武漢鸚鵡洲過江通道地質(zhì)條件及橋隧方案比選

武漢鸚鵡洲過江通道地質(zhì)條件及橋隧方案比選周傳斌;李光耀;項(xiàng)后軍【摘要】武漢鸚鵡洲過江通道地處巖溶及地面塌陷發(fā)育區(qū)，地質(zhì)條件對(duì)工程方案有重大影響.簡(jiǎn)要介紹了過江通道場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及巖溶、地面塌陷特征，從工程建設(shè)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響和地質(zhì)條件對(duì)工程建設(shè)的影響兩個(gè)方面對(duì)橋隧方案的適宜性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)和方案比選.在橋隧方案比選時(shí)，應(yīng)選擇對(duì)環(huán)境地質(zhì)基本無影響的方案;從工程地質(zhì)條件分析,鸚鵡洲過江通道是較好的建橋場(chǎng)地，橋梁方案宜選用鉆孔樁基礎(chǔ);而隧道方案的技術(shù)難度大,風(fēng)險(xiǎn)高.因此，橋梁過江方案優(yōu)于隧道過江方案.【期刊名稱】《鐵道勘察》【年(卷)，期】2009(035)004【總頁數(shù)】4頁(P9-12)【關(guān)鍵詞】過江通道;巖溶;地面塌陷才橋隧比選【作者】周傳斌;李光耀;項(xiàng)后軍【作者單位】中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢,430050;中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢,430050;中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢,430050【正文語種】中文【中圖分類】U459.5;P642.25武漢鸚鵡洲過江通道是武漢市新一輪城市總體規(guī)劃修編中提出的新一環(huán)線中重要的過江工程,全長約5000m,其中長江水域段長約2000m。按城市快速干道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用雙向六車道，設(shè)計(jì)車速60km/h。過江通道位置距長江一橋約2km,距白沙洲長江大橋約6.3km,距規(guī)劃的二環(huán)線楊泗港過江通道約3.3km，距軌道交通四號(hào)線過江隧道約0.5km。武昌岸在武昌造船廠鲇魚套附近，接首義南路、雄楚大街;漢陽岸在腰路堤附近，穿攔江堤路，接馬鸚路。鸚鵡洲過江通道將進(jìn)行隧道過江方案和橋梁過江方案綜合比選研究。本文將從場(chǎng)地工程地質(zhì)條件角度對(duì)這兩種過江方案的風(fēng)險(xiǎn)和適宜性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。1場(chǎng)地地質(zhì)條件1地形、地貌工程場(chǎng)區(qū)兩岸為長江沖積階地，地形平緩,總的地勢(shì)為東高西低。長江西岸為一級(jí)階地，地面高程21-23m,主要為第四系全新統(tǒng)沖積黏性土、淤泥質(zhì)土、粉土、粉細(xì)砂，厚30m左右，下部卵礫石層厚30m左右。長江東岸為一級(jí)階地，地面高程約24m, 主要為第四系中更新統(tǒng)沖、洪積黏性土和由黏性土充填的礫卵石層，厚15~35m。階地表層多為人工填土覆蓋，厚0~5m。階地表面魚塘、水塘零星分布，局部有暗塘、暗溝。場(chǎng)地兩岸居民密集，道路縱橫，交通方便。長江以北東向流經(jīng)場(chǎng)區(qū)，屬順直分汊河道,在場(chǎng)區(qū)上游河道內(nèi)有白沙洲、潛洲一順排列。場(chǎng)區(qū)處河寬2000m,河床開闊,長江江底平順，高程5~8.28m,兩岸坡西岸平緩，東岸較陡，河床表層為新近沉積的松散粉細(xì)砂夾薄層中砂，厚0~10m,下部為第四系全新統(tǒng)沖積粉細(xì)砂、中粗砂、礫卵石層，厚8-60m。主河槽偏西岸，河床斷面呈不對(duì)稱的“U”字形，常水位時(shí)水深8-13m,最深約16m。1.2地層巖性工程場(chǎng)區(qū)地層主要有第四系全新統(tǒng)沖積層，志留系-三疊系的砂巖、泥巖、灰?guī)r、白云巖等,場(chǎng)區(qū)主要地層分布情況見圖1。圖1鸚鵡洲過江通道軸線地質(zhì)斷面第四系覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積相地層，場(chǎng)地處覆蓋層厚度變化大，河床段北岸沉積厚度大達(dá)70m左右，兩側(cè)則相對(duì)較薄，厚14~30m。