上海崇明越江通道工程环境地质问题及其防治

２００７年６月　水运工程　Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｕｎ．２００７　Ｎｏ．６　Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．４０３　第６期总第４０３期　・综合・　：ｆ：　摘要：上海崇明越江通道工程是长江河口地区重要的国家基础性建设项目，所在区域不良地质奈件易给工程施工带来　不利影响。文章阐述软土变形、水土突涌、水下砂体运移、浅层天然气、岸带冲淤、砂土液化、地面沉降等环境地质问题及　其潜在的工程危害，提出相应的防治对策与技术措施。　关键词：崇明越江通道；长江河口；环境地质问题；灾害防治　中图分类号：ＴＶ２２１．２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２—４９７２（２００７）０６—０００１—０５　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｃｈｏｎｇｍｉｎｇ　Ｔｈｏｒｏｕｇｈｆａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｃｒｏｓｓ　ｔｈｅ　Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ　Ｒｉｖｅｒ　ＧＯＮＧ　Ｓｈｉ—ｌｉａｎｇ　．ＬＩ　Ｃａｉ　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｓｔｕａｒｉｎｅ　ａｎｄ　Ｃｏａｓｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００６２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｕｒｖｅｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００７２，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｇｅｏ－Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｃｈｏｎｇｍｉｎｇ　ｔｈｏｒｏｕｇｈｆａｒｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｓ　ａ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｅｔ　ｉｎ　ｅｓｔｕａｒｉｎｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ　Ｒｉｖｅｒ．Ｔｈｅ　ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｒｏｕｎｄ　ｅｘｅｒｔｓ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｐｉｐｉｎｇ，ｓａｎｄ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ，ｓｈａｌｌｏｗ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ’ｄａｎｇｅｒ，ｂｅａｃｈ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｓａｎｄ　ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌａｎｄ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ，ｅｔｅ．，ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｉｒ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｒｅ　ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ，ａｎｄ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｈｏｎｇｍｉｎｇ　ｔｈｏｒｏｕｇｈｆａｒｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｅｓｔｕａｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ　Ｒｉｖｅｒ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｌａｍｉｔｙ　上海崇明越江通道工程，是交通部规划的国　崇明越江通道工程横跨长江河口，工程的设　家重点骨干交通网络中上海一西安的重要组成部　计与施工须面对和克服复杂的水文、工程地质条　分，将为国家西部大开发打开一条从内陆腹地到　件等因素带来的诸多不利影响。