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阿富准铁路喀腊塑克水库特大桥工程地质勘察

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获奖年度2023

专业分类工程勘察

获奖等级三等奖

设计单位新疆铁道勘察设计院有限公司

设计人员胡鸣明、邹波、刘新元、段青龙、魏永杰、罗新文、祁延录、李景贤、赵加海、魏军、杨岁军、李文杰、金宜磊、吴鹏、李新、欧阳克钊、李斐、张伟杰、陆睿哲、苏世强

项目简介

新建阿富准铁路西起阿勒泰站,沿阿尔泰山南麓向东跨越喀腊塑克水库,后线路折向南,跨乌伦古河经恰库尔图,至准东北站北端接入乌(北)-将(军庙)铁路,正线长约420公里,国铁 级客货共线单线铁路,有砟轨道,设计时速为120km/h。 喀腊塑克水库特大桥是阿富准铁路技术含量最高、建设规模最大、单位工程投资最多的重点控制性工程,为目前国内跨度最大单线铁路混凝土矮塔斜拉桥,同时也是严寒区首座铁路矮塔斜拉桥,其位于新疆富蕴县境内喀腊塑克水利枢纽淹没区,桥址地处新疆北部严寒地带。全桥孔跨布置为9-32m简支梁+(140+270+140)m矮塔斜拉桥+3-32m+1-24m)简支梁,桥长981.49m。工程造价15602万元。

一、项目特点

喀腊塑克水库特大桥是高墩大跨特殊结构桥梁,也是阿富准铁路的重点控制性工程。桥址处水库水面宽400m、有2个主墩位于水库中,桥址具水深岸陡、水上钻探施工难度大等特点。另外,本桥11号主墩位于高陡岸坎上,山体陡峻,基岩出露,岩石节理裂隙发育,岩体极为破碎,坡面稳定性差。

二、项目难点

(一)水库水面宽阔、水深,勘察技术难度大

桥址区位于喀腊塑克水库库区,水面宽度400m,水深变化大,最深处达65m,受库容调节,年水位变幅约10m。本桥9号、10号主墩位于水中,定测期间墩台处水深分别为5m、20m。经水下声呐测绘显示:水下地形较为复杂。同时因本水库为重要水源地,对钻探施工环保要求极高。

(二)岸坡陡立、岩体破碎、岸坎稳定性对主墩影响较大

桥址处原为喀腊额尔齐斯河河道,河谷深切,岸坡高陡,主跨的11号墩直接位于岸坡坡顶,岸坎高约90m,自然坡度上陡下缓,上部40m岸坎近乎直立(坡度约80°),下部50m稍缓(约35°),山体基岩出露,但岩石表面经风化剥蚀十分破碎。岸坡的稳定与否、桥墩距离陡坎边缘的距离直接影响到特大桥建设的成败。

(三)桥梁结构复杂、高墩大跨,地质勘察精度要求高

喀腊塑克水库特大桥主跨为140+270+140m 矮塔斜拉桥,其主墩高达54m,路肩与沟底高差最大处约102m。高烈度区及特殊的桥梁结构对持力层深度、岩土体物理力学参数的确定以及地震作用均提出了高精度的要求。

三、主要技术水平及先进性

(一)科学合理评价岸坎稳定性、边坡稳定角及墩台位置

 本桥11号主墩位于富蕴端岸坎上,特大桥的修建,桥墩荷载所引起的侧向应力,将导致陡坎坡顶应力的增加,对边坡稳定性带来较大影响,甚至可能使变形加剧,所以大桥墩台基础应置于稳定坡角线以外或基础置于稳定坡角以下的完整岩体内。正确合理的确定岸坎边坡稳定角以及评价墩台稳定性,对特大桥意义重大。

在本桥全阶段勘察过程中,采用地质钻探、孔内物探及室内试验等综合手段作了大量地质勘察工作,查明了11号墩的工程地质条件和水文地质条件。在汇集大量勘察资料的基础上,根据渐进破坏分析及有限元分析选择应力最为集中的陡缓交界变坡点作为评价边坡稳定性的坡角。

1、岩质边坡稳定性分析

通过墩台处主要结构面的持平投影分析,各结构面各组合处于稳定状态,只有片理面与J1组合使岸坡岩体呈块状、片状崩塌脱落,不具备沿大型结构面滑动的条件。

2、边坡稳定角的确定

通过持平投影法作图,得出边坡稳定边坡角为74°~78°。通过不均质理论近似计算,稳定岸坡角为62.5°。

由于边坡大部分位于水面以下,水库不可避免的对边坡稳定性产生不利影响。岸坎稳定边坡角建议采用60°。

3、墩台位置的调整

11号墩台基础共设置30根直径2.5m的矩形桩群,纵向桩间距为5.4m。2017年4月施工单位对岸坎上部10m山体进行了爆破开挖,使得原地貌发生较大变化,受爆破施工及水库卸荷影响,边坡出现裂缝及小规模岩块塌落。

我院对现场进行了补充地质调绘、地形测绘以及钻探和室内试验。补测2条垂直岸坡走向的剖面,按稳定边坡角按60°考虑,以陡缓交界点为坡角点,绘制了墩台平面边坡稳定边界图。通过分析:建议对钻孔桩位置进行适当调整,桥梁主孔跨由原勘察期间的135+260+135m调整为 140+270+140m,确保了墩台的安全。

(二)科学的进行场地地震安全性评估

桥址位于高烈度区,本桥为复杂结构桥梁,为保障特大桥的安全,开展了本桥的地震安评专项工作。根据钻孔资料,利用不同岩性土的物理学参数及土类动力特性参数建立计算模型,输入基岩人造地震波进行场地土层地震反应分析,得到地表峰值加速度及反应谱特征周期。综合分析确定特大桥场地不同概率水平下的设计地震动参数。专项评估为特殊桥梁设计提供了可靠参数。

(三)合理安排钻探,取得良好效果

本次定测期间水库中孔位处水深分别为5m、20m。地质组首先通过大范围的地质调绘、区域地质图、蓄水前的卫星影像图的收集以及喀腊塑克水库既有勘察资料推定:两水下桥墩处基岩面埋深小于1m,以片岩为主,强风化层厚度约2m。根据工期及资料分析,决定先按收集的资料指导设计,施工单位进场后进行补勘。

2017年3月,施工单位水中栈桥搭设完毕。我院组织钻机对9号墩补勘1孔,对10号墩补勘9孔。水库钻探施工前做好环保预案,采用“清水护壁+套管”钻进方式,严格把控废油、废物的排放,最大限度的减少了对水库的影响。根据补勘资料对原设计桩长进行了调整,平均桩长调整约1m。

经施工验证,墩台地质情况与勘察资料相符。通过水上钻探的实施,对10号墩的30根桩长进行了优化,节约了建设投资。因11号墩现场因施工爆破和水库卸荷引起场地地质条件的变化,通过对墩台的补充勘察,为桥梁孔跨的调整提供了依据,保证了特大桥的建设安全。