西南某山區(qū)機場的工程地質(zhì)分區(qū)及其評價

廖崇高，李天華

（1．成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，成都610059；2．成都軍區(qū) 空軍勘察設(shè)計院，成都610041）

0 引言

工程地質(zhì)分區(qū)是巖土工程勘察、設(shè)計的一項最基本數(shù)據(jù)，許多學者對其進行了有益的探索和研究。在分析工程地質(zhì)分區(qū)受控因子的基礎(chǔ)上可以進行定性－半定量的分區(qū)和評價。如丁繼新等［1］根據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景、地貌特征和人類活動等情況進行定性的工程地質(zhì)分區(qū)，并進行半定量的工程地質(zhì)評價；許兵等［2］根據(jù)工程地質(zhì)特性和工程地質(zhì)條件的異同建立了一種分區(qū)方法；王思敬等［3］通過考慮各種工程地質(zhì)條件的層次性和各種條件之間的關(guān)系，提出了一種基于統(tǒng)計分析的系統(tǒng)分區(qū)法；張倬元［4］提出了一種綜合考慮相關(guān)工程地質(zhì)條件的組合分區(qū)法；尚彥軍［5］等根據(jù) Hudson［6］的關(guān)系矩陣方法提出了一種半定性－半定量的工程地質(zhì)綜合集成分區(qū)法。

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，多山的西南地區(qū)機場建設(shè)進入迅猛發(fā)展階段。這些機場具有填方高度大、工程地質(zhì)條件復雜、建設(shè)周期短等特點。因此，建設(shè)前的工程地質(zhì)勘察工作往往時間緊、任務(wù)重。工程地質(zhì)分區(qū)作為機場工程地質(zhì)勘察的一個重要組成部分，將直接影響工程地質(zhì)勘察的勘察精度和質(zhì)量，以及工程地質(zhì)條件評價的準確性和系統(tǒng)性。本文以西南地區(qū)某山區(qū)機場勘察為例，在分析研究區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)受控因素（如地貌條件、巖性組合、構(gòu)造條件、水文條件、不良地質(zhì)現(xiàn)象等）的基礎(chǔ)上，進行了工程地質(zhì)定性分區(qū)及評價。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)受控因素

1．1 地形地貌條件

地形地貌是經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)歷史變遷而形成的，是地質(zhì)構(gòu)造、氣候、水系等諸多內(nèi)、外營力綜合作用的結(jié)果。不同的地形地貌直接反映著巖性組合的特征和差異，因此成為工程地質(zhì)分區(qū)中必須考慮的重要因素［7］。

研究區(qū)位于云貴高原的中段，烏蒙山系東面，區(qū)內(nèi)出露主要地貌單元為復雜的高中山構(gòu)造侵蝕、溶蝕山地地貌。受構(gòu)造控制，在研究區(qū)分水嶺兩側(cè)發(fā)育了沿NW向展布的12條羽狀沖蝕、溶蝕溝谷。研究區(qū)總體地勢西南高、東北低，最高點海拔2 067 m，最低點為1 784m，相對高差283m。整個研究區(qū)地形坡度與巖層傾角大體一致，一般坡度8°～15°。研究區(qū)道面需要高挖低填，最高垂直填方高度為89m，最大垂直挖方高度為90m。根據(jù)設(shè)計意圖，大部分填方是順坡走向（巖層走向）填筑，高填方 體的穩(wěn)定性問題突出。為了便于對研究區(qū)填方地段穩(wěn)定性進行更精確的評價，因此把研究區(qū)的地形地貌條件作為研究區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)的控制因素。

1．2 巖土體工程特征

研究區(qū)內(nèi)出露的地層包括第四系殘坡積松散覆蓋層，二疊系下統(tǒng)棲霞茅口組（P1q＋m）灰?guī)r，二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）石英砂巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂巖（不等厚互層），以及石炭系上統(tǒng)馬坪組（C3mp）灰?guī)r（圖1）。據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露，研究區(qū)地基土在空間分布上具有一定的分布規(guī)律：研究區(qū)東北端第四系覆蓋層厚度較大（20～40m），由黏性土和混合土組成，下伏基巖為棲霞茅口組（P1q＋m）灰?guī)r；道中附近第四系覆蓋層厚度?。?～5m），下伏基巖主要為二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）石英砂巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂巖（不等厚互層），局部為馬坪組（C3mp）灰?guī)r；西南端第四系覆蓋層厚度一般在5～20m，局部可達40m，由碎石土組成，下伏基巖主要為馬坪組（C3mp）灰?guī)r。由于地基土分布的差異性，導致研究區(qū)不同地段的工程地質(zhì)問題有所不同，因此巖土體的工程特性是研究區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)必須考慮的因素之一。

圖1 西南某機場研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Geological structureal map of an airport in Southwest China

