構造破碎帶深路塹地質核查方法研究

王和平

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

地質核查是對設計采用地質資料的復核、驗證和補充，是控制工程質量過程中不可或缺的一環[1-3]。在地質核查階段，應根據施工需要進行補充勘察，并合理選擇勘探手段[4-5]。針對地質條件復雜的深路塹地區，應采用綜合勘察技術進行分析[6-7]，并對路塹邊坡穩定性進行評價[8]。

已有許多學者對地質核查方法進行相關研究，肖國峰等考慮了巖質邊坡巖石強度、坡高、坡度等因素，通過量化指標，建立巖質邊坡穩定性分析定量分析方法，但未考慮地下水、降水等因素的影響[9]；董捷等綜合分析路塹邊坡巖石強度、巖體整體性、結構面特性、結構面方位、邊坡高度、開挖坡角、降水量、地下水條件等因素，對山區鐵路初步設計階段沿線邊坡進行穩定性評價，但是評價體系過于復雜，不適用于配合施工階段[10-12]。

根據山東省丘陵地區某新建高速鐵路構造破碎帶深路塹實際地質條件，采用踏勘、調查取樣、動力觸探、鉆探等綜合勘察方法進行地質核查，利用斷面、邊坡正面展示，對基底及邊坡構造破碎帶分布情況進行直觀展示。在邊坡穩定性評價的基礎上，對原設計方案進行危險性分析，提出相應的防護措施建議，為設計優化提供地質依據[13-15]。

1 工程概況

某新建高速鐵路深路塹(DK91+770～DK92+070段)位于丘陵斜坡地帶。線路中心最大挖深約22.57 m，路塹邊坡最大高度約28.40 m。工點范圍分布斷層、褶皺構造破碎帶，主要由斷層角礫、斷層泥組成，成分不均勻，工程性質差且分布極不規律。

場地地層自上而下主要有上更新統坡洪積粉質黏土、碎石土，古元古界斷層角礫巖、長石石英巖及片麻巖。

場地位于暖溫帶亞濕潤氣候區，年平均降水量為667.4 mm，年平均降水日數為75.1 d，地下水為基巖裂隙水，本次開挖未揭露地下水。

2 綜合地質核查方法

2.1 初步踏勘

該段線路走向86°，巖層產狀89°∠35°。通過現場踏勘，該段路塹主要不良地質有構造破碎帶和全風化黃綠色片麻巖軟弱層。

(1)DK91+800～DK91+830、DK91+850～DK91+900段發育斷層破碎帶，巖土體主要表現為松散的黃褐色、紅褐色、棕紅色斷層泥、斷層角礫混合夾雜在堅硬的強-弱風化長石石英巖中，斷層走向與線路方向近垂直，基底有斷層穿過，兩側邊坡表層有剝落、滑塌現象(見圖1)。

圖1 DK91+870右側斷層破碎帶

(2)DK91+930～DK91+990段發育褶皺破碎帶，褶皺軸面與線路方向近垂直，西側翼產狀100°∠30°，東側翼產狀240°∠30°，基底為弱風化長石石英巖與斷層泥相間分布。

(3)DK91+990～DK92+040段發育黃綠色全風化片麻巖，主要為黃綠色，手搓有黏質感，承載力低，表層有剝落、滑塌現象(見圖2)。

圖2 K92+001右側全風化片麻巖

2.2 現場調查

(1)基底調查

應查清基底兩側構造破碎帶、軟弱層邊界，每處破碎帶設置線路左右側共4個分界點，測量其里程偏移量，可圈出破碎帶基底分布范圍，并進行編號。

(2)邊坡調查

找出邊坡上構造破碎帶或軟弱層分布邊界拐點，測量其坐標、高程數據，記錄拐點與區域對應關系，并對區域進行地質描述，對路塹邊坡進行初步穩定性評價。編制觀測點描述單(見表1)。

2.3 動力觸探試驗

對基底部分呈排狀進行動力觸探試驗，查看實測地基承載力，結合現場調查，判斷軟弱層分界位置。

表1 觀測點描述單

2.4 補充鉆探

根據現場調查、動力觸探試驗結果，分析構造破碎帶分布情況，結合既有勘察資料，布置網格狀勘探孔30個，分別位于左中線偏左2 m、偏右8 m對稱位置。對斷層泥、斷層角礫、黃褐色片麻巖，黃綠色片麻巖取膨脹樣分析。結合路基基底調查結果，繪制左中線偏左2 m、偏右8 m兩個斷面(見圖3、圖4)。

