基于區(qū)域和工程穩(wěn)定性的綠汁江大橋選址方案論證研究

方健 魯志強(qiáng) 尹小濤 袁從華

摘要 橋梁是跨越河流溝谷的重要交通工程之一，橋址邊坡的穩(wěn)定性決定了坐落其上的橋梁建構(gòu)筑物的安全性，是橋梁選址的重要依據(jù)。以彌楚高速公路綠汁江大橋選址為研究對(duì)象，根據(jù)區(qū)域構(gòu)造、地層巖性和不良地質(zhì)現(xiàn)象等對(duì)橋位的不利影響，定性評(píng)估了B4和B6橋位的可行性;根據(jù)工程穩(wěn)定性，定量評(píng)估了2個(gè)橋位的優(yōu)劣，所得主要結(jié)論如下：1）平推斷層在B6橋位楚雄岸附近的折沖轉(zhuǎn)向容易造成該區(qū)應(yīng)力集中、內(nèi)部巖體破碎，對(duì)B4橋位楚雄岸的影響較小，區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)支持B4橋位;2）根據(jù)自然邊坡安全系數(shù)1.35劃定的滿足工程穩(wěn)定性的區(qū)域，無(wú)治理措施條件下，對(duì)于B6橋位玉溪岸主塔需要后移103 m;楚雄岸支墩需要后移112 m。B4橋位玉溪岸主塔主塔需要后移117 m;楚雄岸支墩無(wú)需后移。滿足穩(wěn)定性要求的主跨，B4橋位819 m，B6橋位1 350 m，B4橋位方案在區(qū)域穩(wěn)定性、工程穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性方面均優(yōu)于B6橋位方案。

關(guān) 鍵 詞 綠汁江大橋;橋梁選址;區(qū)域穩(wěn)定性;工程穩(wěn)定性;建議橋址

中圖分類號(hào) U442.4? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract A bridge is important in traffic engineering for spanning river or gully. The stability of a bridge bank slope determines the safety of bridge buildings that locate on them， which is a key basis for bridge site selection. Site selection of Lüzhijiang bridge in Michu highway is studied. According to the disadvantages for bridge site done by regional tectonic， formation lithology and bad geological phenomenon， the feasibility of B4 and B6 site is qualitatively estimated. According to the engineering stability， two bridge sites are quantitatively compared. Main conclusions are listed as follows： （1） Turning of flat-push fault near B6 Chuxiong side is easy to cause stress concentration and inner rock mass crushing in the region， the fault does little harm to B4 Chuxiong side ， the regional stability estimation supports B4 bridge site. （2） Region meeting to engineering stability is drawn by safety factor being 1.35 of natural slope without reinforcement measures. The distance between main tower of B6 bridge site Yuxi side tower should be moved back 103 m. that of Chuxiong side buttress should be moved back 112 m. The distance between main tower of B4 bridge site Yuxi side tower should be moved back 117 m. that of Chuxiong side buttress need not be moved. B4 bridge site with 819m span is better than B6 site with 1 350 m span in regional stability， engineering stability and economy.

Key words Lüzhijiang bridge; bridge site selection; region stability; engineering stability; suggested bridge site

0 引言

橋梁是連通峽谷地形兩岸的重要交通控制工程，根據(jù)橋型的不同，橋基、錨碇等附屬建構(gòu)筑物需要修建在兩岸橋址邊坡的不同高程位置。工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和空間布設(shè)受邊坡自然和工程穩(wěn)定性控制，反之工程建設(shè)也會(huì)極大地改變自然地形和自然邊坡的穩(wěn)定性。因此，需要謹(jǐn)慎的選擇架設(shè)橋梁的位置，在橋址邊坡的穩(wěn)定性、橋梁選型之間，在經(jīng)濟(jì)性和安全性之間，在短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之間，尋找平衡，從而選定最優(yōu)的橋址。

目前對(duì)于橋梁選址方面的研究，多集中在以下幾方面：1）橋梁選址方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[1-4];2）基于航道通航的橋梁選址[5-6];3）基于區(qū)域穩(wěn)定的橋梁選址[7-8];4）基于工程穩(wěn)定性的橋梁選址[9-13]。

本文以綠汁江大橋的選址為背景，在地面調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用區(qū)域穩(wěn)定性論證橋位的可行性;在工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，基于經(jīng)濟(jì)性和安全性優(yōu)化橋位。綜合區(qū)域穩(wěn)定性和工程穩(wěn)定性，推薦綠汁江大橋最優(yōu)橋位。

