大瑞鐵路怒江四線大跨車站特大橋綜合勘察技術與成果分析

丁文富,杜宇本,蔣良文

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都　610031)

1　概述

大瑞鐵路怒江特大橋位于保山市施甸縣與龍陵縣交界處、著名的滇西抗戰橋—惠通橋上游約2.3 km，屬高中山峽谷區，一跨飛越怒江天塹，是全線關鍵性控制工程。怒江峽谷區在河流急劇下切作用下，岸坡巖體卸荷松弛[1]嚴重，地層巖性復雜，斷裂構造發育，新構造運動強烈，地震活動頻繁，規模大、數量多、分布集中的重力不良地質體發育，對橋位、橋式橋跨方案及基礎選型影響極大。在勘察設計過程中，通過專題地質研究等加深地質工作，結合大橋前后相關引線工程的工程地質條件分析，在曼海公路橋與惠通橋間近20 km的怒江河段上，研究了7個怒江橋位方案，遵循“線位服從橋位、橋位服從地質”的原則，綜合比選后，重點研究了金剛元正、斜交橋位及大坪子橋位，對3個主要橋位進行了充分的工程地質條件比選研究，推薦大坪子橋位方案[2-3]，并最終實施，如圖1所示。受怒江和高黎貢山特殊地形限制，怒江車站設于橋面上，故該特大橋為四線上承式鋼桁拱橋，線間距5 m，軌底高程841.9 m，軌面至江面約197 m；全橋長1 024.2 m，共設14個墩臺，橋式橋跨為7×41 m鋼箱梁+490 m上承式鋼桁拱+5×41 m鋼箱梁[4]，如圖2所示。其中主跨為490 m上承式鋼桁拱，拱座基礎為嵌固式基礎，是目前同類型鐵路橋梁的世界之最，工程技術難度和風險也是罕見的。

圖1　怒江特大橋工程地質略圖

2　工程地質總體特征

2.1　地形地貌特征

保山至芒市段地勢北高南低，為著名的滇西縱谷地帶，怒江自北北東向南南西穿行，河道迂回曲折，水流湍急，切割深度數十米至千余米，形成峽谷或基巖“斷口”[5]。怒江特大橋橋址位于怒江中下游河谷，屬構造剝蝕深切割高中山峽谷地貌，地面高程645～1 470 m，相對高差大于820 m；大理端岸坡稍緩，自然坡度20°～40°，基巖零星出露；瑞麗端岸坡陡峭，特別是8號主墩處，自然坡度35°～50°，基巖多裸露。特大橋兩端有老滇緬公路通過。

2.2　地層巖性特征

橋址區上覆第四系全新統及上更新統堆積層之碎石類土及黏性土，其中大理岸緩坡、平臺、槽谷、河床等處滑坡、河流階地堆積的覆土深厚，最大厚度達40 m；瑞麗岸斜坡陡峻地帶基巖裸露或覆土淺薄。下伏基巖地層復雜，巖性相變大，為侏羅系中統柳灣組(J2l)砂巖、泥巖、泥灰巖、灰巖夾頁巖，勐戛組上段(J2m2)玄武巖夾砂、泥巖，勐戛組下段(J2m1)泥巖、砂巖夾泥灰巖、灰巖，以及斷層破碎帶(Fbr)斷層角礫和構造影響帶(Crr)壓碎巖。橋址區地層倒轉，受構造及卸荷作用影響，張性裂隙發育，巖體完整性差，多破碎，常有薄層泥化物拌生。

圖2　怒江特大橋工程地質縱斷面示意(單位：cm)

2.3　地質構造特征

怒江峽谷區地處保山地塊與騰沖地塊碰撞縫合帶之怒江斷裂帶[6-7]內，怒江斷裂帶主要由若干個長期活動的SN轉SE向的壓性和壓扭性斷裂以及與之平行的次級斷裂和褶皺組成，為一斷裂破壞甚劇之復式向斜構造，主要斷裂大致平行分布于沿江兩岸及高黎貢山東麓，斷裂帶內斷層、褶皺發育，褶皺多被斷裂、斷層切割、破壞，巖體破碎，產狀凌亂多變。橋址區附近主要斷裂構造有獅子山澡塘河斷層、金崗元斷層、金剛園2號斷層、龍山—冷水箐斷裂、石頭寨—大坪子斷裂、董別斷層和紅旗橋斷層；受多期構造活動影響，區內地層重復、缺失嚴重，各地層呈斷片、斷塊展布，延續性差(圖1)。從橋跨區通過的褶皺有等子背形，為一倒轉向斜，核部位于線路里程D1K191+830附近江心，向兩翼地層由新到老，地層有缺失。