第四系覆蓋層自上而下可以分為兩大層。上層為可塑狀黏性土，下層為中一密實(shí)狀砂土，局部為圓礫土。(2)基巖場(chǎng)地巖面變化較大,河床段靠近漢陽岸巖面較低，高程-70~-40m,由河床向兩岸逐漸抬升，兩岸巖面高程為-26~12m,巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、灰?guī)r等。砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖,巖質(zhì)相對(duì)較軟，灰?guī)r巖質(zhì)較硬,工程地質(zhì)性能較好。風(fēng)化作用不發(fā)育,僅在長江漢陽岸河槽中發(fā)育少量強(qiáng)、弱風(fēng)化基巖。巖石物理力學(xué)指標(biāo)如表1。表1巖石物理力學(xué)指標(biāo)成果巖土編號(hào)及名稱質(zhì)量密度p/(g/cm3)吸水率w1/%天然抗壓強(qiáng)度fWMPa干燥抗壓強(qiáng)度fr/MPa飽和抗壓強(qiáng)度frc/MPa④1生物碎屑灰?guī)r266007112841286210932④2白云質(zhì)灰?guī)r2670397372101396532④3粉砂質(zhì)泥巖2622186⑤1粉砂質(zhì)泥巖2654852343⑤2泥質(zhì)粉砂巖2627566779051951.3場(chǎng)地巖溶及地面塌陷災(zāi)害特征(1)巖溶類型按碳酸鹽巖的埋藏條件,場(chǎng)區(qū)巖溶可分為覆蓋型和埋藏型兩種類型［1］。覆蓋型巖溶覆蓋型巖溶是指在巖溶發(fā)育地層之上,直接覆蓋第四系松散堆積物?？碧浇Y(jié)果表明，工程場(chǎng)地的巖溶以覆蓋型巖溶為主，與曾出現(xiàn)巖溶地面塌陷的陸家街、阮家巷、司法學(xué)校、中南軋鋼廠等地區(qū)地層結(jié)構(gòu)基本類似，在可溶性碳酸鹽巖之上第四系全新統(tǒng)松散堆積物(Q4al)具二元結(jié)構(gòu)特征，上部以粉質(zhì)黏土、粉土為主，下部主要為粉砂、細(xì)砂層，局部為含礫砂層或砂與黏土互層。埋藏型巖溶埋藏型巖溶是指在巖溶發(fā)育地層之上，有白堊一第三系地層和第四系堆積物覆蓋。在漢陽，埋藏型可溶性碳酸鹽巖主要分布在墨水湖以南，東與覆蓋型碳酸鹽巖鸚鵡洲分布區(qū)接壤，南北寬約3km,東西長約2km,埋深一般在51.4~103.6m之間，主要分布于白沙洲至南湖之間,東西長9km,南北寬約3.5km。巖溶分布及其特征場(chǎng)區(qū)巖溶主要發(fā)育有兩層：第一層分布高程為0~10m,位于大橋向斜核部所在的低山丘陵區(qū)山間谷地中，巖溶形態(tài)以0.3~5cm的小溶孔和寬0.1~0.4cm的溶隙為主，局部沿溶隙形成小溶洞。第二層分布高程為-5~-25m,位于關(guān)山向斜核部所在的長江一級(jí)階地地區(qū)，以覆蓋型巖溶為主，巖溶發(fā)育且呈帶狀分布，巖溶形態(tài)為溶蝕裂隙和溶洞，一般洞高為0.1~0.3m,少數(shù)洞高1~3m(見圖2)。按時(shí)代劃分，三疊系(T1)灰?guī)r巖溶發(fā)育，鉆孔遇洞頻次22次,石炭系(C2)灰?guī)r巖溶較發(fā)育,二疊系(P1)灰?guī)r巖溶一般發(fā)育,鉆孔遇洞頻次分別為10次和4次(見圖3)。圖2鉆孔中溶洞高程分布圖3鉆孔內(nèi)溶洞地層時(shí)代分布巖溶地面塌陷特征巖溶地面塌陷的形成條件及誘發(fā)因素?fù)?jù)有關(guān)資料研究表明，本區(qū)巖溶地面塌陷的形成機(jī)制，是由自然及人為因素弓I起的巖溶地下水位的變化，導(dǎo)致與上部孔隙承壓水間形成水頭差。在滲透坡降所產(chǎn)生的滲透壓力作用下,上覆土層中的砂土層細(xì)顆粒被潛蝕形成擾動(dòng)土層或土洞，隨作潛蝕作用的不斷進(jìn)行，土洞逐漸發(fā)展、擴(kuò)大。在降水急劇下滲或地面滯水入滲，或人為抽水等活動(dòng)時(shí),則誘發(fā)巖溶地面塌陷產(chǎn)生。巖溶地面塌陷分區(qū)根據(jù)巖溶地面塌陷所產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境條件,結(jié)合區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷特征，本區(qū)覆蓋型碳酸鹽巖分布區(qū)范圍內(nèi)，可分為塌陷危險(xiǎn)區(qū)、塌陷易發(fā)區(qū)、潛在塌陷區(qū)和相對(duì)穩(wěn)定區(qū)［2］。