1 工程概況

彌勒至楚雄高速公路易門至楚雄段是《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年-2030年）》和《云南省道網(wǎng)規(guī)劃（2014—2030年）》中廣昆高速聯(lián)絡(luò)線（G8012）彌勒至楚雄高速公路的重要組成部分，也是云南省滇中城市經(jīng)濟(jì)圈大外環(huán)的的重要組成部分。連接玉溪、楚雄最便捷的公路通道，是昆磨高速（G8511）和杭瑞高速（G56）的重要聯(lián)絡(luò)線。

項(xiàng)目路線起于云南省玉溪市易門縣，起點(diǎn)接同期規(guī)劃的玉溪至易門高速，跨綠汁江，過(guò)楚雄雙柏縣、楚雄市，與杭州至瑞麗高速（G56）交叉后，止點(diǎn)接規(guī)劃省高楚雄至大姚高速公路起點(diǎn)。彌勒至楚雄高速公路玉溪至楚雄段是玉溪、楚雄兩州市最便捷的公路通道。項(xiàng)目主線擬按四/六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度為26.0 m/33.5 m。其中：K0+000～K71+270（即峨山～易門段）全長(zhǎng)70.258 km，路基寬度為33.5 m;K71+270～K138+400（即易門～雙柏段）全長(zhǎng)67.130 km，路基寬度為26 m;K138+400～K189+730（即雙柏～楚雄段）全長(zhǎng)51.330 km，路基寬度為26 m。最大縱坡4%，汽車荷載等級(jí)為公路-Ι級(jí)，圓曲線最小半徑為360 m。

綠汁江大橋?yàn)榭缭骄G汁江而設(shè)，橋位選線區(qū)位于綠汁鎮(zhèn)北西面、李家村南東側(cè)的綠汁江大峽谷之上，大橋以東-西走向近垂直的角度跨越綠汁江。推薦橋型方案為懸索橋，有單墩、雙墩和無(wú)墩3種方案，主塔置于綠汁江兩岸的陡峭斜坡或懸崖下相對(duì)平緩的斜坡上，采用群樁承臺(tái)基礎(chǔ);錨碇采用隧道錨。橋梁兩端連接公路隧道。

橋址區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕溶蝕-高中山地貌區(qū)，位于小綠汁基底褶斷區(qū)內(nèi)，綠汁江大斷裂（F1）位于橋址區(qū)北西面約 1 000～1 200 m，該斷裂斷層面向東傾斜，傾角55°～65°，為高角度逆斷層，屬長(zhǎng)期活動(dòng)的復(fù)雜大斷裂，斷層破碎帶主要發(fā)育有斷層角礫巖、硅化巖及糜棱巖等，破碎帶寬度約100～500 m;斷層附近巖層受該斷層的影響，巖石異常破碎、產(chǎn)狀多變、擠壓揉皺產(chǎn)生的小撓曲多見(jiàn)。覆蓋層主要為第四系殘坡積（Q4el+dl）與沖洪積（Q4al+pl）地層，下伏基巖為前震旦系昆陽(yáng)群綠汁江組（Pt1kN2l）地層，巖性為灰、淺灰、灰白、深灰色白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾薄層黑色板巖，風(fēng)化性較弱，多中風(fēng)化大塊狀，巖層產(chǎn)狀270°～275°∠58°～68°。巖石大多裸露，沿江兩岸多形成懸崖絕壁，地勢(shì)極為險(xiǎn)峻，巖溶不發(fā)育至稍發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬，多呈厚至巨厚層狀，地形較陡。玉溪岸巖層產(chǎn)狀順傾，地形坡度相對(duì)平緩;楚雄岸巖層產(chǎn)狀反傾，但存在多個(gè)陡傾軟弱結(jié)構(gòu)面，地形坡度相對(duì)較陡。基巖裸露受多條小型沖溝切割，岸坡上陡崖多呈三面臨空姿態(tài)。橋址邊坡的穩(wěn)定性對(duì)大橋建設(shè)至關(guān)重要。

利用工程類比法、規(guī)范建議值和室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合調(diào)查得到的橋址邊坡歷史穩(wěn)定狀態(tài)，綜合確定了符合橋址邊坡歷史和當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)的B4和B6橋位楚雄岸和玉溪岸橋址邊坡的強(qiáng)度參數(shù)，綜合建議參數(shù)統(tǒng)計(jì)列于表1和表2。