本文对影响工程　沿海的大通道。该工程同时可完善上海洋山深水　施工安全的主要环境地质问题进行分析，并提出　港国际航运中心和浦东国际机场枢纽空港的疏港　防治对策措施。　通道，促进长江岸带经济圈的发展。该工程是目　前世界上最大的桥隧工程，总投资为１２３亿元人　１工程概况　民币，预计２０１０年４月竣工。　崇明越江通道工程采用“南隧北桥”方案，　收稿日期：２００７—０１—２３　基金项目：国土资源部首批百名优秀青年科技人才计划（２００２１９）。　作者简介：龚士良（１９６５一），男，博士，教授级高级工程师，主要从事城市地质研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com ・２・　水运工程　２００７卑　具体走向为：白上海浦东外高桥港区东侧的五号　沟，以隧道方式向北穿越长江南港水域，至长兴　岛中部登陆；其后以桥梁方式跨越长江北港水　域，至崇明岛东部的奚家港与陈海公路相接。工　程全长２５．５　ｋｍ，其中隧道段长８．９　ｋｍ，桥梁段长　加剧了软土变形。软土的变形过程持续时间长，　还存在明显的滞后效应，成为导致工后沉降的重　要因素。　崇明越江通道工程穿越长江南港的隧道段，　进行盾构施工都是在这一层位。盾构推进，因土　性软弱，推进阻力小，加之对土体扰动以及对砂　层的破坏，可能导致软土明显的变形。特别是软　ｌ０＿３　ｋｍ，长兴岛和崇明岛接线道路共长６＿３　ｋｍ。　“南隧”部分设计采用盾构方式，两条圆隧道　内径均为ｌ３．７　ｍ，隧道外径１５．０　ｍ。用于隧道掘　进的盾构机直径达到ｌ５．３　ｍ，是当今世界上最大　直径的盾构隧道。　“北桥”部分按照３万吨级集装箱船及５万吨　级散货船双向通航要求，建造一座全长１０．３　ｋｍ的　斜拉桥，其中主跨７３０ｍ，主塔高２１０　ｍ。此跨度　位居世界第五、国内第二，建成后将是长江口第　一桥。　整个越江工程为双向六车道，按照高速公路等　级标准设计，其中桥梁设计行车速度为１００　ｋｎ　，　隧道设计行车速度为８０　ｋｒｒｄｈ。　２环境地质问题及其工程危害　崇明越江通道＿ｆ二程穿越长汀河口，水文条件　复杂多变，地层岩相空间变化大，环境地质问题　比较突出，并易对工程的建设施Ｔ与安全运营造　成不利影响。　根据区域性与专门性的地质调查【，　，对Ｔ程具　有潜在危害的环境地质问题主要有软土变形、水　土突涌、水下砂体运移、浅层天然气、岸带冲淤、　砂土液化、地面沉降等几个方面。　２．１软土变形　ｌ丁程所处的水域及陆域的第四纪地层为海陆　交互沉积，特别是埋深７５　ｍ以浅广泛分布有饱　和、软弱的黏性土地层，其含水率高、孑Ｌ隙比大，　呈软塑一流塑，尤以４Ｏ　ｍ以浅普遍产出孔隙比大　于１．２、含水率超过５０％、呈流塑状态，总厚度逾　２０　ｍ的灰色淤泥质黏土层，Ｔ程地质条件极其恶　劣。软土层自身的同结过程尚未完成，极易受Ｔ　程活动等外界作用影响，产生显著的压缩变形。　受晚更新世以来长汀河口海平面升降变化的　影响，软土层的空问分布不均一，其中有厚度不　一的粉砂层，为软土的释水提供了通道，从而也　土层大多为欠固结状态，在外加荷载作用下，将　产生持续的沉降。软土变形及其沉降的差异性，　将给＿Ｔ程施工与隧道运营带来不利影响。　２．２水土突涌　Ｔ＿程所揭遇的潜水层、微承压含水层与第一　承压含水层历史上基本从未开发利用，致使工程　沿线地下水位埋深浅，水压力较大。它们与长江　水体也存在一定的水力联系。在隧道掘进过程中，　因土体卸荷，并受含水层较高的地下水压力的影　响，因此，隧道的底部或周边土层失去应力平衡，　从而可能引发含水层向隧道内涌水、流砂现象。　由于隧道在长江江底穿越，盾构上覆土层相对较　薄，施工过程中水土突涌还将可能造成江水倒灌，　导致严重的工程安全事故。　２．３水下砂体运移　受长江携沙与海洋潮流的共同作用，长江河　口段存在水下砂体。在水动力作用下，砂体不断　演变和运移，沙洲和暗沙的变动十分频繁ｆ４１。水下　砂体的运移变化，既与南北港泄流能力和潮流特　性等分水分沙条件变化的局域性因素有关，也与　长江来水来沙变化的流域性因素有关。水下砂体　运移将导致长江航道的不稳定，以及隧道上覆土　层厚度的变化。水下砂体运移将使局部地区的冲　刷或淤积进一步加剧，可能会因砂体的过度堆积　造成隧道上部荷载过大，或过度冲刷使隧道顶部　裸露，从而给工程安全带来隐患。　２．４浅层天然气　长江三角洲前缘部位和前三角洲相软泥层有　机质含量高，埋藏条件好，是主要的生气层。