巖溶地區(qū)高速公路地質(zhì)選線方法研究

宋振京，劉平威，唐志祥

(廣西桂山高速公路有限公司，廣西 都安 530700)

巖溶地區(qū)高速公路地質(zhì)選線方法研究

宋振京，劉平威，唐志祥

(廣西桂山高速公路有限公司，廣西 都安 530700)

廣西地區(qū)巖溶分布廣泛，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，對高速公路工程建設(shè)有著顯著的不良影響。依據(jù)路線走廊帶的巖溶發(fā)育特征，設(shè)計(jì)合理的穿越與避讓方案，對于避免工程病害、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境意義重大。文章以巖溶地區(qū)高速公路地質(zhì)選線方法為主要研究內(nèi)容，以廣西河池至都安高速公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)為依托，結(jié)合大量地質(zhì)資料，提出了巖溶地區(qū)地質(zhì)選線的一般原則及選線程序，總結(jié)了巖溶地區(qū)地質(zhì)選線要點(diǎn)，并列舉了具體的工程實(shí)例解決方案。

巖溶地區(qū)；高速公路；地質(zhì)；選線方法

0 引言

巖溶(karst)是影響高速公路工程建設(shè)的重大不良地質(zhì)現(xiàn)象之一，目前仍是工程建設(shè)中的世界性難題。廣西是我國著名的巖溶區(qū)，巖溶面積97 725 km2，占全區(qū)面積的41%。河池地區(qū)巖溶占該地區(qū)面積的65.8%，比重最高。

巖溶地區(qū)有巖溶水、巖溶洞穴等多種地質(zhì)問題，復(fù)雜的地理環(huán)境對高速公路工程建設(shè)和運(yùn)營管理有諸多不良影響，一旦處理不當(dāng)，不僅會(huì)增大工程的經(jīng)濟(jì)成本，產(chǎn)生各種工程病害，還有可能形成安全隱患，釀成極其嚴(yán)重的安全事故。因此，合理布設(shè)公路路線，根據(jù)路線所經(jīng)區(qū)域的巖溶發(fā)育特征，科學(xué)解決穿越與避讓問題，對于避免工程病害、降低工程造價(jià)、減少環(huán)境破壞意義重大[1]。

對于巖溶地區(qū)選線，巖溶工程地質(zhì)勘察與公路選線應(yīng)緊密配合、相互協(xié)作。各設(shè)計(jì)階段任務(wù)不同，巖溶地質(zhì)勘察的深度和廣度也不同，地質(zhì)選線的程序和解決的主要問題也隨之變化。在選線的過程中，要具體研究局部路段的布設(shè)方案，例如，避開地質(zhì)接觸帶與構(gòu)造帶，降低工程成本與施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也要顧及路線的整體設(shè)計(jì)，例如，以重要橋隧的位置作為選線基準(zhǔn)，做到局部與整體相結(jié)合。本文搜集了大量巖溶地區(qū)高速公路地質(zhì)選線的基礎(chǔ)資料，通過具體的工程實(shí)踐，得出了巖溶地區(qū)公路選線的一般原則與選線程序，并總結(jié)分析了巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線要點(diǎn)。

1 巖溶工程地質(zhì)對公路工程的危害

近年來，廣西高速公路發(fā)展迅速，在巖溶地區(qū)建成了多條高速公路。但由于高速公路所經(jīng)地區(qū)，巖溶地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工和運(yùn)營中不可避免會(huì)出現(xiàn)一些巖溶工程地質(zhì)問題[2]。

(1)巖溶水對工程的危害

巖溶水包括巖溶泉、接觸帶巖溶水及地下河等表現(xiàn)形態(tài)，巖溶地表水與地下水聯(lián)系緊密，如果不進(jìn)行合適的處理，會(huì)對路基造成損害。

(2)巖溶洞穴對工程的危害

巖溶洞穴頂板很薄，如果承受過大負(fù)荷，會(huì)突然坍塌，破壞路基。同時(shí)，洞穴也會(huì)使路面工程的基礎(chǔ)懸空。

(3)洞穴堆積物及風(fēng)化層對工程的危害

由于環(huán)境的物理及化學(xué)作用而形成碎屑沉積和化學(xué)沉積兩種洞穴堆積物。除此之外，巖溶地區(qū)尚有風(fēng)化的山砂殘積土及破碎巖體的坍塌等都對工程的穩(wěn)定性有影響。

