巖溶地區(qū)公路地質選線方法

巖溶地區(qū)公路地質選線方法李杰;楊宏志;楊少偉【摘要】為提出合理的巖溶區(qū)公路選線方法，以降低工程造價、減少工程病害及環(huán)境影響、科學地解決穿越與避讓問題，通過研究喀斯特地區(qū)巖溶發(fā)育的常規(guī)規(guī)律、巖溶現(xiàn)象對公路工程建設的影響以及巖溶地區(qū)公路規(guī)劃選線的相關要點，分析得出不同巖溶地區(qū)的選線原則.提出在巖溶區(qū)公路選線的過程中要遵守〃多比選，慎選擇”的原則和〃以避為主，避重就輕”的設計要點，對巖溶地區(qū)公路選線具有重大指導意義.【期刊名稱】《筑路機械與施工機械化》【年(卷)，期】2018(035)006【總頁數(shù)】6頁(P125-129,136)【關鍵詞】高速公路;巖溶現(xiàn)象;地質選線;選線原則【作者】李杰;楊宏志;楊少偉【作者單位】陜西交通技術咨詢有限公司，陜西西安710068;長安大學公路學院膜西西安710064;長安大學公路學院，陜西西安710064【正文語種】中文【中圖分類】U412.30引言巖溶地區(qū)土層貧瘠淺薄，水土流失、石漠化現(xiàn)象嚴重，植被破壞后恢復難度大，自然生態(tài)環(huán)境脆弱。修建公路時臨時占地、挖土和放置土等會給公路沿線的環(huán)境造成危害，同時，在高速公路施工和運營中也會出現(xiàn)松軟堆積物的坍塌、巖溶水的侵襲等地質問題。國外在19世紀就開始關注此類問題，如Ford等論述了巖溶地區(qū)巖溶發(fā)育特點及地質特征；Wolf分析了不同碳酸鹽巖巖溶發(fā)育的差異性；Quinlan在研究巖溶發(fā)育特征的同時，分析了工程建設中巖溶地下水所導致的危害；Crrens運用地理信息、系統(tǒng)(GIS)方法對巖溶發(fā)育程度的指標進行了研究；TonyWaltham對工程建設中的此類問題進行了深入探索，并詳細介紹了巖溶區(qū)工程活動中隱性風險因素及處理措施。國內(nèi)在地質選線方面研究較多的是鐵道部的一些專家，如李雯對巖溶地區(qū)鐵路的選址風險進行了研究，并發(fā)表了著作《巖溶地區(qū)鐵路選線風險評估研究》；蘇貴芬基于新建云桂鐵路廣南段線路，進行了地質控制因素及方案比選研究，并對巖溶特征及影響鐵路選線的地質控制因素進行了研究?；谀壳皣鴥?nèi)外在巖溶地區(qū)高速公路選線方面并沒有形成系統(tǒng)化的研究，本文對其進行匯總，分別討論巖溶地質的不同特征以及其對工程的危害，并以此為切入點研究不同情況下的巖溶地區(qū)公路選線的方案及選線要點；給出選線地質情況優(yōu)劣的判定，從而提出一整套公路地質選線設計原則和方法，對巖溶區(qū)公路規(guī)劃設計具有重要意義。1巖溶地質特性1.1巖溶發(fā)育規(guī)律1.1.1巖溶特性在碳酸鹽巖分布地區(qū)，各種地層巖性對巖溶發(fā)育程度的不同影響主要表現(xiàn)為以下2個方面。(1)碳酸鹽巖的成分與結構。從碳酸鹽巖的結構方面考慮，當晶粒較粗時，溶解度也就越大，巖溶發(fā)育程度也就越高。由于較粗粒結構的巖石空隙大，吸水率就較高，抗侵蝕能力就較差，因而有利于溶蝕。（2）巖石地層與巖溶發(fā)展之間的關系。由于巖溶層組類型的差異，巖溶水動力條件也有所不同，所呈現(xiàn)的巖溶地貌形態(tài)及其規(guī)模也是千差萬別。因此，劃分巖溶層組類型不僅便于對地層單位作出評價，也是研究巖溶地區(qū)工程地質和水文地質條件的重要依據(jù)。