某高速公路高架桥危岩体成因分析与防治措施

刘 海

（山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护交通行业重点实验室，山西 太原 030006）

0 引言

山区高速公路的建设由于其特殊的地形地貌、地质构造，在建设过程中，高填、深挖以及陡坡路堤（堑）、岩溶等特殊岩土问题较多，加之地质勘查技术和手段的局限，往往无法预知公路工程中可能遇到的所有地质问题，容易诱发大规模的地质灾害，造成重大经济损失，严重影响施工进度及运营安全[1]。

某高速公路路基宽度26 m，双向四车道，设计车速100 km/h，沥青混凝土路面结构。公路全线穿越南岭山脉，地形崎岖起伏，地质条件复杂，暗河、溶洞等地质灾害隐伏性强，工程施工难度大。

该项目某高架桥属大跨径、高墩特大型桥梁，全长1 037 m。据工程地质勘察报告，桥区碳酸盐岩广泛分布，两侧墩台位于地势陡峭的山坡上，发育崩塌及危岩体，中间桥墩位于地势较为平坦的谷地中。桥位区发育的不良地质包括岩溶、崩塌及危岩体、潜在不稳定边坡等3种类型。本文针对该高架桥北侧危岩体，从地形地貌、气象水文、地层岩性、地质构造、水文地质等方面分析了致灾环境，研究了致灾原因，最后通过岩体稳定性分析提出了灾害防治措施。

1 高架桥危岩体主要孕灾环境

1.1 地形地貌

湖南省属于丘陵地形，整体地形较为崎岖，西部较高，南部有南岭山脉，峰顶海拔都在千米以上，山间盆地较多，谷地多为交通要道。本项目高架桥桥址位于低山段，桥中为沟谷、两侧山体陡峭，沟谷与山体高程相差百米以上。

1.2 水文气象

项目区域四季分明，冬短夏长，雨量丰富。多年平均气温为15℃～18.6℃，温差较大，最低-12.1℃，最高42℃；多年平均相对湿度79%，绝对湿度17.2毫巴，潮湿系数1.59；多年平均降雨量1 298～1 560 mm，4—8月期间降雨量占全年总量的60%以上，降雨季节连绵30 d以上，8月以后雨量逐渐减少，11月至来年1月，降雨量仅占16%左右；降雨蒸发量少，多年平均水面蒸发量900～1 100 mm，陆面蒸发量为500～800 mm。

1.3 地层岩性

该项目沿线地层主要为灰岩，包括炭质灰岩、灰岩、泥质灰岩、炭质页岩。沿线风化强烈，残积覆盖层以碎石土、含砾亚黏土、亚黏土为主；丘岭交错，红黏土、软土分布较广，石灰岩居多，但风化严重、完整性差，坡体表面覆层较薄[2]。

高架桥桥区上覆土层厚度变化大，主要分布于谷地中。K52+382—K52+442段山坡上发育残坡积成因的更新统亚黏土，属红黏土，上硬下软，下部多呈软塑—可塑状，厚度向谷地方向渐变薄，揭示的最大厚度为25.0 m；K52+442—K52+500段分布崩塌堆积体，主要成分的白云质灰岩、灰岩，粒径为30～500 cm，泥质填充，厚度最大约29.0 m；谷中多为冲积成的更新统卵石层、漂石，间亚黏土，钻孔厚度最大约52.0 m；K53+300—K53+419段山坡上发育不等厚度的块石土，厚度自坡脚向上渐薄，坡脚厚度约5～11 m，坡顶裸露大片风化白云质灰岩。

1.4 地质构造

根据地质图和地质调查报告，桥位所处区域属华夏系构造带。结合岩层产状分析及桥位区岩性调查发现，本桥总体处于背斜构造中，谷地钻探揭示的岩性为灰岩（不含或含少量白云质），两侧山体普遍含白云质，背斜轴部走向靠近NE，向SW倾伏，核部位于谷地中间。

调查发现，在桥东约1.5 km处露出区域性断层F1，该断层包含两个断层带，间距约50 m，近于平行，南侧带宽约75 m，北侧带宽约90 m。该断层带总体近直立，走向NE，属正平移断层。依走向判断，与桥址所处谷地走向相近[3]。

1.5 水文地质条件

经地表调绘，地下水以岩溶水为主，高程约300.80～340.50 m，赋存于溶洞、溶蚀裂隙、溶沟等岩溶管道中，属于上层滞水或风化裂隙水，受桥区谷地溶蚀基准面的控制，在岩体附近的坡脚以岩溶泉形式出露。

