綜合地質(zhì)勘察方法在復(fù)雜地質(zhì)山區(qū)選線中的應(yīng)用

楊緒波， 廖芳茂， 金 鋆， 胡朝旭， 謝 偉

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610041)

隨著西部大開發(fā)的發(fā)展以及脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)向偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)的深入，四川省高速公路建設(shè)逐步進(jìn)入“甘、阿、涼”等山區(qū)，該區(qū)地形起伏大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、不良地質(zhì)發(fā)育、生態(tài)環(huán)境脆弱，使得該區(qū)修建公路勘察設(shè)計(jì)及施工難度都很大，橋隧結(jié)構(gòu)占比高，工程造價(jià)高，后期運(yùn)營維護(hù)難度大。因此，合理科學(xué)的路線設(shè)計(jì)方案既要結(jié)合場區(qū)地形、地質(zhì)特點(diǎn)順勢(shì)而為，又要讓工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)、運(yùn)營安全、維護(hù)成本可控，使得項(xiàng)目整體發(fā)揮最佳的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

地質(zhì)選線已有大量研究與成功實(shí)踐。王韜等[1]以云南功待高速公路為例，運(yùn)用不良地質(zhì)高發(fā)區(qū)地質(zhì)選線方法和原則開展地質(zhì)選線研究工作；劉品等[2]總結(jié)了地質(zhì)選線在不同設(shè)計(jì)階段中的運(yùn)用，并以惠羅高速為例對(duì)地質(zhì)選線進(jìn)行有效運(yùn)用；祝建平等[3]采用無人機(jī)航拍與常規(guī)綜合選線手段相結(jié)合的方式對(duì)重慶巫鎮(zhèn)高速進(jìn)行選線；高文濤等[4]根據(jù)西南地區(qū)多條高速公路地質(zhì)選線經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了“八宜八不宜”原則；孫廣遠(yuǎn)[5]結(jié)合成渝高速公路設(shè)計(jì)，歸納了目前山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中存在的典型地質(zhì)問題；毛學(xué)舜等[6]總結(jié)了地質(zhì)選線原則并用于杭新景高速公路方案比選；崔光耀等[7]結(jié)合汶川地震后G213線映汶路重建工程，提出了強(qiáng)震后高烈度艱險(xiǎn)山區(qū)公路重建防災(zāi)選線的十字方針；李瑞濤等[8]從地形、地質(zhì)、特殊景觀、交叉等方面進(jìn)行路線方案的比選與優(yōu)化；吳孝敏等[9]在川藏高速公路北線選線研究中，采用計(jì)算智能輔助選線軟件與常規(guī)選線方法相結(jié)合，選出最優(yōu)方案；謝猛[10]針對(duì)路線穿越采空區(qū)的選線問題，提出了綜合勘察方法；全炳欣等[11]將地質(zhì)選線應(yīng)用于山西省東大線改線工程前期設(shè)計(jì)，成功地繞避了滑坡群和不良地質(zhì)病害等地質(zhì)環(huán)境。

據(jù)上分析，地質(zhì)選線的應(yīng)用是否成功，關(guān)鍵是能否有效獲取各類地質(zhì)信息，為其提供可靠依據(jù)。本文在總結(jié)前人對(duì)地質(zhì)選線研究的基礎(chǔ)上，以四川瀘石高速為例，總結(jié)了一套有效的綜合地質(zhì)勘察方法及流程，并成功用于該項(xiàng)目地質(zhì)選線中，優(yōu)選出最優(yōu)路線方案，可供復(fù)雜山區(qū)公路勘察設(shè)計(jì)參考。

1 地質(zhì)概況

瀘石高速位于四川省甘孜州瀘定縣及雅安市石棉縣境內(nèi)。路線全長約 96 km，雙向4車道，路基寬度25.5 m，設(shè)計(jì)隧道21座，橋梁46座，其中大于6 km超特長隧道2座，特大橋10座，橋隧比例90.3%[12-14]。

1.1 地形地貌

場區(qū)位于川西地區(qū)四川盆地向青藏高原的過渡帶，地貌以中高山峽谷地貌為主，山體呈近南北走向，山嶺海拔高程2 729 m～3 525 m，嶺谷相對(duì)高差達(dá)1 800 m～2 200 m。

1.2 地層巖性

場區(qū)內(nèi)地層以元古界巖漿侵入巖為主，局部段落出露有中生界三疊系上統(tǒng)須家河組、古生界泥盆系中統(tǒng)地層，第四系地層分布在河(溝)谷、斜坡地段。

