0 引言
G60醴陵至娄底高速公路扩容工程第一合同段株洲湘江大桥地质条件复杂,在初步设计阶段对该桥的桥墩布设方案进行了多次调整,在工程地质勘察阶段,对该桥地质情况进行加强勘察,并对岩面起伏大及岩溶发育的桥墩台进行逐桩钻探。
根据前期工程地质勘察报告,桥位区位于株洲断馅盆地边缘,桥址区受盆地边缘三门大断裂及其次生构造影响,场地地质条件复杂,断裂及次生断层发育,岩性变化较大,岩面埋深起伏大;桥位区灰岩中岩溶发育强烈,岩溶形态以溶沟、溶蚀裂隙为主,溶沟多为卵石充填,总体上桥位区灰岩、白云质灰岩岩溶很发育。
为了基本满足后期施工图设计要求,不再过多对该桥整体线位、桥位进行调整而影响工期、造价、征地等后续工作,有必要进一步深化桥位区的地质认识,精细查明桥位区岩溶形态、断层分布等前期勘察资料未充分反映的不良地质问题。由于地质勘察和桥梁设计为两个专业,而目前设计院大多采用设计人员布孔方案,且多按照桥梁方案确定后,再根据《公路工程地质勘察规范》进行布孔,往往忽略了物探手段在岩溶区勘察的重要性,而地质人员按照设计人员提供的布孔方案,给出大致的岩溶分布,缺少地质因素对桥梁方案的影响评价。鉴于此,为克服钻孔的“一孔之见”,且对孔间岩溶发育类型、规模有较精确的判断,投入了综合物探方法探测,多种方法的投入既提供了多参数多信息,又相互验证了方法的有效性,从而对最终结果的判识起到了至关重要的作用[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。
1 工程地质概况及地球物理背景
1.1 地形地貌
株洲湘江大桥起点位于株洲县洲坪乡农科站村,先跨越京广铁路,后跨越湘江,终点段位于株洲县三门镇范家洲村。
大桥横跨湘江,两岸分布丘陵、阶地及河床等地貌单元。
1)丘陵:湘江两岸均有分布,地形起伏不大,地面高程约为 50.0~75.1 m。
2)Ⅱ级阶地:分布于湘江两岸,地形较平坦,主要为农田和水塘,沿路线长度约 200 m,地面高程约为 40.0~53.0 m。
3)Ⅰ级阶地:湘江东岸,地形平坦,主要为水塘,京广铁路穿越此地貌单元,阶地宽度约 100 m,地面高程约为 40 m,京广铁路高程约为 47.0 m;湘江西岸,地形平坦,农田、民房遍布,沿路线长度约 300 m,地面高程约为 40.8~42.0 m。
4) 湘江河床:桥梁跨跃株洲航电枢纽库区,在枢纽大坝上游约 3 km,水面宽约 700 m,勘察时河水最深约 25 m,河床高程约为 24 m 左右;湘江西岸为河漫滩,地形较平坦,沿路线长度约 40 m 左右,地面高程约为 40.0~41.0 m。河流两岸筑有防洪堤,堤顶标高约 63.5~64.5 m。大堤外侧遍布水田及少量农舍。河道两岸均有公路通往桥位区,交通较为方便,施工条件好。
1.2 地层岩性
场地第四系覆盖层厚度较大,主要为填筑土、粉质黏土、粉砂、细砂、砾砂、圆砾及卵石,下伏基岩为石炭系灰岩、白云质灰岩及断裂构造形成的碎裂岩、断层角砾岩、断层泥等岩类。
覆盖层:填筑土主要分布在河堤、道路附近及居民宅基地;河东阶地覆盖层主要为种植土及 Qp 黏土;河床覆盖层为卵石夹圆砾、细砂、粉质黏土等;河西阶地覆盖层为种植土、粉质黏土、细砂、砾石、卵石。
基岩:石炭系白云质灰岩、灰岩、碎裂岩、断层角砾岩、断层泥。河东桥台附近为泥盆系石英砂岩及砂质页岩。
1.3 地质构造
据 1:20 万株洲幅区域地质资料及 1:5 万潘家冲地区矿产地质调查资料,结合本次地质调查成果,显示本区地质构造极为发育(图1),工区处于多条区域性断裂交切形成的三角断块上,地层岩性以厚层状灰岩夹白云质灰岩为主,单斜构造,倾向NW,地层产状为 300°~330°∠40°(推测),桥址区NW侧约 1~1.5 km为三门大断裂,据相关资料显示,三门大断裂走向 NNE,倾向NW,断层产状为310°∠60°~80°,断层NW盘为白垩系下统(K1 )紫红色砾岩,岩石半固结,风化较强烈,地层倾向SE,断层接触带为第四系冲洪积层掩盖,形迹不清;桥址区SE侧 200~250 m 为石炭系地层与二叠系地层分界断层,断层SE侧为泥盆系中统跳马涧组(D2t)石英砂岩夹砂质页岩,地层倾向SW,地层产状140°~160°∠20°~45°,断层带在本区为第四系掩盖。
图1
图1
工作区区域地质构造简图
Fig.1
Sketch map of regional geological structure in the work area
1.4 地球物理背景
进行物探工作之前,根据相关资料与现场实地试验性探测结果,测区主要地下介质物性参数列于表1。
表1 测区主要地下介质物性参数范围
Table 1