2.4　水文地質特征

由于怒江河谷切割深，排泄條件好，地表水及地下水能較快的向河谷區排泄。地下水以土層孔隙潛水、基巖裂隙水和斷層帶水為主。橋址區基巖主要為砂巖、泥巖、泥灰巖、灰巖、玄武巖等，由于節理、裂隙發育，透水性較好，便于向怒江排泄，故地下水水量不大，埋藏深。根據鉆孔監測，大理端坡面地下水位一般10～25 m，隨季節有一定變化；瑞麗端為玄武巖，地下水不發育，僅為少量基巖裂隙水，地下埋深普遍大于50 m。

怒江峽谷沿岸具有大高差的地形條件、復雜活躍的構造運動、混雜多變的地層巖性、活躍的外動力地質作用等特征，地質環境復雜，工程地質條件差。

3　主要工程地質問題

3.1　滑坡

怒江峽谷區地勢陡峻，溝谷切割深，新構造運動強烈，受多期次深大活動斷裂影響，巖體松散破碎，橋址區附近滑坡、崩塌、巖堆等重力不良地質成群發育，且規模大。對橋梁工程影響較大的是大理端橋臺附近發育的等子4號滑坡及等子滑坡，其中等子4號滑坡發育于金剛元隧道出口端洞身段，對橋梁工程影響不大。等子滑坡發育于橋臺附近，橋臺未置于滑坡體內，呈一上小下大之“喇叭”形，為等子4號滑坡的滑體物質再次滑動形成，屬沿土石界面滑動形成的推移式堆積物滑坡，滑體厚10～40 m，為厚層巨型滑坡。等子滑坡目前處于穩定狀態，如遇特殊氣候及工程活動改變坡體應力狀態，可能會引起滑坡體再次滑動，進而對怒江特大橋產生不利影響，鐵路工程修建需對整個滑坡體綜合檢算后進行預加固處理。

3.2　巖溶

橋址大理端侏羅系柳灣組(J2l)泥灰巖及灰巖溶蝕弱至中等發育，以垂直發育為主，地表未見洼地、溶槽等大型溶蝕形態，鉆探巖芯可見較多溶蝕孔洞、孔隙，局部揭示2.3 m充填溶洞。

3.3　構造影響帶壓碎巖

橋址區地處怒江斷裂帶，板塊活動劇烈，巖體受多期次構造應力擠壓扭動。鉆探揭示，怒江大理岸侏羅系中統柳灣組(J2l)地層內層間壓碎巖帶極為發育，多為層狀產出，部分不規則狀，呈碎裂鑲嵌結構，擠壓擦痕、鏡面多見(圖3)。壓碎巖密集發育，且物理力學性質差，對橋梁基礎選型、設計及施工開挖影響大，查明其發育的規律和規模、以及物理力學指標的獲取，是勘察的重點和難點。

圖3　怒江特大橋大理岸鉆探揭示壓碎巖

3.4　斷層展布及活動性

通過橋跨區的斷層有龍山—冷水箐斷層，于D1K191+380 m從大理岸邊跨穿過，為區域性壓扭性逆斷層，走向N32°W，傾向NE，傾角50°～70°，斷裂帶寬10～20 m，斷層上盤為侏羅系中統勐戛組上段(J2m2)玄武巖夾泥巖透鏡體，下盤為柳灣組鈣質泥巖、泥灰巖、灰巖夾砂巖、頁巖地層。受構造應力影響，斷裂帶附近巖體節理裂隙密集發育，碎裂特征顯著。龍山-冷水箐斷層具有一定的規模，但其新生代以來活動性逐漸減弱，第四紀以來活動跡象不明顯，對第四紀地層等的作用不明顯，認為其早更新世以來不具有明顯的活動跡象[8]。斷層的發育特征和活動性，是影響橋梁選址、橋式選擇和橋跨布置的重要因素之一。

3.5　高地震烈度

怒江特大橋位于滇西地震帶，地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.24g，地震動反應譜周期為0.45 s[9]，為高地震烈度區。橋梁受地震破壞會引起墩臺開裂、傾斜、折斷或下沉、支座變形移位、拱圈開裂、落梁落圈等嚴重危害[10]。因受“歹”字形構造體系及長期活動的南北向壓性及壓扭性大斷裂的影響，應力場復雜，更是滇西強震分布區之一，弧形構造帶在晚近時期強烈活動均有地震伴生。橋區SW的龍陵、潞西地區，是滇西地震帶中強震高發區之一，1976年5月29日，龍陵縣先后發生2次強烈地震，分別為7.3、7.4級，該次地震為中國著名的八大地震之一。因此，高地震烈度是本橋選址、橋式選擇及橋跨布置、結構抗震設計需考慮的重要因素之一，好的橋位、合理的結構形式和成功的抗震設計可以大幅減輕甚至避免震害的產生。

