地質(zhì)選線法在河都高速公路的研究與實踐

韋世明，古鵬翔，羅 竟

(1.廣西桂山高速公路有限公司，廣西 都安 530700；2.廣西交通職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530023)

地質(zhì)選線法在河都高速公路的研究與實踐

韋世明1，古鵬翔1，羅 竟2

(1.廣西桂山高速公路有限公司，廣西 都安 530700；2.廣西交通職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530023)

地質(zhì)選線法是喀斯特地區(qū)高速公路設計中選擇最優(yōu)方案的方法。文章分析喀斯特地質(zhì)對公路的危害，提出喀斯特地區(qū)公路地質(zhì)選線的一般原則、程序及要點，并結合河池至都安高速公路工程實例，介紹了地質(zhì)選線法的實踐經(jīng)驗。通過河池至都安高速公路通車后的營運證明，地質(zhì)選線對建設期預判、實踐和地質(zhì)災害處理及營運效益，起到了重要作用。

喀斯特；地區(qū)；高速公路；地質(zhì)；選線

0 引言

喀斯特地貌是影響高速公路工程建設的重大不良地質(zhì)現(xiàn)象之一，目前仍是工程建設中的世界性難題。廣西是我國著名的喀斯特區(qū)，喀斯特面積97.725平方公里，占全區(qū)面積的41%。而河池地區(qū)喀斯特面積占廣西喀斯特面積的65.8%，比重最高。因而在廣西咯斯特地區(qū)施工時，合理布設公路路線，根據(jù)路線所經(jīng)區(qū)域的喀斯特發(fā)育特征，科學解決穿越與避讓問題，對于避免工程病害、降低工程造價、減少環(huán)境破壞意義重大。

本文以廣西喀斯特地區(qū)高速公路為研究對象，通過分析喀斯特地質(zhì)對公路潛在的破壞，提出喀斯特地區(qū)公路地質(zhì)選線法，并應用到河池至都安高速公路選線中，取得良好成效。

1 喀斯特地質(zhì)對公路的危害

1.1 水對工程的危害

喀斯特水是在各種喀斯特形態(tài)表面和內(nèi)部之地表水與地下水的總稱，包括喀斯特泉、接觸帶喀斯特水及地下河等表現(xiàn)形態(tài)，如圖1所示。地表水、地下水均對路基等結構物產(chǎn)生危害。

圖1 喀斯特地區(qū)路基遭喀斯特水破壞作用模型示意圖

1.2 洞穴對工程的危害

廣西地區(qū)喀斯特地質(zhì)特征為碳酸鹽巖系。碳酸鹽巖在長期水的腐蝕、溶解下，形成大小不一、千姿百態(tài)的洞穴。公路路線通過這些洞穴地段，路基、橋梁、隧道的安全性難以準確評估，往往很難處理。

廣西地區(qū)洞穴對工程的危害，主要表現(xiàn)為路基、橋梁、隧道基礎懸空，尤其是洞穴頂板過薄，均會引起路基、橋梁、隧道發(fā)生猝不及防的破壞。

1.3 洞穴堆積物、石芽、石筍對工程的危害

長年自然搬運作用，洞穴內(nèi)堆滿各種填充物。碳酸鹽巖為主導的喀斯特地區(qū)洞穴堆積著風化殘積土。廣西地區(qū)風化殘積土具有膨脹土的許多特征，且保留有原生的層面與節(jié)理面。幾經(jīng)收縮、膨脹，土結構受到破壞，物理力學指標降低，造成邊坡失穩(wěn)。

石芽及溶隙間的充填土壤，往往成分不均，含水量高，承載力低，不能直接安放基礎。位于路基邊坡上的風化裂隙，當它們相互交織切割坡面時，則形成松散巖體或三角棒形槽，造成邊坡坍方、掉塊。

1.4 地面塌陷的危害

碳酸鹽巖的喀斯特地區(qū)通常覆蓋著第四紀松散土層，且地下水位高。巖溶通常具有連通性，地下水位相同。雨季水位的驟降或驟升，導致地面坍塌。如廣西桂(林)-陽(朔)高速公路K11～K22路段及兩側(cè)內(nèi)共有發(fā)育有60個塌陷坑，非常典型。最大規(guī)模的塌陷坑是2005年8月發(fā)生在K16的，塌坑直徑達到10 m，坑深6 m。