| 介质 | 电阻率/(Ω·m) | 纵波波速/(km·s-1) |
|---|---|---|
| 水 | <100 | 0.9~2.2 |
| 粗砂 | 10~103 | 0.5~2 |
| 卵石 | 3×102~6×103 | 1.4~2.5 |
| 砾岩 | 10~104 | 1.6~4.2 |
| 灰岩 | 102~104 | 3.4~6.1 |
| 岩溶水 | <300 | 1.4~2.6 |
2 工作方法技术及测线布置
为实现本项目工作目的,首先采用地质调查法进行一定区域的地质调查工作,然后采用高精度水上浅层地震探测、水上大地电磁法探测、钻孔弹性波CT探测等多种物探方法在株洲湘江大桥线路区域进行联合勘察(图2)。
图2
图2
测区及测线布置示意
Fig.2
Schematic diagram of measuring area and measuring line layout
大地电磁法探测布置:本次大地电磁勘测沿湘江大桥轴线方向共布置3条测线(D1-D1'、D2-D2'、D3-D3'),其余测线布设主要垂直区域地层及断层走向。
浅层地震探测布置: 本次水上浅层地震勘测沿湘江大桥轴线方向共布置3条测线(Q1-Q1'、Q2-Q2'、Q3-Q3'),其余测线布设主要垂直区域地层及断层走向,因勘探船航行方向受天气及驾驶技术等因素影响,故在部分测线间有所加密。
高密度电法探测布置:本次高密度电法布设考虑到河岸砂卵石地层接地条件极差以及大角度相交区域地质构造线,故将两条测线均沿湘江河岸线布设。
弹性波CT探测布置:预设桥墩4个,在每个桥墩共布设4个钻孔,JZKX-1、JZKX-2、JZKX-3、JZKX-4(X为桥墩编号),共6个剖面,详见图3。
图3
3 资料解释及成果分析
现结合物探成果剖面与地质资料,将部分测线物探成果解释如下。
3.1 大地电磁法
测线D1-D1' 布置于湘江大桥中轴线北侧且与其水平距离为40 m,测线方向自醴陵端到娄底端长800 m,测线0~632 m布置于江面,测线632~800 m位于陆地且经过当地008县道。异常段解释(图4)如下:
图4
图4
大地电磁剖面D1-D1'异常解释
Fig.4
Anomalous interpretation of the D1-D1' section of the magnetotelluric method
0~120 m段,电阻率有较为明显变化,结合相应地质资料推测该处岩体破碎可能发育有断层,倾向大桩号,且断层上盘有明显较大范围低阻异常区,推测由断层引起的岩溶发育。
180~280 m段,有明显小范围低阻异常,推测该处岩石风化较强,岩体较破碎,可能为岩溶发育区。
420~560 m段,电阻率有较为明显变化,结合相应地质资料推测该处岩体破碎可能发育有断层,倾向小桩号,且断层上盘有明显较大范围低阻异常区,推测由断层引起的岩溶发育且深度较大。
3.2 浅层地震探测
水域地震反射资料成果解释工作以反射波时间剖面为基础,结合工区实际地质情况,绘制水域地震反射综合地质解释剖面。各反射波的时序分布关系与形态特征是地层地质现象的客观反映,综合地质解释剖面是解释人员对客观反映的认识。
物探剖面反映的是场地内的地层界面信息,通过结合钻孔地层信息比对来进行地层的定性划分。本次物探成果剖面主要反映了2个界面信息,分别为水底面和基岩面。基岩面以上覆盖层结合钻孔判定为卵石层。基岩面以下还可见零散的反射同相轴,结合大地电磁法资料,推测为岩溶发育反射造成。测区水域地震反射资料的解释过程对每条测线的资料进行了处理并绘制地质解释剖面,详见图5。
图5
图5
浅层地震剖面Q1-Q1'异常解释
Fig.5
Shallow seismic method profile Q1-Q1' anomaly interpretation
从剖面图来看,测区水底地形稍有起伏,但总体较为平缓,标高在10~30 m范围。覆盖层厚度差异较大,自西向南,覆盖层厚度增大,厚度范围在5~60 m。同样的自西向南基岩埋深变大,埋深标高范围20~-30 m。在基岩面下,可见一些零散分布的反射同相轴,结合物探资料,推断为岩溶发育反射界面。
3.3 高密度电法探测
测线G1-G1'与湘江大桥中轴线斜交走向大致为342°,测线长度500 m,异常段解释(图6)如下:
图6
图6
高密度电法剖面G1-G1'异常解释
Fig.6
High-density electrical method profile G1-G1' anomaly
230~380 m,该段有较大范围低阻响应,推测该处岩石风化较强,岩体较破碎,可能为岩溶发育区。
