断裂发育区大型桥梁工程水上勘探技术
关键词:断裂发育区;跨江桥梁;勘探技术
1前言
我国高速公路近年来得到了快速发展，越岭和跨江、海公路建设都需要大跨径桥梁工程的建设。活动性断裂是桥梁工程建设中经常遇到的不良地质之一，它对桥址区的选择、桩基类型及桩基持力层起着决定性的作用。近年来，学术界对桥梁工程断裂发育区勘察方法和手段进行了深入研究［1－2］。本研究以广东省断裂发育区某跨江大型桥梁工程为例，对复杂的跨江桥梁的勘察进行分析，旨在为类似工程提供借鉴。
2工程概况
2．1工程规模
项目采用双向六车道的一级公路标准，设计速度为80km/h，特大桥采用主跨为700m的斜拉桥方案，全长2199m;其中主桥桥跨组合60m+176m+700m+176m+60m，主桥起止桩号K1+104～K2+276，长1172m。
2．2区域概况
拟建桥梁选址地处平原、河谷和丘陵地貌交汇处，跨越江面宽约1000m的西江主干流，区内地质构造复杂，处于北东向与北西向断裂构造交汇区，北西走向之西江断裂。该断裂北自四会往南东经鹤山、江门至珠海磨刀门延伸入南海，长约200km。断裂基本是沿西江下游的北西向河谷地区发育，总体走向北西310～330，倾角大于50。根据断裂不同段落的几何形态和活动性可将西江断裂分成北段、南段和中段，其中北段位于古劳广州断裂以北，主要由两条断层组成，主干断裂偏西，并出现在泥盆系至石炭系中，控制河谷和冲沟的发育;南段位于新会断裂以南，由多条断层组成，主要出现在燕山期花岗岩中，控制磨刀门第四纪断陷的发育;中段位于古劳广州断裂至新会断裂之间，即鹤山至江门之间，由多条断层组成，沿西江两岸分布，出现在古生界和侏罗系、白垩系地层中。本桥位位于西江断裂中段即鹤山至江门段。以西江断裂为界，西南侧为老地层，广泛分布花岗岩，其地层和岩体构造线主要为北北东向，其次为东西向，为山地丘陵区;东北侧分布第三系、第四系等新地层，岩层产状平缓，构造线呈北西向，为三角洲平原区。西江断裂虽为推测断裂，但从其两侧地层岩性、构造线方向、地形地貌等均有差异，可证实西江断裂的存在。在桥位附近区域，如地貌上西江东西两侧截然相反，西侧以山地丘陵为主，东侧为三角洲平原。该断裂在本次勘察中发现部分构造形迹，如在江门岸桥址。经过地质调查，出露的地层为白垩系红色粉砂岩，岩层产状走向北西300，倾向北东30，倾角65;节理发育，产状走向北西300，倾向北东32，倾角70;断裂切割白垩系紫红色砂岩，断裂走向北西320，倾向南西，倾角65。断裂带中构造片理、劈理、压扁状和透镜体状石英脉发育，岩体构造透镜体普遍发育，岩石节理化、挤压破碎现象明显。顺德岸桥址附近潭窑山、了哥山、星槎等地出露明显构造迹象，发育强烈的构造角砾岩，构成断层三角面或断层崖。在了哥山，断裂切割白垩系紫红色砂岩，断层破碎带宽40m，以压应力作用为主，导致岩石脆性破裂的形成，由碎裂岩至角砾岩组成，其内间有糜棱岩带，每条糜棱岩带宽30～60cm，断裂走向北西320～330，倾向南西，倾角60～77。在了哥山断裂带内存在多条高角度构造断面，组成叠瓦状构造，断裂总体表现为:早期可能发生自西南向东北方向的高角度挤压逆冲运动，中至后期则以拉张作用为主。从不太发育的断层阶步可证明，断裂早期活动兼有左旋滑动，但滑动量不大，最新一次活动则以高角度倾滑为主。地质调绘结果表明江门岸与顺德岸的断裂走向与西江断裂吻合。根据江门岸残丘出露的断裂及江门岸江边钻孔揭露的断层角砾岩都是西江断裂的次级断裂活动所致，是西江断裂存在的重要依据。根据1∶25万珠三角地质资料，桥址上游江心洲出露走向北西约320、倾向南西、倾角约为70的断裂，该断裂顺江延伸后为第四系覆盖，走向与西江断裂吻合，为西江断裂的组成部分，推测为西江断裂的主断面。桥址顺德岸北侧发育走向北东、倾向南东、倾角约为30的断裂，向河床延伸，与桥位走向呈小角度相交。在靠顺德岸主墩水中钻孔QZK12、QZK13揭露的构造角砾岩，证实了该断裂向河床延伸，是西江断裂的配套构造，该断裂对桥址的选择和方案起决定性作用。
3水文地质与工程地质
3．1水文地质
桥位地下水主要为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。由于地处西江主干流，地下水与河水有密切水力联系，但地下水主要靠大气降水补给。第四系海陆交互相的细砂层和河流相的砂砾、卵石层为主要含水层位，基岩裂隙水分布于低缓丘陵区，因植被稀少，大气降水难以补给地下水，因此水量贫乏。
3．2工程地质