2 喀斯特地區(qū)公路地質(zhì)選線原則與程序

2.1 公路地質(zhì)選線一般原則

喀斯特地區(qū)控制高速公路布線的主要地質(zhì)問題是水、洞穴、松散堆積物。公路地質(zhì)選線應遵循如下基本原則：

(1)路線設計以喀斯特地質(zhì)條件為主導。在對可能發(fā)生的工程地質(zhì)問題充分論證的前提下，合理地進行工程地質(zhì)選線與方案比選，協(xié)調(diào)、平衡與經(jīng)濟、環(huán)保、安全、美觀、舒適等多個設計目標的關系。

(2)對路線走廊帶進行全面、準確的地質(zhì)勘察?？λ固氐貐^(qū)選線，必須認真勘測，尤其是加強工程地質(zhì)勘測，全面比較，避重就輕，防害興利，在選線中慎重確定路線的布局和位置。

(3)協(xié)調(diào)局部與整體的關系。遇喀斯特發(fā)育地段，一般線路以繞避為主，或選擇在喀斯特發(fā)育較弱的地區(qū)通過為宜。有時路線方案局部地質(zhì)不利，但從整段線路總體來看，則可能是經(jīng)濟合理。因此，多方案、多措施比選，才能確定工程可行、經(jīng)濟合理的線路方案。

(4)重視重大工程的方案選擇。公路跨越峽谷河流的高墩大跨徑特殊結構橋梁，穿越山嶺的長大隧道等重大工程方案常常制約局部路線方案。因此，應優(yōu)先選擇控制路線方案的重大工程方案，以便盡快穩(wěn)定路線方案。

(5)高填深挖與橋隧方案比較。喀斯特山區(qū)公路高填、深挖及重大不良地質(zhì)路段，應以橋隧和路基方案綜合比選后，考慮經(jīng)濟合理、技術穩(wěn)妥及安全環(huán)保等因素擇優(yōu)選用。

(6)地質(zhì)相對穩(wěn)定，遠離暗河，避開排泄區(qū)。路線應盡量選擇在喀斯特不發(fā)育、欠發(fā)育、相對弱發(fā)育的地層巖組通過，避開排泄區(qū)，遠離暗河。

2.2 喀斯特地區(qū)公路地質(zhì)選線程序

公路選線應針對路線所經(jīng)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、地形、地質(zhì)的特性與差異，按擬定的各控制點由面到帶、由帶到線，由輪廓到具體，進行比較、優(yōu)化與論證。不同設計階段，選線工作內(nèi)容應各有側(cè)重，后一階段是前一階段的繼續(xù)與完善。通過喀斯特工程地質(zhì)勘察、路線方案布設、路線方案地質(zhì)風險評價、路線方案優(yōu)化等方法手段，對路線方案反復評價與優(yōu)化，最終達到多目標協(xié)調(diào)的選線過程。公路地質(zhì)選線概念程序見圖2。

圖2 公路地質(zhì)選線概念程序圖

3 地質(zhì)選線法的實際應用

3.1 路線采取避開碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的接觸帶

碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖質(zhì)檢之間存在厚度不一的接觸帶，使得地下水集中而導致碳酸鹽巖石與水發(fā)生物理、化學反應，導致碳酸鹽巖石巖溶進一步發(fā)育。平面上沿接觸帶走向分布有串珠狀的各種喀斯特形態(tài)，地下水多具有承壓性，且常發(fā)育于和接觸帶走向一致的縱向暗河，并與碳酸鹽巖一側(cè)的橫向暗河相連。為避免喀斯特水和洞穴的危害，線路采取避開接觸帶及其附近，必要時以大交角穿過。

河池至百色高速公路坡明段(K70+820.734～K73+200)，工可方案路線從推測地下暗河上部以挖方通過。初設階段從確保路基安全，遠離暗河角度考慮，提出了B6線與K線進行比選(如下頁圖3所示)。K線主要穿過喀斯特盆地區(qū)，右側(cè)為Dh2-2～Dh2-1地下暗河。通過地質(zhì)鉆探，未發(fā)現(xiàn)K線正下方存在暗河。B6為頁巖與石灰?guī)r接觸帶，屬溶蝕強烈發(fā)育區(qū)。

從工程地質(zhì)角度看，路線應避讓碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的接觸帶，最終選擇K線方案。

