云桂铁路南盘江特大桥综合勘察及分析评价

宋 章 唐伟华 王光能 王振友

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

云桂铁路南盘江特大桥综合勘察及分析评价

宋 章 唐伟华 王光能 王振友

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

云桂铁路南盘江特大桥为主跨416 m的上承式钢管混凝土拱桥，是云桂铁路控制性重点工程之一。桥址处于高山峡谷区，边坡岩体具有风化层和卸荷带同时共存的双层地质结构，断层发育，新构造运动强烈，危岩落石、顺层等不良地质发育。根据云桂南盘江特大桥的地质环境，结合桥梁基础的受力特点，采取了地质调绘、钻探、工程物探、平硐勘探及现场平板载荷试验和室内试验等相结合的综合勘察方法,开展了边坡稳定性专题研究、重点工程场地地震安全性评价工作，查明了桥址区地层岩性、地质构造、不良地质等工程地质条件及边坡岩体结构特征、风化层及卸荷带深度、地基承载力及场地稳定性等。勘察方法适宜，成果资料准确，为特大桥的选址、桥式桥跨的确定、拱座基础设置及设计计算分析提供了详实可靠的地质资料。

云桂铁路； 南盘江； 大跨拱桥； 综合勘察方法； 地基承载力； 岸坡稳定性

云桂铁路南盘江双线特大桥位于云南红河州弥勒县与文山州丘北县的交界处，是昆明至南宁铁路的控制性工程之一。桥位区河谷深切，左岸南宁端边坡岩体卸荷松弛强烈，地层岩性较复杂，断层较发育，新构造运动强烈，顺层、岩堆、危岩落石、错落及岩溶等不良地质发育，对桥位及桥式桥跨方案影响较大。在勘察设计过程中先后对上游桥位和下游桥位从工程地质角度进行了充分比选论证，最终确定了上游桥位方案，如图1所示。桥址处于南盘江水库区，江面宽约80 m，水面标高约961 m，桥全长852.43 m，轨底设计标高约1 227 m，最大桥高约266 m，两岸主墩高约90 m。因地形地貌影响，桥梁采用(3×42) m连续梁+(60+104+60)m连续刚构+ (1×416) m钢筋混凝土拱+(2×60) m T构+(1×42) m不对称的桥跨方式，为主跨416 m的上承式钢管混凝土拱桥，建成后将成为世界第三大跨径的混凝土拱桥。

图1 南盘江特大桥工程地质略图

1 工程地质环境特征

1.1 地形地貌特征

桥址所处区域属构造、剥蚀低中山地貌，地形起伏较大，南盘江切割较深，地面高程960～1 520 m，相对高差80～560 m，地形陡峻，特别是5号主墩处，自然坡度40～50°，坡面植被茂密，基岩露头差，交通条件差，地质勘察工作极为困难。

1.2 地层岩性特征

桥位及其附近上覆第四系松散堆积层粉质黏土、红黏土及碎石类土，其中崩滑、错落、河流成因的覆土较厚，最大厚度达30 m；陡坡、斜坡基岩裸露等处覆土较薄，缓坡、平台、槽谷、河床等处覆土较厚。下伏基岩为三叠系中统法郎组上段(T2fb)薄层至中厚层泥质页岩、泥岩夹粉砂岩，下段(T2fa)薄层至中厚层灰岩及泥灰岩，以及断层破碎带(Fbr)断层角砾、构造影响带(Crr)压碎岩。

1.3 地质构造特征

测区隶属华南加里东褶皱系的右江褶皱带之交汇范围内，处于云南“山”字形构造体系及文山巨型旋钮构造体系的复合部位，桥址南宁端DK 600+890～DK 600+926顺南盘江右岸斜坡发育区域性断裂江槽-三家断层，破碎带宽30～50 m，受断层及卸荷影响，岩体节理裂隙密集发育，表层多有宽张卸荷裂隙，岩体多破碎，并夹有薄层泥化物，风化带厚度较大且差异风化显著。桥址范围地质情况复杂，特别是5号拱座附近压碎岩呈不规则的条带状分布，地质条件极为复杂。桥址区地震动峰值加速度为0.10 g。

2 主要工程地质问题

桥址区工程地质问题主要有边坡岩体卸荷带、顺层、危岩落石及断层破碎带等。

2.1 边坡岩体卸荷带

云桂南盘江特大桥河谷具有卸荷带与风化带同时共存的双层地质结构。桥址区处于深切峡谷段，边坡高陡，风化带受地层岩性影响，硬质岩风化带较薄，软质岩风化带较厚。受区域地质构造影响强烈，河谷深切，边坡岩体卸荷松弛，节理裂隙呈张开状。因此卸荷带的发育程度、厚度和分布特征控制着大桥边坡及大桥5号和6号拱座基础的稳定性，是工程地质评价的重点和难点。

