丁文富,杜宇本,蒋良文

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都　610031)

1　概述

大瑞铁路怒江特大桥位于保山市施甸县与龙陵县交界处、著名的滇西抗战桥—惠通桥上游约2.3 km，属高中山峡谷区，一跨飞越怒江天堑，是全线关键性控制工程。怒江峡谷区在河流急剧下切作用下，岸坡岩体卸荷松弛[1]严重，地层岩性复杂，断裂构造发育，新构造运动强烈，地震活动频繁，规模大、数量多、分布集中的重力不良地质体发育，对桥位、桥式桥跨方案及基础选型影响极大。在勘察设计过程中，通过专题地质研究等加深地质工作，结合大桥前后相关引线工程的工程地质条件分析，在曼海公路桥与惠通桥间近20 km的怒江河段上，研究了7个怒江桥位方案，遵循“线位服从桥位、桥位服从地质”的原则，综合比选后，重点研究了金刚元正、斜交桥位及大坪子桥位，对3个主要桥位进行了充分的工程地质条件比选研究，推荐大坪子桥位方案[2-3]，并最终实施，如图1所示。受怒江和高黎贡山特殊地形限制，怒江车站设于桥面上，故该特大桥为四线上承式钢桁拱桥，线间距5 m，轨底高程841.9 m，轨面至江面约197 m；全桥长1 024.2 m，共设14个墩台，桥式桥跨为7×41 m钢箱梁+490 m上承式钢桁拱+5×41 m钢箱梁[4]，如图2所示。其中主跨为490 m上承式钢桁拱，拱座基础为嵌固式基础，是目前同类型铁路桥梁的世界之最，工程技术难度和风险也是罕见的。

图1　怒江特大桥工程地质略图

2　工程地质总体特征

2.1　地形地貌特征

保山至芒市段地势北高南低，为著名的滇西纵谷地带，怒江自北北东向南南西穿行，河道迂回曲折，水流湍急，切割深度数十米至千余米，形成峡谷或基岩“断口”[5]。怒江特大桥桥址位于怒江中下游河谷，属构造剥蚀深切割高中山峡谷地貌，地面高程645～1 470 m，相对高差大于820 m；大理端岸坡稍缓，自然坡度20°～40°，基岩零星出露；瑞丽端岸坡陡峭，特别是8号主墩处，自然坡度35°～50°，基岩多裸露。特大桥两端有老滇缅公路通过。

2.2　地层岩性特征

桥址区上覆第四系全新统及上更新统堆积层之碎石类土及黏性土，其中大理岸缓坡、平台、槽谷、河床等处滑坡、河流阶地堆积的覆土深厚，最大厚度达40 m；瑞丽岸斜坡陡峻地带基岩裸露或覆土浅薄。下伏基岩地层复杂，岩性相变大，为侏罗系中统柳湾组(J2l)砂岩、泥岩、泥灰岩、灰岩夹页岩，勐戛组上段(J2m2)玄武岩夹砂、泥岩，勐戛组下段(J2m1)泥岩、砂岩夹泥灰岩、灰岩，以及断层破碎带(Fbr)断层角砾和构造影响带(Crr)压碎岩。桥址区地层倒转，受构造及卸荷作用影响，张性裂隙发育，岩体完整性差，多破碎，常有薄层泥化物拌生。

图2　怒江特大桥工程地质纵断面示意(单位：cm)

2.3　地质构造特征

怒江峡谷区地处保山地块与腾冲地块碰撞缝合带之怒江断裂带[6-7]内，怒江断裂带主要由若干个长期活动的SN转SE向的压性和压扭性断裂以及与之平行的次级断裂和褶皱组成，为一断裂破坏甚剧之复式向斜构造，主要断裂大致平行分布于沿江两岸及高黎贡山东麓，断裂带内断层、褶皱发育，褶皱多被断裂、断层切割、破坏，岩体破碎，产状凌乱多变。桥址区附近主要断裂构造有狮子山澡塘河断层、金岗元断层、金刚园2号断层、龙山—冷水箐断裂、石头寨—大坪子断裂、董别断层和红旗桥断层；受多期构造活动影响，区内地层重复、缺失严重，各地层呈断片、断块展布，延续性差(图1)。从桥跨区通过的褶皱有等子背形，为一倒转向斜，核部位于线路里程D1K191+830附近江心，向两翼地层由新到老，地层有缺失。

