新建常益长铁路沅江特大桥工程地质条件研究

新建常益长铁路沅江特大桥工程地质条件研究

梁辉

（湖南省城市地质调查监测所，湖南常德，415000）

摘要: 新建常益长铁路沅江特大桥位于常德市沅江-洞庭湖冲湖积平原，主桥为国内跨度最大的矮塔斜拉桥之一，桥址区不良地质及特殊土种类繁多，场地稳定性、地面沉降、地震等灾害评价对桥址、主桥梁型、桩长选择有很大影响。为查明新建常益长铁路沅江特大桥工程地质条件、水文地质条件、地震效应特征，采用原位钻探、试验、土工试验、静力触探、搜集资料、公式计算及数值模拟等方法，对桥址区的地层岩性、地质构造、岩土体特征、水文地质、不良地质、特殊岩土、地震参数、场地类别、场地抗震地段划分等特征进行了深入研究，对桥梁基础持力层选择、砂土液化、软土体力学性质、桥址区的场地稳定性及场地适宜性等工程地质问题进行了合理建议。

关键词：新建；常益长铁路；沅江特大桥；工程地质条件；

1

0 引言

对工程建筑物有影响的地质因素总称为工程地质条件，包括地层岩土体的物理力学性质、地形地貌、地质构造、水文地质条件、自然地理现象和天然建筑材料等。工程地质条件研究的方法趋于多样化,研究范围日益广泛。当前我国铁路建设高速发展，铁路跨越大江大河成为了不可避免的问题，尤其是在时速大于200km的铁路建设中,桥隧比往往会超过80%。铁路桥作为铁路建设的重要控制节点，选址往往决定了线路的走向，所以其工程地质条件研究尤为重要，如三门峡黄河公铁两用大桥[1]、石济客运专线黄河特大桥[2]、郑焦城际黄河特大桥[3]等工程地质条件在建设之前都进行了深入的工程地质条件研究,尤其是沿江冲积平原区下卧软弱地层、液化效应等是勘察的重点和难点[4]。

1桥址区基本情况

1.1沅江特大桥概述

沅江特大桥是常德至益阳至长沙铁路的重要工程，桥梁起迄里程为DK2+565.915～DK37+442.495段,全长34.87km[5]。新建常德至益阳至长沙铁路是渝厦通道和呼南通道重要组成部分，线路全长157.5km，按时速350km标准建设，与黔张常铁路、张吉怀铁路、沪昆铁路等共同构建成为湖南省环省快速铁路通道，该桥已于2019 年开工，预计2022年建成[6]。项目位于湖南省西北部，由常德市区内常德站引出（图1），经汉寿、益阳、宁乡至长沙市，引入长沙枢纽黄金站。本桥于DK9+300~DK9+600跨越既有石长铁路，DK10+800~DK10+900跨越马吉河，DK14+500~DK14+600跨越G55二广高速，DK19+800~DK20+400跨越沅江。

图1 沅江特大桥地理位置示意图

1.2 地形地貌

拟建沅江特大桥位于常德市沅江洞庭湖冲湖积平原，地势平缓开阔，局部略有起伏，线路方向总体上东北高西南低，地面高程为25.155～43.444m，最大高差约18.289m。桥址区主要为农田，间布有河流、村舍，水塘，河道和沟渠内地面高程较低。

1.3地层岩性

采用XY-100型液压工程钻机，对桥址区的地层情况进行勘探，钻孔深度为40～60m。根据钻孔揭示，桥址区勘探深度范围内主要为第四系全新统、第四系更新统和古近系东塘组。根据各土层沉积特点，划分为三大主层，各层特点简述如下。

(1)第四系全新统（Q4）

①1填土（Q4ml) ：棕红色，松散，稍湿，主要成份为粉质黏土及碎石组成、生活垃圾及建筑垃圾等，层厚约0.5-9.2m，层面埋深0m，该层在桥址内零星分布。

①2淤泥（Q4al+pl) ：灰黑色，主要成份以黏粒为主，黏性较好，手捏具滑腻感，略具腥臭味，含各种有机质，层厚2.0～3.5m，层面埋深0m，该层主要分布在DK29+890- DK30+050范围内。

①3淤泥质粉质黏土（Q4al+pl) ：灰黑色、黄褐色，软塑或流塑，成分以粘粒为主，局部夹有少量有机质，稍有腐味。层厚0.5～11.5m，层面埋深0.0-38.4m，分布于桥址沿线水塘底部。

①4粉质黏土（Q4al+pl)：褐黄色，灰褐色，软塑到硬塑，成分以粘粒为主，含少量铁锰质氧化物，切面光滑，土质较均匀，层厚0.6～28.9m，层面埋深0.0-69.1m，该层该层广泛分布于桥址区。