软　泥层有时以砂、黏土互层或多孔砂质黏土层形式　出现。其中的粉砂、泥质粉砂和多孔砂质黏土薄　层常为气体的储集层，是三角洲地区天然气的主　要供应者。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　龚士良，李采：上海崇明越江通道工程环境地质问题及其防治　‘３‘　长江河口地区气层分布普遍，软泥层厚，气　层一般有３～４层，有时多达７～８层，埋藏深度在　７～２０　ＩＴＩ，最深达５１　ｍｆ　５＿。　地下水开采量近年来也持续增加。由于含水层具　有系统性，因开采地下水引起的地面沉降呈区域　性，同时由于工程所在地区地下水开采较为集中，　使地面沉降的表现十分明显，近年来该地区的地　面沉降速率在１０　ｍｍ／ａ左右。　另一方面，崇明、长兴岛成陆时间相对较短，　在工程沿线附近区域内，２５　ＩＴＩ以浅的砂性土　地层中普遍存在天然气囊体，特别是靠近长江边　的天然气囊体体积大且压力高，最大压力可达到　Ｏ．５４～Ｏ．５９　ＭＰａ。　由于天然气可燃，并具有一定压力，工程若　揭遇，会造成一定危险。特别是天然气常赋存于　浅层砂体中，气体逸出会加剧流砂，相关的工程　事故已不鲜见。　２．５岸带冲淤　本工程所处区域，总体而言，长江南港在五　号沟附近属淤积岸坡，长兴岛的南岸岸坡属侵蚀　岸坡；长江北港，长兴岛的北岸岸坡属淤积岸坡，　而崇明岛奚家港的长江岸坡则属于侵蚀岸坡。岸　带冲淤及其变化，将使长江主泓发生改变，并对　深水航道产生影响；同时也将对护岸工程造成侵　蚀，影响岸带边坡的稳定性，降低沿岸或近岸工　程的使用效能，增加遭受风暴潮汛带来的损失。　２．６砂土液化　工程沿线所在区域埋深１５　ｍ以浅范围内，普　遍分布有灰色的砂质粉土和粉细砂层。这些砂性　土具有时代新、埋藏浅、地下水位高、饱和松散　等特性，具有产生渗流液化的条件，有引发流沙　突涌的可能。　另外，工程范围属Ⅳ类场地，抗震设防烈度　为７度。根据标贯、静探等的液化判别结果，１５　ｍ　以浅的饱和砂质粉土层，具有轻微一中等液化特　性，对工程具有潜在危害。　２．７地面沉降　上海是典型的软土地基地区，以地面沉降为　主要表现形式的地质灾害由来已久。上海行政区　域内由于未固结的松散第四纪沉积物广布，开采　利用地下水资源又较普遍，因而第四纪地层的固　结压缩客观存在且容易诱发加剧。上海是地面沉　降地质灾害的易发地区。　工程所在的浦东新区与邻近的宝山区，是目　前上海地区地下水开采量最大的区域，占全市地　下水总开采量的６０％以上，在崇明岛和长兴岛的　为新近沉积土，土层自身固结导致的沉降效应也　很明显。在地下水开采量较小的情况下，两岛丁　程邻近地区的沉降速率也在３～５　ｍｍ／ａ。在外界工　程活动等作用下，新近沉积土的地面沉降还有增　大的趋势。　地面沉降不仅导致工程设计高程的降低，增　加海平面上升影响［６１，减少桥梁净空高度，而且也　会引发差异沉降，降低线性工程的隧道与桥梁段　的使用寿命，增加维护成本。　３防治技术措施与对策　环境地质问题是地质条件的客观表现之一，　一方面是不良地质条件固有的灾害属性，从而给　工程的设计、施工与运营管理带来不利影响；另　一方面是在人类经济活动或工程的建设施工过程　中，因对地质环境的破坏而衍生的次生灾害。因　此，环境地质问题不仅单一发生作用，也会相互　叠加共同产生危害；不仅是局部性的问题，也可　能是区域性的；不仅是只集中在工程建设施工阶　段的短时间暂时的表现，也可能长期发生作用；　不仅是缓变型的，也可能具有突发性危害。　由此，对于环境地质问题的防治应未雨绸缪，　防患于未然，而且防治的对策措施也应是综合的：　可以通过具体的工程措施予以针对性防治，更可　通过更宏观的层面，因势利导，趋利避害，从而　寻求标本兼治的对策。　３．１技术措施　丁程技术措施可为环境地质问题的防治提供　针对性的和可操作性的技术途径与＿丁程方案，其　因具有显著的防治实效而日臻成熟和完善。　对于软土地基等不良地质体，处理的工程　措施很多，可根据环境地质条件和具体工程特　点，做出经济合理的判断。对局部软弱土层，　可采用局部挖除、换土垫层、灌浆、悬浮式短　维普资讯 http://www.cqvip.com ・４・　水运工程　２００７年　桩、强夯等进行处理，对大面积厚层软土地层，　可采用真空预压、堆载预压、排水固结、深层　３．２防治对策　环境地质问题应立足于以防为主，特别是对　于流域性或区域性的更应如此。针对本工程特点　搅拌等方法＿７Ｊ，这些都是降低或减缓软土变形行　之有效的工程措施。　水土突涌防治的具体工程措施包括：降低地　及其所处区域环境地质问题的发育特征，提出相　应的防治对策。　下水位，做好盾构推进过程中的止水与堵漏，采　用土压平衡式等合适的开挖工艺和恰当的支护体　限制地下水开采。