巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線方法

李 杰，楊宏志，楊少偉

（1.陜西交通技術(shù)咨詢有限公司，陜西 西安 710068；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引 言

巖溶地區(qū)土層貧瘠淺薄，水土流失、石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重，植被破壞后恢復(fù)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(yùn)營中也會出現(xiàn)松軟堆積物的坍塌、巖溶水的侵襲等地質(zhì)問題。

國外在19世紀(jì)就開始關(guān)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(zhì)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(shè)中巖溶地下水所導(dǎo)致的危害；Crrens運(yùn)用地理信息系統(tǒng)（GIS）方法對巖溶發(fā)育程度的指標(biāo)進(jìn)行了研究；Tony Waltham對工程建設(shè)中的此類問題進(jìn)行了深入探索，并詳細(xì)介紹了巖溶區(qū)工程活動中隱性風(fēng)險因素及處理措施。

國內(nèi)在地質(zhì)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(fēng)險進(jìn)行了研究，并發(fā)表了著作《巖溶地區(qū)鐵路選線風(fēng)險評估研究》；蘇貴芬基于新建云桂鐵路廣南段線路，進(jìn)行了地質(zhì)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(zhì)控制因素進(jìn)行了研究。

基于目前國內(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(jìn)行匯總，分別討論巖溶地質(zhì)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(zhì)情況優(yōu)劣的判定，從而提出一整套公路地質(zhì)選線設(shè)計原則和方法，對巖溶區(qū)公路規(guī)劃設(shè)計具有重要意義。

1 巖溶地質(zhì)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(jié)構(gòu)。從碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)方面考慮，當(dāng)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(jié)構(gòu)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(guān)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(zhì)和水文地質(zhì)條件的重要依據(jù)。

1.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

主要影響巖溶發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造是斷裂和褶皺，它們是控制地下水循環(huán)運(yùn)動方向和途徑的主要因素。

（1）褶皺與巖溶的關(guān)系。褶皺變形的不同部位其變形強(qiáng)度和對地層的切割程度各異，變形的力學(xué)性質(zhì)不同，破裂程度不同，其裂隙介質(zhì)的導(dǎo)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(qiáng)度，從而影響巖溶、巖溶水的發(fā)育。

（2）斷裂與巖溶的關(guān)系。地質(zhì)構(gòu)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(qiáng)，巖溶的發(fā)育進(jìn)程加快。灰?guī)r等的透水性主要依賴于風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度，而風(fēng)化裂隙僅涉及表層，構(gòu)造裂隙才涉及深部。因此，構(gòu)造帶是導(dǎo)致巖溶發(fā)育深度的重要原因。

1.1.3 巖溶水運(yùn)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(gòu)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(bǔ)給區(qū)，水流交替以垂直循環(huán)為主，相應(yīng)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(cè)向沖蝕、溶蝕強(qiáng)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(dāng)前國內(nèi)公路建設(shè)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(yīng)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(zhì)選線時，由于巖溶區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，在施工過程中難免會遇到各種巖溶問題，巖溶地質(zhì)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(zhuǎn)換頻繁，因而復(fù)雜多變。在公路建設(shè)中，若無完善的應(yīng)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(dǎo)致路堤坍滑或沖毀；橋基坑涌水加大了排水困難或?qū)е禄犹?，影響施工進(jìn)度；隧道大量涌水或突水且經(jīng)常伴隨涌泥、涌沙現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工進(jìn)程和運(yùn)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(chǔ)出現(xiàn)懸空，其程度視洞穴大小有所區(qū)別。當(dāng)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(yán)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(jìn)行建設(shè)。建筑物基底之下如有溶洞，其頂板過薄將導(dǎo)致坍塌。