經(jīng)過(guò)調(diào)查，僅對(duì)可操作性和實(shí)施性強(qiáng)的B6和B4橋位進(jìn)行論證。該區(qū)橋址岸坡穩(wěn)定性控制要素為：

1）玉溪岸：①白云質(zhì)灰?guī)r巖體強(qiáng)度參數(shù);②優(yōu)勢(shì)陡傾結(jié)構(gòu)面;③調(diào)查發(fā)現(xiàn)的軟弱夾層;④卸荷裂隙帶。

2）楚雄岸：①白云質(zhì)灰?guī)r巖體強(qiáng)度參數(shù);②優(yōu)勢(shì)陡傾和緩傾結(jié)構(gòu)面;③調(diào)查發(fā)現(xiàn)的平推斷層;④卸荷裂隙帶。

后續(xù)分析緊密圍繞這些影響橋位岸坡穩(wěn)定性的控制要素開(kāi)展;岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基于此質(zhì)力學(xué)模型開(kāi)展計(jì)算分析，評(píng)價(jià)這些要素對(duì)橋基邊坡可能產(chǎn)生的不利影響，對(duì)比分析由此造成的施工難度和經(jīng)濟(jì)性，綜合評(píng)估其可行性，建議最優(yōu)橋位。2個(gè)橋位與綠汁江峽谷的空間關(guān)系見(jiàn)圖2。

2 基于區(qū)域穩(wěn)定性的橋位評(píng)估

2.1 B6橋位評(píng)估

在當(dāng)前工作的基礎(chǔ)上，初選的B6橋位立面空間關(guān)系見(jiàn)圖3，主跨約1 180.0 m，其中楚雄岸支墩距離陡壁前緣水平距離約21.9 m。

2.1.1 地質(zhì)上的不利影響

首先B6橋位楚雄岸陡崖前緣與橋臺(tái)的位置在調(diào)查揭示的強(qiáng)卸荷裂隙帶范圍內(nèi)，玉溪岸覆蓋層相對(duì)較厚，見(jiàn)圖4a）和圖4c）;楚雄岸強(qiáng)卸荷裂隙發(fā)育，見(jiàn)圖4b）和圖4d），陡崖處強(qiáng)卸荷裂隙深度為60～90 m，順坡的厚度方向強(qiáng)卸荷裂隙厚度為40～70 m。

2.1.2 歷史崩滑揭示的局部失穩(wěn)的不利影響

雖然楚雄岸為反傾坡，但楚雄岸普遍有一組順坡向的節(jié)理面，產(chǎn)狀近90°<20°，卸荷裂隙面為近直立傾向，傾角普遍在75°以上，可形成組合滑移。岸坡存在局部崩滑的可能。

2.1.3 平推斷層的不利影響

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，楚雄岸的地形、地貌與露頭均揭示該區(qū)發(fā)育一個(gè)規(guī)模有限的，但足以對(duì)工程穩(wěn)定性造成影響的平推斷層。該斷層歷經(jīng)多期運(yùn)動(dòng)，在B6橋位楚雄岸陡崖順河折向玉溪岸，同時(shí)在楚雄岸陡崖上的微地形地貌揭示其在楚雄岸仍有一定延伸，轉(zhuǎn)折部位的應(yīng)力集中，一方面容易造成的大范圍的巖體破碎，另一方面足以對(duì)楚雄岸墩臺(tái)位置突出部的區(qū)域穩(wěn)定性造成一定影響。同時(shí)玉溪岸臨下游方向的陡崖的形成也與其有關(guān)，不過(guò)由此造成的不利影響相對(duì)楚雄岸要弱一些。小構(gòu)造活動(dòng)與卸荷作用相互影響下，會(huì)形成區(qū)域穩(wěn)定性對(duì)B6橋位的不利影響，同時(shí)兩者相互作用，也會(huì)加劇墩臺(tái)長(zhǎng)期安全問(wèn)題。

綜上，該區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性、強(qiáng)卸荷作用和結(jié)構(gòu)面空間組合滑移模式均會(huì)造成B6橋位的長(zhǎng)期安全問(wèn)題，形成制約工程安全的客觀條件，同時(shí)加大了工程處理的難度。

2.2 B4橋位評(píng)估

B4橋位立面空間關(guān)系見(jiàn)圖7，主跨約780.0 m，其中玉溪岸主塔基本在軟弱夾層位置，主塔臨河側(cè)覆蓋層較厚，也會(huì)存在穩(wěn)定和影響主塔安全問(wèn)題。