圖3 河池至百色高速公路坡明段路線平面圖

3.2 路線繞避喀斯特發(fā)育傾向的構造帶

喀斯特地區(qū)的構造破碎帶以及褶皺軸部均有利于巖溶發(fā)育。斷裂帶如為張性易于富集、傳導地下水；如為壓性則因阻水而使地下水富集于一側(cè)；當為扭性時兩種可能兼有。向斜軸以及斷裂交叉處更有利于地下水富集、傳導。上述地帶喀斯特水循環(huán)交替強烈，喀斯特作用亦劇烈，常發(fā)育有地下大廳及暗河等。路線位置力求避開或不與其靠近，必要時以大交角通過。

河池至都安高速公路在初步設計過程中，根據(jù)順安至高嶺段(K59～K71)復雜的地形、地質(zhì)、居民分布、工程用地等條件，提出了K線和N線兩個方案，其平面方案圖見圖4。

圖4 河都高速公路順安至高嶺段路線平面方案圖

從地質(zhì)構造、水文地質(zhì)及喀斯特等角度考慮，路線方案比選如下[7]：

K線方案：路線斜切北西向?qū)捑彵承保瑤r溶發(fā)育較弱。沿線喀斯特、地下通道較發(fā)育，地下河4次下穿路線，但穩(wěn)定地下水位低于隧道底板10～20 m，具備工程建設穩(wěn)定條件。喀斯特形態(tài)以豎向溶隙、溶槽及溶洞為主，規(guī)模不大，對隧道圍巖穩(wěn)定影響不大，隧道施工遇到廳堂式水平大溶洞可能性不大。

N線方案：NK66+700以前與北東向斷裂帶平行或相交，斷層控制喀斯特發(fā)育及地下水走向，喀斯特較發(fā)育，巖體較破碎；其后順背斜翼部展線。且總體平行地下河展布，不排除強降雨期間洼地內(nèi)排水不暢水位雍高而影響公路正常運行的可能。NK66+700～NK75+145.99段工程地質(zhì)簡單，但局部軟土。

總體來看，K線方案斜切北西向?qū)捑彵承?，較好地避開了有利于喀斯特發(fā)育的構造帶；N線方案于NK66+700以前與北東向斷裂帶平行或相交，其后順背斜翼部展線，不利于避讓有利于喀斯特發(fā)育的構造帶。因此，推薦K線為實施方案。實際隧道施工過程，未發(fā)現(xiàn)廳堂式大溶洞。

3.3 路線避開喀斯特發(fā)育的極強區(qū)

喀斯特發(fā)育的極強區(qū)，給施工和運營帶來潛在的安全風險。因此，選線時一般以繞避為宜，將線路布置在巖溶發(fā)育相對輕微的控制帶。

靖西至那坡高速公路百針段，工可階段利用漏斗地形，設置了3座大橋，隧道3座。經(jīng)外業(yè)調(diào)查，漏斗地形屬于喀斯特地質(zhì)，大面積匯水由漏斗中心進入地下暗河，在此處設置大橋，橋梁基礎設在漏斗上存在工程地質(zhì)問題。初步設計階段，提出K線(長隧道)方案，路線以直線通過，避開了兩處漏斗中心，取消了百針大橋和弄歪大橋，避免了工程地質(zhì)問題。靖西至那坡高速公路百針段路線方案比較情況見圖5。

圖5 靖西至那坡高速公路百針段路線方案比較圖

3.4 路線繞避網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞區(qū)

局部的或個體的喀斯特大洞穴危害，也會控制著路線位置的選擇。

圖6為項目所經(jīng)區(qū)域在二迭系茅口灰?guī)r與玄武巖、砂頁巖。接觸處的陡坎下有大塊石堆積和深切溝谷，明河源頭與五處暗河相接，地面有新生陷穴，基巖相互脫離變位似龜板。北側(cè)出露大面積的灰?guī)r地層，匯水條件有利，喀斯特極度發(fā)育。盡管采用線多占農(nóng)田，但避開了比較線的網(wǎng)狀洞穴。