2 高架桥危岩体成灾原因分析

高架桥路线走向约150°，北侧危岩体上覆亚黏土厚度约5～20 m，基岩为灰岩，岩质坚硬。危岩所在高边坡坡面产状为117°∠90°，岩性为巨厚层白云质灰岩，整体结构，表层风化程度较低，为崩塌的产生提供了物质条件。通过现场调查确认，断层F1在桥区以约4条小型断层出现，总体走向NE，直立或稍倾向SE、NW，断层宽度小于20 m，断层带中岩石已重新胶结成软岩。平行于悬崖壁发育一条长大裂隙，该裂隙在坡顶处张开度约30～50 cm，而且裂隙中岩溶发育，如图1所示。

图1 危岩体裂隙发育示意图

裂隙1和裂隙2自上而下切割危岩体，但未贯通，闭合于危岩体中部。现场调查初步确定危岩体范围由大裂隙所控制，大裂隙旁出露的层面产状为292°∠42°，为反倾，延展性差。在岩壁陡峭面处，岩壁岩体多为条状柱体或菱形体薄板，在重力、水及其他外力作用下，易发生崩塌或倾倒破坏。一旦发生大规模破坏，将对工程造成毁灭性影响，因此在桥梁施工前，应先加固岩体。若施工前期未采取防护或加固措施，危岩体坍塌或倾倒将沿裂隙向谷地方向发展，进而引发下伏岩体和上覆土层的失稳[4]。

3 荷叶塘危岩体防治措施及施工要点

3.1 防治措施和力学计算结果

针对该危岩体，拟采用锚杆支护、加强排水和挂网防护等措施加强其稳定性，其中锚杆防护设定参数和形式如表1所示。

表1 荷叶塘高架桥北侧危岩体锚杆防护基本参数

表2 荷叶塘高架桥北侧危岩体锚杆防护稳定性计算参数

为了验证锚杆防护的可靠性和锚杆设计参数的合理性，对锚固的危岩体进行了滑动稳定性计算，计算参数和计算简图如表2、图2所示。

经过计算，危岩体的总下滑力为9 415.4 kN，总抗滑力为12 403.6 kN，安全系数为1.317。因此，采用锚杆防护之后，该危岩体基本稳定，基本不会产生崩塌、落石等地质灾害，计算结果如表3所示。

表3 荷叶塘高架桥北侧危岩体锚杆防护稳定性计算结果

图2 危岩体锚杆防护稳定性计算简图

3.2 防治与施工要点

通过现场勘测及力学计算，提出“锚杆锚固+排水+挂网防护”的处置对策，可以保证岩体稳定及桥位施工。

a）排水设施施工 岩体坡顶应设置坡顶截水沟，且应在荷叶塘高架桥和坡体清方施工前完成。截水沟开挖之前应做好衬砌准备，以便开挖后及时衬砌，减少地表水入渗。这项措施是减小挖方边坡坍塌的重要手段。当挖方揭露出地下水时，应在地下水出露点用粗砂石料填压，然后做盲沟引排地下水[5]。

b）挂网防护 挂网防护系统可以适应各种复杂地形地貌环境，尽可能降低大规模开挖所致的环境破坏及边坡失稳危害。施工灵活，对其他作业运营干扰较少[6]。

c）锚杆防护 此危岩体受构造作用形成块体结构，块度大、重量大、位置高，一旦脱离母体其能量大、弹跳高，被动拦截较为困难，应采取以锚杆为主的主动防护型式。锚杆防护必须在充分分析研究地质资料和现场条件后进行，并需进行动态设计[7]。

d）信息化施工 荷叶塘高架桥危岩体形成原因复杂、影响因素众多，在前期地质勘察过程中不可能查清区内所有的地质状况，在施工过程中，施工机械对于危岩体的扰动同样会改变岩体的原有状态，使岩体稳定性降低。因此，在施工过程中，应加强对坡体结构和变形的实时监测，及时掌握施工对岩体稳定的影响，并及时根据监测信息更改施工安排，保证人员和机具的安全。

4 结论

a）从地形地貌、气象水文、地层岩性、地质构造、水文地质条件等方面对湖南永蓝高速公路荷叶塘高架桥北侧危岩体孕灾环境进行了分析。

b）研究了该危岩体的致灾原因，认为地质构造条件和岩性条件为造成灾害的主要影响因素。

c）提出了“锚杆锚固+排水+挂网防护”的综合防治对策，并对危岩体进行了力学稳定性分析计算，结果证明，防治对策设置科学、合理，可以达到防护目的。