論巖溶區(qū)公路地質(zhì)選線

陳云生，鄧勝強，覃家琪

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

巖溶是高速公路工程建設中最主要的不良地質(zhì)之一，其對公路的影響主要表現(xiàn)在路基塌陷、橋梁樁基失穩(wěn)、隧道突水涌泥等。由于巖溶地質(zhì)條件的不確定性、復雜性以及線路選取的不合理，高速公路工程在施工和運營時可能會遭遇各種巖溶地質(zhì)災害的侵擾，給國民生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅。根據(jù)最新統(tǒng)計，我國約80%的巖溶區(qū)高速公路在施工或運營過程中發(fā)生過較大災害，至今仍有約30%的隧道仍處于巖溶災害的威脅中[1]。因此，如何在地質(zhì)選線過程中預判及避開可能出現(xiàn)的巖溶災害顯得尤為重要。本文收集了廣西區(qū)內(nèi)巖溶地區(qū)高速公路地質(zhì)選線的基礎資料，并以廣西區(qū)內(nèi)高速公路為工程實例，得出了巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線的基本原則，總結(jié)分析了巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線要點。

1 巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線一般原則

(1)巖溶地質(zhì)選線應在路線設計中占主導地位，要考慮局部與整體相結(jié)合，如避開局部巖性交接帶與構(gòu)造等地質(zhì)薄弱帶，同時也要顧全路線的整體設計，如以重要城市、互通、橋梁、隧道等的位置作為選線基準[2]。

(2)路線方案必須經(jīng)過經(jīng)驗豐富、從事公路行業(yè)的專業(yè)地質(zhì)工程師認真勘測，尤其是對巖溶發(fā)育區(qū)要加強工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)繪，防害興利，避重就輕，總結(jié)項目所在區(qū)不良地質(zhì)的分布范圍及分布規(guī)律，為路線布置提供地質(zhì)依據(jù)。

(3)巖溶區(qū)地質(zhì)選線應進行多方案比選，選線過程中應與各專業(yè)緊密配合溝通。

(4)巖溶公路選線應重視橋梁、隧道等重大工程的方案選擇，對巖溶山區(qū)公路選線可能出現(xiàn)工程病害的高填深挖或巖溶發(fā)育密集的路段，應與橋隧比選后，綜合考慮經(jīng)濟、安全、工期、環(huán)保及施工難度等因素擇優(yōu)選用。

2 巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線要點

2.1 路線應避開可溶性巖與非可溶性巖的接觸帶

可溶性巖一般溶蝕強烈，屬強透水層，遇到弱透水層阻擋時，地下水將在兩巖性接觸面大量匯集，成為巖溶發(fā)育的基本條件之一。若受區(qū)域性構(gòu)造的影響，接觸帶巖體破碎，有利于地下水流動，使得接觸帶具備良好的循環(huán)交替(補給、徑流、排泄)條件，常發(fā)育于與接觸帶走向相同的縱向暗河，并與碳酸鹽巖一側(cè)的分支暗河相連。線路應避免經(jīng)過接觸帶及其附近，非要通過則時應以大交角穿過。

圖1 灌全高速公路K17+000～K17+500段巖溶路基示意圖

如灌陽(永安關)至全州(鳳凰)高速公路K17+000～K17+500段挖方路基在施工過程中揭露出了廳堂式溶洞(圖1)，巖溶發(fā)育區(qū)位于泥盆系泥頁巖、砂巖與石炭系灰?guī)r的接觸帶，地下水豐富，有泉水出露，揭露出的溶洞基本沿著兩巖性的交界面發(fā)育，后期增加超過300萬元的處治費用。

2.2 路線通過斷層區(qū)時，應垂直斷層帶或選擇斷層下盤通過

斷層破碎帶有利于巖溶發(fā)育，斷裂帶如為張性易于富集、傳導地下水；如為壓性則因巖體過于破碎而為地下水的流通創(chuàng)造條件；當為扭性時兩種可能兼有。路線通過斷層帶時應與之垂直或大角度通過，此時影響范圍最小，若非要平行通過，應優(yōu)先考慮斷層相對穩(wěn)定的地塊，即斷層的下盤，因為斷層的上盤破碎程度要大于斷層下盤(圖3)。

