兰新第二双线西山路立交特大桥地震安全性评价

2010-08-06许磊

铁道勘察 2010年4期

许磊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)

2008年5月12日汶川大地震造成的重大灾害给国家和人民留下了难以磨灭的记忆。痛定思痛,既然自然灾害无法抗拒,人们开始更加重视预防自然灾害,尽量减少自然灾害带来的灾难。而作为国家重点基础工程的铁路工程承载了中国的交通、经济等关系民生的重任。高烈度地震区拟建工程的地震安全性评价越来越受到关注。

1 工程简介

兰新第二双线位于甘肃省、青海省、新疆维吾尔自治区三省区。线路东起甘肃省省会兰州市,途经青海省民和县、乐都县、平安县至青海省会西宁,后折向北经大通县、门源县,穿越祁连山山脉进入甘肃省河西走廊西行,经民乐县、张掖市、临泽县、酒泉市、嘉峪关市、玉门市,以及新疆自治区哈密市、鄯善县、吐鲁番市,西至新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市。线路建筑长度1 786.125 km,新疆段长722.641 km。

在兰新铁路新疆公司筹备组(建设单位)、地质及桥梁专业(铁一院)、新疆防御自然灾害研究所等专业及部门配合下,本次勘测工作需对部分重大工程如西山路立交特大桥进行安全性评价,为特大桥工程设计提供抗震设防依据。

西山路立交特大桥位于乌鲁木齐市沙依巴克区,桥梁兰州台位于雅山下,经过既有铁路、天山塑钢厂、新建交通厅西山消防器材厂等,横跨西山路,乌鲁木齐台位于新疆中泰化学股份有限公司货场内。

2 自然地理概况[1]

2.1 地形地貌

桥址位于山前缓坡与冲洪积平原交接地带,为雅山西北麓及乌鲁木齐古河床,地形起伏,地势南高北低,地面高程874.8～907 m,相对高差约32 m。

2.2 气象特征

本段属中温带干旱大陆性气候区。其特点是气候干燥,旱季长、雨季短,降雨量较少且集中,昼夜温差变化较大,春、秋季多风,夏季短促,冬季寒冷。年平均气温6.9℃(乌鲁木齐)～7.3℃(乌鲁木齐西),极端最高气温42.1℃,极端最低气温-41.5℃,年平均降雨量271.4mm,平均风速2.4 m/s,主导风向NW,年均大风日数(≥8级)17.5 d。

2.3 地震动参数

乌鲁木齐市地处北天山强震带,是全国20个“大城市活断层探测与地震危险性评价”工作的城市之一。北天山地震带,东起哈密以东,向西延入哈萨克斯坦共和国境内。大体呈近东西向带状分布,包括了北天山强烈隆起区北部和天山北麓最新隆起。地震活动以近东西向的跳跃为主,震源深度多为10～35 km,具有活动强度大、频度低、西强东弱特点,地震活动在时间上有集中分布,空间分布上相对集中和东西对迁的特点。

乌鲁木齐市地震动峰值加速度0.20g,相当于地震基本烈度8度,地震动反应谱特征周期0.40 s。

2.4 地层岩性

桥址范围内地层主要为第四系全新统人工填土,第四系上更新统洪积粉土、粉质黏土、细角砾土、粗角砾土、粗圆砾土,下伏侏罗系中统砂岩夹页岩和二叠系上统砂岩夹页岩。既有路堤为人工填筑细圆砾土。现将各地层岩性特征详述如下。

(1)人工填筑土(Q4ml6)：分布于既有路堤及工点内局部地表,成分以碎石土、粉质黏土、粗圆砾土等为主。厚0.5～5 m,灰褐色,稍密—中密,稍湿。

(2)粉质黏土(Q4pl1)：灰褐色,桥址局部以透镜体形式存在,厚1～9 m,含有锰质结核,含砾石约占20%,硬塑。

(3)细角砾土(Q3pl6)：为工点范围内的主要地层,小里程侧厚度5～15 m；大里程侧厚度一般大于30 m。褐黄色,尖棱、棱角状,成分以砂岩、石灰岩为主,颗粒不均。粒径2～20 mm约占50%,大于20 mm约占5%,余为中、细砂及粉、黏粒充填,其中中、细砂约占20%,粉、黏粒约占20%,岩芯呈散装、柱状,潮湿—饱和,中密—密实。

(4)粗角砾土(Q3pl6)：透镜状分布于细角砾土层中,厚度约10 m。灰黄为主,尖棱、棱角状,成分以砂岩、石灰岩为主,颗粒不均。最大粒径80 mm,粒径2～20 mm约占20%,粒径20～60 mm约占50%,大于60 mm约占5%,余为中、细砂及粉、黏粒充填。其中细砂约占15%,粉、黏粒约占5%,岩芯呈散状,柱状,饱和,中密—密实。

(5)粗圆砾土(Q3pl6)：分布于大里程侧细角砾土之下,厚度大于10 m。灰黄色为主,圆棱状,颗粒不均,成分以砂岩、石灰岩为主,最大粒径100 mm。粒径2～20 mm约占5%,粒径20～60 mm约占65%,大于60 mm约占10%,余为中、细砂及粉、黏粒充填。其中中、细砂约占15%,粉、黏粒约占5%,岩芯呈散状,柱状,饱和,中密—密实。

