阿爾及利亞東西高速公路M3標段工程地質勘察研究

韓 信

(中國土木工程集團有限公司, 北京 100038)

1 概述

阿爾及利亞東西高速公路M3標段,全長27.46 km,因其地形地質復雜、氣候條件特殊、安全形勢嚴峻、工程數量規模大、且有2座于白堊系頁片狀泥灰巖(頁巖)中掘進的隧道、40個月的工期及總價封頂的單價合同限制而為業界同仁廣泛關注。

2 M3標段工程地質條件

2.1 地形地貌

路線地形起伏大,溝谷縱橫,地勢陡峻,總體兩端低中間高,高程變化于106～713 m,植被覆蓋率60%～70%,基巖半裸露。路線跨越3個地貌單元,K124+640～K129+000為丘陵，K129+000～K149+650為低山，K149+650～K152+100為河谷。

2.2 氣象

地中海氣候,年平均氣溫9～23 ℃,8月最熱、月平均最高氣溫31.2 ℃,1月最冷、平均最低氣溫5.9 ℃,每年6月～9月為旱季,月平均降雨量15 mm,11月～次年3月為雨季,月平均降雨量為116 mm。總體特點是旱季雨量稀少,但多為暴雨,持續時間短降雨強度大；雨季降雨集中、持續,強度雖不大但歷時長。

2.3 地質構造

2.3.1 區域地質構造

阿爾及利亞位于非洲北部,瀕臨地中海,地處歐洲與非洲板塊結合部前緣,受歐洲板塊推擠,在北部形成一系列東西向構造體系,包括褶皺及斷裂。路線所經地區大地構造上屬近東西向的阿爾卑斯—喜馬拉雅山帶中的阿爾特斯—阿爾卑斯褶皺帶,地中海又是歐亞板塊與非洲板塊的交匯處,構造作用十分強烈,阿爾及利亞北部的阿特拉斯山系近東西向褶皺和逆斷層發育,此段路線位于布那什背斜兩翼,構造擠壓強烈,巖體破碎,新構造活動強度大[1-2]。

2.3.2 褶皺

(1)布那什背斜

布那什是阿斯特拉褶皺帶北部前沿一背斜構造,為一級構造,塑造了M3地層總體分布格局和產出特征：軸向近東西,核部為白堊系頁片狀泥灰巖、含砂巖或石灰巖薄夾層,兩翼為三疊系互層狀泥灰巖、砂巖。受地表徑流侵蝕該構造在M3又形成3段相互獨立的背斜谷地。在建公路在PK132之前橫切背斜北翼,并橫跨背斜核部后一路沿溝谷兩側谷坡背斜南北兩翼展布,見圖1。

圖1 地質構造及線位關系示意

(2)小型(次級)褶曲

小型褶曲非常發育,規模從不足1 m到數米,多見層間、或發育于斷裂破碎帶。

2.3.3 斷裂

斷裂分3類：第一為東西走向逆推斷裂,有斷裂破碎帶,寬度數十到百米延伸達數十公里不等,對高架橋基礎、挖方路段有不同程度影響(圖2(a))；第二為南北走向平錯斷層,規模較前者小,無明確斷裂破碎帶,易形成深切峽谷地貌或造成地層突然錯斷(圖2(b))；第三是次級小型斷層,規模從十幾米到數百米,發育沒有明顯規律,對挖方邊坡及隧道圍巖穩定性有不利影響(圖2(c))。

圖2 某橋位揭露的F3斷裂破碎帶、某邊坡沖溝處平錯斷層、某次級斷裂

2.3.4 節理裂隙

巖性以軟巖為主,節理裂隙普遍延展性不好；泥灰巖中多數呈閉合狀態,偶有夾泥或石膏礦物充填；砂巖多數為張開裂隙,與泥灰巖呈夾層或互層延展性并不好。

2.3.5 片理

發育無明顯規律,受其影響巖體完整性極差,白堊系頁片狀泥灰巖被切割成碎石狀。

2.4 地層巖性

2.4.1 巖性特征

系構造剝蝕地貌,第四系覆蓋層較薄,線路范圍內揭露的巖層主要為第三系和白堊系,但巖性種類較復雜,包括泥巖、泥灰巖、頁片狀泥灰巖、石灰巖、千枚巖、長石石英砂巖、石英砂巖、礫巖、斷層角礫巖等9種。主導巖性為泥灰巖、頁片狀泥灰巖、砂巖,其余僅局部揭露。

(1)泥灰巖(三疊系)

黃綠、青灰色,質地均勻,泥質結構,易崩解,水文性能差,薄～厚層狀構造,含砂巖夾層,局部與砂巖互層,見圖3(a)。單層厚度200～500 mm,局部達2 000 mm。

(2)頁片狀泥灰巖(三疊系),見圖3(b)。

(3)頁片狀泥灰巖(白堊系)