2.4　水文地质特征

由于怒江河谷切割深，排泄条件好，地表水及地下水能较快的向河谷区排泄。地下水以土层孔隙潜水、基岩裂隙水和断层带水为主。桥址区基岩主要为砂岩、泥岩、泥灰岩、灰岩、玄武岩等，由于节理、裂隙发育，透水性较好，便于向怒江排泄，故地下水水量不大，埋藏深。根据钻孔监测，大理端坡面地下水位一般10～25 m，随季节有一定变化；瑞丽端为玄武岩，地下水不发育，仅为少量基岩裂隙水，地下埋深普遍大于50 m。

怒江峡谷沿岸具有大高差的地形条件、复杂活跃的构造运动、混杂多变的地层岩性、活跃的外动力地质作用等特征，地质环境复杂，工程地质条件差。

3　主要工程地质问题

3.1　滑坡

怒江峡谷区地势陡峻，沟谷切割深，新构造运动强烈，受多期次深大活动断裂影响，岩体松散破碎，桥址区附近滑坡、崩塌、岩堆等重力不良地质成群发育，且规模大。对桥梁工程影响较大的是大理端桥台附近发育的等子4号滑坡及等子滑坡，其中等子4号滑坡发育于金刚元隧道出口端洞身段，对桥梁工程影响不大。等子滑坡发育于桥台附近，桥台未置于滑坡体内，呈一上小下大之“喇叭”形，为等子4号滑坡的滑体物质再次滑动形成，属沿土石界面滑动形成的推移式堆积物滑坡，滑体厚10～40 m，为厚层巨型滑坡。等子滑坡目前处于稳定状态，如遇特殊气候及工程活动改变坡体应力状态，可能会引起滑坡体再次滑动，进而对怒江特大桥产生不利影响，铁路工程修建需对整个滑坡体综合检算后进行预加固处理。

3.2　岩溶

桥址大理端侏罗系柳湾组(J2l)泥灰岩及灰岩溶蚀弱至中等发育，以垂直发育为主，地表未见洼地、溶槽等大型溶蚀形态，钻探岩芯可见较多溶蚀孔洞、孔隙，局部揭示2.3 m充填溶洞。

3.3　构造影响带压碎岩

桥址区地处怒江断裂带，板块活动剧烈，岩体受多期次构造应力挤压扭动。钻探揭示，怒江大理岸侏罗系中统柳湾组(J2l)地层内层间压碎岩带极为发育，多为层状产出，部分不规则状，呈碎裂镶嵌结构，挤压擦痕、镜面多见(图3)。压碎岩密集发育，且物理力学性质差，对桥梁基础选型、设计及施工开挖影响大，查明其发育的规律和规模、以及物理力学指标的获取，是勘察的重点和难点。

图3　怒江特大桥大理岸钻探揭示压碎岩

3.4　断层展布及活动性

通过桥跨区的断层有龙山—冷水箐断层，于D1K191+380 m从大理岸边跨穿过，为区域性压扭性逆断层，走向N32°W，倾向NE，倾角50°～70°，断裂带宽10～20 m，断层上盘为侏罗系中统勐戛组上段(J2m2)玄武岩夹泥岩透镜体，下盘为柳湾组钙质泥岩、泥灰岩、灰岩夹砂岩、页岩地层。受构造应力影响，断裂带附近岩体节理裂隙密集发育，碎裂特征显著。龙山-冷水箐断层具有一定的规模，但其新生代以来活动性逐渐减弱，第四纪以来活动迹象不明显，对第四纪地层等的作用不明显，认为其早更新世以来不具有明显的活动迹象[8]。断层的发育特征和活动性，是影响桥梁选址、桥式选择和桥跨布置的重要因素之一。

3.5　高地震烈度

怒江特大桥位于滇西地震带，地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.24g，地震动反应谱周期为0.45 s[9]，为高地震烈度区。桥梁受地震破坏会引起墩台开裂、倾斜、折断或下沉、支座变形移位、拱圈开裂、落梁落圈等严重危害[10]。因受“歹”字形构造体系及长期活动的南北向压性及压扭性大断裂的影响，应力场复杂，更是滇西强震分布区之一，弧形构造带在晚近时期强烈活动均有地震伴生。桥区SW的龙陵、潞西地区，是滇西地震带中强震高发区之一，1976年5月29日，龙陵县先后发生2次强烈地震，分别为7.3、7.4级，该次地震为中国著名的八大地震之一。因此，高地震烈度是本桥选址、桥式选择及桥跨布置、结构抗震设计需考虑的重要因素之一，好的桥位、合理的结构形式和成功的抗震设计可以大幅减轻甚至避免震害的产生。