1.1.2地質構造主要影響巖溶發(fā)育的地質構造是斷裂和褶皺，它們是控制地下水循環(huán)運動方向和途徑的主要因素。（1）褶皺與巖溶的關系。褶皺變形的不同部位其變形強度和對地層的切割程度各異，變形的力學性質不同，破裂程度不同，其裂隙介質的導水性也不同。褶皺往往控制地下水系統(tǒng)的邊界，影響地下水流的交替強度，從而影響巖溶、巖溶水的發(fā)育。（2）斷裂與巖溶的關系。地質構造對巖體穩(wěn)定性的破壞增加了巖石的透水性，使水在可溶巖巖體內(nèi)的循環(huán)條件得到改善，水的溶蝕作用得到加強，巖溶的發(fā)育進程加快。灰?guī)r等的透水性主要依賴于風化裂隙、構造裂隙的發(fā)育程度，而風化裂隙僅涉及表層，構造裂隙才涉及深部。因此，構造帶是導致巖溶發(fā)育深度的重要原因。1.1.3巖溶水運動特征（1）巖溶與水的交替循環(huán)。水的交替循環(huán)是巖溶發(fā)育的主要條件，即使具備巖性條件、構造條件，若缺乏水的溶蝕條件，仍不能發(fā)育巖溶。不同地貌單元、不同水動力區(qū)段，其地下水交替循環(huán)類型不同，巖溶發(fā)育類型亦不同。分水嶺和地下水補給區(qū)，水流交替以垂直循環(huán)為主，相應發(fā)育的巖溶形態(tài)為"垂直型"，如垂直漏斗、豎井等；徑流區(qū)和排泄區(qū)地下水交替循環(huán)以水平流動為主，側向沖蝕、溶蝕強烈，巖溶發(fā)育以〃管道型”為主，如溶洞和落水洞等。（2）巖溶化山區(qū)巖溶水動力剖面分帶。季節(jié)變動帶、垂直滲流帶、水平流動帶和深部滯流帶是當前國內(nèi)公路建設常用的巖溶水動力剖面分帶?？紤]到特定條件對西南山區(qū)分水嶺地區(qū)及河谷斜坡的巖溶水動力剖面分帶的影響，為了工程需要，在與一般垂直分帶理論不相矛盾的情況下，應用垂直滲流帶、巖溶裂隙水帶及水平流動帶這3個垂直分帶。1.2對工程的危害在巖溶區(qū)高速公路地質選線時，由于巖溶區(qū)地質條件較為復雜，在施工過程中難免會遇到各種巖溶問題，巖溶地質的主要危害體現(xiàn)在以下幾個方面。1.2.1巖溶水對工程的危害巖溶水的表現(xiàn)形態(tài)多變，主要分為地下暗河、巖溶接觸帶水系和巖溶泉流等，其中地下水與巖溶地表水轉換頻繁，因而復雜多變。在公路建設中，若無完善的應對方式，會使得路基遭到破壞。（1）巖溶地表水的危害。路段處于巖溶洼地、谷地中，洪水時路基及橋涵常遭沖刷甚至淹沒，在洼地積水的浸泡下，產(chǎn)生路堤下沉或坍塌等。（2）巖溶地下水的危害。雨季時因路基基底涌水導致路堤坍滑或沖毀；橋基坑涌水加大了排水困難或導致基坑坍塌，影響施工進度；隧道大量涌水或突水且經(jīng)常伴隨涌泥、涌沙現(xiàn)象，嚴重影響施工進程和運營。1.2.2巖溶洞穴對工程的危害公路路線通過巖溶洞穴分布地段，工程建筑基礎出現(xiàn)懸空，其程度視洞穴大小有所區(qū)別。當出現(xiàn)大范圍巖溶空洞區(qū)時，不管對于何種穿越工程（如路基、橋隧等），都將面臨嚴峻的考驗，首先要解決的問題是如何在四壁臨空的條件下進行建設。建筑物基底之下如有溶洞，其頂板過薄將導致坍塌。1.2.3松散堆積物和碳酸鹽風化層的危害松散堆積物主要是指砂土、巖塊及砂礫等。這些松散堆積物極易產(chǎn)生下沉、坍塌。在隧道頂部巖層中如果填充著垂直洞穴，如大量堆積物的落水洞或豎井等一旦被隧道切穿，就會造成坍塌，從而中斷施工。碳酸鈣堆積物，包括洞穴內(nèi)各種碳酸鈣沉積形態(tài)（如石鐘乳、石灰華石筍、石柱、石幔等），因具有孔隙率大、性脆的特性，在施工中極易因震動、撞擊等原因產(chǎn)生掉塊、坍落等。