复杂地质山区安顺至紫云高速公路定线研究

罗叶军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)



复杂地质山区安顺至紫云高速公路定线研究

罗叶军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)

摘要：安顺至紫云高速公路所经区域地貌以岩溶及侵蚀中低山地貌为主,尤其杨武乡至终点段地形起伏较大,地貌类型复杂多变,断层破碎带、岩溶消水洞、出水口、溶腔、暗河等较为发育,顺层边坡较多,在复杂地质区域定线时应首先察明线路廊带内地形、地质条件,研究线路各段落工程地质主要特点,抓住控制线路布设的关键因素,提出合理可行的线路方案及比选意见。论述在项目定测期间,应用综合地质选线技术使推荐的线路方案良好绕避开断层破碎带,合理地绕避岩溶消水洞、出水口及暗河等,有效减少顺层边坡,推荐的线路方案安全、经济、合理。

关键词：高速公路；地质选线；断层破碎带；岩溶地貌；顺层边坡

1安顺至紫云路工程概况

安顺至紫云高速公路是贵州省高速公路网规划“五纵”中的赤水至望谟高速公路之中段，项目北接沪昆国家高速公路(清镇至黄果树段)，南连贵州省规划路网“五横”中的惠水至兴仁高速公路(图1)。项目起点位于安顺市东猫猫洞，向南经云峰、旧州、双堡、杨武、猫营、板当等乡镇，终点至紫云县城东北的沙子哨，全长55.8 km。项目是国家级新区贵安新区的重要交通走廊，连接沪昆国家高速公路、贵昆铁路、沪昆客运专线等经济廊带，建成后将显著促进沿线地区经济发展。全线采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度80、100 km/h，整体式路基宽度24.5、26 m，全线设互通式立交6处，服务区1处。

2项目区域地貌、地质特点(图2)

项目所处区域地形总体上北高南低，海拔1 070～1 555 m，以项目中部的杨武乡为界，北部地形平缓，丘峰为主，一般高差小于100 m，山体孤立，形如“竹笋”。杨武以南山体高大、浑厚，地形起伏急剧，地貌类型复杂多变，断层破碎带、岩溶消水洞、出水口、溶腔、暗河等较为发育，顺层边坡较多，地质条件复杂。

图1　项目地理位置

因此重点论述项目杨武以南至终点段，在初测及初步设计阶段线路走廊带大体明了的情况下，定测及施工图设计阶段，进一步根据廊带内地貌、地质特点，精确、科学、合理地选定线路平纵横断面的定线研究工作。对于地质复杂区域的定线设计，应采取多种勘探手段，加强地质勘察工作，深入分析地质资料，全面掌握区域内工程地质情况[1]，分析线路各段落工程地质主要特点，抓住控制线路布设的关键因素，比选出科学合理的线路平纵断面。根据沿线工程地质主要特征及相应的选线关键技术难点，重点选取了4段典型的段落进行论述，分别是线路与断层破碎带、线路与岩溶发育区、线路与层状边坡以及终点处既有路接入的路桥比选。

3杨武过境段断层破碎带定线研究

图2　项目线路方案平面示意

线路在经杨武乡西侧的大陆地村至胡坝村段，当地政府为减少线路对水田、良田的占压，倾向线位基本走行于荒地、林地内的AK方案，经现场地质勘察、调查，发现AK方案处于补董冲断层破碎带内，定测阶段根据地质、地形条件，提出3个方案进行同精度综合比选，如图3所示。

图3　杨武过境段线路方案平面示意

3.1　杨武过境段地质条件

线路方案与地质构造关系为K、AK、BK 3方案均沿毛栗坡背斜西翼布置，毛栗坡背斜轴部为泥盆系上统尧梭组(D3y)白云岩，两翼为C-P石灰岩及少量白云岩，砂页岩。地层倾角60°～80°，背斜西翼为补董冲断层所破坏，破碎带宽150～400 m，赋存岩溶水及断层破碎带裂隙水，岩溶水以泉的形式出露，向地表低洼处排泄，断层裂隙水以漫流形式出露于断层破碎带表层。根据贵州省地质局《区域地质调查报告》(贵阳幅G-48-ⅹⅦ)地质调查报告反映，结合现场勘察的滑坡、崩塌等不良地质的发育情况，推断补董冲断层属于晚近时期不稳定性断层。AK方案完全走行在补董冲断层破碎带内，K方案、BK方案距离断层以西250～600 m，与断层平行走行。