3.6　膨胀土

4　综合勘察技术应用

勘察工作的目是查明桥址区的地层岩性、地质构造、水文地质特征、不良地质和特殊岩土发育情况，以及岸坡的稳定性；根据桥梁基础类型探明基底岩土结构、风化层厚度、构造破碎带性质；综合评价桥址区工程地质条件，并提供桥梁设计所需的岩土参数。根据拟采用的桥式桥跨及基础类型特点，结合桥址区地形地貌，针对性采用地质调绘、钻探、工程物探(高密度电法、地震反射波法和跨孔电磁波层析成像法)、现场孔内旁压试验及室内试验等相结合的综合地质勘察技术，并在此基础上开展桥址区岸坡稳定性评价与预测专题研究。

4.1　专项地质工作

在勘察的过程中，开展了遥感图像工程地质解译[11]、活动断裂勘测及工程影响评价和重点工程地震安全评价、岸坡稳定性评价与预测3项专题地质研究工作，初步明确了工作区内的地质构造构架，掌握了主要断裂带的工程地质特性和各岩组的物质组成及工程地质特点，查明了不良地质的性质、范围及其发生、发展和分布规律，对主要桥位方案的岸坡稳定性进行分析评价，从宏观工程地质、环境地质角度优选线路方案和桥位。

4.2　工程物探

根据怒江峡谷两岸工程地质条件及地球物理特征等综合因素，以超高密度电法(图4)、地震反射波法、地震CT法、电磁波CT法和PS测井相结合，对桥址区开展综合物探工作，有针对性地探测区内基岩风化层厚度、断层要素、构造破碎带发育情况、岩溶发育特征及岩体完整性[12]，并获取地震反应分析所需的场地土动力参数。与其他地质资料相互印证，相互补充。经分析对比，综合物探成果与地质调绘、钻探等揭示的地质情况吻合度较高，为桥址方案的选择和桥梁设计提供了基础地质支撑。

图4　怒江特大桥大理岸超高密度电法成果

4.3　地质调绘

在充分收集和分析区域地质资料、既有工程地质资料的基础上，采用穿越法、追溯法，紧密结合工程设置，远观近察、由面到点、点面结合，利用怒江两岸老滇缅公路边坡，进行了地质剖面实测，初步查明了桥址区地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质特征、不良地质和特殊岩土分布，以及岸坡岩体的风化卸荷情况，完成了全线工程地质图(1∶10 000)、详细工程地质图(1∶2 000)及工点工程地质图(1∶500)的填绘，对控制线路方案、重点工程的地质点及地质界线，用仪器进行现场实测。

4.4　地质钻探

为了准确鉴别和划分地层，探明构造破碎带发育情况和物质组成，揭示隐伏岩溶发育特征，采取岩样、土样、水样进行室内分析研究，以及对物探成果进行验证，在地质调绘的基础上，桥址勘探点普通墩台结合桩基布置主要沿基础轮廓线和形心进行布置，主跨根据拱座嵌固式基础结构形式、受力特点，并兼顾对基底压碎岩带的探查布设勘探点。本桥施工图阶段共完成了9 954.4 m/131孔钻探，勘探深度普遍大于60 m，最深的孔为115.3 m。钻探采用了双层单动岩心管，植物胶护壁工艺，有效减小了钻进过程中钻具对岩芯的破坏和对孔壁的扰动，改善和提高钻探质量，特别是保证断层破碎带、压碎岩带及软弱结构面的识别与划分，最大限度地反映了岩体的原始结构特征。

4.5　孔内旁压试验

怒江大理岸压碎岩密集发育，直接影响到主墩位置、桥梁基础选型、设计及施工开挖，需要通过钻探及孔内旁压试验[13]来查明其发育的规律和规模、获取物理力学指标，为桥梁设计提供依据。在3号墩断层带和代表性压碎岩带钻孔内进行了孔内旁压试验。试验结果统计如表1所示。经综合分述，建议设计断层角砾(Fbr)基本承载力δo=300 kPa，压碎岩(Crr)基本承载力δo=320 kPa。

4.6　室内试验

室内试验是工程地质勘察的重要组成部分，其应用的质量好坏将直接影响到工程建设项目的安全性和经济性，对工程勘察的精准性产生直接影响。根据现场不同岩性组合划分，采取代表性岩、土样品，进行室内土的物理试验、压缩试验、剪切试验，以及岩石单轴抗压试验、结构面剪切试验、三轴试验，获取岩土相应的物理、力学参数，用于评价天然地基承载力、嵌固式基础地基承载力、断裂构造的活动性，以及场地和边坡的稳定性。