230~280 m及310~330 m,电阻率有较为明显变化,推测该处岩体破碎,可能发育有断层,倾向大桩号,且断层上盘有明显较大范围低阻异常区,推测是由断层引起的岩溶发育。
3.4 弹性波CT资料解释及成果
根据物探成果,对湘江大桥预设4个墩位进行弹性波CT探测。本次弹性波CT工作按工作总量的5.3%点进行重复测量,根据对数据的统计,均方相对误差为3.2%,小于5%,符合规范要求。电火花震源最大能量为30 000 J,以足够的能量保证了地震直达初至波清晰,由于能量强,受到外界的干扰小,所取得的数据,满足规范及本次勘察的要求。
弹性波CT资料(图7)分析结果看,地震纵波波速多在1 400~6 200 m/s之间,总体上浅部低速(1 400~2 800 m/s)、深部高速(3 800~6 200 m/s)。浅部相对低速体为覆盖层(粗砂、卵石),速度分布不均匀,推断为覆盖层中砾、卵石含量不均,密实松散不均引起。在基岩面附近的局部相对低速区(约1 500~3 200 m/s),推测为溶沟、溶沟或溶洞发育区,其填充物一般为卵石和砂土,和上部的覆盖层联通性较好,一般多为全或半充填,充填物为粗砂、卵石。深部高速体对应灰岩,局部区存在相对低速区(约3 000~3 800 m/s),推测为局部中风化灰岩部分存在的岩溶裂隙发育现象,该区域岩体破碎,节理裂隙发育,部分岩心可见溶蚀现象,岩心采取率较低。除此之外,局部区域内溶蚀裂隙、溶孔或小规模溶洞发育,因规模较小,弹性波CT对其反映不明显[10,11,12,13,14,15,16]。
图7
图7
孔间弹性波CT成像及地质解释
Fig.7
CT imaging of inter-hole seismic waves and geological interpretation
本次弹性波CT探测所反映的地质信息与本次勘察孔所揭露的地层信息以吻合和基本吻合为主,综合比例达95%,其中吻合比例约46%,基本吻合约49%。
吻合多表现在以下两个方面:①钻探揭露与物探推测异常类型相同但埋深相差较大(一般相差大于3 m);②钻探揭露不良地质类型与物探推测异常类型相同,但破碎程度认识不同,如钻探揭露为中风化岩岩心破碎,物探推测为中风化岩岩心较破碎。
不吻合部分多表现为钻探揭露不良地质类型与物探推测异常类型不相符,如:钻探揭露为破碎的中风化岩,物探推测为岩溶发育区;钻探揭露为岩溶发育区,物探推测为破碎或较破碎的中风化岩。
由此推测钻探和物探存有差异性的原因可能为钻机钻进过程中岩心机械破碎,致使编录定名和实际地质情况有所不符所致,也有可能为岩溶裂隙发育形成的区域性岩体破碎,钻探资料揭露不完全所致。
4 综合物探成果分析
现结合所有物探成果与地质资料,对G60醴陵至娄底高速公路扩容工程第一合同段株洲湘江大桥解释(图8)如下:
图8
图8
综合物探推断解释平面
Fig.8
Plan view of inferred comprehensive geophysical prospecting
1)场内断层发育,醴陵端方向推测发育有F1断层接触带,走向大致NE,倾向大致ES,倾角约45°,推测11~12号桥墩附近存在F3、 F3-1及F3-2断层,走向大致NEE,倾向大致WN,倾角均较大,约76°~84°,推测14号桥墩附近发育有F2断层,走向大致NE,倾向大致ES,倾角约78°。
2)根据原有地质资料及本次物探成果推测:场内岩溶较发育,应存在两处较大岩溶发育区Y1和Y2,Y1处存在一个较大的岩溶凹槽。
3)各桥墩所处位置均有岩溶发育,其中13号桥墩岩溶最为发育,地质条件差、岩体破碎程度较大。
5 结论与建议
1)根据此次物探工作,结合已知的资料和野外勘察记录,可初步推断断层破碎带、岩溶发育区的位置。对于准确位置建议实施必要的钻探工作,一方面清晰确认相关地层界限、断层等位置,另一方面也可验证物探成果。
2)测区总体岩溶较发育,发育无规律,浅部主要发育溶洞,中深部主要以溶蚀裂隙发育带为主,局部区域溶蚀裂隙、溶孔或小规模溶洞发育,因规模较小,弹性波CT对其反映不明显。且地球物理勘探本身都存在多解性,推断的岩溶、断层等地质异常体的位置及边界范围等可能存在一定偏差,在应用时应引起注意。
3)利用水上浅层地震、大地电磁、高密度电法及孔间弹性波CT相结合进行综合勘探,能较好地探测水下地质构造与分层情况,探测结果具有较强的一致性,但又各具优势。实际工作表明:综合物探方法能比较准确地查明大桥桥基区域持力层深度范围内的岩溶发育情况、断层位置、走向及宽度范围、地层界线的划分及岩体完整程度等地质情况,为大桥桥梁基础设计提供可靠的勘探资料。
参考文献
强烈岩溶发育区的桥梁勘察与设计
[J].
Investigation and design of bridge in strong Karst development zone