圖2 柳州經(jīng)合山至南寧高速公路K15+500～K18+500段路線方案示意圖

圖3 柳州經(jīng)合山至南寧高速公路K15+500～K18+500段隧道橫斷面圖

柳州經(jīng)合山至南寧高速公路K15+500～K18+500段線位有西線和東線兩方案(圖2)，兩方案均存在隧道，兩隧道間為一區(qū)域性大斷裂，東線位于斷層的上盤，西線位于斷層的下盤，現(xiàn)場地調(diào)發(fā)現(xiàn)斷層周邊巖溶極其發(fā)育，局部見由斷層通往東線方案的地下河，推測位于斷層上盤的隧道方案存在突水的可能，故設計采用了西線方案。

2.3 路線通過褶皺區(qū)時，隧道應避開褶皺核部，路基應盡量避開順向坡

褶皺核部節(jié)理裂隙發(fā)育，有利于地下水的流通，特別是向斜軸部更有利于地下水富集。核部地帶水循環(huán)交替強烈，溶蝕作用異常劇烈，常發(fā)育有廳式溶洞及地下暗河等。路線選線時隧道段應力求避開或不與其靠近，宜從兩翼或以大交角從核部通過，挖方路基段宜從逆向坡段或核部大角度穿過。如圖4所示，1和3隧道位置優(yōu)于2和4，挖方5位置要優(yōu)于6。

圖4 褶皺區(qū)隧道、路基選線位置圖

2.4 路線應避開地下河或地表河流流經(jīng)區(qū)

地下河或地表河受水影響，周邊一般巖溶極其發(fā)育，路基穩(wěn)定性極差，在研究線路方案時，優(yōu)先以繞避為宜，其次采用大角度相交形式通過。

圖5 崇左至水口高速公路K10～K17段路線方案示意圖

如崇左至水口高速公路K10～K17段線位(圖5)，該線位初步設計階段靠左江展布，現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)存在的巖溶工程地質(zhì)問題有：(1)地表巖溶漏斗、落水洞隨處可見；(2)K13～K16段與一條區(qū)域性地下河呈小角度斜交，屬巖溶強發(fā)育區(qū)，工程地質(zhì)條件復雜；(3)K10+700存在廳堂式溶洞及通往左江的地下暗河，該處為隧道；(4)K11+800與通往左江的地下暗河相交，該處屬高填深挖區(qū)，對路基穩(wěn)定性差。綜上所述，該段落工程地質(zhì)條件極差，后經(jīng)過優(yōu)化采用了無隧道、無高填、遠離左江并與區(qū)域地下河垂直相交的南線方案。

2.5 巖溶區(qū)隧道設計應重視水文地質(zhì)調(diào)查，公路隧道應位于垂直滲流帶范圍內(nèi)

巖溶水垂直方向可分為四個帶(圖6)[3]。根據(jù)以往經(jīng)驗，垂直滲流帶屬于風險最小、相對安全的地帶；水平徑流帶的巖溶管道水最豐富，遇到地下暗河的可能性最大；深部緩流帶由于埋深較大，亦存在水平徑流帶連通的巖溶管道，巖溶水壓大，施工風險高；季節(jié)變動帶由于水循環(huán)條件好，巖溶管道及巖溶強烈發(fā)育，季節(jié)性洪水的危害常有發(fā)生。

圖6 巖溶水垂直分帶示意圖

2.6 路線應避開從巖溶洼地、谷地通過

巖溶洼地、谷地屬匯水區(qū)，一般發(fā)育大量的縱向巖溶通道。路基若以填方形式通過時易堵塞巖溶通道形成積水，需要橋跨或者另設引水隧道，若以隧道形式通過遇到大型溶洞或突水涌泥的概率比其他路段高。隧道經(jīng)過巖溶洼地或巖溶谷地時應遠離洼地或谷地并不宜將隧道設置在洼地順著巖層產(chǎn)狀的一側(cè)，如圖7，C隧道方案優(yōu)于B隧道方案及A隧道方案。