1.3 地震構(gòu)造及地震

項(xiàng)目走廊帶依次跨越了龍門山構(gòu)造帶和鮮水河—滇東構(gòu)造帶，構(gòu)造體系復(fù)雜。近場區(qū)內(nèi)主要發(fā)育大渡河斷裂、金坪斷裂、得妥斷裂、二郎山斷裂、鮮水河斷裂南東段及大涼山斷裂石棉段等區(qū)域性斷層，場區(qū)構(gòu)造綱要如圖1所示。測(cè)區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.20g～0.30g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s～0.45 s。地震基本烈度為Ⅷ度[15]。

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要示意

1.4 不良地質(zhì)

場區(qū)整體穩(wěn)定性較差，受該區(qū)地層巖性組合與活動(dòng)構(gòu)造的影響，場區(qū)內(nèi)主要不良地質(zhì)類型為滑坡、崩塌、巖堆、泥石流、庫岸再造、厚層堆積體等。由于項(xiàng)目走廊帶內(nèi)地質(zhì)制約因素多，因此瀘石高速初期路線設(shè)計(jì)共布置了8條比較方案，如圖2所示。其中K42～K63段受大崗山庫區(qū)庫岸再造影響，地質(zhì)災(zāi)害極其頻繁，是制約項(xiàng)目能否可行的關(guān)鍵段落。

2 綜合地質(zhì)勘察

地質(zhì)選線須對(duì)走廊帶地質(zhì)體有全面充分的認(rèn)識(shí)，尤其要避免遺漏大型不良地質(zhì)體，掌握地質(zhì)災(zāi)害體的分布規(guī)律、形成機(jī)制，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)[16]。

傳統(tǒng)勘察方法包括地質(zhì)調(diào)繪、航片解譯、地質(zhì)鉆探、工程物探、室內(nèi)試驗(yàn)等，另外INSAR遙感監(jiān)測(cè)、無人機(jī)傾斜攝影等新技術(shù)也逐步用于勘察設(shè)計(jì)中。這些方法與手段各有優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定局限性，因此綜合地質(zhì)勘察就是多種勘察方法的靈活運(yùn)用，并相互補(bǔ)充與驗(yàn)證、相互指導(dǎo)的過程，不能過于強(qiáng)調(diào)某種方法而失偏頗。

圖2 瀘石高速路線平面示意

瀘石高速勘察設(shè)計(jì)地質(zhì)選線分2個(gè)階段：第1階段在收集前期勘察成果及區(qū)域資料基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)域穩(wěn)定性及大型不良地質(zhì)體進(jìn)行調(diào)研和專題研究，并根據(jù)研究成果對(duì)路線走廊帶方案進(jìn)行初步篩選與優(yōu)化；第2階段對(duì)各方案及控制性工點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化勘察設(shè)計(jì)，通過針對(duì)性的各類專題研究并結(jié)合鉆探、物探、遙感等勘察手段，對(duì)各路線方案進(jìn)行評(píng)價(jià)、比選，最終選出最優(yōu)路線方案，其流程如圖3所示。

實(shí)際工作中，各勘察方法相互驗(yàn)證，相互指導(dǎo)，形成多視角、不同維度的工程地質(zhì)綜合地質(zhì)勘察方法，以查明場區(qū)工程地質(zhì)條件與特征。

圖3 綜合地質(zhì)勘察方法流程

3 主要專項(xiàng)勘察成果

3.1 1∶10 000工程地質(zhì)專項(xiàng)調(diào)繪

1∶10 000工程地質(zhì)專項(xiàng)調(diào)繪是通過現(xiàn)場觀察、典型剖面量測(cè)及描述，調(diào)查項(xiàng)目走廊帶內(nèi)主要構(gòu)造及大型不良地質(zhì)體，并將有關(guān)的地質(zhì)要素以圖例、符號(hào)表示在地質(zhì)圖上的方法，以掌握不良地質(zhì)的類型、特點(diǎn)、規(guī)模以及各地質(zhì)災(zāi)害體之間的分布規(guī)律與發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)性地質(zhì)勘察工作，全線走廊帶內(nèi)主要不良地質(zhì)匯總見表1。