塌陷危險(xiǎn)區(qū)主要分布于武昌陸家街、倒口湖、阮家巷及漢陽軋鋼廠至江邊一帶，面積0.92km2。區(qū)內(nèi)巖溶相對(duì)發(fā)育，局部地段發(fā)育有較大溶洞；上覆第四系松散堆積物多為長江古河道堆積物；長江一級(jí)階地中部及前緣地帶，地下水易受長江水位的變化及大氣降水的直接影響，因此區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷多發(fā)。在已發(fā)生地面塌陷的地段陷坑雖已填平，但基因未除，擾動(dòng)土層或土洞多處發(fā)育，當(dāng)內(nèi)夕卜地質(zhì)動(dòng)力繼續(xù)作用和夕卜界因素誘發(fā)后，巖溶地面塌陷有隨時(shí)發(fā)生的可能，巖溶塌陷的危險(xiǎn)依然存在。塌陷易發(fā)區(qū)主要分布于漢陽楊泗港至漢陽漁場(chǎng)及武昌蝦湖垸至武昌造船廠一帶，面積5.72km2，屬覆蓋型巖溶區(qū)。上部第四系(Q4al)松軟，松散土層厚約30m左苞下伏石炭一三疊系(C2~T1)碳酸鹽巖，巖溶較發(fā)育?？紫端c巖溶水間無隔水巖層，且水力聯(lián)系密切。長江一級(jí)階地中部及前緣地帶，汛、枯水期長江水位的變化幅度及大氣降水入滲，可導(dǎo)致地下水位的升降而產(chǎn)生滲透壓力，其環(huán)境地質(zhì)條件適宜巖溶地面塌陷產(chǎn)生。該區(qū)域目前尚未發(fā)生巖溶地面塌陷,但在內(nèi)、夕卜力地質(zhì)作用下和人為因素的影響下，可導(dǎo)致或誘發(fā)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。2橋隧方案對(duì)場(chǎng)地環(huán)境影響的評(píng)價(jià)鸚鵡過江通道場(chǎng)址處于武漢市地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)，是巖溶地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū),在此場(chǎng)地進(jìn)行工程建設(shè)，應(yīng)特別重視促發(fā)地面塌陷災(zāi)害的問題。2.1橋梁建設(shè)對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)根據(jù)場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,巖土層的分布及性質(zhì)，下伏基巖強(qiáng)度高，埋深不大，是良好的基礎(chǔ)持力層。橋梁礅臺(tái)將采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，水域采用高樁承臺(tái)，兩岸陸地承臺(tái)基坑開挖深度約為3m。鉆孔灌注樁成孔過程中，孔內(nèi)水頭高于地下水位。橋梁基礎(chǔ)施工對(duì)地質(zhì)環(huán)境撓動(dòng)小，不會(huì)引起地下水位及水流環(huán)境的改變，橋梁建設(shè)對(duì)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)環(huán)境基本沒有負(fù)面影響。2.2隧道建設(shè)對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)隧道方案為下穿長江的水底隧道,隧址處江面寬1700多m,現(xiàn)狀河床高程約在0~5m之間，隧道在礫卵石和以碳酸巖為主的基巖中穿過。由隧道各種工法的特點(diǎn)來看，本工程可采用的施工工法為盾構(gòu)法。盾構(gòu)施工方案對(duì)地質(zhì)環(huán)境主要有兩方面的影響。易產(chǎn)生基坑涌水、涌砂，可能引發(fā)地面塌陷盾構(gòu)施工方案需在南北兩岸開挖盾構(gòu)始發(fā)井，開挖深度約20-25m。開挖地層為第四系全新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等，施工過程中易產(chǎn)生涌水、涌砂等問題。在粉細(xì)砂層中，存在孔隙承壓水，且承壓水與地表水(江水)相同,承壓水受江水位的抬高而增大。距長江由遠(yuǎn)至近，承壓水逐漸增高。因此，開挖盾構(gòu)始發(fā)井時(shí)，其基底的粉細(xì)砂極易產(chǎn)生涌水、涌砂問題。加之場(chǎng)地距長江大堤近，如采取的防治措施不當(dāng)，發(fā)生地面開裂、塌陷的可能性較大，危及長江大堤安全。