圖7 巖溶洼地、谷地隧道方案示意圖

2.7 路線應避開深厚溶余堆積物區(qū)

碳酸鹽巖溶余堆積物區(qū)主要為紅黏土及次生紅黏土，該類土多具高液限、高塑性指數(shù)特征，路線以挖方路基形式通過時往往造成大量廢方，且根據(jù)工程經(jīng)驗，挖方邊坡即便放緩至1∶1.75也會出現(xiàn)大量垮塌，既不環(huán)保，也不安全，更不經(jīng)濟，故路線應避開深挖。

圖8 崇左至水口高速公路K15～K17段路線方案示意圖

如崇左至水口高速公路K15～K17段線位(圖8)，經(jīng)鉆孔揭露，該區(qū)域紅黏土厚約30 m，南線方案雖然線性更好，但廢方比北線方案多40萬m3，且邊坡高度最大達60 m，安全隱患大，經(jīng)比選后，采用了線性更差的北線方案。

2.8 路線應避開巖堆、危巖發(fā)育區(qū)

碳酸鹽巖區(qū)大多數(shù)基巖裸露，巖石堅硬，自然邊坡高陡，該類邊坡一般節(jié)理裂隙發(fā)育，若在地表風化作用、卸荷作用、重力、爆破、地震及水體等誘發(fā)因素作用下成為不穩(wěn)定狀態(tài)便成為危巖。危巖在重力和暴雨作用下易突然下落，形成崩塌，阻礙交通，威脅公路行車及行人安全。對大規(guī)模的危巖應避開，對小規(guī)模的危巖應清除，并采取主被動網(wǎng)及棚洞等措施進行處治。

危巖崩塌在坡腳后呈松散堆積體-巖堆，堆積體一般由溶余堆積層及透水性較好的塊石、碎石及角礫組成，按粗粒含量又可分為三大類[4]：(1)骨架型巖堆，以巖石塊體為主，含少量的土體；(2)充填型巖堆，堆積體由塊石和土體共同構(gòu)成，塊體間空隙被土體充填；(3)懸浮型巖堆，以土體為主，內(nèi)部懸浮有大量片塊石。巖堆堆積床大多數(shù)為基巖，透水性弱，雨季堆積體與堆積床之間很容易聚水軟化，抗剪強度驟降，開挖坡腳后導致巖堆整體失穩(wěn)，形成滑坡，特別是充填型巖堆及懸浮型巖堆需避開或進行抗滑處治。

如河池至百色高速公路K10+210～K10+410右側(cè)邊坡，2016年5月底，該路邊坡開挖施工時，邊坡堆積體發(fā)生滑動破壞，坡體上出現(xiàn)大量張拉裂縫，后進一步勘察發(fā)現(xiàn)該路段位于灰?guī)r巖堆體上，屬骨架型巖堆，孤石塊徑2～6 m，巖堆總體積約20萬m3，后初步估算增加處置費用約430萬元。

2.9 路線應繞避地表巖溶發(fā)育密集區(qū)

地表巖溶發(fā)育密集區(qū)，往往代表地下巖溶發(fā)育強弱關系，因此在地質(zhì)勘察的基礎上，應根據(jù)巖溶的具體發(fā)育特征及坡面位置，將路線移到巖溶發(fā)育程度相對輕微的地段上。

圖9 崇左至水口高速公路K48～K51段路線方案示意圖

如崇左至水口高速公路K48～K51段線位(圖9)，該段線位附近巖溶漏斗、漏水洞呈網(wǎng)狀密集分布，物探顯示路線K49+000及K49+550處經(jīng)過巖溶強發(fā)育區(qū)，路基底部可能存在大型落水洞或溶洞，故將路線北移至地形較高處，位于兩負地形之間，同時適當提高路面標高，避免了深挖。