(4)巖溶區(qū)域地表垮塌的危害

巖溶區(qū)域覆蓋著松散的土層，由于水位變化、巖溶發(fā)育、地下水流動(dòng)或其他原因會(huì)造成地表垮塌?？逅l(fā)生的時(shí)間和位置都是難以勘測的。[3]

在公路工程建設(shè)中，上述四種危害時(shí)常發(fā)生，其中巖溶水和地表垮塌的危害尤為突出。

2 巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線一般原則及選線程序

2.1 巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線一般原則

巖溶地區(qū)巖溶的發(fā)育特征，反映了巖溶地區(qū)地貌控制、巖性控制、構(gòu)造控制、巖溶水控制的組合效應(yīng)，同時(shí)集中凸顯了受剝夷面、巖性控制的特殊性。公路地質(zhì)選線時(shí)，要綜合考慮各方面因素，妥善處理好各方面關(guān)系，其基本原則如下[4]：

(1)路線設(shè)計(jì)應(yīng)以巖溶地質(zhì)條件為主導(dǎo)，在對可能發(fā)生的工程地質(zhì)問題充分論證的前提下，合理進(jìn)行工程地質(zhì)選線與方案比選，同時(shí)要考慮安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、美觀等多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系。

(2)在巖溶地區(qū)選線，必須認(rèn)真勘測，尤其是加強(qiáng)工程地質(zhì)勘測，全面比較，防害興利，避重就輕。根據(jù)地質(zhì)條件，總結(jié)出項(xiàng)目區(qū)巖溶的發(fā)育和分布規(guī)律，選擇合理的路線布局和位置。

(3)巖溶地區(qū)地質(zhì)選線應(yīng)以路線整體為基準(zhǔn)，考慮局部路段的布設(shè)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)行多方案比選。

(4)巖溶地區(qū)地形地質(zhì)復(fù)雜，公路選線應(yīng)重視重大工程的方案選擇。

(5)巖溶山區(qū)公路選線設(shè)計(jì)，對可能出現(xiàn)工程病害的高填、深挖及重大不良地質(zhì)路段，應(yīng)以橋隧和路基方案綜合比選后，考慮經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)穩(wěn)妥及安全環(huán)保等因素?fù)駜?yōu)選用。

(6)路線應(yīng)盡量選擇在：①巖溶不發(fā)育、欠發(fā)育、相對弱發(fā)育的地層巖組通過，依次為非可溶巖→不純碳酸鹽巖→間互型碳酸鹽巖、純碳酸鹽巖中的有利部位等；②寬緩褶皺、斷裂欠發(fā)育、構(gòu)造簡單的構(gòu)造地塊；③不利于巖溶、巖溶水發(fā)育的分水嶺地區(qū)、補(bǔ)給區(qū)通過，避開排泄區(qū)，遠(yuǎn)離暗河[5]。

2.2 巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線程序

巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線程序是以巖溶工程地質(zhì)為主要控制因素，兼顧地形、人文、生態(tài)、景觀等因素，通過巖溶工程地質(zhì)勘察、路線方案布設(shè)、路線方案地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、路線方案優(yōu)化等方法手段，對路線方案反復(fù)評價(jià)與優(yōu)化最終達(dá)到多目標(biāo)協(xié)調(diào)目的的選線過程[6]。按照高速公路設(shè)計(jì)程序，一般分為工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段進(jìn)行，三個(gè)階段路線設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)不同，因而地質(zhì)選線考慮的因素及程序也有所不同。工程可行性研究階段解決路線走廊帶比選問題，初步設(shè)計(jì)階段解決路線走廊帶內(nèi)路線方案比選問題，施工圖設(shè)計(jì)階段則主要是技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)化和局部方案調(diào)整問題。本課題所研究的地質(zhì)選線主要考慮工程可行性研究階段和初步設(shè)計(jì)階段。

對于巖溶地區(qū)選線，與非巖溶地區(qū)工程地質(zhì)選線的主要不同之處在于，在進(jìn)行常規(guī)地質(zhì)條件勘察與風(fēng)險(xiǎn)評估的同時(shí)，還要進(jìn)行巖溶發(fā)育情況以及巖溶水文工程的考察。巖溶工程地質(zhì)勘察與公路選線緊密配合、相互協(xié)作。各設(shè)計(jì)階段任務(wù)不同，巖溶地質(zhì)勘察的深度和廣度也不同，地質(zhì)選線的程序和解決的主要問題也隨之變化。