表1 項(xiàng)目走廊帶內(nèi)大型不良地質(zhì)匯總

3.2 沿線斷裂構(gòu)造專題研究

在1∶10 000專項(xiàng)調(diào)繪基礎(chǔ)上，該專題旨在對(duì)場區(qū)活動(dòng)斷裂的性質(zhì)、規(guī)模、空間位置等進(jìn)行專題調(diào)研。結(jié)果表明，鮮水河斷裂帶南東段(即磨西斷裂)整體呈NW-NNW向，斷裂寬度變化較大，在新民鄉(xiāng)—出路溝一帶斷裂寬度可達(dá)70 m～120 m，斷層兩側(cè)影響帶寬約100 m～150 m。由碎粒巖、碎粉巖、斷層泥等組成，為全新世活動(dòng)斷裂。磨西斷裂在初勘比較線樁號(hào)BK59+000 m～BK62+000 m段(什月河、田灣河附近)、K73+000 m～K76+000 m段(新民鄉(xiāng)—出路溝)與擬建高速公路B線相交。磨西斷裂為全新世活動(dòng)斷裂，存在線路抗斷錯(cuò)穩(wěn)定問題，建議該段擬建線路在田灣河至石棉段選擇左岸方案，避免磨西斷裂對(duì)線路的不利影響。

3.3 多光譜遙感地質(zhì)災(zāi)害解譯研判

現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪受地形、植被、覆蓋層等影響，有的地方人員無法達(dá)到，調(diào)繪難以展開。為此，在1∶10 000專項(xiàng)調(diào)繪基礎(chǔ)上，采用多光譜遙感地質(zhì)災(zāi)害解譯研判工作，旨在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體調(diào)查的補(bǔ)充，遙感結(jié)果見表2。

由表2可知，全區(qū)范圍內(nèi)不良地質(zhì)體共96處。由于遙感解譯范圍較1∶10 000調(diào)繪范圍廣，包含很多線外區(qū)域以及隧道洞身段區(qū)域，因此遙感解譯數(shù)量總體上較1∶10 000調(diào)繪的不良地質(zhì)數(shù)量多，不良地質(zhì)在地段上和時(shí)段上分布相對(duì)集中，滑坡主要發(fā)育在河谷岸坡帶，坡度集中在25°～45°，庫岸滑坡的坡度則基本在35°以上，危巖體主要發(fā)育在坡度40°以上區(qū)域的陡坡地段，泥石流溝主要朝向大渡河發(fā)育，且K56～K80段比較集中，碎屑流主要分布于40°以上陡坡，并由不穩(wěn)定危巖崩塌體沿小型沖溝、落石槽崩落，部分碎屑流還轉(zhuǎn)換為泥石流的物源。

表2 遙感解譯不良地質(zhì)匯總

3.4 INSAR專項(xiàng)遙感勘察監(jiān)測(cè)研究

對(duì)處于初期變形階段的不穩(wěn)定斜坡，因其具有一定隱蔽性，變形跡象不明顯，常規(guī)勘察方法難以發(fā)現(xiàn)，為此采用InSAR專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，對(duì)走廊帶重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，旨在獲取走廊帶內(nèi)潛在變形體的幾何特征和變化信息。

基于SBAS-InSAR技術(shù)，在瀘定至石棉高速公路附近邊坡共探測(cè)到30個(gè)不穩(wěn)定斜坡，其中北段13個(gè)，中段11個(gè)，南段6個(gè)。線路南段比較穩(wěn)定，探測(cè)到的不穩(wěn)定斜坡數(shù)量最少，線路北段雖然探測(cè)到的不穩(wěn)定斜坡數(shù)目最多，但對(duì)線路的威脅性總體小于中段。

中段受地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水庫蓄水、磨西斷裂活斷層影響，不良地質(zhì)尤為發(fā)育，11處不穩(wěn)定性斜坡年平均變形速率為20 mm/年～39 mm/年，最大累計(jì)變形量可達(dá)70 mm，且多地處大崗山庫岸兩岸斜坡帶。這些變形體規(guī)模較大，若路線穿越變形體，對(duì)其擾動(dòng)較嚴(yán)重，易誘發(fā)變形體進(jìn)一步變形甚至滑動(dòng)，進(jìn)而威脅擬建路線結(jié)構(gòu)物，其地質(zhì)條件與適宜性很差。結(jié)合INSAR專項(xiàng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，路線方案采用了繞避方式通過，達(dá)到優(yōu)選目的。