2.2 顺层

南盘江右岸南宁端桥址区断层上盘岩层产状主要为N55°E/39°NW，岩层顺坡向南盘江倾斜，薄层状构造，发育两组节理。节理J1产状为N5°W/80°SW，为顺坡向外倾结构面，是影响边坡失稳的主控结构面，节理J2产状为N85°E/79°SE，为顺坡内倾结构面，主要起切割岩体作用。受断层的影响，边坡顺层岩体在节理J1和节理J2的交互切割作用、河流侵蚀下切作用及暴雨或地震的外力作用下将产生边坡顺层破坏的可能，影响边坡稳定。

2.3 危岩落石

桥址区昆明端中线附近岩层产状主要为N10～15°E/20～28°NW，岩层顺坡倾向坡内，薄层～中厚层状构造，属于反倾层状结构岩质岸坡。桥址区主要发育有两组节理。节理J1产状为N55°E/65°SE，节理J2产状为N30°W/77°NE。在节理J1和节理J2的交互切割作用下，极易引起岸坡节理岩体的重力卸荷，是影响边坡岩体稳定性的主控结构面。因受地应力、重力、地下水等地质营力的长期作用，边坡表部岩体倾角逐渐变缓，尤其是公路开挖边坡形成的临空面，使得岩层向南盘江弯曲倾斜，层与层之间发生剪切位移，局部变形严重处表层岩体张裂隙发育，岩体松动架空如图2所示，将产生崩滑破坏，对桥梁基坑开挖的坡度及加固方案产生不利影响。

图2 南盘江左岸昆明端危岩落石及边坡卸荷

2.4 断层

桥址区处于7度地震区，地震动峰值加速度为0.10 g。测区处于云南“山”字形构造体系及文山巨型旋钮构造体系的复合部位，桥址区南宁端地表DK 600+890～DK 600+926附近发育有江槽-三家区域性断层；断层上、下盘岩石均为中三叠统法郎组下段的灰岩及薄层泥灰岩、炭质灰岩，线路附近因表土覆盖，加之灌木杂草丛生，断层性质不明显，根据20万区域地质资料及现场平硐勘测分析，该断层为一区域性压扭性逆断层，桥址区断层走向大致为N18°E，倾向NW(倾向昆明端)，倾角60～80°。桥位处断层破碎带宽30～50 m。受构造应力的影响，断层带及其影响带附近岩体节理裂隙密集发育，岩体破碎，裂隙间石英脉及褐红色粉质黏土充填，岩体物理力学特性极差。

南宁端大桥主墩位于断层下盘断层影响带附近，受构造的影响，岩体破碎，节理裂隙发育，岩体物理力学性质差，因此断层位置的分布严重影响桥梁选址及桥跨布置。

3 综合勘察方法

本次勘察的目的主要是为了查明桥址区地层岩性、地质构造、不良地质分布及边坡稳定性。探明桥基的岩土结构、风化层及卸荷带的深度、断层分布位置及其构造破碎带破碎程度。综合评价特大桥的工程地质条件。结合桥址区的地形地貌，根据拟采用的桥式桥跨特点，采用了地质调绘、钻探、平硐、工程物探、现场载荷板试验及室内试验等相结合的综合勘察方法，如图3所示。并在此基础上对影响桥基的边坡稳定性进行了专题研究。

图3 综合勘探平面图

3.1 地质调绘

通过收集并分析已有区域地质资料，在1∶10 000、1∶2 000及1∶500三种比例尺平面图上，采用穿越法、追溯法的方式，对桥址区地形地貌、地层岩性、地质构造及不良地质等进行了详细调绘，对岩层产状及岩体结构面产状进行了详细测绘。并利用南盘江左岸昆明端公路边坡，进行了实测地质剖面，初步查明了桥址区南盘江左岸边坡岩体的风化卸荷带深度。

3.2 地质钻探

为了查明桥址区地层岩性、地质构造(尤其是断层位置、断层破碎带物质组成、构造节理发育分布情况)、岩体完整性及对物探成果进行验证，本工程中地质勘探点主要沿大桥基础轮廓线及形心布设，共布置了钻孔65个，其中控制性钻孔35个，一般性钻孔30个。为了避免机器转动在钻进过程中对岩芯的机械破坏，提高和改善岩芯的采取率和完整性，使其能真实反映岩体结构，钻探过程中采用了植物胶护壁、双层单动的钻进工艺，确保了岩体风化层、断层破碎带及岩体结构面的准确识别和划分。

