蘭新第二雙線西山路立交特大橋地震安全性評價(jià)

許 磊

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)

2008年5月12日汶川大地震造成的重大災(zāi)害給國家和人民留下了難以磨滅的記憶。痛定思痛,既然自然災(zāi)害無法抗拒,人們開始更加重視預(yù)防自然災(zāi)害,盡量減少自然災(zāi)害帶來的災(zāi)難。而作為國家重點(diǎn)基礎(chǔ)工程的鐵路工程承載了中國的交通、經(jīng)濟(jì)等關(guān)系民生的重任。高烈度地震區(qū)擬建工程的地震安全性評價(jià)越來越受到關(guān)注。

1 工程簡介

蘭新第二雙線位于甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區(qū)三省區(qū)。線路東起甘肅省省會蘭州市,途經(jīng)青海省民和縣、樂都縣、平安縣至青海省會西寧,后折向北經(jīng)大通縣、門源縣,穿越祁連山山脈進(jìn)入甘肅省河西走廊西行,經(jīng)民樂縣、張掖市、臨澤縣、酒泉市、嘉峪關(guān)市、玉門市,以及新疆自治區(qū)哈密市、鄯善縣、吐魯番市,西至新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊市。線路建筑長度1 786.125 km,新疆段長722.641 km。

在蘭新鐵路新疆公司籌備組(建設(shè)單位)、地質(zhì)及橋梁專業(yè)(鐵一院)、新疆防御自然災(zāi)害研究所等專業(yè)及部門配合下,本次勘測工作需對部分重大工程如西山路立交特大橋進(jìn)行安全性評價(jià),為特大橋工程設(shè)計(jì)提供抗震設(shè)防依據(jù)。

西山路立交特大橋位于烏魯木齊市沙依巴克區(qū),橋梁蘭州臺位于雅山下,經(jīng)過既有鐵路、天山塑鋼廠、新建交通廳西山消防器材廠等,橫跨西山路,烏魯木齊臺位于新疆中泰化學(xué)股份有限公司貨場內(nèi)。

2 自然地理概況[1]

2.1 地形地貌

橋址位于山前緩坡與沖洪積平原交接地帶,為雅山西北麓及烏魯木齊古河床,地形起伏,地勢南高北低,地面高程874.8～907 m,相對高差約32 m。

2.2 氣象特征

本段屬中溫帶干旱大陸性氣候區(qū)。其特點(diǎn)是氣候干燥,旱季長、雨季短,降雨量較少且集中,晝夜溫差變化較大,春、秋季多風(fēng),夏季短促,冬季寒冷。年平均氣溫6.9℃(烏魯木齊)～7.3℃(烏魯木齊西),極端最高氣溫42.1℃,極端最低氣溫-41.5℃,年平均降雨量271.4mm,平均風(fēng)速2.4 m/s,主導(dǎo)風(fēng)向NW,年均大風(fēng)日數(shù)(≥8級)17.5 d。

2.3 地震動(dòng)參數(shù)

烏魯木齊市地處北天山強(qiáng)震帶,是全國20個(gè)“大城市活斷層探測與地震危險(xiǎn)性評價(jià)”工作的城市之一。北天山地震帶,東起哈密以東,向西延入哈薩克斯坦共和國境內(nèi)。大體呈近東西向帶狀分布,包括了北天山強(qiáng)烈隆起區(qū)北部和天山北麓最新隆起。地震活動(dòng)以近東西向的跳躍為主,震源深度多為10～35 km,具有活動(dòng)強(qiáng)度大、頻度低、西強(qiáng)東弱特點(diǎn),地震活動(dòng)在時(shí)間上有集中分布,空間分布上相對集中和東西對遷的特點(diǎn)。

烏魯木齊市地震動(dòng)峰值加速度0.20g,相當(dāng)于地震基本烈度8度,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40 s。

2.4 地層巖性

橋址范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土,第四系上更新統(tǒng)洪積粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土、粗角礫土、粗圓礫土,下伏侏羅系中統(tǒng)砂巖夾頁巖和二疊系上統(tǒng)砂巖夾頁巖。既有路堤為人工填筑細(xì)圓礫土?，F(xiàn)將各地層巖性特征詳述如下。

(1)人工填筑土(Q4ml6)：分布于既有路堤及工點(diǎn)內(nèi)局部地表,成分以碎石土、粉質(zhì)黏土、粗圓礫土等為主。厚0.5～5 m,灰褐色,稍密—中密,稍濕。

