哈將線阿克塔斯特大橋設計方案優化比選

孫蘭池

摘 要 阿克塔斯特大橋位于新疆維吾爾自治區昌吉回族自治州木壘縣境內，新建鐵路哈密（火石泉）至將軍廟的主要控制性工程。目的：深入了解山區的工程地質條件，為橋梁、路基工程進行分析、比選。方法：通過野外地質調查，鉆探、物探測試等綜合工程地質勘察手段。結果：介紹了橋址區的地質特征、自然地理概況及工程地質條件，對工程的影響進行了綜合分析、評價，將特大橋通過斷層處優化為路基工程，進行設計方案的優化比選。結論：通過對特大橋和優化后的路基進行綜合對比，有明顯的優勢，為下階段設計提供可參考的推薦方案。

關鍵詞 山區 阿克塔斯特大橋 斷層 設計方案優化比選

一、概況

1.工程概況。哈密至將軍廟鐵路（簡稱“哈將鐵路”）位于新疆哈密地區及昌吉回族自治州境內。自蘭新鐵路哈密地區火石泉站引出，經三道嶺煤礦，沿北天山南麓向西北方向行進，自巴里坤山和博格達山之間埡口翻越天山后沿天山北麓西行，經木壘哈薩克自治縣后折向北，沿省道S228線與在建的準將鐵路將軍廟站相接，線路全長421.918 km。

阿克塔斯特大橋位于哈將鐵路大石頭至阿克塔木段大石頭村南側約3 km，距昌吉回族自治州木壘縣城約90 km，起訖里程為DK227+152.70～DK227+981.30，孔跨式樣為25 m～32 m梁橋，全長0.828 6 km，設計為單線橋梁，線路呈曲線形式通過，為跨越山間洼地而設。

2.自然地理概況。阿克塔斯特大橋位于北天山剝蝕山地。地面高程1 462 m～1 520 m，地形起伏大，溝梁相間，山坡陡峻，谷寬溝深，呈“U”形溝谷。同時跨越1條區域性一級斷裂帶，地表道路通行不暢。當地地表水主要為泉水及沖溝中的季節性流水，受大氣降水及泉水補給；地下水以大氣降水補給為主，排泄、徑流條件不暢快，水位隨地形的起伏變化較大。本區屬中溫帶干旱氣候區，氣候干燥，年最大降水量515.1 mm，降水量較少且分布不均；年平均蒸發量2 175.5 mm，蒸發量遠遠大于降水量。結合地形、地貌分析，在融雪期和雨季易發生突發性洪水。區內地震動峰值加速度0.10 g，地震動反應譜特征周期為0.40 s，所對應的地震基本烈度Ⅶ度。

二、工程地質條件

1.地層巖性。橋址區地層巖性復雜，地表分布有第四系全新統沖、洪積粉土、細角礫土，下伏地層為斷層角礫和斷層泥及上石炭系玄武巖和安山巖，局部地段基巖裸露于地表。

2.區域地質構造。線路自哈密至將軍廟經過準噶爾-北天山褶皺系北天山優地槽的吐魯番-哈密山間坳陷盆地、哈爾力克復背斜西南部和準噶爾坳陷盆地東部隆起（見構造綱要圖1）。線路通過哈爾力克復背斜西南部，地質構造較發育。

圖1 哈密至將軍廟線初步設計構造綱要圖

（1）斷裂構造：斷裂構造主要發育于北天山山區，哈將線鐵路主要經過5條區域性斷裂，分別為大河沿至洛包泉區域性斷裂帶（F1）、塔奧拉依川峽谷北區域性斷層（F2）、1663高地—謝雷克庫都克以北區域性斷層（F3）、頭水—芨芨臺北區域性斷層（F4）、大石頭—色皮口北東向斷裂帶（F5），其中F1區域性斷層為第四紀活動性斷層，上新世以來其活動顯著，曾于1842年與1914年發生過兩次7.5級地震。

橋址區線路經過F5-3區域性斷裂，屬逆斷層，位于大石頭西3 km處，走向由20°逐漸轉為65°，長約58 km，斷裂帶寬30 m～150 m。受F1區域性活動斷層的影響，F5-3逆斷層對橋梁工程存在安全影響。

（2）褶皺：橋址處線路經過卡扎赫七角井峽谷背斜，位于卡扎赫七角井峽谷口處，為一向南西傾伏的背斜，軸向自北東向西南，北東向被F5-3斷層切割。巖層受構造影響，巖體破碎。

三、勘察實施過程

1.工程地質調繪。經現場地質調繪，橋址區哈密端橋臺位于山坡陡壁處，屬地形陡峭地段，基巖裸露，節理裂隙發育，相對高差約60 m，橋位中部及哈密端橋臺位于山間洼地，地形相對平緩，地勢隨地形的變化逐漸抬升，高程介于1 462.7～1 480.79，相對高差18.09 m，地表大部分為第四系沖、洪積層所覆蓋，局部有基巖裸露。地表漫流發育，局部形成深約1 m的寬溝。