1．3 構(gòu)造條件

研究區(qū)大地構(gòu)造單元屬揚子準地臺（Ⅰ級）滇東臺褶帶（Ⅱ級）的曲靖臺褶束（Ⅲ級）。受區(qū)域構(gòu)造影響，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有NE向、SN向、NW向、EW向等4組斷裂，將研究區(qū)地形切割成臺階狀，地形和地層總體體現(xiàn)從西南向東北逐漸降低的趨勢；將研究區(qū)巖層切割成不同的斷塊，使得地層的連續(xù)性差，在斷裂及其兩側(cè)發(fā)育滑坡體及崩塌體等不良地質(zhì)現(xiàn)象。研究區(qū)內(nèi)斷裂帶附近的巖體較為破碎，導致巖體力學性質(zhì)較差。因此研究區(qū)的構(gòu)造條件應(yīng)作為工程分區(qū)的重要依據(jù)之一。

1．4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)水文地質(zhì)條件受構(gòu)造的控制，區(qū)內(nèi)發(fā)育有12條切割較深的NW向羽狀沖溝，高差最大可達100余m，形成了研究區(qū)的地表水系格局。這些沖溝既是地表水和地下水的徑流區(qū)，也是地表水和地下水的排泄區(qū)，在沖溝下游以消水坑排出研究區(qū)外。跑道中部位于花竹林梁子次級分水嶺上，為研究區(qū)地表水和地下水的補給區(qū)。西南端和東北端地勢較低，并發(fā)育數(shù)條溝谷，為地下水和地表水的徑流區(qū)和排泄區(qū)。區(qū)內(nèi)地下水類型包括孔隙水和基巖裂隙水，跑道的東北端局部為巖溶水。碳質(zhì)泥巖遇水軟化崩解后為軟弱夾層，常常形成潛在的滑移面，因此必須防止地表水滲入軟化碳質(zhì)泥巖形成軟弱夾層，同時應(yīng)疏干已軟化的碳質(zhì)泥巖中的地下水，以免其形成滑坡，影響高填方體的穩(wěn)定性。研究區(qū)不同部位地下水的埋深和動態(tài)變化、含水層的特征、水力性質(zhì)、水化學成分不盡相同，因此在進行工程地質(zhì)分區(qū)時應(yīng)作為考慮因素。

1．5 不良地質(zhì)現(xiàn)象

受區(qū)域構(gòu)造的影響，研究區(qū)內(nèi)的巖體裂隙較為發(fā)育，加之部分巖體抗風化能力極差，風化后又多呈泥狀，從而使得研究區(qū)滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。通過工程地質(zhì)測繪、工程物探及鉆探發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)發(fā)育滑坡體14個，崩塌體2個。其中西南端發(fā)育6個滑坡體、1個崩塌體；道中附近發(fā)育8個滑坡體、1個崩塌體。其規(guī)模大小不一、形態(tài)不同，對機場建設(shè)影響程度也不相同。因此，不良地質(zhì)現(xiàn)象也是在 進行研究區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)時必須考慮的因素之一。

1．6 挖填平衡

與其他工程建設(shè)不同，機場建設(shè)常會遇到挖方和填方，且土石方量較大，可達幾百萬至幾千萬立方米。由于該機場為挖填平衡機場，土石方單方量（挖方或填方）約2 000×104m3。由于挖方區(qū)與填方區(qū)的勘察目的和任務(wù)不同，勘察手段及評價方法應(yīng)有所區(qū)別，因此挖填平衡也是工程地質(zhì)分區(qū)考慮的重要因素之一。

2 工程地質(zhì)分區(qū)及評價

根據(jù)上述工程地質(zhì)分區(qū)受控因素，首先按挖填平衡條件將研究區(qū)分為兩大區(qū)域，即填方區(qū)（I區(qū)）和挖方區(qū)（Ⅱ區(qū)）；然后根據(jù)各區(qū)的地形地貌特征、巖土體工程特性、構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)現(xiàn)象等情況，對填方區(qū)進一步分為6個亞區(qū)（I－1區(qū)—I－6區(qū)）（圖2）。各區(qū)的主要工程地質(zhì)問題及評價如下：

2．1 高填方邊坡的穩(wěn)定性

研究區(qū)垂直填方高度0～89m，受高填方、地形、風化軟弱巖層、地下水、軟弱土層、滑坡、順坡順層填筑等因素影響，高填方的穩(wěn)定性問題嚴重，經(jīng)過高填方邊坡（坡度1∶2和1∶2．5兩種坡比）穩(wěn)定性初步估算，高填方邊坡均不滿足大于安全系數(shù)（＞1．5）的要求，需要進行地基處理或邊坡支護處理或合理放緩邊坡比例。

在1∶2．5放坡的情況下，研究區(qū)東北端（I－1區(qū)、I－2區(qū)、I－3區(qū)）影響高填方邊坡穩(wěn)定性的主要因素為軟弱土層，經(jīng)計算，天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0．85～0．99，飽水狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為0．69～0．79，均達不到大于安全系數(shù)的要求，需進行地基處理；中部（I－4區(qū)）影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素是軟弱夾層、邊坡坡向、地下水、填方高度等，天然狀態(tài)下其穩(wěn)定性系數(shù)為0．79～1．52，飽水狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為0．63～1．28，均達不到大于安全系數(shù)的要求，需要地基處理或支護；道中（I－5區(qū)）填方體容易沿古滑坡的滑面和強風化碳質(zhì)泥巖層面滑動，天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)一般為0．94～1．11，飽水狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為0．64～0．93，均達不到大于安全系數(shù)的要求，需要對滑坡和全－強風化碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖進行地基處理；西南端（I－6區(qū)）影響穩(wěn)定性的因素主要是軟弱土層、邊坡坡向、地下水、填方高度等，天然狀態(tài)下其穩(wěn)定性系數(shù)為0．72～1．13，飽水狀態(tài)下其穩(wěn)定性系數(shù)為0．47～0．86，均達不到大于安全系數(shù)的要求，需要對軟弱夾層及第四系覆蓋層進行地基處理。