(2)粉質(zhì)黏土(Q4pl1)：灰褐色,橋址局部以透鏡體形式存在,厚1～9 m,含有錳質(zhì)結(jié)核,含礫石約占20%,硬塑。

(3)細(xì)角礫土(Q3pl6)：為工點(diǎn)范圍內(nèi)的主要地層,小里程側(cè)厚度5～15 m；大里程側(cè)厚度一般大于30 m。褐黃色,尖棱、棱角狀,成分以砂巖、石灰?guī)r為主,顆粒不均。粒徑2～20 mm約占50%,大于20 mm約占5%,余為中、細(xì)砂及粉、黏粒充填,其中中、細(xì)砂約占20%,粉、黏粒約占20%,巖芯呈散裝、柱狀,潮濕—飽和,中密—密實(shí)。

(4)粗角礫土(Q3pl6)：透鏡狀分布于細(xì)角礫土層中,厚度約10 m?；尹S為主,尖棱、棱角狀,成分以砂巖、石灰?guī)r為主,顆粒不均。最大粒徑80 mm,粒徑2～20 mm約占20%,粒徑20～60 mm約占50%,大于60 mm約占5%,余為中、細(xì)砂及粉、黏粒充填。其中細(xì)砂約占15%,粉、黏粒約占5%,巖芯呈散狀,柱狀,飽和,中密—密實(shí)。

(5)粗圓礫土(Q3pl6)：分布于大里程側(cè)細(xì)角礫土之下,厚度大于10 m?；尹S色為主,圓棱狀,顆粒不均,成分以砂巖、石灰?guī)r為主,最大粒徑100 mm。粒徑2～20 mm約占5%,粒徑20～60 mm約占65%,大于60 mm約占10%,余為中、細(xì)砂及粉、黏粒充填。其中中、細(xì)砂約占15%,粉、黏粒約占5%,巖芯呈散狀,柱狀,飽和,中密—密實(shí)。

(6)砂巖夾頁巖(P2Ss+Sh)：砂巖為灰色、灰綠色,砂狀結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,鈣質(zhì)膠結(jié)。頁巖為黃灰色、灰色,薄厚層狀構(gòu)造,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層間結(jié)合力差。風(fēng)化層厚4～6 m,節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖石破碎。

(7)砂巖夾頁巖(J2Ss+Sh)：分布于細(xì)角礫土之下,埋深從5.5～50 m逐漸變厚。該層以砂巖為主,頁巖次之。砂巖為灰色、灰綠色,砂狀結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,鈣質(zhì)膠結(jié)。頁巖為黃灰色、灰色,薄厚層狀構(gòu)造,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層間結(jié)合力差。風(fēng)化層厚4～6 m,節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖石破碎。

(8)煤層(J2)黑色有光澤,質(zhì)地細(xì)致,有黏性,巖芯呈5～30 cm的柱狀,燃點(diǎn)不太高,富含有機(jī)質(zhì)。

3 工作方法

本次工作采用地質(zhì)勘探與物探、地震安評結(jié)合方法,先利用既有資料確定斷裂大致位置,再利用高密度電法確定斷裂帶準(zhǔn)確位置,最后地質(zhì)勘探進(jìn)行驗(yàn)證。綜合以上各種手段,豐富了地質(zhì)勘察資料,使地質(zhì)資料更完善、詳盡,為抗震設(shè)防提供依據(jù)。

3.1 布置物探

為了進(jìn)一步落實(shí)西山斷裂帶南支(f7-1)通過線路的位置和斷層的活動(dòng)性,在斷層可能通過場地的地段布設(shè)一條高密度電法物探剖面。利用西山路立交特大橋近場區(qū)地震構(gòu)造圖中西山斷裂位置,結(jié)合新建鐵路蘭新第二雙線的走向,布置物探斷面查找斷帶。

(1)探測方法及原理

高密度電法是物理勘探方法之一。它是以巖土介質(zhì)的電阻率差異為基礎(chǔ),通過觀測和研究人工建立在地下土層中穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律,間接反映地下巖層和土層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的物理差異性質(zhì)。

本次工作采用的是吉林大學(xué)研制的E60CN型高密度電法儀。該儀器采用程控方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和電極控制?？梢赃M(jìn)行各種裝置的高密度電阻率、雙頻高密度激發(fā)極化儀、自然電位法、充電法等勘探方法的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

本次采用高密度電法中溫納裝置探測,電極間距為2.0 m,電極總數(shù)96個(gè),最大隔離系數(shù)為38,探測深度為30 m。資料處理采用RES2DINV處理軟件。

3.2 物探結(jié)果

物探探測視電阻率成像(如圖1所示[2]),大致以測線中點(diǎn)為界,南邊電阻率值較高,顯示為棕色、黃色、綠色等,15 m以上成層性較好,且水平產(chǎn)狀,為第四系沉積。中點(diǎn)以北,電阻率值較低,呈大塊狀。在測線的65～120 m之間,10 m以下,有一個(gè)特高值電阻率區(qū),阻值高達(dá)40φ/m以上,呈穹隆狀。整個(gè)剖面在探測深度范圍內(nèi)未見錯(cuò)動(dòng)第四系跡象,說明西山斷裂南支在晚更新新統(tǒng)以來沒有明顯活動(dòng)。

