松弛效應(yīng)和尺寸效應(yīng)。在沒有試樁資料對比的情況下，建議通過試樁確定單樁承載力。在樁基礎(chǔ)施工過程中，要加強(qiáng)施工工序管理、質(zhì)量控制和樁基監(jiān)測。南、北航道橋設(shè)計(jì)荷載大，對地基土的強(qiáng)度要求高，應(yīng)對樁基垂直和水平穩(wěn)定性、沉降、成樁可能性、沖刷面、群樁效應(yīng)和尺寸效應(yīng)綜合考慮。7.2淺層氣問題杭州灣淺層氣是在區(qū)域沉積背景控制下形成的，淺層氣沿錢江古河道廣泛分布，小范圍調(diào)整橋位難以避開淺層氣發(fā)育帶，本工程必須正視淺層氣危害問題?？辈熘兴鼍畤姮F(xiàn)象是一種預(yù)先未采取工程措施、不受控制的釋放模式，對土體工程性狀的影響是一種非飽和土的滲流破壞，還可能引起負(fù)摩擦力、地層不均勻沉降等問題。因此，防止高壓淺層氣在樁基施工或橋梁建成使用過程中的釋放是需要研究的重要課題，預(yù)先有控制地排氣是最有效的防治措施。淺層氣對打入樁的影響較小，對鉆孔樁的施工影響較大。必須制定合理的淺層氣區(qū)基礎(chǔ)形式，南引橋水中低墩區(qū)富含淺層氣區(qū)段，水深條件較好，宜選用大直徑鋼管樁。南岸灘涂區(qū)富含淺層氣區(qū)段，宜選用大直徑鋼管樁；受水深條件限制，在選用鉆孔灌注樁時(shí)，應(yīng)采取積極主動(dòng)的控制放氣措施，并周密設(shè)計(jì)施工工藝、泥漿配比和擴(kuò)孔方法。在大橋建成后的營運(yùn)期，不宜在影響橋梁的范圍內(nèi)進(jìn)行人為活動(dòng)，以免造成淺氣層釋放或?qū)ν翆舆M(jìn)行擾動(dòng)，從而影響橋梁的安全。7.3地下水問題從水文地質(zhì)條件分析，該區(qū)域存在潛水、微承壓水，透水性差，對鉆孔樁施工有一定的影響。鉆孔樁施工時(shí)應(yīng)加大泥漿比重，防止塌孔。此外，由于海水對混凝土具弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，應(yīng)采用淡水?dāng)嚢枘酀{，研制高性能混凝土，對鋼管樁表面進(jìn)行防腐處理。7.4施工船舶選擇問題杭州灣素有〃怒潮海灣”之稱，水深、潮差大、流急是其特征，最大潮差達(dá)8m，最大流速達(dá)7m/s。在該地區(qū)進(jìn)行水上樁基施工，打樁船的準(zhǔn)確就位及穩(wěn)定性是關(guān)鍵。南航道橋區(qū)域，由于表層亞砂土土質(zhì)松軟、易流動(dòng)，加之潮流流速大且流向紊亂，施工時(shí)應(yīng)防止發(fā)生走錨、斷繩現(xiàn)象。在北、南航道橋部位勘察中發(fā)現(xiàn)15處沉船等水下障礙物存在，在工程施工中應(yīng)引起注意。8結(jié)束