圖6 罵支網(wǎng)伏洞穴區(qū)線路方案選擇示意圖

3.5 喀斯特地區(qū)隧道方案選擇

3.5.1 喀斯特斜坡地區(qū)隧道選擇在喀斯特安全帶通過

研究顯示[2]，喀斯特地區(qū)斜坡地段的地表、地下水總是以最短的途徑向河流等排泄基準面排泄，因而斜坡地段以橫向排水為主。這些斜坡地帶存在一個喀斯特安全帶，即巖溶水最低排泄點與山頂面靠河谷最外側(cè)的洼地、豎井等垂直喀斯特形態(tài)之間的地帶。安全帶內(nèi)巖溶發(fā)育程度相對微弱，是隧道通過的最佳位置，如圖7所示。

圖7 喀斯特安全帶及隧道最佳位置示意圖

河都高速公路庭上隧道在平面上與暗河相交[7]，隧道進口段左側(cè)有地下河天窗存在。隧道在選址過程中，從安全地帶通過，施工中未見大型溶洞。另外，通過控制隧道設計高程，保證了該隧道底板與地下河之間的厚度，在施工中未揭露與該地下河相連的垂直型溶槽，保證了工程地質(zhì)安全。庭上隧道平面圖見圖8。

圖8 河都高速公路庭上隧道平面圖

3.5.2 越嶺喀斯特隧道選擇從喀斯特垂直滲流帶內(nèi)通過

喀斯特地區(qū)垂直滲流帶主要排泄季節(jié)性山洪，地下水集水面積小，突水突泥可能性不大。因此，巖溶發(fā)育較弱，屬于安全帶。有條件時，應抬高路線高程，隧道從喀斯特垂直滲流帶內(nèi)通過。

河都高速公路下刁隧道在選址過程中，考慮到隧道位置前后及中間的喀斯特洼地都屬于典型的喀斯特負地形，都有地下河出入，經(jīng)過對比選線，將隧道選在喀斯特垂直滲流帶區(qū)域通過。在施工中，除在中導洞開挖過程中發(fā)現(xiàn)一些小型溶洞外，未發(fā)現(xiàn)大型廳堂式溶洞，隧道基本安全通過該路段[8]。下刁隧道平面圖見圖9。

圖9 河都高速公路下刁隧道平面圖

3.5.3 路線繞避有利于喀斯特發(fā)育的構造帶及喀斯特發(fā)育極強區(qū)

巖層破碎帶、褶皺的軸部等構造發(fā)育部位，地下水循環(huán)強烈，有利于喀斯特的發(fā)育。這些構造發(fā)育部位往往成為地下水的循環(huán)通道或儲水構造，路線應避開這些地帶，或以大角度通過。因此，一般以繞避為主，將線路選在喀斯特發(fā)育相對輕微的地區(qū)[2]。

河都高速公路加洋隧道盡可能地向遠離大溶洞與地下河方向偏移，同時抬高設計標高，但受限于前后地形，偏離的距離有限，施工中河池端(大溶洞出露端)雖成功避開喀斯特發(fā)育區(qū)，但都安端仍穿越廳堂式大溶洞，且部分隧道穿越溶洞填充物，致使隧道基底承載力不足[8]。加洋隧道路段水文地質(zhì)情況見圖10。

圖10 河都高速公路加洋隧道路段水文地質(zhì)圖

3.5.4 隧道置于安全厚度的暗河頂板之上，大角度與地下暗河相交

河都高速公路謝家峒隧道[8]，隧址區(qū)喀斯特發(fā)育較強烈，喀斯特形態(tài)表現(xiàn)為落水洞、地下河出口洞、溶洞及溶蝕裂隙，其進出洞口及ZK28+000～ZK28+150段沖溝內(nèi)喀斯特發(fā)育密度及規(guī)模相對較大。根據(jù)地質(zhì)勘查結果，區(qū)域正斷層由北向南與隧道軸線約呈8°夾角從隧道區(qū)經(jīng)過，ZK28+700～YK29+000段內(nèi)隧道受斷層影響明顯，斷層影響帶內(nèi)喀斯特十分發(fā)育。另外，地質(zhì)勘察結果推測原設計隧址區(qū)有一地下暗河通過，于ZK29+046左側(cè)9 m坡腳處出露地表。

受地形、路線標準的制約，該路段平、縱線形無法調(diào)整。隧道施工中揭露了多處廳堂式溶洞，與地下河直接或間接聯(lián)通，雨季地下水位接近隧道底板。為處理該隧道的廳堂式溶洞，業(yè)主多次組織專家制定專項處治方案。

