杭州湾跨海大桥岩土工程问题

杭州湾跨海大桥岩土工程问题肖向阳【摘要】全面阐述了长度为36km的世界第一跨海大桥--杭州湾大桥的工程地质条件、不良地质和特殊岩土问题，并提出桩基设计和施工建议.【期刊名称】《铁道勘察》【年(卷)，期】2006(032)006【总页数】4页(P42-45)【关键词】杭州湾跨海大桥;不良地质;浅层气井庄基【作者】肖向阳【作者单位】中铁大桥勘测设计院有限公司，湖北武汉,430050【正文语种】中文【中图分类】U4杭州湾跨海大桥是目前世界上最长的跨海大桥，全长36km，是我国〃五纵七横”国道主干线中〃同江至三亚”沿海大通道跨越杭州湾的最便捷通道，总投资118亿元。大桥设计标准为双向六车道，设计行车速度为100km/h，设计寿命为100年。其结构形式由北到南包括北引线、北引桥、北航道桥、中引桥、南航道桥、南引桥、南引线7部分。北航道和南副航道桥为主跨378m和200m的双塔钢斜拉桥，南、北、中引桥为跨径50-70m的预应力钢筋混凝土连续梁结构。大桥建成后，将上海与宁波间的陆域交通里程缩短120km,对充分发挥上海在长江三角洲的龙头地位，促进苏浙沪地区经济快速发展，完善国道主干线、国道和省道公路网具有特别重要的作用。1工程特点杭州湾大桥施工图设计阶段岩土工程勘察由北到南分为5个勘察合同段，历时8个月，共完成钻孔388个，静力触探孔51个，浅层地震47km。不仅为工程设计提供了可靠的岩土参数和建议，同时为工程施工提供了宝贵的经验。杭州湾复杂的自然条件和恶劣的工程施工环境决定了杭州湾大桥的工程实施难度极大。其特点是：海域气候条件复杂，局部区域有小气候现象；大桥位于强潮海湾，水文条件复杂；大桥跨越宽阔的海域，南岸有长达10km的滩涂；不良地质现象多样，浅层气分布广泛。2自然地理条件大桥地处浙北平原，是长江三角洲平原的一部分，平原地形开阔，地势平坦。杭州I湾为钱塘江入海河口，上游迅速缩窄的喇叭型河口使杭州湾水流动力条件十分复杂。潮流速度最大可达7m/s，且方向多变，在海盐附近形成举世无双的高差达8m的涌潮。湾北以冲刷一人工固定为主，滩地狭窄，湾南侧以淤涨为主，在桥址区附近即为慈溪三北浅滩，最宽处可达10km，表部堆积厚达10余m的可流动粉土、粉砂。湾内有南北两个航道，北航道最大水深达21.9m,南航道较浅，水深为10m。3区域地质和工程地质条件根据区域地质资料，桥址区跨扬子准地台和华南褶皱系二大构造单元，断裂构造较发育。前期工作中确认有区域性深大断裂通过，并在上海国际航运中心工程物探资料中得到验证。安评成果认为：桥址区域稳定性良好，作为公路交通抗震一级工程，设防地震烈度为VD度，地震概率水平拟按100年超越概率2%考虑，基岩水平加速度峰值为0.13g。桥址区基岩埋深130-220m，呈中部深两端浅的碟型。北部基岩大多为侏罗纪熔泥灰岩、泥灰岩、泥灰熔岩等火山岩，南段为老第三纪红砂岩。第四纪松散堆积层除局部坳陷区存在更新世地层外，多属全新统和中、上更新世堆积。浅部全新统地层以海相和冲海相为主，一般厚度为50-60m,堆积时间较短，为欠固结一正常固结土。顶部为近、现代堆积的粉土和粉砂，厚达10-15m,在杭州湾现代潮流作用下易运移搬迁。中部为厚层淤泥质黏土和粉质黏土，为冰后期海侵时稳定环境下的堆积物，颗粒细，富含有机质，土性软弱，高压缩性，在厌氧菌和化学作用下易形成甲烷气体，为浅层气生气层。下部为一般黏性土，以粉质黏土为主，南北两侧还局部发育厚度不大于10m的粉砂层。在60m以下，发育晚更新世堆积的两套黏性土和砂层组合的二次堆积韵律，总厚度40-60m不等。