西南某山区机场的工程地质分区及其评价

廖崇高，李天华

（1．成都理工大学 环境与土木工程学院，成都610059；2．成都军区 空军勘察设计院，成都610041）

0 引言

工程地质分区是岩土工程勘察、设计的一项最基本数据，许多学者对其进行了有益的探索和研究。在分析工程地质分区受控因子的基础上可以进行定性－半定量的分区和评价。如丁继新等［1］根据区域地质背景、地貌特征和人类活动等情况进行定性的工程地质分区，并进行半定量的工程地质评价；许兵等［2］根据工程地质特性和工程地质条件的异同建立了一种分区方法；王思敬等［3］通过考虑各种工程地质条件的层次性和各种条件之间的关系，提出了一种基于统计分析的系统分区法；张倬元［4］提出了一种综合考虑相关工程地质条件的组合分区法；尚彦军［5］等根据 Hudson［6］的关系矩阵方法提出了一种半定性－半定量的工程地质综合集成分区法。

随着我国西部大开发战略的实施，多山的西南地区机场建设进入迅猛发展阶段。这些机场具有填方高度大、工程地质条件复杂、建设周期短等特点。因此，建设前的工程地质勘察工作往往时间紧、任务重。工程地质分区作为机场工程地质勘察的一个重要组成部分，将直接影响工程地质勘察的勘察精度和质量，以及工程地质条件评价的准确性和系统性。本文以西南地区某山区机场勘察为例，在分析研究区工程地质分区受控因素（如地貌条件、岩性组合、构造条件、水文条件、不良地质现象等）的基础上，进行了工程地质定性分区及评价。

1 研究区工程地质分区受控因素

1．1 地形地貌条件

地形地貌是经历了漫长的地质历史变迁而形成的，是地质构造、气候、水系等诸多内、外营力综合作用的结果。不同的地形地貌直接反映着岩性组合的特征和差异，因此成为工程地质分区中必须考虑的重要因素［7］。

研究区位于云贵高原的中段，乌蒙山系东面，区内出露主要地貌单元为复杂的高中山构造侵蚀、溶蚀山地地貌。受构造控制，在研究区分水岭两侧发育了沿NW向展布的12条羽状冲蚀、溶蚀沟谷。研究区总体地势西南高、东北低，最高点海拔2 067 m，最低点为1 784m，相对高差283m。整个研究区地形坡度与岩层倾角大体一致，一般坡度8°～15°。研究区道面需要高挖低填，最高垂直填方高度为89m，最大垂直挖方高度为90m。根据设计意图，大部分填方是顺坡走向（岩层走向）填筑，高填方 体的稳定性问题突出。为了便于对研究区填方地段稳定性进行更精确的评价，因此把研究区的地形地貌条件作为研究区工程地质分区的控制因素。

1．2 岩土体工程特征

研究区内出露的地层包括第四系残坡积松散覆盖层，二叠系下统栖霞茅口组（P1q＋m）灰岩，二叠系下统梁山组（P1l）石英砂岩、碳质泥岩、粉砂岩（不等厚互层），以及石炭系上统马坪组（C3mp）灰岩（图1）。据现场钻探揭露，研究区地基土在空间分布上具有一定的分布规律：研究区东北端第四系覆盖层厚度较大（20～40m），由黏性土和混合土组成，下伏基岩为栖霞茅口组（P1q＋m）灰岩；道中附近第四系覆盖层厚度小（0～5m），下伏基岩主要为二叠系下统梁山组（P1l）石英砂岩、碳质泥岩、粉砂岩（不等厚互层），局部为马坪组（C3mp）灰岩；西南端第四系覆盖层厚度一般在5～20m，局部可达40m，由碎石土组成，下伏基岩主要为马坪组（C3mp）灰岩。由于地基土分布的差异性，导致研究区不同地段的工程地质问题有所不同，因此岩土体的工程特性是研究区工程地质分区必须考虑的因素之一。

图1 西南某机场研究区地质结构图Fig．1 Geological structureal map of an airport in Southwest China

1．3 构造条件

研究区大地构造单元属扬子准地台（Ⅰ级）滇东台褶带（Ⅱ级）的曲靖台褶束（Ⅲ级）。受区域构造影响，研究区内发育有NE向、SN向、NW向、EW向等4组断裂，将研究区地形切割成台阶状，地形和地层总体体现从西南向东北逐渐降低的趋势；将研究区岩层切割成不同的断块，使得地层的连续性差，在断裂及其两侧发育滑坡体及崩塌体等不良地质现象。研究区内断裂带附近的岩体较为破碎，导致岩体力学性质较差。因此研究区的构造条件应作为工程分区的重要依据之一。