[J].
公路工程岩溶探测常用物探方法浅析
[J].
Analysis of common geophysical methods for karst exploration in highway engineering
[J].
综合物探在地面塌陷区探测中的应用
[J].
The application of integrated geophysical method to the detection of ground subsidence area
[J].
综合物探方法在高速公路岩溶塌陷探测中的应用分析
[J].
Application analysis of comprehensive geophysical prospecting method in the detection of karst collapse of highway
[J].
综合物探技术在水下隧道勘察中的应用
[J].
Application of comprehensive geophysical prospecting technology in underwater tunnel survey
[J].
物探技术在公路桥梁溶岩地区地质勘察中的应用
[J].
Application of geophysical prospecting technology in geological survey of highway bridge karst area
[J].
拟建长江大桥桥址区水上物探方案研究
[J].
Research on the water geophysical prospecting plan of the proposed bridge site of the Yangtze River Bridge
[J].
高密度电法在岩溶地区桥梁基础勘察中的应用
[J].
Application of high-density electrical method in bridge foundation survey in karst area
[J].
浅层地震反射波法在厦门海沧大桥勘测中的应用
[J].
The application of shallow seismic reflection wave method in the survey of Xiamen Haicang Bridge
[J].
应用井间地震CT探测某桥墩基础断裂
[J].
Using cross-well seismic CT to detect the breakage of a bridge pier foundation
[J].
综合物探在鄱阳湖铁路特大桥勘察中的应用
[J].
The application of comprehensive geophysical prospecting in the survey of the Poyanghu Railway Extra Large Bridge
[J].
综合物探在武汉长江三桥勘察中的应用
[J].
Application of comprehensive geophysical prospecting in the survey of Wuhan Third Yangtze River Bridge
[J].
跨孔电磁波透视法在荷叶塘高架桥岩溶探测中的应用
[J].
The application of the cross-hole electromagnetic wave perspective method to the detection of karst in Heyetang viaduct
[J].
综合物探方法在广州市金沙洲岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害调查中的应用
[J].
The application of comprehensive geophysical prospecting methods in the investigation of karst ground subsidence and ground subsidence geological disasters in Jinshazhou,Guangzhou
[J].
综合物探在水库渗漏探测中的应用
[J].
The aplication of comprehensive geophysicial exeplorion metehod to leakage detection of a reservior
[J].