圖1 電法剖面DFⅠ-Ⅰ′視電阻率成像(西山特大橋)

3.3 布置勘探

為了驗(yàn)證物探成果的準(zhǔn)確性,最直接、準(zhǔn)確的方法就是鉆探驗(yàn)證。鉆探雖然是“一孔之見”,但最能代表真實(shí)的地層。本次根據(jù)物探解譯結(jié)果,在電阻率異常地帶布設(shè)鉆孔,一者可以檢驗(yàn)物探成果,二者可以在孔內(nèi)取樣測試,以便獲得更多巖土力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)物探結(jié)果,分析物探電阻率剖面圖,在阻值異常地帶布設(shè)D48Z-356、D48Z-389兩個(gè)鉆孔,在電阻異常地帶進(jìn)行勘探。

3.4 鉆探結(jié)果

鉆孔D48Z-356鉆孔揭示,在孔深約30m以上巖性主要為灰黃色砂巖,30～40 m為灰黑色頁巖,40 m以下為灰色砂巖,并夾有厚約5 m的煤層。大致可以將煤層的出現(xiàn)定為侏羅系地層,以上定位二疊系地層。二疊系超覆于侏羅系之上,可以認(rèn)為此處有斷層通過,與雅瑪里克斷層相符合。

鉆孔D48Z-389在孔深47.7～60 m采集的侏羅系地層巖芯十分破碎,與相鄰兩鉆孔巖芯完整性差異較大,結(jié)合物探結(jié)果,基本可以確定此處有斷層通過,即西山斷裂。

鉆探結(jié)果顯示,斷層位置大致與物探探測結(jié)果相吻合。兩種勘察手段相互驗(yàn)證,互為依據(jù)。

4 斷層活動(dòng)性評價(jià)

綜合利用地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等多種勘測手段,得出西山斷裂位置、性質(zhì)和活動(dòng)特點(diǎn),進(jìn)而得出工點(diǎn)范圍內(nèi)地震活動(dòng)性特征,為工程抗震設(shè)防提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

4.1 雅瑪里克斷裂

從橋址東南緣通過,逆斷層,寬30～50 m,為中更新統(tǒng)斷層,從橋址北側(cè)通過,斷層產(chǎn)狀N45～55°E/55～65°S。與線路相交里程段落為 DK1885+282～DK1885+322。

4.2 西山斷裂北支

從橋址北側(cè)通過,逆斷層,寬約60 m,斷層走向N40°E,傾向NW,為晚更新統(tǒng)斷層,距橋址最近距離為78 m。

4.3 西山斷裂南支

從橋址中部通過,逆斷層,走向近 EW,傾向 N,為早-中更新統(tǒng)隱伏斷層,與線路相交里程段落為DK1886+452 ～DK1886+482。

5 地震活動(dòng)性特征

1970年以前,西山路立交特大橋場地近場區(qū)發(fā)生過1934年烏魯木齊東北6級地震和3次5級地震,中等地震活動(dòng)較強(qiáng)。1970年以來發(fā)生過1級以上地震1287次,其中3.0～3.9級地震 32次,4.0～4.9級地震3次,屬微、小地震活躍區(qū)。場區(qū)(場地5 km范圍內(nèi))發(fā)生過1級以上地震20次,其中1982年10月8日發(fā)生過烏魯木齊4.0級地震,微、小震較活躍。

6 地震活動(dòng)性評價(jià)及地震地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)

西山路立交特大橋場區(qū)分布有第四系以來有活動(dòng)的斷裂：雅瑪里克斷裂、西山斷裂,這兩條斷裂具備發(fā)生6級地震的構(gòu)造條件。

由于西山路立交特大橋通過區(qū)沒有全新統(tǒng)斷層通過,這些斷層未來產(chǎn)生地震地表斷層的可能性不大。

7 結(jié)論

根據(jù)場地地震危險(xiǎn)性分析和場地工程地質(zhì)條件勘察,進(jìn)行場地地震反應(yīng)分析,確定西山路立交特大橋不同概率水平下的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)(見表1)。

表1 西山路立交特大橋場地地表水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

[1]新疆防御自然災(zāi)害研究所.新建鐵路蘭新第二雙線烏魯木齊段特大橋工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告[R].烏魯木齊：新疆防御自然災(zāi)害研究所,2009

[2]鐵道第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社,1999

[3]TB1001—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[4]中華人民共和國建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社,2006

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社,2001