2.2.1 地質(zhì)上的不利影響

B4橋位玉溪岸地形相對(duì)較緩，下部覆蓋層相對(duì)較厚，頂部陡崖強(qiáng)卸荷裂隙發(fā)育，見(jiàn)圖8c）。在該處陡崖強(qiáng)卸荷裂隙深度為20～40 m，順坡的厚度方向強(qiáng)卸荷裂隙厚度為30～50 m;B4橋位楚雄岸相對(duì)較陡峻，基本沒(méi)有可以設(shè)置橋墩的位置，楚雄岸強(qiáng)卸荷裂隙發(fā)育，見(jiàn)圖8d）。陡崖處強(qiáng)卸荷裂隙深度為60～90 m，順坡的厚度方向強(qiáng)卸荷裂隙厚度為40～70 m。

兩岸上部邊坡當(dāng)前均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但存在局部崩滑的長(zhǎng)期安全問(wèn)題，需要進(jìn)行預(yù)先處理。

2.2.2 平推斷層的不利影響

小斷層對(duì)于B4橋位楚雄岸的影響相對(duì)有限，即斷層的平推作用對(duì)陡崖以后邊坡的影響相對(duì)有限，陡崖的安全問(wèn)題主要是卸荷裂隙造成的，而斷層破碎帶的存在某種意義上限制了卸荷裂隙往更深部的擴(kuò)展，這一點(diǎn)從B4橋位楚雄岸同側(cè)上游采石場(chǎng)的出露照片也有反映，即斷層破碎帶臨坡面一側(cè)張開(kāi)度大些，往內(nèi)逐步減弱。

綜上，該區(qū)的強(qiáng)卸荷作用和結(jié)構(gòu)面空間組合滑移模式均會(huì)造成B4橋位楚雄岸的長(zhǎng)期安全問(wèn)題;卸荷作用、軟弱結(jié)構(gòu)面和順層結(jié)構(gòu)面組合滑移會(huì)造成B4橋位玉溪岸的長(zhǎng)期安全問(wèn)題。

3 基于工程穩(wěn)定性的橋位評(píng)估

3.1 B6橋位橋址岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1.1 玉溪岸

玉溪岸不考慮前部堆積體的影響，則陡傾結(jié)構(gòu)面、強(qiáng)卸荷裂隙帶和緩傾結(jié)構(gòu)面組合可能產(chǎn)生的滑移模式如圖9所示，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

從圖9和表3可知，在陡崖往后103.4 m處左右，潛在滑面的安全系數(shù)在自然狀態(tài)下為1.35，地震條件下為1.19，滿足工程穩(wěn)定性要求。

3.1.2 楚雄岸

考慮陡傾結(jié)構(gòu)面、強(qiáng)卸荷裂隙帶和緩傾結(jié)構(gòu)面組合可能產(chǎn)生的滑移模式如圖10所示，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

從圖10和表4可知，在陡崖往后114.0 m處左右，潛在滑面的安全系數(shù)在自然狀態(tài)下為1.34，地震條件下為1.18，滿足工程穩(wěn)定性要求。

3.2 B4橋位橋址岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.2.1 玉溪岸

玉溪岸不考慮前部堆積體的影響，則陡傾結(jié)構(gòu)面、強(qiáng)卸荷裂隙帶和緩傾結(jié)構(gòu)面組合可能產(chǎn)生的滑移模式如圖11所示，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

從圖11和表5可知，在陡崖往后108.5 m處左右，潛在滑面的安全系數(shù)在自然狀態(tài)下為1.35，地震條件下為1.21，滿足工程穩(wěn)定性要求。

3.2.2 楚雄岸

1）頂部陡坎

楚雄岸頂部陡坎處陡傾結(jié)構(gòu)面、強(qiáng)卸荷裂隙帶和緩傾結(jié)構(gòu)面組合滑面布置如圖12所示，計(jì)算數(shù)見(jiàn)表2。

從圖12和表6可知，在陡崖往后45.7 m處左右，潛在滑面的安全系數(shù)在自然狀態(tài)下為1.37，地震條件下為1.21，滿足工程穩(wěn)定性要求。

2）支墩位置邊坡

楚雄岸支墩位置陡傾結(jié)構(gòu)面、強(qiáng)卸荷裂隙帶和緩傾結(jié)構(gòu)面組合滑面布置如圖13所示，計(jì)算數(shù)見(jiàn)表2。