3.6　膨脹土

4　綜合勘察技術應用

勘察工作的目是查明橋址區的地層巖性、地質構造、水文地質特征、不良地質和特殊巖土發育情況，以及岸坡的穩定性；根據橋梁基礎類型探明基底巖土結構、風化層厚度、構造破碎帶性質；綜合評價橋址區工程地質條件，并提供橋梁設計所需的巖土參數。根據擬采用的橋式橋跨及基礎類型特點，結合橋址區地形地貌，針對性采用地質調繪、鉆探、工程物探(高密度電法、地震反射波法和跨孔電磁波層析成像法)、現場孔內旁壓試驗及室內試驗等相結合的綜合地質勘察技術，并在此基礎上開展橋址區岸坡穩定性評價與預測專題研究。

4.1　專項地質工作

在勘察的過程中，開展了遙感圖像工程地質解譯[11]、活動斷裂勘測及工程影響評價和重點工程地震安全評價、岸坡穩定性評價與預測3項專題地質研究工作，初步明確了工作區內的地質構造構架，掌握了主要斷裂帶的工程地質特性和各巖組的物質組成及工程地質特點，查明了不良地質的性質、范圍及其發生、發展和分布規律，對主要橋位方案的岸坡穩定性進行分析評價，從宏觀工程地質、環境地質角度優選線路方案和橋位。

4.2　工程物探

根據怒江峽谷兩岸工程地質條件及地球物理特征等綜合因素，以超高密度電法(圖4)、地震反射波法、地震CT法、電磁波CT法和PS測井相結合，對橋址區開展綜合物探工作，有針對性地探測區內基巖風化層厚度、斷層要素、構造破碎帶發育情況、巖溶發育特征及巖體完整性[12]，并獲取地震反應分析所需的場地土動力參數。與其他地質資料相互印證，相互補充。經分析對比，綜合物探成果與地質調繪、鉆探等揭示的地質情況吻合度較高，為橋址方案的選擇和橋梁設計提供了基礎地質支撐。

圖4　怒江特大橋大理岸超高密度電法成果

4.3　地質調繪

在充分收集和分析區域地質資料、既有工程地質資料的基礎上，采用穿越法、追溯法，緊密結合工程設置，遠觀近察、由面到點、點面結合，利用怒江兩岸老滇緬公路邊坡，進行了地質剖面實測，初步查明了橋址區地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質特征、不良地質和特殊巖土分布，以及岸坡巖體的風化卸荷情況，完成了全線工程地質圖(1∶10 000)、詳細工程地質圖(1∶2 000)及工點工程地質圖(1∶500)的填繪，對控制線路方案、重點工程的地質點及地質界線，用儀器進行現場實測。

4.4　地質鉆探

為了準確鑒別和劃分地層，探明構造破碎帶發育情況和物質組成，揭示隱伏巖溶發育特征，采取巖樣、土樣、水樣進行室內分析研究，以及對物探成果進行驗證，在地質調繪的基礎上，橋址勘探點普通墩臺結合樁基布置主要沿基礎輪廓線和形心進行布置，主跨根據拱座嵌固式基礎結構形式、受力特點，并兼顧對基底壓碎巖帶的探查布設勘探點。本橋施工圖階段共完成了9 954.4 m/131孔鉆探，勘探深度普遍大于60 m，最深的孔為115.3 m。鉆探采用了雙層單動巖心管，植物膠護壁工藝，有效減小了鉆進過程中鉆具對巖芯的破壞和對孔壁的擾動，改善和提高鉆探質量，特別是保證斷層破碎帶、壓碎巖帶及軟弱結構面的識別與劃分，最大限度地反映了巖體的原始結構特征。

4.5　孔內旁壓試驗

怒江大理岸壓碎巖密集發育，直接影響到主墩位置、橋梁基礎選型、設計及施工開挖，需要通過鉆探及孔內旁壓試驗[13]來查明其發育的規律和規模、獲取物理力學指標，為橋梁設計提供依據。在3號墩斷層帶和代表性壓碎巖帶鉆孔內進行了孔內旁壓試驗。試驗結果統計如表1所示。經綜合分述，建議設計斷層角礫(Fbr)基本承載力δo=300 kPa，壓碎巖(Crr)基本承載力δo=320 kPa。

4.6　室內試驗

室內試驗是工程地質勘察的重要組成部分，其應用的質量好壞將直接影響到工程建設項目的安全性和經濟性，對工程勘察的精準性產生直接影響。根據現場不同巖性組合劃分，采取代表性巖、土樣品，進行室內土的物理試驗、壓縮試驗、剪切試驗，以及巖石單軸抗壓試驗、結構面剪切試驗、三軸試驗，獲取巖土相應的物理、力學參數，用于評價天然地基承載力、嵌固式基礎地基承載力、斷裂構造的活動性，以及場地和邊坡的穩定性。