(6)砂岩夹页岩(P2Ss+Sh)：砂岩为灰色、灰绿色,砂状结构,中厚层状构造,钙质胶结。页岩为黄灰色、灰色,薄厚层状构造,泥质结构,层间结合力差。风化层厚4～6 m,节理、裂隙发育,岩石破碎。

(7)砂岩夹页岩(J2Ss+Sh)：分布于细角砾土之下,埋深从5.5～50 m逐渐变厚。该层以砂岩为主,页岩次之。砂岩为灰色、灰绿色,砂状结构,中厚层状构造,钙质胶结。页岩为黄灰色、灰色,薄厚层状构造,泥质结构,层间结合力差。风化层厚4～6 m,节理、裂隙发育,岩石破碎。

(8)煤层(J2)黑色有光泽,质地细致,有黏性,岩芯呈5～30 cm的柱状,燃点不太高,富含有机质。

3 工作方法

本次工作采用地质勘探与物探、地震安评结合方法,先利用既有资料确定断裂大致位置,再利用高密度电法确定断裂带准确位置,最后地质勘探进行验证。综合以上各种手段,丰富了地质勘察资料,使地质资料更完善、详尽,为抗震设防提供依据。

3.1 布置物探

为了进一步落实西山断裂带南支(f7-1)通过线路的位置和断层的活动性,在断层可能通过场地的地段布设一条高密度电法物探剖面。利用西山路立交特大桥近场区地震构造图中西山断裂位置,结合新建铁路兰新第二双线的走向,布置物探断面查找断带。

(1)探测方法及原理

高密度电法是物理勘探方法之一。它是以岩土介质的电阻率差异为基础,通过观测和研究人工建立在地下土层中稳定电流场的分布规律,间接反映地下岩层和土层的结构、构造的物理差异性质。

本次工作采用的是吉林大学研制的E60CN型高密度电法仪。该仪器采用程控方式进行数据的采集和电极控制。可以进行各种装置的高密度电阻率、双频高密度激发极化仪、自然电位法、充电法等勘探方法的数据采集任务。

本次采用高密度电法中温纳装置探测,电极间距为2.0 m,电极总数96个,最大隔离系数为38,探测深度为30 m。资料处理采用RES2DINV处理软件。

3.2 物探结果

物探探测视电阻率成像(如图1所示[2]),大致以测线中点为界,南边电阻率值较高,显示为棕色、黄色、绿色等,15 m以上成层性较好,且水平产状,为第四系沉积。中点以北,电阻率值较低,呈大块状。在测线的65～120 m之间,10 m以下,有一个特高值电阻率区,阻值高达40φ/m以上,呈穹隆状。整个剖面在探测深度范围内未见错动第四系迹象,说明西山断裂南支在晚更新新统以来没有明显活动。

图1 电法剖面DFⅠ-Ⅰ′视电阻率成像(西山特大桥)

3.3 布置勘探

为了验证物探成果的准确性,最直接、准确的方法就是钻探验证。钻探虽然是“一孔之见”,但最能代表真实的地层。本次根据物探解译结果,在电阻率异常地带布设钻孔,一者可以检验物探成果,二者可以在孔内取样测试,以便获得更多岩土力学参数。

根据物探结果,分析物探电阻率剖面图,在阻值异常地带布设D48Z-356、D48Z-389两个钻孔,在电阻异常地带进行勘探。

3.4 钻探结果

钻孔D48Z-356钻孔揭示,在孔深约30m以上岩性主要为灰黄色砂岩,30～40 m为灰黑色页岩,40 m以下为灰色砂岩,并夹有厚约5 m的煤层。大致可以将煤层的出现定为侏罗系地层,以上定位二叠系地层。二叠系超覆于侏罗系之上,可以认为此处有断层通过,与雅玛里克断层相符合。

钻孔D48Z-389在孔深47.7～60 m采集的侏罗系地层岩芯十分破碎,与相邻两钻孔岩芯完整性差异较大,结合物探结果,基本可以确定此处有断层通过,即西山断裂。

钻探结果显示,断层位置大致与物探探测结果相吻合。两种勘察手段相互验证,互为依据。

4 断层活动性评价

综合利用地质调查、物探、钻探等多种勘测手段,得出西山断裂位置、性质和活动特点,进而得出工点范围内地震活动性特征,为工程抗震设防提供设计依据。

4.1 雅玛里克断裂

从桥址东南缘通过,逆断层,宽30～50 m,为中更新统断层,从桥址北侧通过,断层产状N45～55°E/55～65°S。与线路相交里程段落为 DK1885+282～DK1885+322。

4.2 西山断裂北支

从桥址北侧通过,逆断层,宽约60 m,断层走向N40°E,倾向NW,为晚更新统断层,距桥址最近距离为78 m。

4.3 西山断裂南支

从桥址中部通过,逆断层,走向近 EW,倾向 N,为早-中更新统隐伏断层,与线路相交里程段落为DK1886+452 ～DK1886+482。

5 地震活动性特征

1970年以前,西山路立交特大桥场地近场区发生过1934年乌鲁木齐东北6级地震和3次5级地震,中等地震活动较强。1970年以来发生过1级以上地震1287次,其中3.0～3.9级地震 32次,4.0～4.9级地震3次,属微、小地震活跃区。场区(场地5 km范围内)发生过1级以上地震20次,其中1982年10月8日发生过乌鲁木齐4.0级地震,微、小震较活跃。