3 采用新技術進行綜合地質(zhì)選線

隨著高速公路往山區(qū)延伸，部分巖溶區(qū)往往崇山峻嶺、地形陡峭、石山林立，懸崖絕壁比比皆是，在“無路、無人、無水、無信號”的客觀條件限制下，鉆探、物探等傳統(tǒng)技術手段實施起來十分困難，且對溶洞、地下水發(fā)育等探查效果不佳。因此，采用新技術對以上路段進行工程地質(zhì)勘察迫在眉睫，近年來，隨著航拍技術發(fā)展，航空傾斜攝影測量技術能解決復雜地形地貌測繪、地表地物信息獲取等勘測難題，同時具有坐標及位置準確、成本低、工期短等優(yōu)點，在公路交通、地理測繪、地質(zhì)勘察等相關領域正逐步采用該技術解決難題。

崇左至水口高速公路引進目前先進的航空傾斜攝影測量、三維實景建模技術對“四無”條件下的上金特長隧道進行了數(shù)字化工程地質(zhì)填圖，構(gòu)建了三維實景建模，提取了巖層產(chǎn)狀、巖溶形狀與規(guī)模、節(jié)理裂隙等數(shù)據(jù)，對地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造進行了遙感解譯，并進行了構(gòu)造分析(圖10)，最后結(jié)合工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，推測地下巖溶發(fā)育規(guī)律與特征、地下水分育情況及運移規(guī)律，為線路優(yōu)化提供依據(jù)。

圖10 上金隧道構(gòu)造解析圖

由航空傾斜攝影測量及三維實景建模結(jié)果可以看出：(1)該區(qū)域山崖上廳式溶洞、溶蝕現(xiàn)象明顯，山頂封閉洼地星羅棋布，隧道整體工程地質(zhì)條件均較差；(2)A線地表遇溶洞數(shù)量大于B線，A線隧道出口有巖堆，隧道洞口穩(wěn)定性比B線差；(3)A線離斷裂帶“人”字形谷地近，屬匯水區(qū)，水文地質(zhì)條件相比B線差；(4)A線所遇構(gòu)造帶要多于B線；(5)A線所遇巖溶洼地的比例為51.37%，B線為58.71%，A線匯水面積大于B線。綜上所述，雖然A線隧道長度短，但地質(zhì)條件比B線差，故采用了B線方案并增設引水隧道。

4 結(jié)語

(1)在巖溶地區(qū)公路建設中，巖溶地質(zhì)選線應作為主導條件，同時要以路線整體為基準，對局部進行工程地質(zhì)比選，應重視橋梁、隧道、高填深挖等重大工程的方案選擇。

(2)通過總結(jié)廣西高速公路建設的經(jīng)驗，提出了巖溶區(qū)應重視工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查，線位應避開可溶性巖與非可溶性巖的接觸帶、巖溶發(fā)育密集的斷層或褶皺核部等構(gòu)造帶、地下河流經(jīng)區(qū)、地表巖溶發(fā)育密集區(qū)、巖堆與危巖發(fā)育區(qū)及巖溶洼地與谷地等匯水區(qū)。若無法避開，則應將線路移到地質(zhì)問題相對輕微的地段上。

(3)在廣西首次采用無人機航空傾斜攝影測量及三維實景建模技術對“無路、無人、無水、無信號”的路段進行地質(zhì)勘察，為地質(zhì)選線提供依據(jù)。

[1]高 偉，楊艷娜，等.巖溶地區(qū)隧道工程地質(zhì)選線適宜性評價[J].人民珠江，2016，37(3)：32-37.

[2]宋振京，劉平威，等.巖溶地區(qū)高速公路地質(zhì)選線方法研究[J].西部交通科技，2016，112(11)：52-56.

[3]李光偉.論巖溶區(qū)工程地質(zhì)勘察問題與地質(zhì)選線[J].鐵道勘察，2016(2)：12-15.

[4]王建秀，葉 沖，等.高速公路巖堆發(fā)育特征及其對工程建設的影響[J].工程地質(zhì)學報，2008(26)：155-160.