公路路基地質(zhì)災(zāi)害與選線設(shè)計(jì)分析

任龍

（陜西遠(yuǎn)通建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

在公路選線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循的一個(gè)核心原則就是盡量避開(kāi)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，這樣既可以減輕公路施工過(guò)程中處理不良地質(zhì)的工作量，同時(shí)也能保證公路在投入使用后，不至于因?yàn)轭l繁發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害而影響公路正常使用。因此，在公路選線設(shè)計(jì)時(shí)做好地質(zhì)調(diào)研，進(jìn)而使線路避開(kāi)不良地質(zhì)尤其重要。

1 公路路基地質(zhì)災(zāi)害類型

1.1 滑坡

位于斜坡表面的土體或巖體，在受到地震、雨水沖刷或人工切坡等因素的干擾后，因?yàn)樽陨碇亓Φ挠绊戫樦旅嫦蛳禄瑒?dòng)的情況，即為滑坡?；碌漠a(chǎn)生與斜坡巖土結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，如果坡面的表層植被茂密，深層以堅(jiān)硬巖石為主，此類斜坡可以承受較大的剪切力，不易發(fā)生滑動(dòng)；相反，如果坡面表層植被稀疏，并且以松散土層、風(fēng)化巖石為主，那么在地質(zhì)擾動(dòng)或雨水浸泡的情況下，有較大概率發(fā)生滑坡。在公路工程中，如果路線穿過(guò)江河湖溝的岸坡地帶，或者位于斷裂帶、地震帶上，以及多暴雨地區(qū)，公路滑坡的情況較為常見(jiàn)。因此，在公路選線時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)這些易發(fā)生滑坡的區(qū)域，保證公路的安全。

1.2 泥石流

泥石流是發(fā)生強(qiáng)降雨后，雨水裹挾著泥沙、石塊形成的特殊洪流。這類地質(zhì)災(zāi)害多見(jiàn)于山區(qū)或溝谷，由于具有發(fā)生突然、沖擊力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此對(duì)公路、建筑等造成的破壞也十分嚴(yán)重。泥石流的形成除了與地形地貌有直接關(guān)系外，還會(huì)受到坡面地質(zhì)的影響。坡面巖層結(jié)構(gòu)松散、軟弱，裂隙發(fā)育，植被稀疏，在受到雨水沖刷、浸泡后，坡面松散的泥土、砂石隨著雨水向下移動(dòng)，并且在移動(dòng)過(guò)程中體量也在逐步加大，在坡腳處產(chǎn)生強(qiáng)大破壞力。

1.3 地面塌陷

在溶洞地質(zhì)或礦區(qū)的采空區(qū)，在受到地上壓力或其他擾動(dòng)后，地面大范圍下陷的現(xiàn)象，即為塌陷。地面塌陷的發(fā)生具有明顯的地域性特征，例如因?yàn)槿芏吹刭|(zhì)導(dǎo)致的地面塌陷，多發(fā)生在我國(guó)西南喀斯特地貌發(fā)育的地方；而因?yàn)榈叵虏煽諏?dǎo)致的地面塌陷，多集中于開(kāi)采年限較長(zhǎng)的老礦區(qū)。另外，長(zhǎng)期過(guò)度抽吸地下水，也有一定概率引起漏斗形地面塌陷。