表1　斷層角礫及構造壓碎巖旁壓試驗統計

5　綜合分析

5.1　場地穩定性

龍山—冷水箐斷層新生代以來活動性逐漸減弱，第四紀晚期以來無新活動跡象，對第四紀地層等的作用不明顯，其活動性可以不考慮，但是該斷層具有一定規模，破碎帶寬10～20 m，影響帶50～100 m，于D1K191+380附近2號與3號橋墩間通過，對橋跨布置及基礎設置有一定影響；經物探和鉆探驗證，基底可溶巖地段溶蝕弱至中等發育，無影響橋梁穩定的大型隱伏巖溶發育；根據鉆孔等效剪切波速值確定場地類別為Ⅱ類場地。

綜合評價：橋址區工程場地類別為Ⅱ類，不存在邊坡失穩和發生泥石流的條件，且無飽和的粉細砂層發育，不存在砂土液化、軟土震陷問題，斷裂第四紀晚期以來無新活動跡象，場地較穩定，但由于橋梁結構的特殊性，應加強抗震設防。

5.2　岸坡穩定性

通過加深地質工作、專題地質研究[14-15]及巖土工程測試分析，橋址區各邊坡穩定性情況和工程施工對其的影響可以得出如下結論。

(1)橋址區各邊坡在天然和暴雨的情況下均比較穩定，在地震的特殊情況下個別邊坡將會達到極限狀態，甚至出現局部的失穩破壞。

(2)工程開挖對邊坡的穩定性有較大的影響。邊坡在開挖后坡體中會出現較大的剪應力集中現象，并產生較大的變形；在極限平衡計算中發現邊坡開挖后坡體的穩定系數大大減低；在特殊工況下邊坡可能會發生一定范圍的失穩破壞。

(3)橋址左岸邊坡較緩，雖然坡體表面有深厚的覆蓋層和不良地質，但由于天然地形不能提供推力，所以整體的穩定性較好，即使在邊坡開挖的情況下仍均有較高的穩定性，只是由于坡體開挖點多、開挖量大，故在開挖面局部會發生變形破壞。

(4)橋址右岸邊坡較陡，但由于開挖主要在基巖中進行，邊坡開挖后坡體穩定性仍然較高，主要的工程問題是坡體中部的開挖會發生局部的失穩破壞。

(5)根據勘察資料和試驗數據，計算得到橋址區覆蓋層穩定坡角為57°。

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5.3　工程地質條件評價

橋址區左岸邊坡稍緩，以沉積巖地層為主，巖性復雜，巖性相變大；右岸邊坡較陡，為玄武巖，局部存在差異風化；滑坡、巖溶及膨脹土對工程有一定影響，但處理難度不大。龍山—冷水箐斷層為非全新活動斷層，場地較穩定，岸坡整體穩定；大跨主墩布置已避開構造壓碎巖密集發育和差異風化嚴重的軟弱區段，地基強度高。總體評價，怒江兩岸工程地質條件復雜，重大工程地質問題突出，目前方案在采取局部加固措施后，是可行的。

6　結語

通過對怒江特大橋橋址的綜合地質勘察，對做好復雜地質地層的橋梁設計工作具有重要意義，有如下體會。

(1)適宜有效的綜合勘察技術

怒江兩岸地質環境惡劣，地形、地質條件極為復雜，高地震烈度、岸坡穩定性、大(巨)型不良地質體、構造壓碎巖等重大工程地質問題突出，對橋梁選址與工程設計有重大控制作用。因此，任何一種單一勘察方法都存在局限性，都無法滿足復雜地質條件下高墩大跨多線特殊橋梁的地質勘察。根據怒江特大橋所處地質環境，結合橋梁基礎結構和受力特點，有針對性地采取地質調繪、鉆探、工程物探、孔內旁壓試驗、室內試驗等綜合地質勘察方法，并開展必要的專項地質工作，查明了橋址區地層巖性、地質構造、不良地質、岸坡穩定性等工程地質條件，為橋梁的選址、橋式橋跨方案及基礎選型計算，提供了翔實、可靠地質資料，勘察方法采用得當、有效。

(2)準確可靠的勘察成果資料

綜合勘察方法互相印證、互為補充，取得了全面、準確、可靠的地質基礎資料，符合《鐵路工程地質勘察規范》等有關規范及技術要求，順利通過各級審查，并獲得了路內外專家的高度評價。勘察工作深入、細致，資料齊全，內容完整，論述清楚，評價結論依據充分，建議工程措施可行、采用的巖石力學參數經濟、合理，為設計提供了可靠的基礎地質資料，為大瑞鐵路的成功建設及工程的安全性和經濟性奠定了堅實基礎。

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