表1　断层角砾及构造压碎岩旁压试验统计

5　综合分析

5.1　场地稳定性

龙山—冷水箐断层新生代以来活动性逐渐减弱，第四纪晚期以来无新活动迹象，对第四纪地层等的作用不明显，其活动性可以不考虑，但是该断层具有一定规模，破碎带宽10～20 m，影响带50～100 m，于D1K191+380附近2号与3号桥墩间通过，对桥跨布置及基础设置有一定影响；经物探和钻探验证，基底可溶岩地段溶蚀弱至中等发育，无影响桥梁稳定的大型隐伏岩溶发育；根据钻孔等效剪切波速值确定场地类别为Ⅱ类场地。

综合评价：桥址区工程场地类别为Ⅱ类，不存在边坡失稳和发生泥石流的条件，且无饱和的粉细砂层发育，不存在砂土液化、软土震陷问题，断裂第四纪晚期以来无新活动迹象，场地较稳定，但由于桥梁结构的特殊性，应加强抗震设防。

5.2　岸坡稳定性

通过加深地质工作、专题地质研究[14-15]及岩土工程测试分析，桥址区各边坡稳定性情况和工程施工对其的影响可以得出如下结论。

(1)桥址区各边坡在天然和暴雨的情况下均比较稳定，在地震的特殊情况下个别边坡将会达到极限状态，甚至出现局部的失稳破坏。

(2)工程开挖对边坡的稳定性有较大的影响。边坡在开挖后坡体中会出现较大的剪应力集中现象，并产生较大的变形；在极限平衡计算中发现边坡开挖后坡体的稳定系数大大减低；在特殊工况下边坡可能会发生一定范围的失稳破坏。

(3)桥址左岸边坡较缓，虽然坡体表面有深厚的覆盖层和不良地质，但由于天然地形不能提供推力，所以整体的稳定性较好，即使在边坡开挖的情况下仍均有较高的稳定性，只是由于坡体开挖点多、开挖量大，故在开挖面局部会发生变形破坏。

(4)桥址右岸边坡较陡，但由于开挖主要在基岩中进行，边坡开挖后坡体稳定性仍然较高，主要的工程问题是坡体中部的开挖会发生局部的失稳破坏。

(5)根据勘察资料和试验数据，计算得到桥址区覆盖层稳定坡角为57°。

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5.3　工程地质条件评价

桥址区左岸边坡稍缓，以沉积岩地层为主，岩性复杂，岩性相变大；右岸边坡较陡，为玄武岩，局部存在差异风化；滑坡、岩溶及膨胀土对工程有一定影响，但处理难度不大。龙山—冷水箐断层为非全新活动断层，场地较稳定，岸坡整体稳定；大跨主墩布置已避开构造压碎岩密集发育和差异风化严重的软弱区段，地基强度高。总体评价，怒江两岸工程地质条件复杂，重大工程地质问题突出，目前方案在采取局部加固措施后，是可行的。

6　结语

通过对怒江特大桥桥址的综合地质勘察，对做好复杂地质地层的桥梁设计工作具有重要意义，有如下体会。

(1)适宜有效的综合勘察技术

怒江两岸地质环境恶劣，地形、地质条件极为复杂，高地震烈度、岸坡稳定性、大(巨)型不良地质体、构造压碎岩等重大工程地质问题突出，对桥梁选址与工程设计有重大控制作用。因此，任何一种单一勘察方法都存在局限性，都无法满足复杂地质条件下高墩大跨多线特殊桥梁的地质勘察。根据怒江特大桥所处地质环境，结合桥梁基础结构和受力特点，有针对性地采取地质调绘、钻探、工程物探、孔内旁压试验、室内试验等综合地质勘察方法，并开展必要的专项地质工作，查明了桥址区地层岩性、地质构造、不良地质、岸坡稳定性等工程地质条件，为桥梁的选址、桥式桥跨方案及基础选型计算，提供了翔实、可靠地质资料，勘察方法采用得当、有效。

(2)准确可靠的勘察成果资料

综合勘察方法互相印证、互为补充，取得了全面、准确、可靠的地质基础资料，符合《铁路工程地质勘察规范》等有关规范及技术要求，顺利通过各级审查，并获得了路内外专家的高度评价。勘察工作深入、细致，资料齐全，内容完整，论述清楚，评价结论依据充分，建议工程措施可行、采用的岩石力学参数经济、合理，为设计提供了可靠的基础地质资料，为大瑞铁路的成功建设及工程的安全性和经济性奠定了坚实基础。

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