3.3 工程物探

为了进一步评价南盘江右岸南宁端大桥5号拱座基础岩体的完整性，提供地震反应分析所需的场地土动力参数，在勘察过程中采用电法、地震发射波法及电磁波CT法测定岩土的压缩波及剪切波的波速，并确定与波速有关的岩土参数。具体工作量为：

(1)电法：在DK 600+560～DK 600+850段的中线和右4.6 m完成DP-1和DP-2两条测线，测点点距为5 m；

(2)地震反射波法：在DK 600+560～DK 600+844段的中线和DK 600+560～DK 600+850段右4.6 m位置完成ZP-1和ZP-2两条测线；

(3)电磁波CT：在DK 600+560～DK 600+880段完成9个电磁波CT测试孔对。

3.4 平硐勘探

南盘江右岸南宁端大桥5号拱座基础处于江槽-三家断层上盘，其地质条件复杂且基岩露头少，为了查明断层的具体分布位置、边坡岩体风化层及卸荷带厚度、岩体完整程度，评价其对大桥5号墩主塔基础和边坡稳定的影响，共进行了328 m/3个地质探洞勘察。具体工作量为：

(1)1号平硐，处于线路右侧DK 600+970右65.4 m，硐深113 m；

(2)2号平硐，处于线路左侧 DK 601+004左 18 m，硐深 145 m；

(3)3号平硐，处于线路DK 600+900左3.5 m，硐深70 m。通过平硐实测剖面，确定了断层带、断层

影响带、 风化带及卸荷带厚度、岩体完整性。

3.5 平板载荷试验

为了测得南盘江特大桥5号拱座基础岩体的承载能力和变形特性，以便为桥梁设计提供依据。在2号平硐选取断层破碎带、断层影响带、较完整基岩段有代表性的3个位置进行了现场平板静载荷试验，如图4所示。试验点位及试验结果如表1所示。

图4 现场平板载荷试验

试验点位最大荷载/kPa最大下沉量/mm比例界限压力Pa/kPa极限承载力Pu/kPa基本承载力σ0/kPa变形模量E0/MPa地基的基本承载力σ0/kPaDK600+880右21.3m2226.217.0213812226111360DK600+880右2.5m2169.917.391381194597270DK600+880左16.5m2479.629.87920173586755按《铁路工程地质原位测试规程》确定867按《建筑地基基础设计规范》确定742

试验结果表明，按TB 10018-2003《铁路工程地质原位测试规程》确定其承载力σ0=867 kPa，按GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》确定其承载力σ0=742 kPa。结合室内试验资料及现场开挖后的实际地质情况，施工中对初步设计地质勘察资料进行了优化，取得了较好的工程效果。

3.6 室内试验

为了评价边坡岩体的物理力学特性、天然地基承载力、嵌岩桩地基承载力、边坡稳定性等，现场取样进行室内岩石单轴抗压强度试验、结构面剪切试验、三轴试验及基本物理力学试验等。室内试验成果一览表如表2所示。

表2 岩土体体物理力学试验一览表

4 综合分析

4.1 场地稳定性特征

根据GB 18306-2001《中国地震动峰值加速度区划图》及中国地震局地壳应力研究所《新建云桂铁路工程场地地震动参数区划报告》(2009年5月)，桥址区内地震动峰值加速度为0.10 g。根据中国地震局地壳应力研究所对新建云桂铁路重点工程场地地震安全性评价，50年超越概率63%、10%、2%和100年超越概率63%、10%、3%场地地表水平地震动参数、工程场地的设计规准谱特征参数如表3所示。由此可见场地较稳定。