深灰、灰黑色,泥灰質結構,薄層或頁片狀構造,具油脂光澤,層間滑膩,易于裂解,含砂巖夾層,見圖3(c)。

(4)砂巖

灰白、黃灰、青灰色,細粒或中粗粒結構,中薄層狀構造,巖質較硬～堅硬,裂隙發育,耐風化,常呈夾層產出,局部富集,見圖3(d)。

圖3 三疊系泥灰巖、三疊系頁片狀泥灰巖、白堊系頁片狀泥灰巖、砂巖

2.4.2 地層結構

(1)上白堊統(K2)頁片狀泥灰巖

相當森諾曼階,含薄砂巖夾層,構成布那什背斜核部主體地層,見圖4(a),分布于PK132+800～PK143+300、PK145+020～PK146+030、PK146+500～PK152+100,占M3總里程62%。

(2)下第三系(E2)上段泥灰巖或頁片狀泥灰巖

薄層或頁片狀,含砂巖薄夾層,見圖4(b),僅見于丘陵區,分布于PK124+640～PK129+000,累計4.36 km約占M3總里程16%。

(3)第三系(E2)下段泥灰巖夾砂巖

出露于低山區PK129～PK132+500,見圖4(c),位于布那什背斜北翼,累計3.5 km,占M3的13%。

(4)下第三系(E1)互層狀砂巖與頁片狀泥灰巖

分布于低山區PK132+500～800、PK143+300～PK145+020、PK146+030～500段,層厚不足百米,呈帶狀在路線上斷續出露,累計2.5 km,占M3的9%。砂巖中厚層狀,質地堅硬,節理裂隙較發育,單層厚度一般小于0.40 m；頁片狀泥灰巖與砂巖成互層狀產出,層厚比2∶1。砂巖堅硬耐風化,局部形成坡度約40°～60°的陡坡地形,圖4(d)為PK144+046高架橋址出露的互層狀砂巖與頁巖。

圖4 上白堊統泥灰巖、下第三系泥灰巖、第三系泥灰巖夾砂巖、下第三系互層砂巖與泥灰巖

2.5 地表、地下水

2.5.1 地表水

區內溝谷有常年地表徑流,且緊鄰為首都供水的2個水庫,地表水相對豐富。

2.5.2 地下水

M3標段以泥灰巖為主,含水透水性能均很差；雖存在本身裂隙發育具備含水、透水條件的砂巖、石灰巖等,但由于背斜河谷地貌,線位處在斜坡地段,屬補給區。勘探顯示地下水活動極不活躍,無連續穩定地下含水層,基礎及坡面開挖僅個別段落有零星滲水。

2.6 不良地質

2.6.1 滑坡

勘察期間發現的大中型滑坡有4處,其中2處與斷裂破碎帶有關,一處順層滑移,一處強風化帶的淺層滑移,做了改線處理外,其他均屬線外滑坡。

2.6.2 滑塌

滑塌數量眾多,絕大多數是全、強風化層或堆積層碎石土的淺層滑移失穩,與降雨及工程活動密切相關,下伏泥灰巖透水性能差、地表降雨在巖土界面或巖體風化顯著差異部位匯聚有關。

2.7 地震

阿爾卑斯—喜馬拉雅造山帶在地中海地區代表了歐亞和非洲板塊的匯聚區,近年來的空間和大地測量結果顯示在阿爾及利亞北部地區這兩大板塊匯聚速度約為4～5 mm/年。區域大地動力環境造成了阿爾及利亞北部地區強烈的構造變形,形成阿特拉斯山系的褶皺和以逆斷層為主的斷裂構造,屬地震多發地帶,項目所在區地震動峰值加速度為0.25g～0.40g,相當于Ⅷ～Ⅸ度地震區。

3 主要勘察成果

3.1 構造物(地基與基礎工程)

絕大部分構造物位于斜坡場地,地基土主要為傾斜巖層,巖層傾角一般大于30°,地基均勻性差,為不穩定軟巖地基,基礎設計應留有足夠的安全儲備；強風化帶巖體節理裂隙發育、巖體完整性差不宜作為深(樁)基礎的樁端持力層；盡量跨越已發現的斷裂構造,位于斷裂破碎帶的墩臺基礎應盡量置于斷裂帶下盤或預留足夠的安全儲備；基樁設計一般情況均按摩擦樁設計(計入端阻力)；應用設計計算的巖土物理力學參數見表1[3]。阿爾及利亞東西高速公路項目勘察設計施工是執行歐洲(法國)標準規范的,而旁壓試驗[4]是歐洲標準規范[5]中構造物的地質條件評價、淺和深基礎設計中的承載力確定、基礎沉降計算諸多方面的實用可靠方法。

表1 應用于深基礎設計計算的巖土物理力學參數

3.2 路基(邊坡及斜坡)

地處構造剝蝕基巖低山區,線路總體沿斜坡展布,第四系覆蓋層一般不大于3 m厚；路基填方工程,由于基底泥灰巖、頁片狀泥灰巖透水性差,容易導致巖土界面地下水的匯聚；泥灰巖、頁片狀泥灰巖對水極其敏感,故對挖方坡面宜盡快防護、避免長時間暴露[6-8]；路基填筑不宜在雨季施工；采用錨桿支護時應注意巖層與錨桿的傾向、傾角夾角不宜太小；泥灰巖或頁片狀泥灰巖原則上不宜作為路基填料；應用于邊坡工程設計計算的巖土的物理力學參數見表2[3]。