为控制地下水开采对工程　沿线造成的地面沉降，工程建设的附属配套设施　系，必要时选择冷冻法施工。　浅层天然气灾害的防治措施一般有：预先钻　孔排气，提前释放土体中天然气，以避免工作面　附近出现应力集中和高压天然气；采用超前灌浆　或帷幕灌浆、专门支架的办法，在地下工程施工　过程中，根据施工方案和施工机械，采取相应的　施工工艺，并进行科学合理的监测。　对于水下砂体运移与岸带冲淤，应尽可能避　开岸滩不稳定的区段，同时对水流较强、泥沙来　源多的水域，根据工程节点和复杂程度，对工程　推进线路进行优化。并布置水文观察站网，进行　长期观察，以指导施工和维护管理。对冲蚀岸滩　的保护可修筑护岸堤坝，也可从岸边修筑丁坝人　工形成锯齿状的新岸滩，使原岸滩得到保护。对　桥墩等水中孤立建筑物的泥沙冲刷防护，临时的　可采用抛堆沙袋，长期防护的则应采用加固基础　的方法治理。　砂土液化的防治主要从预防砂土液化的发　生和防止或减轻不均匀沉降两方面人手。包括　采取振冲、夯实、挤密桩等措施，提高砂土密　度；排水降低砂土孔隙水压力；换土，板桩围　封，以及采用整体性较好的筏基、深桩基等方　法。抗震动液化工程措施主要有两类：将液化　土层全部或部分处理，或者采用桩基穿过可液　化土层；增加上部结构的整体刚度和均衡对称　性，以提高抵抗液化沉降和不均匀沉降的能力。　抗渗流液化工程措施：采取适当的开挖顺序；　对土层进行有效的围护和支护；降低地下水位；　采取信息化施工等。　对地面沉降及其差异沉降的防治，可采用桩　基础，选择强度大变形小、分布较为稳定的地层　作为桩基持力层，同时要考虑和验算下卧压缩层　的变形量，从而有效降低沉降。　场地内的供水应以自来水为主；同时，严禁在工　程附近地带开凿深井取用地下水；调整和优化原　有用水格局，使区域地下水的开采量逐步缩减。　加强监测。对长江河口的水文、泥沙等进　行长期的动态监测，及时掌握演变趋势，分析　变化特征与规律，为工程安全提供基础保障；　对工程建设与运营期间的沉降进行长期动态监　测，应设置地面沉降测量基准＿８Ｊ，提高水准测量　精度，并建议在工程沿线每５００　ｍ设一观测点，　及时监控施工过程与竣工运行后的沉降影响。　工程沿线的沉降监控应纳入全市地面沉降监控　网络体系之中。　优化设计施工。针对工程所处地区的环境地　质问题及其可能带来的影响，应优化设计方案，　采用相应的工程技术措施，以防止对工程建设可　能造成的影响，并减弱和消除工程建设施工诱发　或加剧地质灾害的可能危害。应采用成熟工艺，　确保施工质量，避免不必要的人为沉降及不均匀　沉降问题。　建立信息互馈制度。在建设施工阶段强化信　息的获取与反馈，加强地质灾害监控，从而根据　具体实际及时采取相应措施。　设定保护区。在建设工程沿线一定范围内设　定保护区，保护区内有关工程建设应统一规划，　建设活动应得到有关部门的审核与同意。长江口　航道疏浚与整治，应注意对工程隧道段的保护。　４结语　随着各类重大工程的规划建设，环境地质问　题也逐步凸显。在利用地质环境的同时，对地质　灾害进行有效防治，既可确保工程安全，从而更　好地为经济建设服务，也可极大地提升科研与技　术进步，促进工程领域学科的发展。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　龚士良，李采：上海崇明越江通道工程环境地质问题及其防治　。５・　・消　电・　港珠澳大桥建设加快进程海底隧道开始地质勘察　据悉。酝酿多年的港珠澳大桥建设事宜大幅加快进程　港珠澳大桥海底隧道段地质勘察工作正式展　开。此次地质勘察，将为海底隧道实际施工设计提出修正或建议．并对选择施工工艺和可能遇到问题的解　决提出意见，这就意味着经过多年的可行性论证后，这次地质勘察如无意外。港珠澳大桥建设将会迈出实　质性一步。　港珠澳大桥设计全长４８　ｋｒｎ。其中大桥主体长约３５　ｋｍ。并计划建设２个２．６２平方公里的人工岛屿。　口岸模式为“三地三检”。大桥车道设计拟采用桥隧组合方案。３线双程分隔车道。其中隧道长约７　ｋｍ，　位于大桥中部。由于香港面积狭小，大桥连接位置的选址将会最大限度靠近内地　可行性报告提供有多个方案供中央参考。目前，大桥方案进行大改动的可能性已不大。但可能还会有　一些小的改动或补充。这次的隧道地质勘察。对最后定案将起重要作用。　港珠澳大桥落脚点的选址、口岸设置方式、大桥总体走势以及桥隧结合方案等重要问题早已有预案　目前，各方虽有意加速进程，但无奈工程庞大、牵涉面广。且情况复杂。使得三地在桥位的具体选址和大　桥投资主体的组建与引资方案等具体细节问题上仍然存在分歧．其中桥位具体选址涉及三地航运利益与环　保。　待大桥工程可行性研究报告经三方专家评审委员会上评审通过后．就会呈报国家发改委及国务院审批　立项。广东“十一五”规划此前曾列出时问表称，港珠澳大桥２００７年部分动工。２０１５年竣工。