2.物探工作。根據地質調繪及區域地質圖，結合地形、地貌，本次物探采用電阻率法，在可能出現斷層影響范圍進行了物探測試，共布設物探測線8條，長4.7 km。典型物探視電阻率等值線見圖2，由剖面視電視阻率等值線斷面圖（見圖2）可知，高阻與低阻對比效果明顯，該剖面方向上距離0～255 m、320 m～550 m呈現高阻閉合顯示，電阻率為400 Ω·m～4000 Ω·m，距離255 m～320 m呈現低阻閉合顯示，電阻率為100 Ω·m～600 Ω·m，推斷測區斷面中部有斷層發育，斷層破碎帶寬70 m～110 m。

圖2 剖面視電阻率等值線斷面圖

3.鉆探工作。依據物探成果，結合橋梁墩臺位置，先進行隔墩布設，共布13個鉆孔，其中有2個孔布設在物探異常顯示推測為斷層的范圍內。經鉆探，推測斷層范圍內的2個鉆孔巖芯均發現斷層角礫和斷層泥。因事先按隔墩布設鉆孔，與相鄰見未見斷層現象的鉆孔間相隔一個橋墩，后補加1個鉆孔，施鉆后巖芯同上2個鉆孔地層一致，也出現斷層角礫和斷層泥，揭示厚度19.2 m～31.2 m（均未揭穿）。鉆探結果證明，物探成果對斷層帶的測試基本準確。由于采用單一的物探測試方法，個別斷面圖顯示斷層位置偏差較大。

4.勘察效果。（1）斷層帶的分布與特征：經物探成果和鉆孔巖芯分析，F5-3逆斷層在線路DK227+930處呈小角度（約30°）斜交通過（見圖3）。斷層帶寬度約126 m。兩盤巖性為灰綠色的玄武巖，巖石十分破碎，巖體完整性差。斷帶內主要為斷層泥和斷層角礫組成，厚度大，并含水。勘察提出的斷層泥基本承載力為300 kPa；斷層角礫基本承載力為300 kPa～350 kPa。

（2）采用地質調繪、物探、鉆探等綜合勘察方法進行相互補充、驗證，查明了橋址區斷層的分布范圍及特征，為優化設計方案比選提供地質依據。

圖3 F5-3 逆斷層通過阿克塔斯特大橋平面圖

四、工程方案比選

初步設計階段該段以特大橋方案通過，本人提出線路應以路基形式通過斷層帶比較適宜，使橋梁盡可能地避開斷層帶地段。該橋在線路DK227+855～DK228+981.30段通過（F5-3）斷層，其中22號橋墩至將軍廟橋臺橋基置于斷層帶內，長約126 m。根據橋址所處地理環境、地質條件及工程的經濟、安全性進行和施工難度綜合比選，達到對工程費用與安全度的最佳選擇。

1.原橋方案。優點：合理利用地形，以地形設橋。缺點：橋址通過斷層帶寬度較長，約126 m，斷帶內主要為斷層泥和斷層角礫組成，含水，對大橋地基強度和穩定性有一定的影響；橋臺（將軍廟側）高度較高，路基填方作為荷載對橋臺基礎的影響較大，特別在斷層破碎帶中；橋基位于破碎帶內，屬抗震不利地段；工程規模及投資大。

2.路基方案。優點：就近取材，操作簡單，工期時間短，減少造價，降低工程投資；降低災害規模和危害程度，減少損失，災后便于施工；橋位中部沖溝與斷層相距395 m，地形相對平緩，高程介于1 467.31～1 478.88，線路地勢隨地形的變化逐漸抬升，相對高差11.57 m，橋凈空高8.39 m～10.37 m，過水斷面長，加之斷層帶處偏離山口處，故突發性洪水對該橋斷層處影響小，須加強導流及路基坡面防護措施；風吹雪易在低路堤及緩丘背風側堆積，S303省道嚴重段落最大風積雪厚度2.5 m～3 m。根據該段線路設計高程，路基填方高度9. 9 m～13.1 m。雪害對路基工程無影響。缺點：受突發性洪水沖蝕。

五、結束語

1.勘察設計階段地質條件是客觀存在的，在設計中應充分考慮地質因素，詳細調查各種地質災害。本次勘察通過工程地質調繪、物探、鉆探等綜合方法，基本查明了斷層帶的分布范圍，為工程的勘察設計提供了依據。

2.橋梁總體方案布置是設計中最基本、最復雜的問題，各種條件和需求總是交織在一起，橋梁方案選擇是否合理，不是多一跨少一跨的問題，而是充分利用有利條件，找到相對經濟、安全、合理的方案，通過以上的綜合比選分析，路基方案優于原橋方案。

3.該工程于2011年1月完成初步設計，尚未進行施工圖設計，本文針對斷層對橋基影響進行了分析，在滿足橋梁專業的技術要求下，如進行調整優化，可從設計源頭控制降低工程投資，消除地質災害危害的風險，達到對工程費用與安全度的最選擇，同時也實現了社會效益和經濟效益“雙贏”。

參考文獻

[1] 新建鐵路哈密至將軍廟線初步設計地質篇.烏魯木齊：新疆鐵道勘察設計院有限公司，2011.