3.6 橋位選擇及下構形式選擇要點

喀斯特對橋梁的危害一般表現(xiàn)為[2]：溶洞頂板坍塌而引起橋梁或涵洞下沉及破壞；突然性的地下涌水，沖毀橋涵；洞穴周期性冒水，引起橋涵沉陷、崩塌。研究喀斯特地區(qū)橋位選擇、橋型選擇等關鍵問題，對于提高喀斯特地區(qū)橋梁布置方案的科學性、合理性和安全性具有重要意義。

橋位的選擇，采取“避重就輕”的原則，橋址在巖溶發(fā)育相對較弱，地形地貌條件適宜的狹窄區(qū)。

橋型選擇要點：布置橋型方案時，凈空受影響的路段，推薦采用小跨徑鋼筋混凝土梁橋，擴大基礎。覆蓋層厚>15 m時的橋址，推薦選擇樁基。

墩高>30 m以上，宜選用薄壁墩；墩高<30 m，優(yōu)先選擇排架樁。

河都高速溶洞、暗河頂板上橋址，基本選擇輕型墩臺、埋置式橋臺，以減輕橋梁自重。

4 結語

喀斯特地區(qū)地質(zhì)選線法在河池至都安高速公路等項目得到很好地應用。營運兩年多，沒有發(fā)生一起地質(zhì)災害，證明預判準確。地質(zhì)選線法，尚有下列問題待進一步研究：

(1)多指標的協(xié)調(diào)決策。公路路線設計屬于多目標決策問題，各設計目標之間具有矛盾性和不可調(diào)和性，采用現(xiàn)代數(shù)學方法和系統(tǒng)理論，定量地解決多目標決策問題，是喀斯特地區(qū)高速公路路線設計理論研究的方向。

(2)路線設計突出控制點?？λ固氐貐^(qū)高速公路路線設計的突出特點在于喀斯特地質(zhì)(地貌)及路域生態(tài)環(huán)境石漠化趨勢問題，加強設計期間的喀斯特地質(zhì)勘察和生態(tài)影響評估，充分利用先進的RS和GIS技術輔助進行公路路線設計方案決策，是今后努力的方向。

[1]周 洲，鄭志華.喀斯特地貌公路建設項目環(huán)境影響評價[J].上海船舶運輸科學研究所學報，2007，30(2)：110-112.

[2]許金良，田 林，牛冬瑜.基于RS-GIS的喀斯特地區(qū)公路生態(tài)選線[J].長安大學學報(自然科學版)，2013，33(2)：1-8.

[3]吳華金，張林洪.山區(qū)公路選線[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4]霍 明.山區(qū)高速公路勘察設計指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5]交通運輸部公路司.新理念公路設計指南(2005)版[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6]楊宏志，許金良.基于約束描述的公路路線設計過程模型[J].重慶交通學院學報，2005，24(1)：37-40.

[7]廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計院.河池至都安高速公路兩階段初步設計說明書[R].南寧，2009.

[8]廣西桂山高速公路有限公司.喀斯特地區(qū)典型示范工程成套技術管理研究[R].南寧，2014.

Research and Practice of Geological Route Selection Method in Hedu Expressway

WEI Shi-ming1，GU Peng-xiang1，LUO Jing2

(1.Guangxi Guishan Expressway Co.，Ltd.，Du’an，Guangxi，530700；2.Guangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanning，Guangxi，530023)

Geological route selection method is the method to select the optimal scheme in expressway design in karst region.This article analyzed the hazards of karst geology to highway，proposed the general principles，procedures and key points of highway geologic route selection in karst region，and combined with Hechi-Du’an Expressway engineering practice，it introduced the practical experiences of geologic route selection method.Through the operation of Hechi-Du’an Expressway，it was verified that the geological route selection has played a significant role in the prediction and practice during construction stage as well as the geological disaster treatment and operation benefits.

Karst；Region；Expressway；Geology；Route selection

韋世明(1968—)，高級工程師，主要從事高速公路工程技術管理工作；

古鵬翔(1977—)，高級工程師，主要從事高速公路工程技術管理工作；

羅 竟(1964—)，教授，從事公路工程建設技術研究工作。

廣西交通科技項目“喀斯特地區(qū)典型示范工程成套技術管理研究”(項目編號：〔2011〕54-28)

U412.32

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.11.001

1673-4874(2016)11-0001-06

2016-10-25