1.2.3 松散堆積物和碳酸鹽風(fēng)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(fēng)化層系指山砂、殘積土及破碎巖體等。山砂為白云巖風(fēng)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(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定。風(fēng)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(zhì)堅硬，故此類物理力學(xué)指標(biāo)較差，土結(jié)構(gòu)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(jì)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(yùn)動、水位降低或其他原因，均可能導(dǎo)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(yù)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(zhì)條件較為復(fù)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(zhì)選線時，必須對各方面因素進(jìn)行綜合考慮，分清主次，掌握全局，一般原則如下。

（1）路線設(shè)計時，除主要考慮巖溶地質(zhì)條件外，還要考慮巖溶區(qū)可能出現(xiàn)的其他地質(zhì)災(zāi)害，經(jīng)過詳細(xì)勘察論證后再合理進(jìn)行工程地質(zhì)選線與方案比選。

（2）在巖溶地區(qū)選線，應(yīng)進(jìn)行充分的地質(zhì)勘察、全方位的路線比較，避讓地質(zhì)災(zāi)害重災(zāi)區(qū)，以此確定路線的最佳走向和位置。

（3）巖溶地區(qū)地質(zhì)選線應(yīng)多方面考慮，把握好局部與整體之間的關(guān)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(zhì)災(zāi)害的路段，結(jié)合經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(zhì)段。

綜合以上原則，巖溶區(qū)公路選線應(yīng)從所在區(qū)域地質(zhì)條件差異、地形地貌特征及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)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(zhì)選線程序是以巖溶工程地質(zhì)為主要因素，兼顧其他因素，通過對路線方案反復(fù)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(zhì)選線流程

2.2 方案選擇要點

巖溶區(qū)公路地質(zhì)選線與其他區(qū)域公路地質(zhì)選線主要區(qū)別在于，需要進(jìn)行詳細(xì)的巖溶地質(zhì)勘察和水文條件調(diào)查，而且要進(jìn)行風(fēng)險地質(zhì)評估。巖溶區(qū)的工程地質(zhì)勘察是公路選線的基礎(chǔ)，兩者相互協(xié)調(diào)、相互參考。不同設(shè)計階段地質(zhì)勘察的任務(wù)不同，地質(zhì)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(shè)計段地質(zhì)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(zhì)勘察的主要任務(wù)有：調(diào)查項目所在地區(qū)的地形地貌及工程地質(zhì)條件，以及施工中可能存在風(fēng)險地質(zhì)災(zāi)害；實地踏勘所選區(qū)域工程地質(zhì)及可能影響工程建設(shè)的重要地質(zhì)因素，為優(yōu)選路線方案提供地質(zhì)依據(jù)。路線布設(shè)方案的初步確定應(yīng)結(jié)合工程可行性地質(zhì)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(shè)的影響，并綜合路網(wǎng)銜接、生態(tài)環(huán)境影響、工程經(jīng)濟(jì)等方面提出路線走廊帶的優(yōu)化方案。

（2）初步設(shè)計階段路線比選巖溶工程地質(zhì)勘察內(nèi)容為：詳細(xì)勘察公路沿線及各類構(gòu)筑物（如橋涵、隧道等）建設(shè)場地的工程地質(zhì)條件。其中針對沿線的地形地質(zhì)條件，結(jié)合遙感圖像解譯、工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探等多種手段，對路線及各類構(gòu)筑物工程建設(shè)場地的工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜合勘察，是巖溶工程地質(zhì)初步勘察階段的主要任務(wù)。路線方案比選及風(fēng)險評估為：初步設(shè)計階段方案是在工程可行性研究區(qū)域的線路中進(jìn)行比選，以巖溶區(qū)工程地質(zhì)條件為主導(dǎo)，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(jìn)行綜合評價，選擇最佳線路方案。

3 巖溶區(qū)公路地質(zhì)的選線方案

3.1 路線方案選擇

在公路施工圖設(shè)計階段，地質(zhì)選線的要點總結(jié)為“以避為主，避重就輕”，路線或構(gòu)造物應(yīng)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(shè)原則

（1）路線應(yīng)避開或盡量遠(yuǎn)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(shè)