3.5 水文地質(zhì)專項(xiàng)勘察

路線設(shè)計(jì)有2座大于8 km的特長隧道，為整個(gè)項(xiàng)目的控制性工程。隧道開挖后，隧址區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境會(huì)發(fā)生一定改變。為探明其變化規(guī)律，采用水文地質(zhì)專項(xiàng)調(diào)查及水文試驗(yàn)，對(duì)隧址區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征，地表水、地下水分布、埋藏及補(bǔ)給、徑流、排泄條件等進(jìn)行研究。

結(jié)果表明地下水主要受大氣降水、冰雪融水補(bǔ)給，通過裂隙入滲補(bǔ)給地下水，裂隙系統(tǒng)是控制地下水從補(bǔ)給區(qū)流向排泄區(qū)徑流的主要途徑。地下水的徑流主要受地形、地質(zhì)構(gòu)造(節(jié)理裂隙)、巖性及排泄基準(zhǔn)面的控制，呈現(xiàn)出較為顯著的構(gòu)造控水特征。隧址區(qū)內(nèi)山勢(shì)陡峭，地形對(duì)地下水流動(dòng)起到了決定性的影響作用，地表水分水嶺與地下水分水嶺基本重合，地下宏觀徑流方向與地表高程等高線呈正交趨勢(shì)。主要的排泄方式為隱伏分散裂隙流，其次為集中泉水。大渡河為隧址區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面和各類水源的排泄通道。

隧道區(qū)內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水，主體圍巖為花崗巖，洞身段出水狀態(tài)以點(diǎn)滴狀、雨淋狀為主，局部股狀涌水為主，涌突水危險(xiǎn)主要集中在花崗巖體中的輝綠巖脈、節(jié)理密集帶、次級(jí)斷層帶及其影響帶以及隧道穿越溝谷的淺埋段，主要高風(fēng)險(xiǎn)段落見表3。

表3 涌突水高風(fēng)險(xiǎn)段落統(tǒng)計(jì)

隧道開挖通過這些高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段時(shí)，建議采用鉆探、物探等多種手段加強(qiáng)超前探水地質(zhì)預(yù)報(bào)。除上述段落外，其余段圍巖中含次級(jí)斷層、巖脈及節(jié)理密集帶也會(huì)有涌突水、突泥災(zāi)害，隧道施工應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，特別是加強(qiáng)對(duì)隱伏次級(jí)斷層、破碎巖脈、長大裂隙等導(dǎo)水構(gòu)造的超前探測(cè)，并根據(jù)超前預(yù)報(bào)成果，采用超前泄水孔方式釋放地下水，降低洞內(nèi)涌突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 泥石流專項(xiàng)調(diào)查

路線走廊帶內(nèi)共發(fā)育有28條規(guī)模不等的泥石流，針對(duì)推薦線走廊帶內(nèi)9條泥石流溝進(jìn)行了專項(xiàng)調(diào)查，旨在查明泥石流的基本特征、形成條件及規(guī)模，并查明其成因類型及演化過程，評(píng)價(jià)泥石流的危險(xiǎn)性及發(fā)展演化趨勢(shì)。

調(diào)查結(jié)果表明，場區(qū)內(nèi)泥石流多為暴雨類-溝谷型-稀性泥石流，其規(guī)模以中、大型為主，少量小型泥石流，其中分布1處特大型泥石流，其發(fā)展階段以衰退期為主，部分處于發(fā)展期，且發(fā)展期泥石流多位于鮮水河斷裂帶附近，尤其以海螺溝磨西河泥石流為代表。由于路線位于構(gòu)造活躍區(qū)，若區(qū)域內(nèi)發(fā)生強(qiáng)震，導(dǎo)致物源量增加，場區(qū)內(nèi)處于衰退期的泥石流仍可能爆發(fā)大型泥石流。泥石流明線段采用橋梁以大跨徑方式通過，由于部分泥石流溝床較寬，橋墩位置應(yīng)盡量避開泥石流主溝道，并進(jìn)行防沖擊和防掏蝕設(shè)計(jì)，同時(shí)做好岸坡防護(hù)，以防止洪流側(cè)蝕，確保橋梁安全。

3.7 綜合物探

鮮水河活動(dòng)斷裂帶是本項(xiàng)目路線方案的控制性因素之一，斷裂帶的影響寬度直接影響路線方案的調(diào)整。采用物探瞬變電磁法，在斷層帶與路線交匯處布設(shè)了2條物探剖面，旨在查明斷層規(guī)模與空間位置及其影響帶寬度，并采用鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，典型剖面如圖4所示。