表2 應用于邊坡工程設計計算的巖土的物理力學參數

3.3 隧道

洞身段圍巖局部為砂巖夾頁片狀泥灰巖外,大部分以頁片狀泥灰巖或夾砂巖為主,圍巖類別相對較低、巖層傾角較大、結構面發育、層間結合力較差；隧道掘進過程中遇到一些小型斷裂等含水構造,滲水、涌水將不可避免,施工中應加強預報、做好預案；因地制宜適時采取“以排為主,防、排、截、堵相結合”的處治原則[9]；隧道圍巖等級構成中,Ⅰ號隧道Ⅳ、Ⅴ類圍巖各占31.1%、68.9%,Ⅱ號隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖各占20.8%、68.4%和10.8%,劃分標準是按照法國隧道協會2003年版《應用于地下工程設計的巖體工程特征導則》[10]；洞室圍巖主體以白堊系頁片狀泥灰巖為主,對水敏感、易風化裂解,掌子面開挖及時封閉非常必要；應用于隧道工程計算的巖土體物理、力學參數見表3[3],隧道邊仰坡設計計算的巖土體物理、力學參數見表2[3]。

表3 隧道工程計算巖土體參數

4 施工過程中遇到的主要工程地質問題及對策

4.1 基礎工程

基礎工程施工過程中的主要工程地質問題及對策詳見表4。

4.2 路基工程

沿線糟糕的工程地質條件,加之2008～2009年冬

表4 樁基礎工程施工過程中的主要工程地質問題及對策

季跨度大、時間長的強降雨,導致邊坡防護工程無法實施,排水設施無法跟進,另一方面裸露的緩坡率的開挖邊坡受雨水長期入滲、浸潤、風化,使巖體強度大大降低。2008年11月,當雨季剛剛來臨,PK137頁巖邊坡便產生傾倒變形,進而發展成大型滑坡[8]；隨著持續的降雨,邊坡變形破壞情況進一步加劇,并相繼出現了PK128、PK134、PK144+900、PK144+500(位于棄方場地[11])等一系列滑坡。2009年6月29日PK146+300處再次發生大滑坡,同時潛在滑坡PK146+700前緣也開始出現蠕動變形。大量挖方邊坡的滑移或變形令承包商和業主極為震驚,部分滑坡是地質研究和施工圖設計沒有預計到的。路基工程施工過程中的主要工程地質問題及對策詳見表5。

4.3 隧道工程

隧道掘進過程中的主要工程地質問題及對策詳見表6。

5 結論

(1)阿爾及利亞東西高速公路M3標段主要的地質問題為工程病害多發。沿線分布的老第三系(E)泥灰巖類砂巖和白堊系(K)葉片狀泥灰巖(頁巖),巖性極軟,極易風化,加之構造破碎、遇水軟化,又有一定的膨脹性,是易滑坡地層。從濱海平原向南部低山丘陵區過渡地帶,自然山坡平緩,巖性軟弱、強度低、不易形成高陡斜坡。地下水主要由大氣降水補給,11月至次年3月雨季,降雨量達400～500 mm,比較集中,山坡匯水面積較大,砂巖含水,而泥灰巖相對隔水、持水性強,遇水軟化,基巖頂面常積水。基巖內裂隙水受構造控制,常呈脈狀分布；地下水是邊坡變形的重要影響因素。

(2)M3標段地質條件不良,且是大區域分布,路線走廊選擇在小范圍內都難以避開這一不良地質區。路線從濱海平原向南進山橫切背斜兩翼,巖層與線路斜交,PK132路線走在背斜的南翼逆向坡,避免了順層滑坡,是有利于邊坡穩定的。之所以發生這么多邊坡變形和滑坡,主要為巖性不良,屬于地質病害多發巖層；路線靠背斜軸部太近,地應力集中,邊坡開挖后應力釋放,卸荷松弛強烈,加之開挖后地表水滲入坡體,軟化破碎巖體造成大量坍塌、滑移；為減少邊坡支擋加固工程,大部分邊坡坡率較緩,但放緩邊坡增大了受水面積,開挖一級、未防護加固一級,挖到坡腳還沒防護,截水天溝和邊坡排水不及時,使大量雨水下滲入坡體,促使了邊坡變形。

表5 深挖方工程施工過程中的主要工程地質問題及對策

表6 隧道掘進過程中的主要工程地質問題及對策

(3)施工勘察和監控作為施工過程中對設計進行補充完善的重要手段,在歐洲(法國)勘察設計體系中被強化,主要表現為施工驗證和動態設計。施工驗證,對于構造物基礎、填方地基等比較容易探明地質情況的工點,強化進行地質驗證,以修正設計方案；動態設計,對于隱蔽性工程,難以用有限的地質勘察手段探明地質狀況的工點,如隧道工程主體、掘進支護及襯砌結構設計、高邊坡的幾何形態及防護方案等均采用動態設計。

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[2] 韓信.阿爾及利亞東西高速公路工程地質勘察研究[J].鐵道工程學報,2012(1)：11-16．

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