顶部为⑥层，即暗绿色硬土层，以硬塑状态的粉质黏土为主，含氧化晕和细微的铁锰结核，土性较好，中等压缩性，但厚度不大，一般小于5m,沿轴线方向南部零星分布，中部近10km缺失。下伏⑦层以粉砂为主，偶见含少量砾的细砂层，顶板高程一般在-50--60m。北段略偏高，厚度一般为10-15m，最厚可达30m。中部存在黏性土夹层时厚度迅速变小。下伏黏性土⑧层，为一般黏性土，中一高压缩性，厚度为20-30m不等，沿桥轴线变化较大，相应的下伏砂层⑨层的顶板一般为-90m左右，有10m左右起伏，厚度为10-20m，局部很薄，该层砂以含砾细砂为主。中更新世堆积顶板略深于-100m，尚平缓，总厚度60-100m不等，工程地质性质良好，但埋藏较深，为一般桩长所不及。岩土物理力学指标如表1。表1岩土物理力学指标层号土名含水率/%天然密度/(g/cm3)天然孔隙比液性指数压缩模量/MPa-1无侧限强度/kPa固结快剪凝聚力/kPa摩擦角/(°)标贯击数2砂质粉土302191084496802907-163淤泥质黏土3921801083127336261501702-74-1淤泥质黏土4781721346115307241701304-64-2粉砂27419207761023030020-285-1粉质黏土359181099308544113328020022~385-2粉砂281190082808510922~386粉质黏土261195077604087133050020018~287-1粉砂28019307901097030025~407-2细砂252190079811730~457夹粉质黏土322189090807060118030015018~328粉质黏土294193081605876192855018025~409粉砂25519407631175033030~>509夹粉质黏土266194068302792274532023010粉质黏土241201071811中细砂247195064702687445570020027~404水文地质条件场区地下水按埋藏条件可分为潜水、微承压水及承压水。潜水主要分布于海底表层的土层中，含水介质主要为全新世冲海积亚砂土，承压水含水层含水介质主要为晚更新世冲海积亚砂土、粉细砂，属弱透水性土层。根据水质分析结果，对照《公路工程地质勘察规范》(JTJ064-98)判定：地下水对混凝土无腐蚀性，海水对混凝土具中等腐蚀性；据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)判定，地下水及海水对钢结构具中等腐蚀性。5主要不良地质现象5.1浅层气分布情况及其特征大桥地处浙江沿海浅层生物气有利生成区，在初步设计及施工图勘察过程中，探明有44个钻孔遭遇浅层气喷发，主要分布在近10km的南岸滩涂区。浅层气主要分布在厚层软土以下的砂层顶部。钻探及物探资料均反映在桥位线K54~K57及K61~K64+500段，第四系浅部存在囊状浅层气，埋藏较浅，气量不大，对工程有一定影响；初勘4个钻孔、详勘40个钻孔发现浅层气，埋深51.4~57.5m,局部含气量较大；桥位线的南岸滩涂地段在高程-53~-60m深处有浅层气存在，气量和压力均较大。在勘察过程中，浅层气喷发频繁，南岸滩涂区约有1/3~1/2钻孔有浅层气喷发，有2孔海床下陷。根据气样分析成果，本区浅层气属于有机成因，以其高甲烷(90%以上)，不含乙烷以上的重烃，813C1值极轻(65%~67%)为显著特征，是经过厌氧细菌生物化学分解作用而生成的生物成因甲烷气。③层淤泥质亚黏土及④层淤泥质黏土局部存在浅层气，气体赋存于微薄层粉砂夹层中，气量很小，气压低，为轻微喷发，不影响钻探施工。