圖3 深路塹破碎帶偏左2 m斷面

圖4 深路塹破碎帶偏右8 m斷面

圖5 工程地質平面及邊坡正面展示

3 地質核查結果

根據邊坡調查觀測點里程及高程，將邊坡上不良地質區域放入邊坡正面圖，與平面及斷面一一對應，形成工程地質平面及邊坡正面展示(見圖5)。

(1)構造破碎帶

本段路基分布構造破碎帶，主要為褶皺破碎帶和斷層破碎帶，其中,斷層破碎帶主要表現為斷層泥、斷層角礫。斷層破碎帶呈黃褐色、紅褐色、棕紅色，斷層泥呈土狀，硬塑狀態，礦物成分以黏土礦物為主，局部夾長石石英巖角礫碎石，成分不均勻；斷層角礫呈碎塊狀夾砂土狀，角礫成分以長石、石英巖為主。斷層破碎帶基本承載力為150～200 kPa。

(2)物理力學性質

根據土工化驗報告成果分析，斷層泥巖性為黏性土，具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性及低強度特征；根據膨脹性化驗成果分析，斷層泥自由膨脹率為49%～99%，蒙脫石含量為15.71%～38.12%，陽離子交換量為174.08～341.34 mmol/kg，綜合分析具有弱-中等膨脹性，局部為強膨脹性，遇水易軟化、吸水膨脹。

地質核查階段，對斷層破碎帶進行了動探測試及標貫測試，原位測試統計數據見表2。

表2 原位測試統計

測試結果表明，斷層泥承載力低，與周圍強風化巖工程性質差異較大。該段落斷層破碎帶因含礫石成分差異，動探數據離散性大，斷層破碎帶與周圍巖層存在軟硬不均現象。

(3)膨脹性巖土

工點范圍分布片麻巖，黃綠色為主，少量黃褐色、灰黃色，全-強風化，根據全風化層片麻巖膨脹性化驗成果，黃綠色片麻巖自由膨脹率為50%，蒙脫石含量為49.05%，陽離子交換量為406.6 mmol/kg，具強膨脹性；黃褐色片麻巖自由膨脹率為13%～17%，蒙脫石含量為19.67%～23.24%，陽離子交換量為332.67～342.71 mmol/kg，具有中等膨脹性。受構造破碎帶影響，該段巖石產狀變化劇烈，節理裂隙很發育，局部褶皺與斷層構造復合，巖體地質結構更加復雜。加之變質作用及風化不均作用影響，路塹邊坡坡體地質結構復雜，呈現顯著不均性特征。構造破碎帶、黃綠色片麻巖工程性質差，局部邊坡穩定性較差。

4 路塹邊坡危險性評價

4.1 危險性影響因子

根據對該段路塹邊坡調查情況，將其分為8個段落，按左右兩側邊坡區分，共16部分(見表3)。

表3 路塹邊坡分區描述

路塹邊坡危險性由多種影響因子及其影響程度綜合確定，根據該段落路塹邊坡具體情況，為適應配合施工階段快速評價機制，選取5個主要影響因子，分別為巖土類型、結構面類型、邊坡高度、邊坡坡率、降雨，影響因子危險性分析如下。

(1)巖土類型S1研究區巖土類型有強風化片麻巖、強風化長石石英巖、斷層角礫、斷層泥、黃綠色全風化片麻巖，其中，斷層角礫、斷層泥承載力低、具有中等膨脹性，黃綠色全風化片麻巖具有強膨脹性，不良巖體易遇水崩解，不利于邊坡穩定，所以巖土類型與邊坡危險性密切相關。

(2)結構面類型S2結構面類型主要由結構面與坡面相對位置關系決定，順層邊坡不利于邊坡穩定。

(3)邊坡高度S3指路塹邊坡的垂直高度，高度越高，邊坡危險性越大。

(4)邊坡坡率S4邊坡坡率越大，越不利于邊坡穩定。

(5)降雨S5大氣降水會加速膨脹性巖土結構破壞。

將路塹邊坡危險性分為5個等級，見表4，根據相關規范和巖質邊坡類似工程經驗，將影響因子進行量化，并對其危險性指數進行賦值，見表5。

表4 路塹邊坡危險性分級標準

表5 路塹邊坡危險性影響因子指標量化

4.2 層次分析法確定指標權重

根據影響因子兩兩相對重要程度，采用Stanty的標度法(見表6)，得到判斷矩陣(見表7)。

表6 Stanty的標度法

表7 影響因子重要程度判定

判斷矩陣滿足一致性檢驗，得到權重向量w=[0.355，0.177，0.142，0.089，0.237]T。

4.3 路塹邊坡危險性評價

根據各影響因子危險性指數與相應權重，得到不同評價區域綜合危險性指數Pi，即

(1)