2 公路選線方法與原則

2.1 公路選線的常用方法

常用的公路選線方法有實(shí)地選線、紙上選線、自動(dòng)化選線等幾種。實(shí)地選線是由工作人員參考選線設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，進(jìn)行實(shí)地勘察，經(jīng)過(guò)多方比較之后最終確定路線。此類方法多適用于一些等級(jí)較低的公路，其優(yōu)點(diǎn)在于準(zhǔn)確掌握公路沿線的地質(zhì)、地形，定線時(shí)通常不需要大比例尺地形圖，最終確定的路線方案較為可靠。當(dāng)然缺點(diǎn)也比較明顯，例如野外勘察作業(yè)增加了工作量，加上受到氣候、地形等客觀因素的影響，選線工作的效率也會(huì)受到限制。紙上選線則是借助于已經(jīng)測(cè)得的地形圖，選出多條路線進(jìn)行對(duì)比后確定最佳方案，然后再將該路線放到實(shí)地的一種方法，適用于一些地形復(fù)雜的高等級(jí)公路。其優(yōu)勢(shì)在于野外工作量較小，可以綜合考慮平、縱、橫三方面因素，使確定的路線更加科學(xué)、可行，但是需要使用到大比例尺地形圖。自動(dòng)化選線是近幾年出現(xiàn)的一種選線技術(shù)，借助于無(wú)人機(jī)或遙感衛(wèi)星建立數(shù)字地形模型，把選線設(shè)計(jì)要求輸入軟件中，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成選線，并從多套路線方案中確定最佳方案，最后以圖表形式輸出。該選線方法省時(shí)省力，選線方案更加合理，是目前公路選線設(shè)計(jì)的主要方法。

2.2 公路選線應(yīng)遵循的原則

選線是公路工程建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，同時(shí)選線是否合理，也將直接影響后續(xù)的施工進(jìn)度、施工成本，因此必須予以重視。在公路選線時(shí)應(yīng)遵循以下原則：第一，多方案比選的原則。在實(shí)際選線時(shí)，一般需要設(shè)計(jì)3～5 條可行的路線，然后從路線長(zhǎng)度、地形地質(zhì)、施工難度等方面進(jìn)行綜合論證、橫向?qū)Ρ?，從多條路線中選出性價(jià)比最高的一條。第二，環(huán)境保護(hù)的原則。公路選線要盡量減少占用農(nóng)田、林地，保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。新建公路盡量覆蓋原有的小路，可最大程度地降低對(duì)原有生態(tài)的破壞。第三，嚴(yán)重不良地質(zhì)路段繞避原則。結(jié)合前期的地質(zhì)勘測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)有軟土、溶洞、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的，應(yīng)主動(dòng)繞開(kāi)，保障公路質(zhì)量安全。在選線設(shè)計(jì)中堅(jiān)持上述原則，也是提高公路選線方案合理性的重要舉措。

3 公路選線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 平原地區(qū)公路選線

在自然坡度3以下的平原地區(qū)，耕地較多，建筑物較密，交通網(wǎng)、天然河網(wǎng)、通信管網(wǎng)等縱橫交錯(cuò)，不良地質(zhì)相對(duì)較少，選線設(shè)計(jì)時(shí)注意避開(kāi)河湖及建筑物。路線以直線為主，但是又要避免直線公路過(guò)長(zhǎng)，在條件允許的情況下多使用轉(zhuǎn)角小、半徑大的長(zhǎng)緩平曲線線形。由于平原地區(qū)耕地較多，要特別注意處理好路線與農(nóng)田水利的關(guān)系，在保護(hù)耕地的同時(shí)還要降低公路工程的建設(shè)成本。如果是干線公路，需要連接城鎮(zhèn)、工業(yè)園區(qū)的，選線時(shí)應(yīng)做到“近村不進(jìn)村、利民不擾民”。提前做好調(diào)研，了解市政管線布局，路線盡量避開(kāi)既有的電力、通信等市政管線。為保證公路路基穩(wěn)定，選線時(shí)盡量避開(kāi)湖塘、水庫(kù)。如果不得不通過(guò)低洼地帶，要盡量將路線設(shè)計(jì)在地勢(shì)較高處，同時(shí)布線時(shí)要注意保證路基最小填土高度。