3.2　方案比选

(1)线路对沿线影响角度分析

AK方案沿线绝大部分为荒地和林地，土壤较为贫瘠，占用耕地面积最小，但线路两侧山体植被良好，乔木密集高大，砍伐树木量大；BK方案走行于空旷地带，绝大部分为优质水田，离村庄较远，拆迁房屋最少；K方案沿山脚布设，占地多为梯台水浇地，且邻近村庄，有一定拆迁量。

(2)从工程地质、工程安全性角度分析(图4)

图4　A-A地质剖面示意

AK方案位于补董冲断层破碎带内，通过14处滑坡，属于多发、易发、多梯次滑坡群区域，工程处理难度较大，后期运营安全隐患大[2]，工程地质条件最差；BK方案离断层破碎带距离最远，但所处地势较低，走行于河谷低洼汇水区域，地表局部段落岩溶发育；K方案走行于山脚坡地，走向平行于沟谷砂岩与灰岩地层分界线，基本避开了补董冲断层带的影响范围，适宜公路工程建设，但经多处山口，上游有微、小型水坝，需做好防洪和防溃坝措施。因此，就工程地质条件及工程安全角度而言，K方案的工程地质条件良好，BK方案的工程地质条件次之，AK方案的工程地质条极差。

(3)从工程规模、工程投资角度分析

AK方案约5 km长的线路走行于补董冲断层破碎带内，地形起伏大，不良地质多，土方开挖较大，特殊路基措施多，路基挡护规模极大，桥梁长度逾1 km；BK方案以一般路基为主，工程较为简单，工程规模小；K方案临山脚布设，有一定的路基防护工程，三方案工程经济比较见表1。

表1　方案主要工程数量及经济比较

(4)推荐意见

由于AK方案走行于补董冲断层破碎带中，工程地质条件特差，处理难度极大，后期运营安全存在一定的隐患，不符合线路工程一般应垂直或大角度穿越断层破碎带的基本选线原则，通过综合比选，经贵州省交通厅组织专家会论证，并取得当地政府同意，最终推荐采用K方案。

4翁菁至贬王段岩溶发育区定线研究

4.1　岩溶区地质选线原则

岩溶是水对可溶性岩石(碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤素盐岩)进行的化学溶解作用和机械破坏作用以及由这些作用所引起的各种现象与形态的总称[3]，在贵州地区，无论是高山、丘陵还是平缓地带，都有大面积的岩溶分布，只是发育的阶段和发育的程度不同。

岩溶地区选线应充分察明沿线地层岩性和地质构造，岩溶发育主要受层面的控制，地质构造的褶皱和断层往往对地表水渗流及地下水流径起控制作用，有条件时线路应尽力避免由褶皱核部平行通过，尽可能由褶皱翼部岩溶不发育或发育弱的地层组通过。岩溶地貌对选线也具有良好的参鉴作用，在山丘地区，丘峰的顶部通常是早期岩溶水平通道而谷底常为现代岩溶水平通道，线路最好由山丘腰部通过[4]。线路穿行于自然地质环境中并对地质环境改造着，应充分尊重地质规律，遵循地质原则，尽量避免工程实施对地质环境的改变[5]，岩溶地区地表河流与地下河流经过漫长年代的地质作用而形成，明河、暗河错综交汇，往往难以全部察明，选线时应尽力避免破坏或改变现状水系径流，河谷地区应尽力减少侵占排洪汇水面积，应重视工程排水设计。

4.2　翁菁至贬王段岩溶发育概况

翁菁至贬王段为毛栗坡背斜与江洞沟向斜两构造的倾伏端挤压接触区，贬王沟位于江洞沟向斜核部，两岸地势陡峻，谷底狭长平缓，为地表水、地下水汇集地带，为暗河、明河转换过渡地带，也是垂直流向水平流过度汇集地带，选线主要受暗河，消水洞、出水口、溶蚀洼地等要素控制(图5)。

图5　翁菁至贬王段地质构造示意

4.3　线路与岩溶区处理措施

(1)维护现状地上、地下水运动途径和方向，避免工程实施影响现状水循环系统。由于沟谷狭长，地上河与地下暗河交错连接，线路布设避免影响既有水系径流，通过优化调整平面线形，采用分离式路基等，基本绕避开了区域内的全部消水洞、出水口、溶蚀洼地及明、暗河。

(2)由于路基工程占压了部分沟谷面积，缩小了沟谷汇水面积，在地表河流经消水洞汇入地下暗河区域，由于消水洞及地下暗河的断面泄洪能力有限，降雨量大时在消水洞上游经常产生雍水浸泡路基，因此线路纵断面高程设计应充分考虑防洪，同时路基工程应采取防浸措施。