2.2.1 工程可行性研究階段路線走廊帶地質(zhì)比選

高速公路工程可行性研究階段(預(yù)可階段)主要解決路線起終點(diǎn)、中間主要控制點(diǎn)的論證、路線走廊帶方案(路線走向方案)的擬定和比選問題。路線走廊帶地質(zhì)比選程序及各環(huán)節(jié)要求如下[7]：

(1)工程可行性研究階段巖溶工程地質(zhì)勘察內(nèi)容與程序[7]

工程可行性研究階段巖溶地質(zhì)勘察主要任務(wù)在于公路建設(shè)項(xiàng)目所處區(qū)域的工程地質(zhì)條件及存在的工程地質(zhì)問題、初步查明公路沿線的工程地質(zhì)條件和對公路建設(shè)規(guī)模有影響的工程地質(zhì)問題。具體內(nèi)容包括：巖溶地貌特征、可溶巖地層巖性、巖溶區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、巖溶水文地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育規(guī)律、巖溶區(qū)特殊性巖土、沿線筑路材料的分布及工程用水的水源及水質(zhì)等，對選擇路線走廊帶的場地穩(wěn)定性和工程建設(shè)的適宜性作出初步評價(jià)，為優(yōu)選路線方案提供地質(zhì)依據(jù)。

(2)路線走廊帶方案布設(shè)及地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評估

路線走廊帶方案布設(shè)時(shí)應(yīng)根據(jù)工可地質(zhì)勘察的結(jié)果，處理好路線與可溶巖層、斷裂帶、巖溶發(fā)育不良地段之間的關(guān)系。

根據(jù)路線走廊帶范圍內(nèi)的斷裂帶、巖溶分布等情況，進(jìn)行野外勘察與驗(yàn)證，基于對巖溶發(fā)育情況的具體分析，提出最優(yōu)化的路線方案。

(3)路線走廊帶方案的多目標(biāo)優(yōu)選

從路網(wǎng)規(guī)劃、社會(huì)環(huán)境影響、地形條件、生態(tài)環(huán)境、工程造價(jià)等方面對所提出的路線走廊帶方案進(jìn)行評價(jià)，綜合考慮地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)與其他工程目標(biāo)的關(guān)系，提出推薦方案。

2.2.2 初步設(shè)計(jì)階段路線方案地質(zhì)比選

初步設(shè)計(jì)階段對工程可行性研究階段推薦走廊帶進(jìn)行研究，在走廊帶范圍內(nèi)，提出推薦的路線方案。初步設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)選線，應(yīng)結(jié)合選線的要求，做好初步勘察工作，為路線方案布設(shè)和比選提供依據(jù)。

(1)初步設(shè)計(jì)階段巖溶工程地質(zhì)勘察

路線工程地質(zhì)初步勘察應(yīng)以工程地質(zhì)調(diào)繪為主，勘探測試為輔。對于大橋及特大橋、長隧道及特長隧道等控制性工程通過地段的工程地質(zhì)條件和主要工程地質(zhì)問題也應(yīng)進(jìn)行勘察評估。

(2)初步設(shè)計(jì)階段路線方案布設(shè)及地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評估

初步設(shè)計(jì)階段路線方案的布設(shè)是在工可階段選定的路線走廊帶內(nèi)的路線方案布設(shè)與比選。初步設(shè)計(jì)階段的路線布設(shè)應(yīng)著重考慮巖溶地形起伏、地貌類型、斷層分布、巖溶發(fā)育區(qū)長度、碳酸鹽巖層分布、不良巖溶形態(tài)分布、地下暗河的長度與分布等巖溶地質(zhì)現(xiàn)象，通過采取穿越、繞避等措施合理布設(shè)路線方案，并從以上幾個(gè)因素評估路線方案地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

(3)路線方案多目標(biāo)優(yōu)選

以工程地質(zhì)條件為主導(dǎo)，從工程造價(jià)、交通安全、環(huán)境影響、公路景觀等方面，對路線方案進(jìn)行綜合評價(jià)，反復(fù)修正比選，確定推薦方案。

3 巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線要點(diǎn)

(1)路線應(yīng)避開碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的接觸帶[8]

碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的接觸帶，由于非碳酸鹽巖的阻隔，地下水容易聚集，巖溶發(fā)育。平面上沿接觸帶走向分布有串珠狀的各種巖溶形態(tài)，地下水多具有承壓性，且常發(fā)育于與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。為避免巖溶水和洞穴的危害，線路應(yīng)避免設(shè)在接觸帶及其附近，必要時(shí)應(yīng)以大交角穿過。

接觸帶上發(fā)育的巖溶，也并非全然暴露于地表，有時(shí)因第四系覆蓋或因侵蝕基準(zhǔn)面的變遷，早期的暗河已成干洞，地面巖溶不發(fā)育，選擇路線時(shí)，要極為慎重。工程實(shí)踐中，常遇到地表巖溶不發(fā)育，開挖后才發(fā)現(xiàn)多層洞穴發(fā)育的情況，而此時(shí)試圖避重就輕的局部修改路線已不可能，只能采取工程處理措施。

接觸面附近路線平面位置的選擇以繞避為主，至于接觸帶附近路線剖面高程的選擇問題，要視接觸面與路線的相對位置而定。圖1中的幾種空間位置情況，路線應(yīng)考慮避開接觸面為宜。

圖1 碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖接觸面附近的路線剖面圖

路線應(yīng)選在接觸面哪一側(cè)，距接觸面的距離多少，要根據(jù)具體情況而定。碳酸鹽巖的巖溶問題對工程固然不利，但由于碳酸鹽巖本身具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，就其工程地質(zhì)條件而言，與非碳酸鹽巖相比，又具有利的一面。在巖溶發(fā)育地段，有時(shí)可將線路作局部改動(dòng)，或移在碳酸鹽巖層中通過?？傊?，線路選擇必須權(quán)衡利弊，慎重決定。

(2)路線避開有利于巖溶發(fā)育的構(gòu)造帶

構(gòu)造破碎帶以及褶皺軸部等有利于巖溶發(fā)育。斷裂帶如為張性易于富集、傳導(dǎo)地下水，如為壓性則因阻水而使地下水富集于一側(cè)，當(dāng)為扭性時(shí)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(dǎo)。上述地帶巖溶水循環(huán)交替強(qiáng)烈，巖溶作用亦劇烈，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(shí)以大交角通過。

有些受斷裂控制發(fā)育的巖溶，并不能都在地表充分暴露出來。這時(shí)，只能根據(jù)影響巖溶發(fā)育的各種因素，在勘探的基礎(chǔ)上作出分析判斷，以確定路線位置。某路線隧道穿過斷層見圖2。

圖2 某路線在巖溶地區(qū)斷層通過示意圖

由圖2可知，施工時(shí)曾遇到兩處巨大的溶洞，隧道內(nèi)采用橋梁跨越巖溶，如將路線移到虛線位置，則離開斷層破碎帶較遠(yuǎn)，可減少巖溶的威脅。

(3)路線避開巖溶發(fā)育的極強(qiáng)地區(qū)

巖溶發(fā)育的極強(qiáng)地區(qū)，無論對勘測、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營都會(huì)造成很大困難。因此，在研究線路方案時(shí)，一般以繞避為宜，而將路線選在巖溶發(fā)育相對輕微的地區(qū)。

如某線路工程貓貓營隧道，原位于公路北側(cè)，離壓性斷裂北側(cè)約110 m。北側(cè)出露面積廣闊的較純的石灰?guī)r，且因壓性斷裂所阻，使地下水富集于北側(cè)，發(fā)育有22個(gè)垂直形態(tài)的巖溶和暗河等。暗河水量較大，其最高水位與隧道標(biāo)高接近。經(jīng)詳細(xì)調(diào)查及進(jìn)洞測繪，并作了勘探及連通試驗(yàn)后，證實(shí)定線位置不當(dāng)，故將線路改行于公路南側(cè)斷裂帶附近，于巖性不純、巖溶不發(fā)育的地層中通過。施工后證實(shí)，未受到巖溶洞穴及巖溶水的危害(見圖3)。