易誘發(fā)巖溶地面塌陷盾構(gòu)始發(fā)井及明挖段基坑開挖，如果疏排地下水，降低承壓水頭,造成地下水位下降；在隧道運(yùn)營過程中，如抽排隧道涌水,也會(huì)改變地下水環(huán)境，造成地下水位下降。場(chǎng)區(qū)是武漢市巖溶地面塌陷高發(fā)區(qū)，地下水位的變動(dòng)，極易引發(fā)巖溶地面沉降、開裂、塌陷，危及周邊建筑物及人員的安全。3橋隧道方案地質(zhì)條件適應(yīng)性評(píng)價(jià)3.1橋梁方案地質(zhì)條件適應(yīng)性評(píng)價(jià)從場(chǎng)地工程地質(zhì)條件看，場(chǎng)區(qū)位于巖溶發(fā)育區(qū)，橋梁基礎(chǔ)是通過橋墩與基巖體點(diǎn)式接觸，只要采用鉆探手段查明橋墩處的地質(zhì)情況,將鉆孔基樁穿越溶洞，置于較完整的基巖體內(nèi)，就可以解決橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定問題，對(duì)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)環(huán)境基本沒有不良影響。目前我國在巖溶區(qū)修建了很多大跨度橋梁,在施工方面已積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟。場(chǎng)區(qū)微風(fēng)化基巖埋深小,強(qiáng)度高，是大橋基礎(chǔ)良好的基礎(chǔ)持力層，場(chǎng)地地質(zhì)條件適宜橋梁建設(shè)。3.2隧道方案地質(zhì)條件適應(yīng)性評(píng)價(jià)對(duì)于隧道工程，在修建過程中需要進(jìn)行大斷面開挖,隧道通過地層主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r，并發(fā)育斷裂帶和巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象，巖溶的透水性極強(qiáng)。地層中存在溶洞等不良地質(zhì)情況，盾構(gòu)隧道穿越溶洞地段難度較大，存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，盾構(gòu)始發(fā)井及兩岸明挖段的開挖，易引起場(chǎng)區(qū)地下水位的變動(dòng)，極易引發(fā)巖溶地面沉降、開裂、塌陷，危及周邊建筑物及人員的安全。巖溶地層對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)有較大的危害，主要表現(xiàn)在：(1)溶洞危害盾構(gòu)的掘進(jìn)，可能造成盾構(gòu)機(jī)的卡位、栽頭等，影響盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)及其姿態(tài)控制。(2)盾構(gòu)在高強(qiáng)度的基巖中掘進(jìn)時(shí)需要開倉換刀，垂直發(fā)育的巖溶與江水直接貫通，對(duì)盾構(gòu)換刀的安全性存在影響。(3)溶巖裂隙常常相互貫通,可能造成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)漏漿、跑漿。因此,場(chǎng)地地質(zhì)條件對(duì)隧道方案有較多不利影響，隧道方案地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。4結(jié)束語鸚鵡洲過江通道場(chǎng)區(qū)發(fā)育有巖溶，巖溶可能引起地面塌陷。場(chǎng)區(qū)是武漢市地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)，是巖溶地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)。在橋隧方案比選時(shí)，應(yīng)特別重視其對(duì)環(huán)境地質(zhì)的影響，應(yīng)選擇對(duì)環(huán)境地質(zhì)基本無影響的建設(shè)方案，以避免引起新的地面沉降、開裂和巖溶地面塌陷，從而影響工程建設(shè)及周邊建筑物的安全。從工程地質(zhì)條件分析,鸚鵡洲過江通道是較好的建橋場(chǎng)地，橋梁方案宜采用鉆孔樁基礎(chǔ)，樁尖置于微風(fēng)化基巖中，對(duì)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)環(huán)境基本沒有負(fù)面影響。由于覆蓋層較薄，基巖強(qiáng)度大，軟硬不