碳酸鹽巖風化層系指山砂、殘積土及破碎巖體等。山砂為白云巖風化后的產(chǎn)物，出現(xiàn)在挖方邊坡時，會造成坍方，降雨則會形成流沙，使坡面留下新生溝槽，進而影響邊坡穩(wěn)定。風化殘積土與膨脹土的特性類似，具有很多節(jié)理裂隙層面，遇水膨脹軟化，干燥時收縮龜裂，土質堅硬，故此類物理力學指標較差，土結構不穩(wěn)定，易造成邊坡失穩(wěn)。1.2.4地面塌陷的危害巖溶平原、谷地以及洼地通常由松散的第四紀土層覆蓋。土層中地下水通常具有統(tǒng)一水面，水位埋藏淺，在基巖巖溶發(fā)育過程中，由于地下水運動、水位降低或其他原因，均可能導致地面塌陷，且塌陷的發(fā)生很突然，規(guī)模、時間、空間位置均難以預測。2巖溶區(qū)公路選線原則及要點2.1一般原則巖溶區(qū)地質條件較為復雜，主要表現(xiàn)在巖溶水、巖溶洞穴、坍塌的松散堆積物及巖溶區(qū)覆蓋層的大面積塌陷。因此，巖溶地區(qū)高速公路地質選線時，必須對各方面因素進行綜合考慮，分清主次，掌握全局，一般原則如下。（1）路線設計時，除主要考慮巖溶地質條件外，還要考慮巖溶區(qū)可能出現(xiàn)的其他地質災害，經(jīng)過詳細勘察論證后再合理進行工程地質選線與方案比選。（2）在巖溶地區(qū)選線，應進行充分的地質勘察、全方位的路線比較，避讓地質災害重災區(qū)，以此確定路線的最佳走向和位置。（3）巖溶地區(qū)地質選線應多方面考慮，把握好局部與整體之間的關系，利用綜合勘探手段查明巖溶分布范圍、規(guī)模大小、發(fā)育特征和發(fā)展趨勢，研究可行的整治措施。（4）巖溶山區(qū)公路選線時，對可能出現(xiàn)地質災害的路段，結合經(jīng)濟技術和安全環(huán)保等方面，綜合考慮采取何種最優(yōu)方案（橋梁、隧道和路基等）穿越不良巖溶地質段。綜合以上原則，巖溶區(qū)公路選線應從所在區(qū)域地質條件差異、地形地貌特征及生態(tài)環(huán)境保護等方面進行比較、優(yōu)化和論證，如圖1所示。所以巖溶地區(qū)公路地質選線程序是以巖溶工程地質為主要因素，兼顧其他因素，通過對路線方案反復評選與優(yōu)化，最終確定一個多種因素相協(xié)調(diào)的路線方案。圖1公路地質選線流程2.2方案選擇要點巖溶區(qū)公路地質選線與其他區(qū)域公路地質選線主要區(qū)別在于，需要進行詳細的巖溶地質勘察和水文條件調(diào)查，而且要進行風險地質評估。巖溶區(qū)的工程地質勘察是公路選線的基礎，兩者相互協(xié)調(diào)、相互參考。不同設計階段地質勘察的任務不同，地質選線所考慮的因素也相同，以下列出了可行性研究階段和初步設計段地質選線方案比選流程。（1）可行性研究階段路線選擇。路線起終點和中間主要控制點的論證、路線走廊帶方案的擬定和比選問題，都是高速公路工程可行性研究階段的主要內(nèi)容?？尚行匝芯侩A段巖溶區(qū)公路選線地質勘察的主要任務有：調(diào)查項目所在地區(qū)的地形地貌及工程地質條件，以及施工中可能存在風險地質災害；實地踏勘所選區(qū)域工程地質及可能影響工程建設的重要地質因素，為優(yōu)選路線方案提供地質依據(jù)。路線布設方案的初步確定應結合工程可行性地質勘察報告，同時兼顧不良地段對路線的影響；然后根據(jù)所選區(qū)域內(nèi)巖溶及斷裂帶分布狀況，分析巖溶發(fā)育區(qū)對工程建設的影響，并綜合路網(wǎng)銜接、生態(tài)環(huán)境影響、工程經(jīng)濟等方面提出路線走廊帶的優(yōu)化方案。