表3 场地设计规准谱特征参数

注：T为反应谱周期，βm为设计地震加速度放大系数反应谱最大值，Tg为反应谱特征周期，C为衰减系数，αmax为地震影响系数最大值。

4.2 边坡岩体卸荷特性

桥址区南盘江右岸南宁端边坡，因江槽-三家断层及不同地层岩性(三叠系中统法郎组上段(T2fb)薄层至中厚层泥质页岩、泥岩夹粉砂岩，下段(T2fa)薄层至中厚层灰岩及泥灰岩)影响，不同位置边坡岩体卸荷带深度差异较大。处于线位右侧DK 600+970右65.4 m的1号平硐揭示：0～18 m为灰岩夹薄层泥灰岩，灰岩弱风化，泥灰岩全风化至强风化，节理裂隙极其发育，岩体破碎，为边坡岩体强烈卸荷带范围；18～26 m为薄～中层构造，受构造影响，褶曲发育，岩体较破碎，为边坡弱卸荷带范围。处于线位左侧DK 601+004左18 m的2号平硐揭示：0～22.5 m基岩极其破碎，泥化夹层非常发育，为边坡岩体强烈卸荷带范围；22.5～43 m岩体中节理裂隙发育，岩体破碎，薄层泥灰岩为全风化状，为边坡岩体弱卸荷带范围。处于线位DK 600+900左3.5 m的3号平硐揭示：0～25 m段褶曲发育，岩层扭曲严重，节理裂隙发育，岩体破碎，为边坡岩体强烈卸荷带范围；25～42 m段岩体受构造影响，节理裂隙发育，岩体破碎，为边坡岩体弱卸荷带范围。通过三个平硐勘探揭示，桥址区南盘江右岸边坡岩体强卸荷带深度18～25 m，弱卸荷带深度18～43 m。

桥址区南盘江左岸昆明端边坡，受构造影响较小，且地层岩性单一，为三叠系中统法郎组下段(T2fa)薄层至中厚层灰岩及泥灰岩。公路边坡开挖及钻探揭示，其强卸荷带深度3～5 m，弱卸荷带深度5～10 m。

4.3 边坡岩体稳定特性

赤平极斜射投影分析表明，层理及节理组合作用下，自然状态下南盘江右岸南宁端边坡岩体不会沿结构面发生失稳破坏，而南盘江左岸昆明端受节理裂隙相互切割影响，局部存在岩体沿结构面滑塌现象。

数值模拟分析表明：在桥基开挖加载的状态下，昆明端边坡岩体在桥墩桩基础开挖周围有潜在破坏点出现，潜在破坏点分布在桥墩基础下方25 m范围，与坡面有大于30 m的安全距离，会形成剪切破坏区。岸坡整体稳定，但需对桥墩基础周围施以适当加固或增加桥基深度，提高桥基岩体强度。南宁端岸坡岩体在桥墩桩基础底部以及桥墩附近开挖面有破坏点出现，破坏点分布在桥墩基础下方50 m范围，主要集中在压碎岩、岩层分界线和断层破碎带附近，破坏点会产生桥墩周围局部剪切破坏，说明南宁端岸坡岩体在开挖加载后欠稳定，需对桥墩基础进行加固或增加桥基深度，以提高桥基周围岩体强度。

4.4 桥位工程地质条件评价

南盘江左岸地层为三叠系中统法郎组下段(T2fa)灰岩及炭质灰岩，其主要存在的不良地质为危岩落石。右岸发育有江槽-三家逆断层，右岸大桥5号拱座基础处于断层影响带附近，对大桥影响较大，且右岸岩体中节理裂隙发育，岩体破碎，软弱夹层现象严重，岩体质量较差。但总的来说，桥址区无全新世活动断裂通过，场地较稳定。风化层和卸荷带虽深，但岸坡整体稳定，且特大桥5号、6号拱座基础加深及增加必要的支挡防护措施后，方案可行。

5 结论

(1)适宜的综合勘察方法。根据云桂南盘江特大桥的地质环境，结合桥梁基础的受力特点，以查明了桥址区地层岩性、地质构造、不良地质等工程地质条件及边坡岩体结构特征、风化层及卸荷带深度、地基承载力及场地稳定性为主要目的，有针对性地采取地质调绘、钻探、工程物探、平硐勘探及现场平板载荷试验和室内试验等综合勘察方法，为特大桥的选址、确定桥式桥跨、拱座基础设置及设计计算分析提供了详实可靠的地质资料。

(2)可靠的勘察成果资料。由于地质条件的复杂性和多变性，任何一种勘察方法均无法满足复杂特大桥地质勘察的需要。此特大桥勘察中结合工程地质条件及桥式桥跨，采用地质调绘、钻探、工程物探、平硐、现场及室内试验和边坡稳定性专题研究等综合勘察方法，各种方法相互补充，互相印证，提高了勘察的精度，确保了勘察资料的可靠性。

南盘江特大桥现已开工建设，大桥基础施工已经完成，开挖揭示现场地质与设计地质相符。

[1] 中铁二院工程集团有限责任公司.新建云桂铁路工程地质图(20W)[Z].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2009. China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.. Engineering geological map of the new Kunming-Nanning railway(20W) [Z]. Chengdu: China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd., 2009.