5贬王至新场段复杂地层区定线研究

复杂地层区是指在产生层状岩质边坡的区域，岩层的产状复杂多变。贬王至新场段地形起伏较大，路基工程多且边坡高度较大，岩层产状对路基边坡的稳定性起控制作用，因此定线时必须厘清线路与沿线岩层产状关系，合理确定线路在山体中的空间位置，尽量避免出现顺层边坡，大量工程实践经验表明，顺层岩质边坡是失稳最多、危害最大的一类边坡[6]。

5.1　岩层走向与线路走向关系

岩层产状三要素为走向、倾向及倾角[7]，线路走向与岩层走向的关系大体有平行、斜交、正交3种情况，用赤平极射投影[8]表示，如图6所示。图6中A表示线路走向(同路基边坡面走向)90°∠30°，B岩层走向(90°∠45°)与线路走向平行，C岩层走向(135°∠45°)与线路斜交45°，D岩层走向(180°∠45°)与线路走向垂直。

图6　岩层走向与线路走向关系赤平极射投影

5.2　岩层倾向、倾角与路基边坡的关系(图7～图10)

在岩层走向与线路走向关系一定的情况下，路基边坡的稳定性主要受岩层的倾向、倾角控制，以岩层走向与线路走向平行为例，岩层与路基边坡面的关系可分为逆倾或顺倾，其中顺倾又可分为顺向缓倾和顺向陡倾[9]。逆倾指岩层倾向与路基边坡面倾向相反，在赤平投极射投影图中P面(90°∠63°)为路基边坡，H面(270°∠45°)为逆倾岩层。顺倾指岩层倾向与路基边坡面倾向一致，其中顺向缓倾指岩层的倾角较小一般小于15°，在赤平投极射投影图中G面(90°∠15°)所示，路基边坡开挖后岩层虽然产生了临空面，但其稳定性尚好。顺向陡倾指岩层的倾角较大，路基边坡开挖后所产生的临空面将明显影响岩层的稳定性，在赤平投极射投影图中F(90°∠50°)面所示。

图7　逆倾边坡示意

图8　顺向缓倾边坡示意

图9　顺向陡倾边坡示意

图10　岩层倾向与路基边坡关系赤平投影

5.3　路基边坡稳定性与岩层产状关系

当线路走向与岩层走向平行时，岩层倾向减路基坡面倾向之差值θ(图6)为0，假设顺倾岩体沿其层面向下的滑力为F(图11)，在理想条件下为重力在该方向的分力。当岩层走向与线路走向夹角为θ时，岩体顺层面向路基坡面方向的下滑力F′为F在θ方向的一个分力，当θ=0°时，F′=F，岩体沿层面下滑力在路基坡面的分力最大；当θ=90°时，F′=0，岩体沿层面下滑力在路基坡面的分力为零，路基边坡最为稳定；因此，F′与F近似呈余弦关系，即F′=F·cosθ(图12)。选线时线路经孤峰山体或沿沟谷布线时应尽可能布设在挖方边坡逆倾的一侧，如顺倾边坡不可避免时应尽可能增大线路与岩层走向的夹角。

图11　平行(θ=0°)顺层边坡示意

图12　走向关系与边坡稳定性示意

5.4　贬王至新场段典型深挖工点定线

定测期间通过对贬王至新场段沿线地形、地质情况进行详细勘查，对深挖路基段的岩层产状精确勘测，尽可能使岩层与路基边坡呈逆倾状态，对于难以避免的顺层边坡应尽可能增大二者走向夹角，并合理确定路基挖方边坡的坡率，采取经济可靠的防护措施，确保路基边坡稳定。施工图定测阶段经过对线路方案的优化比选，较初步设计阶段有效地减少了顺层边坡段落，线路优化后主要深挖路基工点见表2。

表2　贬王至新场段主要挖方路基产状

6终点段既有路接入定线研究

6.1　接线条件概况

安紫高速终点与既有惠兴高速相接，接线范围内地形起伏急骤，山体自然坡面陡峭，地质条件较差，既有惠兴高速平纵线形指标较低，桥梁密集，路基深挖高填，坡面挡护工程较多，通过对立交方案进行综合比选论证，最佳的立交方案位于沙子哨附近。该方案整体布局呈“Y”形(图13)，但该方案的设计难点集中在惠水至安顺方向右转D匝道的平面位置选定上。定测阶段对D匝道提出了“拆除重建高边坡方案”和“拼接高桥方案”，对两方案进行了同精度比选。