單位：m

根據(jù)物探解譯并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)繪、鉆孔驗(yàn)證，鮮水河斷裂帶寬320 m～440 m，斷裂帶內(nèi)由斷層角礫巖、糜棱巖等構(gòu)成，呈眼球狀構(gòu)造，巖質(zhì)極軟呈塑性狀態(tài)，其影響帶寬度約560 m～1 150 m，巖體破碎，構(gòu)造擦痕發(fā)育，礦物呈定向排列特征，部分段落發(fā)育次級(jí)小斷層。

4 地質(zhì)選線應(yīng)用

由于本項(xiàng)目地形起伏大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)體眾多，其它干擾因素多，共設(shè)計(jì)了8條同精度比較線方案以及6條論述線方案，對(duì)路線走廊帶5個(gè)段落進(jìn)行比選。本文以其中K46～K83段為代表，通過綜合地質(zhì)勘察方法與分析，從地質(zhì)角度評(píng)價(jià)路線適宜性與可行性。

K46～K83段長37 km，走廊帶內(nèi)K46～K65段位于大崗山庫區(qū)范圍內(nèi)，由于場區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體發(fā)育，因此設(shè)計(jì)提出左岸和右岸2個(gè)方案。其中，左岸方案包括了E+G與K+G 兩個(gè)方案，右岸方案即B1+K+C。通過上述綜合地質(zhì)勘察方法，該段走廊帶整體上與鮮水河斷裂構(gòu)造帶近平行，此外還發(fā)育有得妥斷層，場區(qū)內(nèi)地層巖性以元古界早震旦系花崗巖為主，局部發(fā)育有三疊系須家河煤系地層以及泥盆系中統(tǒng)變質(zhì)巖。場區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體由泥石流、滑坡、錯(cuò)落體、崩塌、庫岸再造以及部分大型地震堆積體構(gòu)成。各方案涉及的不良地質(zhì)體、結(jié)構(gòu)物特征及路線方案比選見表4，走廊帶內(nèi)不良地質(zhì)分布如圖5所示。

通過地質(zhì)條件的比選與分析，并結(jié)合工程規(guī)模與造價(jià)，考慮地質(zhì)安全及后期維護(hù)難度，最終選定左岸E+G為推薦線方案。該方案所涉及的不良地質(zhì)體規(guī)模有限，可通過工程措施進(jìn)行處治，路線繞避了三疊系煤系地層并避免了隨之而來的瓦斯、大變形等隧道地質(zhì)問題，且遠(yuǎn)離鮮水河活動(dòng)斷裂帶，降低了地震時(shí)誘發(fā)的次級(jí)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。該方案中隧道圍巖整體上以Ⅲ級(jí)為主，Ⅳ級(jí)次之，圍巖條件較其它方案好，隧道工程造價(jià)可控。另外，該方案路線長度最短，不僅提高了工程安全性，降低了工程建設(shè)難度，還節(jié)省了工程造價(jià)和后期運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用，因此該路線方案為最優(yōu)方案。

表4 路線方案綜合比選

圖5 K46～K83路線方案及不良地質(zhì)平面

5 結(jié)束語

瀘石高速目前處于施工階段，前期勘察設(shè)計(jì)階段基于綜合地質(zhì)勘察方法的勘察成果與現(xiàn)階段施工揭露的地質(zhì)情況一致，表明該套方法行之有效，現(xiàn)總結(jié)如下：

1) 對(duì)于復(fù)雜山區(qū)的公路勘察設(shè)計(jì)，地質(zhì)選線是路線設(shè)計(jì)成功與否的首要工作，綜合地質(zhì)勘察方法是地質(zhì)選線的有效技術(shù)支撐。

2) 綜合地質(zhì)勘察方法是通過區(qū)域地質(zhì)研究、1∶10 000地質(zhì)調(diào)繪、多光譜遙感等多種手段及方法，掌握?qǐng)鰠^(qū)區(qū)域地質(zhì)情況，通過針對(duì)性的各類專題研究獲取局部地質(zhì)特征，并通過鉆探、物探等勘探方法進(jìn)行補(bǔ)充與驗(yàn)證，本質(zhì)上是探索建設(shè)場區(qū)地質(zhì)規(guī)律及發(fā)展特征的一種綜合性方法。

3) 基于地質(zhì)選線的路線設(shè)計(jì)，不僅繞避了大型地質(zhì)災(zāi)害體，降低了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，還明顯降低了工程造價(jià)和后期運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。