（2）初步設計階段路線比選巖溶工程地質勘察內(nèi)容為：詳細勘察公路沿線及各類構筑物（如橋涵、隧道等）建設場地的工程地質條件。其中針對沿線的地形地質條件，結合遙感圖像解譯、工程地質調(diào)繪、物探、鉆探等多種手段，對路線及各類構筑物工程建設場地的工程地質條件進行綜合勘察，是巖溶工程地質初步勘察階段的主要任務。路線方案比選及風險評估為：初步設計階段方案是在工程可行性研究區(qū)域的線路中進行比選，以巖溶區(qū)工程地質條件為主導，從工程造價、交通安全、生態(tài)環(huán)境景觀影響等方面對路線方案進行綜合評價，選擇最佳線路方案。3巖溶區(qū)公路地質的選線方案3.1路線方案選擇在公路施工圖設計階段，地質選線的要點總結為〃以避為主，避重就輕”，路線或構造物應盡量避繞不良路段，無法避繞時，盡量從工程影響較小的路段通過。3.1.1路線布設原則（1）路線應避開或盡量遠離碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的接觸帶及巖溶接觸帶，減小巖溶洞穴和巖溶水系的影響，如圖2所示。圖2路線在碳酸鹽巖層布設（2）路線應避開巖溶較發(fā)育地帶，選擇巖溶發(fā)育弱的區(qū)域，如圖3所示。圖3路線在構造破碎帶附近布設（3）路線應繞避網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞區(qū)。根據(jù)巖溶勘測結果預測巖溶空腔的空間位置和發(fā)育程度及特征，將路線調(diào)整到巖溶發(fā)育程度較弱的區(qū)域，從而降低線路地質災害風險。3.1.2河岸選擇要點（1）河岸應選擇在巖溶發(fā)育較輕微的地段。由于可溶巖出露面積和匯水面積的大小及構造條件等因素的影響，兩岸巖溶發(fā)育常有差異。巖溶發(fā)育程度高的一岸，排泄的巖溶地下水較為集中，水動力作用強烈，對碳酸鹽巖的溶蝕及機械破壞作用也就劇烈，常發(fā)育有大洞穴或多層溶洞，地表巖溶現(xiàn)象也較顯著。（2）河流因側蝕作用發(fā)育于谷坡上的層狀巖溶地帶，路線宜靠山里通過。受構造或巖性的限制，當其地殼間歇上升，河谷間歇下切后，在河谷兩岸的山坡上，懸掛有層狀溶洞。由于它和山頂面的巖溶無任何聯(lián)系，故在河水面以上的均為早期無水干溶洞。如圖4所示，路線位置應靠近山里通過且避開洞穴。圖4巖溶河谷溶洞與路線位置（3）應盡量選擇村鎮(zhèn)較少的一岸，以減少對原有自然景觀及人文環(huán)境的破壞，同時可減少建設中的拆遷工作。3.1.3河谷線位高度選擇沿河線依照路線高度和設計水位的關系，分為低線和高線，對不同形式的河谷可選擇不同的路線布設方法。河谷線路選擇主要考慮以下幾點。（1）對于U形河谷溶丘洼地和峰林谷地區(qū)，公路選線應該靠近山一側設計高程必須大于最高洪水位。就地形條件而言，路線按高線布設，勢必出現(xiàn)高填方、深路塹或大橋。從路線位于谷底，則易受巖溶水積水危害，并且占地較多。就巖溶地質而言，位于洼地和谷地中的路線因洼地內(nèi)松散土層浸水引起路基沉陷、坍滑，雨季積水、消水和冒水也會危害路基。因而，路線沿洼地、谷地邊緣靠山腳布設，路基設計標高高于最大洪水位是較為理想的線位。（2）V形河谷山地河谷區(qū)，路線應盡量提高設計高程，避開排泄帶。當路線經(jīng)過排泄區(qū)一岸時，宜多布設外露工程如路基、橋、明洞等，少做隱蔽工程如隧道等。