图13　沙子哨互通D匝道方案平面示意

6.2　拆除重建高边坡方案

该方案D匝道引出时需对既有惠兴路加宽约8～30 m，但加宽范围内惠兴高速右侧为一挖方高边坡，边坡高约75 m，坡率约1∶0.75，为顺层岩质边坡，设有预应力锚墩、锚索等防护措施，预应力锚索长约18～25 m，预应力750 kN。该方案需对既有高边坡进行拆除并重建，开挖处横断面设计如图14所示，既有高边坡现场情况如图15所示。

图14　Ⅰ-Ⅰ剖面横断面设计示意(单位：m)

图15　Ⅰ-Ⅰ剖面既有高边坡现场

6.3　拼接高桥方案

该方案D匝道由既有惠兴高速一座大桥上引出，该桥左幅桥为5-40 m T梁，右幅桥为6-40 m T梁，墩高约42 m，该方案D匝道引出时需将右幅桥拼宽5孔，见图16、图17。

图16　高桥拼宽处平面示意

图17　拼接高桥现场

6.4　方案分析

拆除重建高边坡方案线路较短，线形顺直，投资较省。但边坡开挖高度大、拆除既有锚索多，锚索预应力卸载、释放过程中的安全与拆除锚索的顺序有重要关系，国内可借鉴经验不多[10]，锚索卸载及开挖边坡过程中可能出现锚索构件弹射、岩体崩塌、爆破飞石等风险，岩体爆破作业时需临时性中断双向交通，对既有高速运营安全影响大，实施周期长。

帮宽高桥方案绕行距离长，桥梁工程规模大，工程投资高，但目前国内高速公路改扩建拼接桥梁已有较多成功的项目可借鉴[11]，在拼接施工期间仅需封闭半幅高速路，对既有交通运营的干扰和影响较小。在选线时对涉及施工、运营期间存有安全隐患的线路方案，方案评价应充分考虑工程安全性[12]，因此，推荐对既有路运营干扰相对小的拼接高桥方案，经贵州省交通厅组织召开安全风险专家评估会多次论证，同意推荐方案。

7结论

通过对安紫高速公路杨武以南段地貌、地质条件的勘察分析，定线时深入研究沿线各段落工程地质的主要特点，抓住控制线路布设的关键因素，提出了合理可行的线路方案及比选意见。

(1)在处理断层破碎带与线路关系时，“绕行”方案应是最为稳妥的方案，当难以绕避必须交越时线路应垂直或大角度穿越断层破碎带，避免平行走行于断层破碎带内。

(2)在水系发达的岩溶区，出水口、消水洞、地下暗河等较为发育，线路布设应充分尊重地质规律，尽可能维持现状地上、地下水系的运动途径和方向。

(3)在层状岩质边坡区域定线时，应充分重视岩层产状与路基边坡产状关系，尽可能避免出现顺层边坡，若顺层边坡不可避免应尽可能增大岩层走向与线路走向的夹角。

(4)对于既有路改扩建中复杂边坡的开挖重建，施工安全性应为方案取舍的首要考虑因素，同时应充分重视工程实施对现状交通的影响。

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Study of Alignment Plan of Anshun to Ziyun Expressway in Complex Geological AreaLUO Ye-jun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：The regional landforms of Anshun to Ziyun Expressway are mainly in the karst and erosion low mountain landscape, especially Yangwu Town to the end section where heavier terrain fluctuation, complex and varied topography, large scope of fault fracture zone, karst cave, water outlet, karst warehouse, underground river, and consequent slope are dominated. Fixing road alignment in the complex geological areas requires first to investigate the route topography and geological conditions, then to study main engineering geology characteristics on each section and collect key factors related to route layout in order that the reasonable and feasible alignment plan and comparison suggestion can be finally proposed. This article addresses the application of comprehensive geological route selection technology during the project final survey period to allow the recommended alignment plan to appropriately pass fault fracture zone, karst cave, water outlet, underground river and the consequent slope. Therefore, the recommended alignment of this project is proved safe, economical and reasonable.

Key words：Expressway; Geological route selection; Fault fracture zone; Karst landforms; Consequent slope

中图分类号：U412.3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.008

文章编号：1004-2954(2016)02-0038-06

作者简介：罗叶军(1982—)，男，工程师，2005年毕业于长安大学公路学院公路与城市道路专业，工学学士，E-mail:tyy_gyy@163.com。

收稿日期：2015-07-22