[2] 中铁二院工程集团有限责任公司.云桂铁路南盘江特大桥工程地质勘察报告[R].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2010. China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.. Engineering geological investigation report of Nanpanjiang supper major bridgeof Kunming-Nanning railway[R]. Chengdu: China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., 2010.

[3] 中铁二院工程集团有限责任公司.南盘江特大桥5#拱座基坑平板载荷试验报告[R].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2011. China Railway Eryuan Engineering Group Co.ltd. Plate-loading test report of the no. 5# abutment foundation ditch of Nanpanjiang supper major bridge[R]. Chengdu: China Railway Eryuan Engineering Group Co.ltd , 2011.

[4] TB 10018-2003 铁路工程地质原位测试规程[S]. TB 10018-2003 Code for in-situ measurement of railway engineering geology [S].

[5] GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范[S]. GB 50007-2011 Code for design of building foundation [S].

[6] GB 18306-2001 中国地震动峰值加速度区划图[S]. GB 18306-2001 Seismic ground motion parameters zonation map of china[S].

[7] 中国地震局地壳应力研究所, 中铁二院工程集团有限责任公司. 新建云桂铁路工程场地地震动参数区划报告[R]. 北京：中国地震局地壳应力研究所, 中铁二院工程集团有限责任公司, 2009. The Institute of Crustal Dynamics, China Railway Eryuan Engineering Group Co.，ltd.． The seismic ground motion parameter zonation report of engineering site of the new Kunming-Nanning railway[R]. Beijing: The Institute of Crustal Dynamics, China Railway Eryuan Engineering Group Co.，ltd．, 2009.

[8] 中国地震局地壳应力研究所, 中铁二院工程集团有限责任公司.新建云桂铁路重点工程场地地震安全性评价报告[R].北京：中国地震局地壳应力研究所,中铁二院工程集团有限责任公司, 2010. The Institute of Crustal Dynamics, China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.. Assessment report of engineering site seismic safety of the new Kunming-Nanning railway[R]. Beijing: The Institute of Crustal Dynamics, China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., 2010.

[9] 中铁二院工程集团有限责任公司,西南交通大学.云桂铁路南盘江大桥岸坡稳定性评价报告[R].成都：中铁二院工程集团有限责任公司,西南交通大学, 2010. China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., Southwest Jiaotong university. Slope stability evaluation report of Nanpanjiang supper major bridgeof Kunming-Nanning railway[R]. Chengdu：China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., Southwest Jiaotong University，2010.

Comprehensive Survey and Analysis Evaluation of Nanpanjiang Super Major Bridge of Kunming-Nanning Railway

SONG Zhang, TANG Weihua, WANG Guangneng, WANG Zhenyou

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., Chengdou 610031, China)

Nanpanjiang super major bridge, a deck-type concrete-filled steel tube arch bridge with main span of 416 m, is one of the dominant key projects in Kunming-Naning railway. The bridge is located in alpine valley, slope rock mass was provided with the coexistent characteristics of double geological formation of weathering rock mass zone and unloading fracture zone, with the characteristics of developed faults and intense neotectonic activities, and the developed harmful geological bodies, such as rock debris and bedding. Based on the geological environment and mechanical behavior of Nanpanjiang bridge of Kunmin-Nanning railway, the comprehensive survey methods, such as geological survey, drilling, engineering geophysics, excavated tunnel investigation, plate-loading test and laboratory tests were adopted, and the slope stability and the key engineering site seismic safety were researched. The engineering geological conditions such as stratigraphic-lithologic, tectonic formation and unfavorable geology, discontinuity surfaces properties of slope rock mass, depth of weathering rock mass zone and unloading fracture zone, bearing capacity of foundation and site stability were identified. Since the comprehensive survey methods were suitable for the bridge, and the survey results were accurate, the detailed and reliable geological data were provided for the super major bridge site selection, determination of bridge type and span, foundation setting of arch abutment and computation and analysis of design.

Kunming-Nanning railway； Nanpanjiang River； long-span arch bridge； compressive survey method； bearing capacity of foundation； slope stability

2016-02-29

宋章(1977-)，男，高级工程师。

国家铁路局科技研究计划(KF2014-019)，中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G014-B)，中铁二院工程集团有限责任公司科研项目(院计划14126005(14-17))

1674—8247(2016)04—0083—06

U212.22

A