無論何種工程，平面上與排泄帶距離越遠、縱斷面上設計高程越高越有利。（3）巖溶山區(qū)由于地形地質限制，開闊河谷區(qū)，往往是城鎮(zhèn)聚集區(qū)，路線應與當?shù)爻擎?zhèn)規(guī)劃相融合，避免直穿，盡量沿河谷區(qū)的城鎮(zhèn)邊緣，如山腳部位繞行。（4）沿河線高線即河谷岸坡中部至坡頂?shù)貛Вㄐ逼碌貛В┞肪€，在選線時應垂直于滲流帶，靠近安全帶附近通過。3.2橋位方案選擇在橋梁修建的不同河谷地段，因為巖溶發(fā)育特征的差異，空間分布規(guī)律復雜多樣，給橋梁設計和施工帶來一定困難。對巖溶地區(qū)橋位、橋型等關鍵問題進行研究，可提高巖溶區(qū)橋梁結構布置方案的安全性、經(jīng)濟性、美觀性及合理性。（1）巖溶地區(qū)橋梁橋位選擇要點。橋梁修建在巖溶地區(qū)時，為使資金經(jīng)濟效益最大化，并確保橋梁安全運營，橋位方案的選擇主要有：橋位宜選在穩(wěn)定性較好、巖溶發(fā)育相對較弱的河段，減少深基工程；橋位通過巖溶平原區(qū)時，適宜在洞穴頂板較厚、洞穴小、溶溝及溶槽較弱的河段布設。（2）巖溶區(qū)橋型選擇要點。設計梁部孔跨式樣、墩臺及基礎類型時，應對橋位所處的地質環(huán)境、通航情況、水位情況及溶洞情況進行全面分析，研究確定布置橋型方案。在巖溶極發(fā)育，特別是在遇到大的溶洞、溶槽，大跨度橋型優(yōu)先采用，一跨通過為宜。為降低橋梁墩臺的高度及基礎處理費用，遇到巖溶發(fā)育的河谷，墩臺位置應避開溶洞、溶溝、溶槽、漏斗等地形。為確保墩臺基礎的穩(wěn)定及橋梁安全，墩臺位置選擇應避開膠結不良、巖體強度低的蠕動斷裂帶。3.3隧道方案選擇3.3.1隧道選址（1）巖溶斜坡地區(qū)隧道應選擇在巖溶安全帶。在巖溶斜坡地帶存在一個安全地帶，安全帶內(nèi)巖溶水的發(fā)育程度較低，是隧道的最佳通過位置，如圖5所示［15］。（2）越嶺巖溶隧道應選擇從巖溶垂直滲流帶內(nèi)通過。垂直滲流帶巖溶發(fā)育程度較弱，主要為雨季下滲的〃過路水”，地下水集水面積小，大大降低了突水突泥發(fā)生的可能性。圖5巖溶安全帶（3）隧道宜布設在巖溶相對不發(fā)育地層。地層巖性和地質構造是巖溶發(fā)育的主要控制因素。通?？扇軒r所占比重越多，受構造影響越大，巖溶發(fā)育程度越高。應充分做好地質勘察工作，隧道洞身選擇從巖溶化程度低的地層通過，從而減少工程地質災害的發(fā)生。（4）為使安全頂板厚度滿足要求，隧道位置應處于暗河頂板之上，并以大角度在地下與暗河相交，防止隧道與暗河連通而引發(fā)突水災害。3.3.2隧道布置形式由于連拱隧道受力結構形式較為復雜，當連拱隧道穿越大型溶洞或地下暗河時，隧道左右線之間間距較小，左右洞之間相互作用影響較大，因而對隧道跨徑的處理范圍大大增加，結構形式相比一般分離式隧道較為復雜，對于施工周期和工程造價都會受到影響。4結語本文在總結巖溶地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律的基礎上，分析了巖溶工程地質對公路工程的危害，提出了巖溶區(qū)公路地質選線的一般原則、選線程序，得出巖溶地質條件下公路選線要點及橋隧構造物選址要點。（1）在公路地質選線過程中應遵從〃多比選，慎選擇”的選線原則和〃以避為主，避重就輕”的設計要點，盡量避開碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的接觸帶；無法避