圖3 貓貓營隧道巖溶區(qū)地質(zhì)平剖面示意圖

1-溶洞；2-消水洞或漏斗；3-間歇性出水洞；4-間歇性暗河；5-下二迭統(tǒng)石灰?guī)r；6-下二迭統(tǒng)石灰?guī)r夾薄層頁巖；7-下二迭統(tǒng)頁巖夾砂巖；8-上泥盆統(tǒng)白云巖；9-中志留統(tǒng)灰?guī)r；10-下奧陶統(tǒng)粉砂巖夾頁巖；11-下奧陶統(tǒng)生物灰?guī)r夾白云巖；12-下奧統(tǒng)白云巖；13-上寒武統(tǒng)白云巖

(4)路線繞避網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞區(qū)

以上分析了較大范圍內(nèi)巖溶發(fā)育極強(qiáng)或強(qiáng)烈地段的路線方案選擇問題，但是局部的或個(gè)體的巖溶大洞穴危害，也會(huì)控制著路線位置的選擇。

因此，應(yīng)在勘測的基礎(chǔ)上，根據(jù)網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞的具體發(fā)育特征，預(yù)測其空間位置，將路線移到巖溶發(fā)育程度相對輕微的地段上。

4 結(jié)語

(1)在巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線一般原則中，本文提出了以巖溶地質(zhì)條件為主導(dǎo)，合理地進(jìn)行工程地質(zhì)選線與方案比選，同時(shí)要考慮安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、美觀等多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)系，重視重大工程的方案選擇，處理好整體與局部的關(guān)系。

(2)在選線過程中，應(yīng)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(diǎn)由面到帶、由帶到線，由輪廓到具體，進(jìn)行比較、優(yōu)化與論證。

(3)通過工程建設(shè)中的具體實(shí)例分析，本文研究得出了巖溶地區(qū)高速公路地質(zhì)選線要點(diǎn)。結(jié)合詳盡的地質(zhì)勘察，選線時(shí)應(yīng)避開碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的接觸帶、有利于巖溶發(fā)育的構(gòu)造帶、巖溶發(fā)育的極強(qiáng)地區(qū)以及網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞區(qū)。如果巖溶地質(zhì)分布較廣，則應(yīng)通過具體的地質(zhì)勘察，將線路移到地質(zhì)問題相對輕微的地段上。

[1]馮桂炎.道路選線[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，1986.

[2]陳國亮.巖溶工程論文集[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]邱士利.基于GIS的巖溶地下水富水性評價(jià)方法研究[D].北京：中國地質(zhì)科學(xué)院，2006.

[4]張雨化.高速公路規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，1998.

[5]黃 波.黔桂線地質(zhì)選線特點(diǎn)及實(shí)例[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(2)：37-43.

[6]周 洲，鄭志華.喀斯特地貌公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2007，30(2)：110-112.

[7]康厚明，羅 強(qiáng)，凌建明，等.巖溶地區(qū)公路修筑理論與實(shí)踐[M].北京：人民交通出版社，2008.

[8]楊 明，劉新奇.淺談巖溶區(qū)公路設(shè)計(jì)地質(zhì)選線[J].湖南交通科技，2008，34(2)：19-25.

[9]唐國軍，羅吉智，李 博.巖溶區(qū)公路隧道隧址選擇研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2012，88(4)：199-202.

[10]張洪煦.巖溶地區(qū)橋梁的工程地質(zhì)勘察與研究[J].中國巖溶，1984(2)：156-163.

Study on Geological Route Selection Method of Expressway in Karst Area

SONG Zhen-jing，LIU Ping-wei，TANG Zhi-xiang

(Guangxi Guishan Expressway Co.，Ltd.，Du’an，Guangxi，530700)

The karst distribution in Guangxi is very extensive and the geological conditions are very complex，which have a significant negative impact on the expressway construction.According to the characteristics of karst development in the route corridor belt，it is of great significance to avoid the engineering disease，save the economic cost and protect the ecological environment by designing the reasonable crossing and avoidance scheme.With the expressway geology route selection method in karst area as the main study content，relying on the design of Guangxi Hechi-Du’an Expressway project，and combined with lots of geological data，this article proposed the general principle and route selection procedures of geologic route selection in karst area，summarized the key points for geologic route selection in karst area，and enumerated the specific engineering example solutions.

Karst area；Expressway；Geology；Route selection method

宋振京(1980—)，工程師，主要從事高速公路工程管理工作；

劉平威(1979—)，助理會(huì)計(jì)師，主要從事高速公路工程管理工作；

唐志祥(1986—)，助理工程師，主要從事高速公路工程管理工作。

U412.32

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.11.010

1673-4874(2016)11-0052-05

2016-10-26