高速公路地質選線研究與實例分析

胡 敏

(中工武大設計集團有限公司,湖北 武漢 430074)

早期,我國高速公路主要集中在平原和微丘區,至21世紀國家大力發展和完善高速公路網,丘陵區和山區高速公路得到大規模建設。由于地形、地質、水文、氣象等相對復雜,生態環境脆弱,在設計初期,設計人員仍按照平原及微丘區的設計理念和思路進行公路路線設計,未充分認識到地質選線的重要性,在建設過程中誘發了大量工程地質病害,導致工程造價大幅增加,同時也給后期運營安全留下了較多隱患[1-2]。

隨后地質選線在高速公路勘察設計中的重要性得到廣泛推廣和認可,但在具體執行過程中,高度依賴于個別人員的感性認識和定性分析能力。在設計周期有限情況下,如何做好地質選線和評價工作,成為高速公路路線方案成敗的關鍵[3]。為此,本文結合筆者多年參與兩廣和西南地區多條高速公路勘察設計咨詢經驗,總結出了高速公路地質選線的一般思路和線位定量評價體系。

1 以服務功能初步擬定路線走向

初步擬定路線走向,一般在規劃或可行性研究階段進行,這是路線設計最開始的工作。本階段主要是根據社會經濟發展、在路網中的作用以及規劃服務功能等需要,確定路線的控制點,控制點主要分兩個層次,即基本走向控制點和一般控制點,將部分控制點串聯起來形成路線大致走向或路線局部方案。本階段地質選線主要是收集資料,為路線走向和路線局部方案比選評價工作做相關準備工作。

2 根據地形地質條件初擬路線方案

山區高速公路一般地形地質復雜,區域構造對路線方案影響較大,重點是活動性斷裂帶,一般采取繞避方式通過[4],如無法繞避,適宜在地質構造大角度相交或垂直路線走向,有利于公路工程的穩定,減少工程造價。同時斷裂密集處、交匯處以及主要活動性斷裂的拐角處、端點處設置橋梁和隧道等重要構造物。地區穩定性和構造活動性是高速公路路線走向的評價要點,一般在可行性研究階段進行充分比選和論證。

例如:六盤水市六枝特區某高速公路地形起伏較大,地形地貌復雜,但構造行跡不論褶皺還是斷裂構造,均有章可循,總體上排列醒目(見圖1)。工可階段,根據地形和地質構造特征,擬定的高速公路路線與主要構造體呈大角度相交,同時避開了斷裂構造密集地帶。

3 工程地質選線的評價與比選

初擬路線方案確定走廊帶后,進行局部路線方案比選,一般在可行性研究或初步勘設階段進行。比選中,對于工程地質條件,傳統的工作方法主要依靠設計人員結合調繪或勘察資料主觀判斷來評價方案的優劣,偏重于定性分析。正確的方式應對其涉及的工程地質問題進行分析、抽取、羅列,進而盡量利用更為科學的評價方法進行決策,得出綜合評估結論[5]。在高速公路地質選線中,各因素存在差別,同時又相互關聯,對其評價需要考慮到多種指標、多種屬性、重要程度不同等問題。為了提高評價質量,本文引入層次分析法(Analytics Hierarchy Process,簡稱AHP法)[6]和綜合指數評價模型進行定量評價分析。

3.1 層次分析法概要

首先,建立高速公路地質選線的評價指標是首要任務,評價指標體系需要滿足代表性、可比性、系統性等原則,同時需要確定評價指標之間的關聯關系和隸屬關系,進行分類分組,構造出一個有序的遞階層次結構模型;其次,對同一層次運用兩兩比較的方法對各指標進行比較,建構判斷矩陣(見表1);然后,通過計算判斷矩陣最大特征根和特征向量,可得到同一層某指標相對于上一層某指標相對重要性的排序權重;最后,由于客觀事物的復雜性以及認識的片面性,構造的判斷矩陣不一定是一致性矩陣,需要進行隨機性和一致性檢驗[7](見表2),當CR≤0.10時,判斷矩陣才具有滿意的一致性,此時所獲取的權值是合理的[8]。

表1 層次分析定權法的判斷矩陣標度及其含義

表2 層次分析法的平均隨機一致性指標值

3.2 綜合指數評價模型概要

根據層次分析法得到各遞階層因子權重Wi后,結合工程地質條件具體要素因子評價值Pi,再加權求和,得到各遞階層因子數值Ik。其數學模型為:

其中,m為評價因子總數。

根據此公式所計算出的最終結果值判斷路線方案的優劣性,最終綜合計算數值Ik越小,方案越優。

3.3 地質選線評價案例分析

汕頭至湛江高速公路工程云浮至湛江段全長約266 km,其中選取起點處約40 km進行選線比選評價分析。根據廣東省交通運輸相關規劃,為滿足服務功能要求,可知新興縣縣城是基本走向控制點,簕竹鎮是一般控制點,結合前后控制點,擬定了近南北走向路線方案。根據地形地貌地質條件,結合現場踏勘,擬定了沿山腳布線的A線方案和更靠近新興縣縣城的B線方案,結合起點不同擬定了局部C線方案。

該段主要位于構造剝蝕中低山丘陵地區,出露侵入巖和碎屑巖,主要為震旦系(Z)的大紺山組(Z1d)地層,寒武系(∈)的牛角河組(∈n)和高灘組(∈g)地層,晚侏羅世黑云母花崗巖(J3γβ)等等,受印支構造運動和前前加里東構造運動影響,發育大山背斜、七星頂斷層(見圖2—圖5)。

對該段項目地質選線進行分析,確定項目目標層,從地質角度選線確定最佳方案。接著建立評價指標,從場地穩定性方面看,該段路線位于新華夏構造帶的第二隆起帶的南段,與七星頂斷層近乎平行,與大山背斜垂直相交,動峰值加速度為0.05g,各路線穩定性都較好,差別不大;從地形地貌看,B線和C線相對平坦,A線由于靠近山腳展線,起伏相對較大,存在一定差別;從地層巖類看,A線主要位于花崗巖堅硬巖區,砂巖、石英片巖松散—半堅硬碎屑巖區,B線主要位于花崗巖堅硬巖類區,砂巖、礫巖半堅硬—堅硬碎屑巖區,板巖、砂巖松散—半堅硬巖碎屑巖區,C線主要位于花崗巖堅硬巖區,砂巖、石英片巖松散—半堅硬碎屑巖區,差別較大;從現場勘探看,主要見花崗巖滑塌、軟弱土層、砂巖和板巖碎屑體滑坡等不良地質與特殊巖土。按層次分析法構建遞階層次結構,可知地形地貌、地層巖類、不良地質與特殊巖土三個特征屬于典型的準則層,同時結合該段地質具體情況對應列出指標層(見表3)。最后經過相關專家討論,確定了評價指標之間相對重要性,建立判斷矩陣,分層次進行計算,同時進行一次性檢驗,說明各指標的權重值是合理的(見表4—表7)。

表3 層次分析法遞階層次結構

表4 判斷矩陣A及各因素權重

表5 判斷矩陣B及各因素權重

表6 判斷矩陣C及各因素權重

表7 判斷矩陣D及各因素權重

本段擬定了三個路線方案,分別為A線、A+B+A線、C+A線,為便于統一標準和比較,本次對各指標層在全線中所占比例進行統計,統計數據結合道路路線、地質收集資料、現場調繪勘探等綜合因素確定(見表8)。最后依據綜合指數評價模型得出各比較線準則層和目標層得分。可知,A+B+A線Ik總分值為0.198,從地質選線角度認為是最優路線方案(見表9)。

表8 全線各指標層所占比例Pi

表9 路線方案綜合評分對比簡表Ik

4 最優路線方案的局部優化

確定好最優路線方案后,還需進行更深入的工程地質調查和勘測,一般在施工圖勘設階段進行,對局部存在的工程地質問題進行分析研究,利用層次分析法得出的指標權重,抓住主要矛盾,也就是影響最大的評價指標,盡量采取繞避,無法避開的,妥善處理工程地質問題“防”與“治”的關系,在完成局部方案優化基礎上,最終合理確定工程方案。汕頭至湛江高速公路工程云浮至湛江段起點約40 km地質選線過程可知,在準則層中,不良地質與特殊巖土對選線影響相對最大,在地形地貌指標層中,剝蝕低山對選線影響相對最大,在地層巖類指標層中,松散—半堅硬碎屑巖對選線影響相對最大,在不良地質與特殊巖土指標層中,碎屑體滑坡對選線影響相對最大,而碎屑體滑坡經常發育于剝蝕低山或丘陵地貌中松散—半堅硬碎屑巖區。因此,我們在施工圖階段重點關注碎屑體滑坡,可以適當采取調整局部路線平面或縱面,進行避讓或降低處置規模,完成最優路線方案的局部優化。

5 結語

本文關于高速公路地質選線研究主要介紹兩點:

1)地質選線基本思路:先以服務功能初步擬定路線走向,再根據地形地質條件初擬路線方案,并進行多條線位評價與比選,最后在比選確定推薦線位基礎上進行局部優化。2)多條線位評價與比選是地質選線的重點,本文引入層次分析法和綜合指數評價模型進行定量評價分析,克服了傳統以定性為主的分析方式。