根据区域地质资料结合勘探成果，桥位地层岩土性较为复杂，第四系覆盖层发育不均匀，一般厚7．50～58．0m，顺德岸厚度大于江门岸，覆盖层由表层素填土、耕植土和三角洲相淤泥、淤泥质土、粉砂以及河流相粉质黏土、砂砾层等组成，但以三角洲相淤积层为主，河床两岸软土分布较广泛，厚度较大;基底以白垩系紫红色粉砂岩、砾岩及其风化层为主，局部有砂岩，基岩面起伏较大，基岩顶面标高－10．39～－62．05m，埋深13．60～63．3m，岩石强度大，但江门岸岩石风化不均匀现象明显，桥台附近中风化层厚。受后期构造应力的影响，局部岩石具片理化、碎裂化等现象，岩石完整性较差，强度明显降低。
4勘察技术与创新
4．1多手段综合解译区域构造
拟建桥梁是一座地处地质构造发育的过江大型桥梁工程，桥位选择的关键是如何选择从断裂带发育相对较弱处通过，而使用何种勘察手段探明水域桥址区的断裂构造是本工程最主要的技术难点。本项目采用小型无人机航拍配合卫星遥感影像的方法进行区域地质构造分析，并引用国内先进的水域走航式地震反射波法，共布置顺江19条测线和横江3条测线。根据物探成果，上下游50m测线的地震反射波时间剖面与中轴线的地震反射波时间剖面大体一致，在里程桩号约K1+580处(江中间)出现明显的倾斜同相轴，从该处附近的顺江V8～V9线时间剖面，地层同相轴被明显切断，该异常处往江门方向水底下可见基岩同相轴，水底下覆盖层较薄，基岩埋深较浅;往顺德方向除水底多次波外未见明显地层反射同相轴，说明该段的土层较均匀，波阻抗差异小，覆盖层较厚，基岩埋深大。根据出现异常的位置分析，判断断裂位置在V8、V9测线中间，为西江主断裂，走向约300，断裂呈高倾角，倾向南西。据在与桥址区同属西江断裂中段的九江、了哥山、岐祥里、横坑里等地采集的断层样品进行热释光年龄测试(TL)，九江河段的断层泥样品测年为距今4．420．34万年，了哥山分别为距今4．950．43万年，9．770．76万年，14．661．2万年;岐祥里分别为距今9．500．55万年，10．060．81万年;横坑里为距今4～5万年，9～10万年，13～15万年和26～30万年等4个活动时期，说明西江断裂中段在更新世晚期至晚更新世中晚期曾发生过多次较为强烈的活动，西江断裂中段最新一次活动时期在晚更新世中晚期(距今4～5万年)，根据其年龄，属非工程性活动断裂，区域稳定。对拟建桥位场地稳定性没有构成直接影响。该方法有效查明了桥址区断裂的分布特征，解决了工程建设中桥梁选址及设计、施工方案等重大基础地质问题，形成了跨江断裂发育区大型桥梁工程的水上勘探关键技术。
4．2改进复杂地质条件下深水区勘探控制技术
桥址所处河段江面宽，江水湍急，最大水深约30m，河床卵石厚约20m，基岩破碎。钻探平台为采用驳船改装而成，勘探过程常受涌浪影响导致套管折断，卵石层及基岩漏浆，钻进困难，勘探工作多次中断。针对套管受涌浪影响易折断问题，首次提出采用了嵌套式套管方法，使工作套管与外层套管之间有20cm的空间，可以解决由于涌浪引起的平台摇摆导致的套管折断问题。
4．3信息化勘察
本项目勘察采用了信息化管理平台，将卫星定位技术与野外地质调绘、钻孔编录结合在一起，改变了传统的勘察作业模式，实现无纸化电子编录。钻探岩芯揭露的地质信息、钻孔位置、采用的钻机类型、钻进方法、钻进施工时间、水位特征、样品采集和原位测试等资料在野外编录完成后及时上传至互联网服务器，为项目审核人员的审核、设计人员的利用及时提供资料，实现项目基础地质资料的动态管理。
4．4三维地质建模
本项目结合钻探成果和收集的其他相关资料，利用地质地层数学推演模型，使用BIM技术和三维仿真技术构建工程走廊带区域内全三维地质信息模型(BIM模型)，并实现灵活、精确的断面剖切与三维体剖切功能，改变了以往工程地质地层成果信息更多依赖人工根据有限勘察、勘探资料凭经验推演的方式，实现基于BIM的立体勘察和管理，为勘察方案优化和科学决策提供依据，为勘察质量管理提质增效。
5结语
对断裂发育区桥位的选择及避免坐落在不良地质体中，采用先进的勘察技术方法探明桥位工程地质、水文地质条件，对工程的影响是深远的。针对本项目地质构造发育水深流急等难重点，采用小型无人机航拍配合卫星遥感影像图的方法进行区域地质构造分析;首次应用基于互联网的公路工程地质钻探信息采集系统;采用国内领先的水域走航式地震反射波法探测水文复杂条件下隐伏断裂;应用三维地质模型为勘察质量管理提质增效。勘察的成果资料对场地的工程地质条件评价恰当，建议合理，为设计和施工提供了准确可靠的地质依据。该技术的应用有效减少盲目布置钻孔及滥用常规物探，减少勘察费用。同时准确探明桥位桩持力层，减少变更，有效控制了工程建设费用，为今后跨江、海断裂发育区桥位勘察积累了成功经验。