1．4 水文地质条件

研究区水文地质条件受构造的控制，区内发育有12条切割较深的NW向羽状冲沟，高差最大可达100余m，形成了研究区的地表水系格局。这些冲沟既是地表水和地下水的径流区，也是地表水和地下水的排泄区，在冲沟下游以消水坑排出研究区外。跑道中部位于花竹林梁子次级分水岭上，为研究区地表水和地下水的补给区。西南端和东北端地势较低，并发育数条沟谷，为地下水和地表水的径流区和排泄区。区内地下水类型包括孔隙水和基岩裂隙水，跑道的东北端局部为岩溶水。碳质泥岩遇水软化崩解后为软弱夹层，常常形成潜在的滑移面，因此必须防止地表水渗入软化碳质泥岩形成软弱夹层，同时应疏干已软化的碳质泥岩中的地下水，以免其形成滑坡，影响高填方体的稳定性。研究区不同部位地下水的埋深和动态变化、含水层的特征、水力性质、水化学成分不尽相同，因此在进行工程地质分区时应作为考虑因素。

1．5 不良地质现象

受区域构造的影响，研究区内的岩体裂隙较为发育，加之部分岩体抗风化能力极差，风化后又多呈泥状，从而使得研究区滑坡、崩塌等不良地质现象发育。通过工程地质测绘、工程物探及钻探发现，研究区发育滑坡体14个，崩塌体2个。其中西南端发育6个滑坡体、1个崩塌体；道中附近发育8个滑坡体、1个崩塌体。其规模大小不一、形态不同，对机场建设影响程度也不相同。因此，不良地质现象也是在 进行研究区工程地质分区时必须考虑的因素之一。

1．6 挖填平衡

与其他工程建设不同，机场建设常会遇到挖方和填方，且土石方量较大，可达几百万至几千万立方米。由于该机场为挖填平衡机场，土石方单方量（挖方或填方）约2 000×104m3。由于挖方区与填方区的勘察目的和任务不同，勘察手段及评价方法应有所区别，因此挖填平衡也是工程地质分区考虑的重要因素之一。

2 工程地质分区及评价

根据上述工程地质分区受控因素，首先按挖填平衡条件将研究区分为两大区域，即填方区（I区）和挖方区（Ⅱ区）；然后根据各区的地形地貌特征、岩土体工程特性、构造条件、水文地质条件、不良地质现象等情况，对填方区进一步分为6个亚区（I－1区—I－6区）（图2）。各区的主要工程地质问题及评价如下：

2．1 高填方边坡的稳定性

研究区垂直填方高度0～89m，受高填方、地形、风化软弱岩层、地下水、软弱土层、滑坡、顺坡顺层填筑等因素影响，高填方的稳定性问题严重，经过高填方边坡（坡度1∶2和1∶2．5两种坡比）稳定性初步估算，高填方边坡均不满足大于安全系数（＞1．5）的要求，需要进行地基处理或边坡支护处理或合理放缓边坡比例。

在1∶2．5放坡的情况下，研究区东北端（I－1区、I－2区、I－3区）影响高填方边坡稳定性的主要因素为软弱土层，经计算，天然状态下边坡的稳定性系数为0．85～0．99，饱水状态下稳定性系数为0．69～0．79，均达不到大于安全系数的要求，需进行地基处理；中部（I－4区）影响边坡稳定性的主要因素是软弱夹层、边坡坡向、地下水、填方高度等，天然状态下其稳定性系数为0．79～1．52，饱水状态下稳定性系数为0．63～1．28，均达不到大于安全系数的要求，需要地基处理或支护；道中（I－5区）填方体容易沿古滑坡的滑面和强风化碳质泥岩层面滑动，天然状态下稳定性系数一般为0．94～1．11，饱水状态下稳定性系数为0．64～0．93，均达不到大于安全系数的要求，需要对滑坡和全－强风化碳质泥岩、粉砂质泥岩进行地基处理；西南端（I－6区）影响稳定性的因素主要是软弱土层、边坡坡向、地下水、填方高度等，天然状态下其稳定性系数为0．72～1．13，饱水状态下其稳定性系数为0．47～0．86，均达不到大于安全系数的要求，需要对软弱夹层及第四系覆盖层进行地基处理。