由圖13和表7計(jì)算結(jié)果可知，2號(hào)滑面，即在陡崖往后50.6 m處左右，其自然狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.35，地震條件下的安全系數(shù)為1.21，滿足工程穩(wěn)定性要求。這與強(qiáng)卸荷裂隙發(fā)育的厚度相吻合。

3.3 基于工程穩(wěn)定性的最優(yōu)橋址比選

經(jīng)過(guò)區(qū)域穩(wěn)定性和橋址邊坡穩(wěn)定性的綜合評(píng)估，B4橋位相對(duì)于B6橋位在區(qū)域穩(wěn)定的角度，更安全。邊坡穩(wěn)定性量化評(píng)估的安全距離結(jié)果統(tǒng)計(jì)列于表8。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)地勘和測(cè)繪的難度與精度，保守起見(jiàn)，對(duì)于認(rèn)為陡崖當(dāng)前計(jì)算安全距離再往后20 m設(shè)置橋位能較好的滿足工程穩(wěn)定性需要。安全距離是基于自然邊坡1.35穩(wěn)定界限，且不考慮工程措施的條件下，在其外自然邊坡不會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的受力，在其內(nèi)橋梁及其附屬結(jié)構(gòu)受邊坡工程穩(wěn)定的影響;20 m是基于調(diào)查發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)卸荷裂隙普遍發(fā)育厚度考慮的數(shù)值。采用此方案后的建議安全距離見(jiàn)下表9。對(duì)于B6橋位玉溪岸原有主塔位置與邊坡前緣距離21.0 m<計(jì)算得到的安全距離124 m，主塔需要后移103 m;楚雄岸支墩位置與邊坡前緣距離22.0 m<安全距離134 m，支墩需要后移112 m。B4橋位玉溪岸主塔位置與邊坡前緣距離12 m<安全距離129 m，主塔需要后移117 m;楚雄岸原有支墩位置與邊坡前緣距離69 m>計(jì)算得到的安全距離71 m，無(wú)需后移。

根據(jù)工程穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，B6橋位的主跨遠(yuǎn)大于B4橋位，在經(jīng)濟(jì)性上，B6不如B4。

3.4 綜合考慮區(qū)域和工程穩(wěn)定性的橋梁選址方法

區(qū)域穩(wěn)定性和工程穩(wěn)定性對(duì)橋梁選址的影響，一般區(qū)域穩(wěn)定性居主導(dǎo)作用，因?yàn)槠溆绊懛秶鄬?duì)較大，處理技術(shù)難度大，因而如果區(qū)域穩(wěn)定性不支撐橋梁選址，則工程穩(wěn)定性的影響可不考慮。

工程穩(wěn)定性的影響次之，其對(duì)橋梁選址的影響一般受當(dāng)前工程技術(shù)水平、當(dāng)?shù)氐木唧w情況和相對(duì)于替代方案的經(jīng)濟(jì)性和安全性制約。一般是在可處理基礎(chǔ)上的優(yōu)化，或者考慮環(huán)保和人文環(huán)境的綜合影響。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)區(qū)域穩(wěn)定性，B6橋位受交匯小斷層f1和f2的影響，B4橋位受該平推斷層的影響有限，區(qū)域穩(wěn)定性支撐B4橋位。

根據(jù)工程穩(wěn)定性，B6橋位，玉溪岸主塔需后移103 m，楚雄岸支墩需后移112 m，滿足工程穩(wěn)定性的主跨為1 350 m;B4橋位，玉溪岸主塔需后移117 m，楚雄岸支墩無(wú)需后移，滿足工程穩(wěn)定性的主跨為819 m，工程穩(wěn)定性支撐B4橋位。

綜合對(duì)比的最優(yōu)方案為B4方案，無(wú)論采取那個(gè)橋位，均需考慮兩岸上部陡崖局部崩滑對(duì)主塔或者支墩的威脅。

在支墩和錨碇開(kāi)挖部位，需重視強(qiáng)卸荷裂隙帶的影響，在施工暴露和采取一定調(diào)查手段的基礎(chǔ)上，盡可能弄清其范圍，可采取一定深度的封閉或者灌漿加固處理。

在施工過(guò)程中，盡可能做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，施工發(fā)現(xiàn)和揭露的不良工程問(wèn)題需要及時(shí)反饋給勘察設(shè)計(jì)部門，同時(shí)建議做好安全監(jiān)控工作。

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[責(zé)任編輯 楊 屹]