3.2 山嶺地區(qū)公路選線

3.2.1 沿溪線

沿溪線是使公路沿著河谷方向布設(shè)路線，一般來(lái)說(shuō)路線走向和等高線重疊，這種選線設(shè)計(jì)的好處在于路線走向較為明確，無(wú)論是前期施工還是后期的維護(hù)均易于開(kāi)展，無(wú)形中節(jié)約了大量資源。當(dāng)然，沿溪線設(shè)計(jì)也有一些缺陷，例如沿線多橋涵及防護(hù)工程，一旦出現(xiàn)強(qiáng)降雨引發(fā)洪水，不僅會(huì)影響公路的正常運(yùn)行，而且會(huì)嚴(yán)重縮短公路壽命。選擇沿溪線布線時(shí)，重點(diǎn)要把握好線路與河流的關(guān)系。因此，在選線設(shè)計(jì)前要對(duì)河流及沿岸的地質(zhì)條件展開(kāi)充分調(diào)研，了解河流兩岸地形地質(zhì)以及城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)的分布情況等。遇到一些深“V”或深“U”型河谷，在路線設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意采取臺(tái)口式路基或半隧道路基。

3.2.2 越嶺線

越嶺線即公路走向與河谷及分水嶺方向橫交所布設(shè)的路線，路線連續(xù)升坡由一個(gè)河谷進(jìn)入另一個(gè)河谷。這種公路選線設(shè)計(jì)的優(yōu)越性在于布線較為靈活，受地形限制較??；公路投入運(yùn)行以后不易受到洪水威脅。缺點(diǎn)在于線形差、里程長(zhǎng)，前期施工難度大，后續(xù)維護(hù)成本高。在越嶺線設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵點(diǎn)在于選擇埡口、過(guò)嶺標(biāo)高和展線布局。在選擇埡口時(shí)，應(yīng)綜合考慮埡口所在位置、高度、兩側(cè)地形條件及地質(zhì)條件等；影響過(guò)嶺標(biāo)高的因素有埡口地形、地質(zhì)等。

3.2.3 山脊線

山脊線是公路沿分水嶺方向設(shè)計(jì)的路線，這種選線設(shè)計(jì)的好處是沿線河谷、橋涵以及其他人工構(gòu)筑物相對(duì)較少，為公路施工創(chuàng)造了便利。另外，山脊處的水文和地質(zhì)條件也要優(yōu)于山谷處，因此公路路基較為穩(wěn)定，發(fā)生病害的概率較小。還有就是沿山脊布置的路線里程相對(duì)較短，施工中開(kāi)挖的土石方較少，間接地降低了工程量。山脊線的缺點(diǎn)是海拔較高，冬季易出現(xiàn)道路結(jié)冰、積雪，行車安全性差，后期養(yǎng)護(hù)難度高。山脊線設(shè)計(jì)也有3 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，分別是埡口的選擇、側(cè)坡的選擇以及試坡布線。在試坡布線時(shí)，要求埡口間平均縱坡不超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且埡口間需要有支脈分隔。

3.3 丘陵地區(qū)公路選線

丘陵地帶的公路選線設(shè)計(jì)要堅(jiān)持因地制宜原則，如果農(nóng)林業(yè)較為發(fā)達(dá)，應(yīng)盡可能與農(nóng)田、水利、林地等規(guī)劃相適應(yīng)，減少對(duì)農(nóng)林地的占用。在相對(duì)平緩的地帶，盡量走直線；在有一定坡度的地帶，盡量走勻坡線；在有明顯起伏的地帶，盡量走中間。

4 公路路基地質(zhì)災(zāi)害與選線設(shè)計(jì)案例

4.1 工程概況

某公路為典型的河谷沿溪線，全線總長(zhǎng)33.65km，設(shè)計(jì)行車速度40km/s，路基寬度9.4m，采用瀝青混凝土路面，二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，該公路于2011 年7 月交付驗(yàn)收。公路一側(cè)為山體，另一側(cè)為河流，地質(zhì)災(zāi)害主要來(lái)自路基上邊坡。由于坡體巖層裂隙發(fā)育，表層土石松散，容易發(fā)生山體滑坡和邊坡坍塌等事故。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，地質(zhì)災(zāi)害的分布路段、發(fā)生時(shí)間和治理方法如表1 所示。