（2）路線應(yīng)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(gòu)造破碎帶附近布設(shè)

（3）路線應(yīng)繞避網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞區(qū)。根據(jù)巖溶勘測結(jié)果預(yù)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(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。

3.1.2 河岸選擇要點

（1）河岸應(yīng)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(gòu)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(qiáng)烈，對碳酸鹽巖的溶蝕及機(jī)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(cè)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(gòu)造或巖性的限制，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計水位的關(guān)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(shè)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(yīng)該靠近山一側(cè)設(shè)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(shè)，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(zhì)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(shè)，路基設(shè)計標(biāo)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(yīng)盡量提高設(shè)計高程，避開排泄帶。當(dāng)路線經(jīng)過排泄區(qū)一岸時，宜多布設(shè)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(yuǎn)、縱斷面上設(shè)計高程越高越有利。

（3）巖溶山區(qū)由于地形地質(zhì)限制，開闊河谷區(qū)，往往是城鎮(zhèn)聚集區(qū)，路線應(yīng)與當(dāng)?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(yīng)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(fù)雜多樣，給橋梁設(shè)計和施工帶來一定困難。對巖溶地區(qū)橋位、橋型等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，可提高巖溶區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)布置方案的安全性、經(jīng)濟(jì)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(jì)效益最大化，并確保橋梁安全運(yùn)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(shè)。

（2）巖溶區(qū)橋型選擇要點。設(shè)計梁部孔跨式樣、墩臺及基礎(chǔ)類型時，應(yīng)對橋位所處的地質(zhì)環(huán)境、通航情況、水位情況及溶洞情況進(jìn)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(chǔ)處理費(fèi)用，遇到巖溶發(fā)育的河谷，墩臺位置應(yīng)避開溶洞、溶溝、溶槽、漏斗等地形。為確保墩臺基礎(chǔ)的穩(wěn)定及橋梁安全，墩臺位置選擇應(yīng)避開膠結(jié)不良、巖體強(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(shè)在巖溶相對不發(fā)育地層。地層巖性和地質(zhì)構(gòu)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(gòu)造影響越大，巖溶發(fā)育程度越高。應(yīng)充分做好地質(zhì)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(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

（4）為使安全頂板厚度滿足要求，隧道位置應(yīng)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(zāi)害。

3.3.2 隧道布置形式

由于連拱隧道受力結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，當(dāng)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(jié)構(gòu)形式相比一般分離式隧道較為復(fù)雜，對于施工周期和工程造價都會受到影響。

4 結(jié) 語

本文在總結(jié)巖溶地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析了巖溶工程地質(zhì)對公路工程的危害，提出了巖溶區(qū)公路地質(zhì)選線的一般原則、選線程序，得出巖溶地質(zhì)條件下公路選線要點及橋隧構(gòu)造物選址要點。

（1）在公路地質(zhì)選線過程中應(yīng)遵從“多比選，慎選擇”的選線原則和“以避為主，避重就輕”的設(shè)計要點，盡量避開碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的接觸帶；無法避開時，路線選在巖溶發(fā)育相對輕微的地區(qū)，河岸路線位置應(yīng)靠近山里避開巖溶洞穴。

（2）橋位選擇時宜選在穩(wěn)定性較好、巖溶發(fā)育相對較弱的河段，減少深基工程。橋型選擇應(yīng)綜合考慮所處地質(zhì)環(huán)境、巖溶發(fā)育及水位情況，特別是當(dāng)遇到大的溶洞、溶槽時，大跨度橋型優(yōu)先采用，一跨通過為宜。

（3）巖溶斜坡地區(qū)隧道應(yīng)選擇在巖溶安全帶，應(yīng)繞避巖溶發(fā)育的構(gòu)造帶及巖溶發(fā)育極強(qiáng)烈地區(qū)，而巖溶區(qū)隧道布置造型盡可能多選擇分離式隧道。