2．2 地基不均匀性及差异沉降

由于研究区第四系松散堆积物分布极不均匀：跑道两端（I－1区、I－2区、I－3区和I－6区）覆盖层可达40m以上，为土岩组合地基，由于这些区域的填方高度大（最大可达90m），上覆荷载的附加压力使得其变形较大，沉降在1．4～6．5m之间，差异沉降问题尤为突出；中部地段（I－4区和I－5区）为土岩组合地基与岩质地基交互区域，由于第四系覆盖层较薄（或直接出露），设计和施工时可以直接清除即可，但其填方高度较大（最大可达60余m），填筑体本身的沉降不容忽视，通过计算，填筑体的沉降最大约为5．9m，需严格控制施工进度；道中附近大片区域（Ⅱ区）为挖方区，基岩埋深较浅，为良好岩质地基，变形小，均匀性和差异沉降较小。

2．3 软弱夹层

图2 研究区工程地质分区示意图Fig．2 Sketch of engineering geologic division of the study area

研究区软弱夹层主要指全风化和强风化的碳质泥岩、煤层、粉砂质泥岩，厚度一般0．1～2m。研究区下部地层主要为细粒石英砂岩和碳质泥岩及粉砂 质泥岩互层，地层顺坡向倾向坡外，碳质泥岩裂隙不发育，为相对隔水层，地下水容易在碳质泥岩层面上汇集；因碳质泥岩遇水软化崩解，强度极低，很容易沿其层面形成滑面，是研究区影响高填方稳定性的主要因素之一。道中（I－5区）软弱夹层主要是全－强风化碳质泥岩和粉砂质泥岩，分布于高填方地基的底部，容易从临空面直接剪出，对高填方稳定性影响极大；I－4区软弱夹层普遍分布，主要是全－强风化碳质泥岩和粉砂质泥岩、煤等，软弱夹层2～8层重叠出现，其含水量高，抗剪强度低，部分软弱夹层临空条件好，容易向临空面挤出，或造成边坡局部隆起，或使上部结构发生张拉裂缝，发生向临空面的滑动；东南端（I－6区）软弱夹层部分剖面分布于高填方体的底部，对高填方的稳定性有明显的影响。

3 地基处理建议

通过对工程地质分区的受控因素进行分析和评价，为机场建设的设计和施工提供更为精确的地勘资料，设计人员可根据各区的工程地质条件及存在的工程地质问题采取合理有效、针对性更强的地基处理措施。各分区的地基处理措施建议如下：

（1）东北端高填方区（I－1区、I－2区、I－3区）：清除表层的耕植土，然后进行挤密碎石桩地基处理，在其表面设置排水盲沟，然后分层碾压填筑。

（2）东部填方体（I－4区）：清除表层的耕植土和松散层，然后进行强夯地基处理，在其表面设置排水盲沟，对边坡用灌浆、抗滑桩等进行支护，然后分层碾压填筑。

（3）道中高填方区（I－5区）：清除下部的滑坡体、软弱土层到中风化基岩，在基岩上做反倾向台阶，设置排水盲沟，然后分层碾压填筑，根据高填方稳定性和开挖揭露的地质情况对碳质泥岩采用灌浆、抗滑桩等手段加固。

（4）西南端高填方区（I－6区）：清除下部的软弱土层到中风化基岩，在基岩上做反倾向台阶，并设置排水盲沟，然后分层碾压填筑；对于软弱地基厚度大的地段也可以采用碎石桩、CFG桩、灌浆等地基处理方式提高地基强度。根据高填方稳定性和开挖情况在危险地段可采用灌浆、锚杆、挡墙、抗滑桩等手段加固基岩。

（5）挖方区适当超挖，在其底面做好防渗层然后分层碾压填筑，以避免软硬基底差异沉降引起道面开裂问题。

［1］丁继新，周圣华，杨志法，等．川藏公路南线然乌—鲁朗段工程地质分区［J］．自然灾害学报，2005，14（5）：154－161．

［2］许兵，李毓瑞，张汝源．金川露天矿边坡稳定性的岩体工程地质力学研究［M］．中国科学院地质研究所．岩体工程地质力学问题（六）．北京：科学出版社，1985：1－106．

［3］王思敬，黄鼎成．攀西地区环境工程地质［M］．北京：海洋出版社，1990：11－13，85－94．

［4］张倬元．工程地质条件的形成［M］．中国工程地质学．北京：科学出版社，2000：14－33．

［5］Shang Y J，Wang S J，Li G C，et al．Retrospective case example using a comprehensive suitability index （CSI）for siting the Shisan－Ling power station，China［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2000（37）：839－853．

［6］Hudson J A，Arnold P N，Tamai A．Rock engineering mechanisms information technology （REMIT）：PartⅠThe basic method；PartⅡIllustrative case example［C］．Proceedings of the Seventh International Congress of the ISR．Sydney，1991：1113－1119．

［7］马军，甘宁．库尔勒市工程地质分区初探［J］．西部探矿工程，2002（增刊）：12－15．