①5黏土（Q4al+pl)：褐黄色，灰黄色，硬塑，土质较均，刀切面光滑，层厚1.1～20.7m，层面埋深21.5-63.3m，该层桥址区内局部分布。

①6粉土（Q4al+pl)：褐灰色，中密，饱和，层厚约1.2～6.6m，层面埋深4.5-16.9m，主要分布于DK24+790～DK25+300段。

①7粉砂（Q4al+pl)：褐黄色，中密或稍密，饱和，层厚约0.5～25.4m，层面埋深0.0-59.0m，该层在桥址区内局部分布。

①8细砂（Q4al+pl)，灰黄色，黄褐色，松散或稍密，饱和，主要矿物成份为石英、长石、云母颗粒，夹少量黏性土。层厚约0.5～13.8m，层面埋深0.0-66.30m，该层在桥址内零星分布。

①9中砂（Q4

al+pl)：褐黄色，稍密到中密，饱和，主要矿物成分为石英、长石、云母等，局部夹粉土薄层，层厚约0.9～15.1m，层面埋深2.90-60.0m，该层主要分布DK5+270~DK5+380、DK5+600~DK5+720、DK12+900~DK12+175、DK14+790~DK15+050、DK4+180~DK4+200、DK6+530~DK6+560、DK6+571~DK6+702、DK10+240~DK10+660段。

①9粗砂（Q4al+pl)：褐黄色，稍密，饱和，主要矿物成分为石英、长石、云母等，局部含少量圆砾，层厚约1.9～2.1m，层面埋深13.4-37.8m，该层在桥址区内零星分布，仅Jz-Ⅲ171-沅桥244A、Jz-Ⅲ171-沅桥321两孔揭示。

①10砾砂（Q4al+pl)：褐黄色，中密，饱和，砾石成分主要为砂岩、石英砂岩等，矿物成分为石英、长石、云母等，层厚约6.92～8.8m，层面埋深32.0-40.0m，该层在桥址区内零星分布，仅3个钻孔揭示。

①11细圆砾土（Q4al+pl)：褐黄色，杂色，稍密到密实，饱和，颗粒主要成份为砂岩、石英，多呈浑圆状，粒径一般为2-20mm，夹少量卵石，粒径一般为30-80mm，层厚约0.8～43.10m，层面埋深0.4-69.3m，该层在桥址区内广泛分布。

①12粗圆砾土（Q4al+pl)：灰褐色，稍密到中密，杂色，饱和，颗粒主要成份为砂岩、石英，多呈浑圆状，粒径一般为20-60mm，层厚约1.4～35.97m，层面埋深4.4-66.8m，该层在桥址区内广泛分布。

①13漂石（Q4al+pl)：灰褐色，杂色，饱和，层厚约2.3～7.1m，层面埋深36.7-40.3m，该层仅局部钻孔见到。

（2）第四系更新统（Q2～3）

②1粉质黏土（Q2～3) ：褐黄色，灰黄色，硬塑，成分以粘粒为主，土质较均，刀切面稍光滑，层厚0.4～28.9m，层面埋深0.0-54.1m，主要分布于DK29+580~DK32+620段。

（3）古近系东塘组（E1d）

③1泥质粉砂岩（E1d)：黄褐色，全风化，原岩结构构造已完全破坏，岩芯呈土柱状,层厚约0.3～29.9m，层面埋深13.3-64.0m，该层局部分布。

③2泥质粉砂岩（E1d)：紫红色、深红色，强风化，泥质粉砂结构，中厚层状构造，主要成分为石英，泥砂质胶结，层厚约0.5～28.0m，层面埋深19.0-68.5m，该层仅在部分钻孔揭示。

③3泥岩（E1d)：棕红色、褐红色，全风化-强风化，泥质结构，局部结构构造已基本破坏，风化呈土状，层厚约0.8～12.2m，层面埋深24.8-75.80m，该层仅部分钻孔揭示。

1.4地质构造

桥址区内为较厚的第四系覆盖层，地质构造隐伏于第四系松散堆积层以下，对工程影响较小，经本次勘探钻孔揭示，拟建工程区勘察深度范围内未见断裂、褶皱等地质构造。

1.5地震动参数

根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2015）及《中国地震动加速度反应谱特征周期区划图》（GB18306-2015）分析，本桥DK2+565.9～DK21+500地震动峰值加速度为0.15g，DK21+500～DK37+442.5里程之后地震动峰值加速度为0.1g,反应谱特征周期为0.35s。抗震设防烈度为Ⅶ度。

1.6水文地质特征

（1）地表水

桥址内地表水以河水、水塘水为主，主要接受大气降雨补给，地表水系发育，沟渠，水塘纵横。

（2）地下水

桥址内地下水类型主要为第四系松散层孔隙水，较发育。第四系孔隙水含水层主要为孔隙潜水，部分具承压性，埋深0.1～15.5m，地下水一般埋深较浅，变化幅度较小，水质较好，其整体埋深相对稳定，季节变化较小，补给主要来源于地表水。