⑤1层亚黏土有较多粉、细砂夹层或透镜体，部分粉、细砂夹层和透镜体储藏浅层气，气压较高。钻进过程中经常出现多次喷发现象，但气量有限，孔喷时间较短，为中等喷发，停喷后仍可继续施钻。浅层气主要赋存于⑦1层粉细砂层顶部，但非连续分布，而是聚集于砂层顶部隆起处、起伏点或尖灭体封闭端，气层厚度一般不超过5m，深度在-53~-60m间。平面形态一般为与古河道一致的条带状、扁豆状或串珠状。气量较大，气压高，可达0.4~0.5MPa，为强烈喷发。压力高的浅层气在自由喷发过程中往往会带出储气层砂土，储气层孔渗越好、气流量越大，越容易带出砂土，最多可达数十立方米。5.2陡坎在K51+614处(北航道桥北高墩区引桥北端)海底地形表现为坡度较大的陡坎，最大落差近8m,其中最陡部位的土坡坡高为6m,坡度为50°。土坡由淤泥质亚黏土组成，地处杭州湾漏斗状海湾缩窄部位。此处强大的潮流使冲刷作用加剧，深槽坡体将会对附近桥墩的稳定性产生极大影响，设计时应根据水文和河势的研究成果分析其稳定性。5.3砂土液化桥位区20m以浅，存在②1、③、⑤三层饱和亚砂土，属全新世冲海积物。按照《建筑抗震设计规范》，对地面下20m深度范围内饱和亚砂土进行液化判别，并计算场地液化指数。从液化判别结果来看，仅②1层亚砂土为可液化土层，自北向南液化程度不一。由于②1层亚砂土埋藏较浅，层底高程大多在局部冲刷线以上，故桥基设计可不考虑其影响。6桩基地质条件及桩型选择桥位区覆盖层巨厚，其中软土层厚度达35.00-40.00m，工程地质条件差。本桥基础荷载较大，基础形式只能是桩基础。根据桥区不同的水深、地质、荷载等情况，大桥非通航孔采用中1500钻孔灌注桩、中1200钢管桩，南、北通航孔桥基拟采用中2500钻孔灌注桩。从地层的物理力学性质特征看，浅部①-⑤工程地质层埋藏浅，工程地质性质较差，不宜作桩端持力层。1层亚砂土、粉砂层，厚度较大且分布较稳定，工程性能较好，是较好的桩端持力层。但由于该层上覆地层工程性质较差，侧摩阻力不大，用作持力层时单桩承载力较低，故该层只宜作引桥及北、南航道桥两侧高墩区的桩端持力层，不宜作主桥区的桩端持力层。、⑨、⑩工程地质层及其以下各层，多是硬塑状黏性土或密实状粉细砂，容许承载力多在200kPa以上，强度大，压缩性小，是本桥较理想的桩端持力层或下卧层。以⑦1层作桩端持力层，可选用钢管桩或钻孔灌注桩；以⑧层及以下各层作桩端持力层，宜采用钻孔灌注桩；主桥区桩端高程在-110m左右，桩长较长，钻孔灌注桩受桩径、桩长影响较小，可提供较大的单桩承载力，是比较适宜的桩型。目前，在桥基中广泛使用的桩型主要包括预制混凝土桩、钢管桩、钻孔灌注桩等。目前我国广泛使用的预制桩最大桩径可达1.5m,桩长达60m以上。其优点是桩的单位面积承载力较高，桩身质量易于保证和检查，抗腐蚀性能力强，施工效率高。但预制桩属挤土桩，桩间距设计过密时，会影响相邻桩的承载力，易产生沉桩困难。桩需穿透⑦1层亚砂土、粉砂层，而该层局部标准贯入击数偏高(N>50击)，按目前的打桩设备穿透此层比较困难，试桩结果也证明了这一点。持力层埋深要求稳定，截桩较困难，接桩的工艺难度大。根据河势演变及水文方面的专题研究成果，预制桩很难适应该区域水流波浪力。因此，本桥深水区不适宜采用预制桩。大直径钢管桩其贯入能力、抗弯曲的刚度、单桩承载力和接长焊接方面都有明显的优越性，目前国内使用最大桩径达1.5m，桩长可达70-80m,对沉桩设备要求不苛刻。但钢管桩造价较高，一般为混凝土桩的2倍以上；钢管桩的抗腐蚀性能较差，本区域海水对钢结构具中等腐蚀性，欲采用此桩型需进行复杂的表面防腐蚀处理。