結(jié)合表1 可知，該公路共有8 個(gè)地段發(fā)生過(guò)地質(zhì)災(zāi)害，主要有邊坡坍塌、山體滑坡和泥石流3 種類型，除了K35+620～K35+880 段的邊坡坍塌未采取處理措施外，其他7 個(gè)路段的地質(zhì)災(zāi)害，均采取了片石混凝土抗滑擋墻、掛網(wǎng)噴錨等治理措施。

表1 公路地質(zhì)災(zāi)害分布位置、垮塌時(shí)間及治理方法

4.2 地質(zhì)條件分析

該公路所在地區(qū)的氣候特征，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，年均降雨量822.4mm，其中7～9月的降雨量占到了全年的70%左右。2020 年8 月降雨量最多，最大降雨量出現(xiàn)在8 月10 日，達(dá)到了108.8mm。此次強(qiáng)降雨也導(dǎo)致該公路多處發(fā)生了邊坡滑塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。另外，從公路沿線的地形地貌勘察結(jié)果來(lái)看，該公路沿線均為山地地形，屬于亞高山深切割地貌，沿線溝壑縱橫，深“V”型河谷分布廣泛，加上坡面植被稀疏，這種地質(zhì)條件下遭遇雨水沖刷，容易出現(xiàn)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

4.3 工程設(shè)計(jì)分析

該公路路基土石方330.4 萬(wàn)m，挖土方174 萬(wàn)m，挖石方114 萬(wàn)m，填方42.4 萬(wàn)m?？梢?jiàn)路線設(shè)計(jì)中挖方數(shù)量明顯超出填方數(shù)量，在開(kāi)挖工程量較大的地方，由于對(duì)巖土結(jié)構(gòu)造成了擾動(dòng)，從而增加了發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率。雖然在后續(xù)的公路維護(hù)中，針對(duì)邊坡地質(zhì)災(zāi)害采取了多種防治措施，但是實(shí)際取得的效果并不理想。以掛網(wǎng)噴錨為例，早期尚能發(fā)揮一定的坡面加固效果，而隨著時(shí)間的推移，坡面反復(fù)遭受雨水沖擊后，錨桿松動(dòng)甚至脫出的情況較為常見(jiàn)，進(jìn)而發(fā)生邊坡成片脫落的情況。造成該公路地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的主要原因，在于公路工程的籌備階段，采用了傳統(tǒng)的選線設(shè)計(jì)方法，沒(méi)有避開(kāi)嚴(yán)重不良地質(zhì)區(qū)域，不僅增加了施工難度，而且后期各類地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。如果選用自動(dòng)化選線，以航測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用大數(shù)據(jù)分析和人工智能決策技術(shù)，從多套候選方案中選出最佳線路，在此基礎(chǔ)上遵循嚴(yán)重不良地質(zhì)路段繞避原則，就可以最大程度地降低公路建設(shè)與運(yùn)行中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的頻率，體現(xiàn)出選線設(shè)計(jì)的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

在公路工程的選線設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員應(yīng)在充分了解地形地貌、地質(zhì)條件的情況下，合理選擇最佳線路，從而為后續(xù)的工程施工創(chuàng)造有利條件。對(duì)于一些易發(fā)生泥石流、邊坡滑塌等地質(zhì)災(zāi)害的地區(qū)，條件允許的情況下盡量避開(kāi)，在保障公路安全的前提下，也有助于降低后期的維護(hù)成本。在公路選線設(shè)計(jì)時(shí)，除了要選擇恰當(dāng)?shù)倪x線方法、遵循特定的選線原則外，還要根據(jù)地形地貌的不同，做到靈活選線，例如在平原地區(qū)設(shè)計(jì)使用長(zhǎng)緩平曲線線形，在山嶺地區(qū)選擇沿溪線、越嶺線等。做到科學(xué)選線，將地質(zhì)災(zāi)害對(duì)公路路基造成的負(fù)面影響降至最低，保障公路工程保質(zhì)保量的建設(shè)完成。