（3）地表水及地下水侵蚀性评价

根据水样试验成果及《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005-2010）判定：地表水在DK2+565.9~DK19+000存在二氧化碳侵蚀，化学环境作用等级为H1；地下水在DK2+565.9~DK15+000存在二氧化碳侵蚀，化学环境作用等级为H2、在DK15+000~DK19+000，DK29~DK37+442.5存在二氧化碳侵蚀，化学环境作用等级为H1。

2工程地质条件

2.1场地特殊岩土及不良地质评价

（1）不良地质：桥址区内及其附近无滑坡、泥石流、采空区等不良地质现象。

（2）特殊岩土：桥址区内特殊岩土为软土与膨胀土，具体可细分如下：

①人工填土：桥址区局部表层回填有素填土、杂填土，回填土厚度变化较大，最大厚度达9.2m。填土层主要分布于表层，一般不均匀，欠密实，以松散状为主，局部稍~中密状，渗透性差异大，自稳性相对较差，道路表层有20-30cm灰黑色沥青混凝土。在该类土质中钻孔桩钻进时易出现塌方。

②软土：钻探成果显示，桥址区内水塘底部分布淤泥、软塑状淤泥质黏土、流塑状淤泥质黏土，灰黑色，具有易触变性、高压缩性等工程地质特征；以及软塑粉质黏土、粉土层结构松散，压缩性高、强度低，工程特性较差，易产生过大、不均匀的沉降，桩基施工时易发生缩孔、断径，影响成桩质量，对工程存在不利影响。

③液化土：地表以下15m内第四系饱和砂土主要为粉土、稍密粉砂、中密粉砂、松散细砂、稍密细砂、中密细砂，钻孔液化判别成果见表1。

表1 沅江特大桥钻孔液化判别成果表

2.2场地稳定、适宜性综合评价

按《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006，2009版）评价，本场地属Ⅲ类场地，场地土属中软土；按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）评价，本场地属Ⅲ类建筑场地，中软土。场地区覆盖土层深厚，建筑物基础位于地下水位以下，属中等复杂场地，场地内软弱土，液化土发育，无活动断裂通过。综合工程地质条件判定属于“抗震不利地段”，需按照相关规定进行抗震设计。

3主要结论及建议

3.1基础类型的确定

桥址区第四系覆盖层厚度变化较大，且物理力学性质有一定差异，承载力较低，故该桥不宜采用天然地基浅基础，建议采用桩基础，桩基础类型采用摩擦桩。

3.2基础持力层的确定

第四系全新统①1～①9，即素填土～中密状中砂等第四系土层的力学性质较差，承载力较低，不能作为基础的持力层。

第四系全新统①10～①13，即稍密状粗砂～漂石层层位稳定，厚度较大，承载力相对较高，可作为桩基础持力层。

③1～③3，全风化、强风化泥质粉砂岩，全风化、强分化泥岩，岩体松散，工程性质一般，层厚变化较大，不宜作桩基持力层；弱风化泥岩、弱风化泥质粉砂岩层位稳定，厚度较大，承载力相对较高，可作为桩基础持力层。

3.3主要建议：

（1）施工前应选择有代表性地段进行工艺性试验，确定施工参数，作为施工依据。由于地质条件在空间上变化极其复杂，在施工开挖验槽、桩基施工过程中如出现与勘察成果不符，应与勘察设计单位确认是否进一步补充适当的勘察工作。

（2）在沅江及马吉河堤防内的桥墩桩基础施工时，应尽量避开汛期作业，高度重视保护防洪大堤的稳定,采取必要的防护措施。

（3）桥址区基岩属于易软化的软岩，暴露过久会风化、软化，降低承载力、侧摩擦力，施工时应采用快建成孔施工工艺。

（4）桥址区大部分地段砾砂石层厚度大，地下水丰富，地下水补给充足，易导致孔壁失稳、坍塌，设计施工必须高度重视，在桥桩基础施工中应采取有效的护壁和抽、排地下水措施，尽量避开雨季作业，确保施工安全。

（5）桥址区属城市近郊和居民聚集区，且跨越多条城市道路或高速公路，施工过程中应注意安全保护措施和环境保护措施；

参考文献

[1] 胡辉跃，刘俊锋，宁伯伟．三门峡黄河公铁两用大桥主桥钢桁结合梁设计［J］．桥梁建设，2018，48( 2):83-88．

[2]高永强．石济客运专线黄河特大桥总体建设方案［J］．城市道桥与防洪，2019(5):79-82，89．

[3]张劳恩.郑焦城际铁路黄河特大桥工程地质条件研究［J］．铁道标准设计，2020,64（10）：51-56．

[4]甘森林，喻洪亮，甘建军，等．沿江冲积平原区某铁路特大桥勘察［J］．四川地质学报，2017，37(4) : 655-658．

[5]张乃乐，李海泉．常益长铁路沅江特大桥(32+90+90+32)m 拱塔斜拉桥总体设计［J］．铁道标准设计,2021,65(11):1-4.

[6]林聘.常益长铁路沅江特大桥( 34+118+240+118+34) m矮塔斜拉桥设计［J］．铁道标准设计.2020,64（9）:70-74.

1