評價結果見表8。

表8 路塹邊坡危險性評價結果

根據地質核查結果，區域F1(DK91+930～DK91+990左側)邊坡位于褶皺破碎帶，巖土體為斷層角礫、黃綠色全風化片麻巖，混夾強風化長石石英巖，巖體結構復雜，完整性差，巖土體基本承載力為200～300 kPa，具有中等-強膨脹性。褶皺結構面與坡面夾角約20°，為順層邊坡，坡高最高處為28 m，整體評價危險性等級高。

通過綜合評價，DK91+930～DK91+990段左側邊坡為危險；DK91+800～DK91+830、DK91+850～DK91+930段兩側邊坡，DK91+930～DK91+990段右側邊坡、DK91+990～DK92+040段兩側邊坡為較危險；DK91+770～DK91+800段左側邊坡，DK91+830～DK91+850段兩側邊坡為一般危險；其他段落兩側邊坡為較安全。

4.4 原設計方案危險性分析

根據施工圖資料，DK91+863～DK92+027段左側路塹邊坡、DK91+863～DK91+985段右側路塹邊坡采用現澆C35鋼筋混凝土錨桿框架，錨桿采用直徑32 mm HRB400螺紋鋼，錨桿長10.0 m，塹腳采用樁板墻支護，錨固樁樁長為16.0 m，樁間距6.0 m，其余段落路基塹腳設重力式擋土墻。路塹兩側設置C25鋼筋混凝土矩形側溝，間隔50 m設置集水井。

采取路基邊坡防護措施后，一般危險區域A1、C1、C2段邊坡坡高3～12 m，坡面為強風化片麻巖、長石石英巖，結構面與坡面近乎垂直，設置重力式擋土墻后邊坡為較安全；較危險區域D1、D2、E1、E2、F2、G1段邊坡坡高12～28 m，坡面為斷層破碎帶，結構面與坡面近乎垂直，坡面設置錨桿框架，塹腳采用樁板墻支護后邊坡為較安全。較危險區域B1、B2、G2段邊坡坡高6～18 m，坡面為斷層破碎帶、黃綠色全風化片麻巖，結構面與坡面近垂直，設置重力式擋土墻后邊坡為一般危險；危險區域F1段邊坡坡高22～28 m，坡面為斷層破碎帶夾黃綠色全風化片麻巖，為順層邊坡，坡面設置錨桿框架，塹腳采用樁板墻支護后，邊坡為一般危險。

4.5 邊坡處理措施

較危險區域B1、B2(DK91+800～DK91+830兩側)邊坡坡高6～9 m，坡面為斷層破碎帶，建議在設置擋土墻基礎上再進行放坡；較危險區域G2(DK91+990～DK92+040右側)邊坡坡高15～18 m，坡面為黃綠色全風化片麻巖，建議坡面設置錨桿框架，塹腳改為樁板墻防護；危險區域F1(DK91+930～DK91+990左側)邊坡坡高22～28 m，坡面為斷層破碎帶夾黃綠色全風化片麻巖，結構面與坡面順層，建議增加錨桿桿長、增加樁板墻錨固樁樁長并減小樁間距。

綜上所述，建議在原設計基礎上，DK91+800～DK91+830兩側邊坡應適當放坡，“錨桿框架+樁板墻”支護段落里程范圍調整為DK91+850～DK92+040兩側邊坡，其中，DK91+930～DK91+990左側邊坡應采取增加錨桿桿長、樁板墻錨固樁樁長及減小樁間距等措施。

5 結論

(1)高速鐵路構造破碎帶深路塹地區地質核查宜采用踏勘、調查取樣、動力觸探、鉆探等綜合勘察技術，對路塹基底與邊坡進行綜合分析，制作工程地質平面及邊坡正面展示，可提高路基橫斷面填繪準確性。

(2)根據綜合勘察結果，采用層次分析法，將路塹邊坡危險性分為4個等級：危險、較危險、一般危險、較安全。評價結果顯示DK91+930～DK91+990左側邊坡為危險段，評價結果與實際情況吻合。

(3)根據危險性評價結果，在原設計方案基礎上，提出放坡、調整“錨桿框架+樁板墻”支護里程段落和增加錨桿桿長等措施，可有效規避地質風險。