2．2 地基不均勻性及差異沉降

由于研究區(qū)第四系松散堆積物分布極不均勻：跑道兩端（I－1區(qū)、I－2區(qū)、I－3區(qū)和I－6區(qū)）覆蓋層可達40m以上，為土巖組合地基，由于這些區(qū)域的填方高度大（最大可達90m），上覆荷載的附加壓力使得其變形較大，沉降在1．4～6．5m之間，差異沉降問題尤為突出；中部地段（I－4區(qū)和I－5區(qū)）為土巖組合地基與巖質(zhì)地基交互區(qū)域，由于第四系覆蓋層較薄（或直接出露），設(shè)計和施工時可以直接清除即可，但其填方高度較大（最大可達60余m），填筑體本身的沉降不容忽視，通過計算，填筑體的沉降最大約為5．9m，需嚴格控制施工進度；道中附近大片區(qū)域（Ⅱ區(qū)）為挖方區(qū)，基巖埋深較淺，為良好巖質(zhì)地基，變形小，均勻性和差異沉降較小。

2．3 軟弱夾層

圖2 研究區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)示意圖Fig．2 Sketch of engineering geologic division of the study area

研究區(qū)軟弱夾層主要指全風化和強風化的碳質(zhì)泥巖、煤層、粉砂質(zhì)泥巖，厚度一般0．1～2m。研究區(qū)下部地層主要為細粒石英砂巖和碳質(zhì)泥巖及粉砂 質(zhì)泥巖互層，地層順坡向傾向坡外，碳質(zhì)泥巖裂隙不發(fā)育，為相對隔水層，地下水容易在碳質(zhì)泥巖層面上匯集；因碳質(zhì)泥巖遇水軟化崩解，強度極低，很容易沿其層面形成滑面，是研究區(qū)影響高填方穩(wěn)定性的主要因素之一。道中（I－5區(qū)）軟弱夾層主要是全－強風化碳質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，分布于高填方地基的底部，容易從臨空面直接剪出，對高填方穩(wěn)定性影響極大；I－4區(qū)軟弱夾層普遍分布，主要是全－強風化碳質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖、煤等，軟弱夾層2～8層重疊出現(xiàn)，其含水量高，抗剪強度低，部分軟弱夾層臨空條件好，容易向臨空面擠出，或造成邊坡局部隆起，或使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生張拉裂縫，發(fā)生向臨空面的滑動；東南端（I－6區(qū)）軟弱夾層部分剖面分布于高填方體的底部，對高填方的穩(wěn)定性有明顯的影響。

3 地基處理建議

通過對工程地質(zhì)分區(qū)的受控因素進行分析和評價，為機場建設(shè)的設(shè)計和施工提供更為精確的地勘資料，設(shè)計人員可根據(jù)各區(qū)的工程地質(zhì)條件及存在的工程地質(zhì)問題采取合理有效、針對性更強的地基處理措施。各分區(qū)的地基處理措施建議如下：

（1）東北端高填方區(qū)（I－1區(qū)、I－2區(qū)、I－3區(qū)）：清除表層的耕植土，然后進行擠密碎石樁地基處理，在其表面設(shè)置排水盲溝，然后分層碾壓填筑。

（2）東部填方體（I－4區(qū)）：清除表層的耕植土和松散層，然后進行強夯地基處理，在其表面設(shè)置排水盲溝，對邊坡用灌漿、抗滑樁等進行支護，然后分層碾壓填筑。

（3）道中高填方區(qū)（I－5區(qū)）：清除下部的滑坡體、軟弱土層到中風化基巖，在基巖上做反傾向臺階，設(shè)置排水盲溝，然后分層碾壓填筑，根據(jù)高填方穩(wěn)定性和開挖揭露的地質(zhì)情況對碳質(zhì)泥巖采用灌漿、抗滑樁等手段加固。

（4）西南端高填方區(qū)（I－6區(qū)）：清除下部的軟弱土層到中風化基巖，在基巖上做反傾向臺階，并設(shè)置排水盲溝，然后分層碾壓填筑；對于軟弱地基厚度大的地段也可以采用碎石樁、CFG樁、灌漿等地基處理方式提高地基強度。根據(jù)高填方穩(wěn)定性和開挖情況在危險地段可采用灌漿、錨桿、擋墻、抗滑樁等手段加固基巖。

（5）挖方區(qū)適當超挖，在其底面做好防滲層然后分層碾壓填筑，以避免軟硬基底差異沉降引起道面開裂問題。

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