因此该桩不宜用于荷载较大的主桥，北、中、南引桥及主桥两侧高墩区引桥可考虑采用此桩。南岸滩涂浅层气发育区适宜采用此桩型，但该区域水深条件差，打桩船难以进入。大直径钻孔灌注桩近年在我国得到了广泛应用，具有地层适应力强，桩长、桩径可以根据要求进行调整等特点，在国内有比较成熟的施工工艺。但其施工周期长，施工质量较难控制，桩身质量较难保证。尽管如此，由于大直径钻孔灌注桩单桩总承载能力大，能够满足设计对单桩承载力的要求，特别是南、北通航孔桥采用大直径钢管桩受到打桩船高度的限制，可采用大直径钻孔灌注桩。7岩土工程评价7.1桩基地质问题表层②1层亚砂土层强度较高，其下卧软弱的③淤泥质亚黏土、④1淤泥质黏土、④2黏土层，强度较低，桩侧摩阻力小，沉桩贯入易发生突变，可能会出现溜桩现象，施工时应预先采取措施，以防止机损和保证桩的正位率。高墩区引桥若采用打入桩基础形式，当选用⑦1层作桩端持力层时，需进入该层一定深度才能使承载力满足荷载要求。但因该层标贯击数较高，可能会发生沉桩困难。因此，应选择适宜的打桩设备。⑶应根据上部荷载情况和地层埋藏特征，选择适宜的桩长、桩径，注意地层起伏和软弱夹层(透镜体)的影响。⑷采用钻孔灌注桩时，为使桩端承载力充分发挥，终孔时注意清底，重视桩体完整性检测。目前已有的试桩资料都是桩径小于1.5m的，而本工程设计桩径是1.5m、2.0m、2.5m，直径较大。按《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)的规定，大直径桩存在松弛效应和尺寸效应。在没有试桩资料对比的情况下，建议通过试桩确定单桩承载力。在桩基础施工过程中，要加强施工工序管理、质量控制和桩基监测。南、北航道桥设计荷载大，对地基土的强度要求高，应对桩基垂直和水平稳定性、沉降、成桩可能性、冲刷面、群桩效应和尺寸效应综合考虑。7.2浅层气问题杭州湾浅层气是在区域沉积背景控制下形成的，浅层气沿钱江古河道广泛分布，小范围调整桥位难以避开浅层气发育带，本工程必须正视浅层气危害问题。勘察中所遇井喷现象是一种预先未采取工程措施、不受控制的释放模式，对土体工程性状的影响是一种非饱和土的渗流破坏，还可能引起负摩擦力、地层不均匀沉降等问题。因此，防止高压浅层气在桩基施工或桥梁建成使用过程中的释放是需要研究的重要课题，预先有控制地排气是最有效的防治措施。浅层气对打入桩的影响较小，对钻孔桩的施工影响较大。必须制定合理的浅层气区基础形式，南引桥水中低墩区富含浅层气区段，水深条件较好，宜选用大直径钢管桩。南岸滩涂区富含浅层气区段，宜选用大直径钢管桩；受水深条件限制，在选用钻孔灌注桩时，应采取积极主动的控制放气措施，并周密设计施工工艺、泥浆配比和扩孔方法。在大桥建成后的营运期，不宜在影响桥梁的范围内进行人为活动，以免造成浅气层释放或对土层进行扰动，从而影响桥梁的安全。7.3地下水问题从水文地质条件分析，该区域存在潜水、微承压水，透水性差，对钻孔桩施工有一定的影响。钻孔桩施工时应加大泥浆比重，防止塌孔。此外，由于海水对混凝土具弱腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性，应采用淡水搅拌泥浆，研制高性能混凝土，对钢管桩表面进行防腐处理。7.4施工船舶选择问题杭州湾素有〃怒潮海湾”之称，水深、潮差大、流急是其特征，最大潮差达8m，最大流速达7m/s。在该地区进行水上桩基施工，打桩船的准确就位及稳定性是关键。南航道桥区域，由于表层亚砂土土质松软、易流动，加之潮流流速大且流向紊乱，施工时应防止发生走锚、断绳现象。在北、南航道桥部位勘察中发现15处沉船等水下障碍物存在，在工程施工中应引起注意。8结束