湖南省城步至龙胜（湘桂界）高速公路特殊工程地质问题研究

宋志勇，傅鹃

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410008）

0 引言

为进一步加快湖南省西部经济发展和打通地方高速公路省际通道的需要，同时响应国家发展改革委、交通运输部《关于进一步贯彻落实“三大战略”发挥高速公路支撑引领作用的实施意见》的要求，湖南省城步至龙胜（湘桂界）高速公路（简称“城龙高速”）应运而生。城龙高速位于湖南省城步苗族自治县，起点对接S91 武靖高速城步支线，终点位于五团镇双田与城龙高速广西段衔接。项目建成之后将承担长途过境交通和区内交通的双重任务。

城龙高速路线位于我国地势第二阶梯向第三阶梯的过渡地带，地势陡峭，沟谷深切，山坡坡角一般达30°～60°，相对高差一般在200～600m，交通条件极差，植被发育，通行极为困难。同时，路线走廊带在城步—江口大断裂带内通过，区域内地层分布复杂岩性差异大，地质构造复杂，断裂发育，工程地质条件较差。因此，在城龙高速选线研究中不仅要注重地形选线，更要注重全线的地质选线，对局部高填路段综合比选路基方案和桥梁方案择优选取；对不良地质路段进行详细的地质钻探，揭露地质状态并对土石水进行详尽的试验，为设计提供依据。

基于山区高速公路的特殊地形地质特点，吴翼虎[1]对山区高速的路线选型设计进行了分析研究，总结了一些山区高速公路的总体设计原则。高液限土的稳定性问题，一直是不良地质中比较复杂的问题，针对高液限土边坡的稳定性分析，余小马等[2]结合实际案例对高液限土路堑边坡提出极限平衡分析方法，为高液限土边坡的稳定性分析提供了一种思路。

1 区域地质概况

城龙高速勘察区位于扬子陆块东南缘，多期构造活动发育，岩浆活动频繁。根据1∶20 万城步幅区域地质图、区域地质报告，1∶5 万城步县城幅、区域地质报告，结合地质调绘，路线走廊带（见图1）在城步—江口大断裂带内通过，区域上城步—江口大断裂从城步县城经洞口县城向北东方向，经白马山岩体中部至新化后沿资江呈北东向延展，在该区范围内从浅部特征来看，该断裂带大致以五团河断层为西界，兰蓉断层为东界，出露宽约20km、呈北北东走向的断褶带，城步—江口大断裂带奠定了勘察区的主要褶皱构造和断裂构造为北北东向，还有少量南北向构造。

图1 该项目路线走廊带

从区域地质构造图2 中可以看出，路线K10+560—K17+600 段沿城步断层塔溪山谷西侧山腰中下部布线，大部分路段位于坡积体上。

图2 区域地质构造图

根据地质调查和钻探，该区属构造剥蚀低山山麓斜坡堆积区，坡积体主要由坡洪积夹石英砂岩、灰岩块石黏性土等组成，为高液性土，坡体厚度一般较大，级配差，土体力学性质差。该区域斜坡树枝状溪沟发育，地表水丰富，沿线居民区存在多处滑坡灾害点，边坡稳定性差，支护难度大。道路施工及便道开挖极易引起斜坡滑移失稳。在施工图设计阶段，对此段共进行66 个地质钻孔取样并进行了试验，得出高液限土的物理性质：

第一，天然含水率较高，一般高于塑限，范围在15.8%～54.20% 之间；多为可塑-硬塑状。在路线经过的农田区，呈软塑-流塑状、土体饱和、结构松散。

第二，液限、塑限和塑性指数均较高，液限范围在50%～60.53% 之间，塑性在24.6～38.7 之间，塑性指数在22.3～47 之间。

第三，高液限土饱和度较大，一般大于80%。压缩系数在0.11～0.37 之间，自由膨胀率最大约30%。

2 地质选线研究

城龙高速公路在K10+560—K17+600 段受塔溪互通设置以及路线走向等综合因素的影响，不可避免须沿城步县以南塔溪西侧山腰中部布线。此段地形为构造剥蚀低山山麓斜坡堆积区，覆盖层厚且存在高液限土，因此，在设计过程中应注重地质选线研究，对此段线位进行了高线位和低线位比选，见图3。

图3 路线比选方案示意图

高线位沿堆积体上部布线，根据地勘调查坡积体上部未发现裂缝等失稳迹象，多处可见灰岩、泥灰岩、砂岩露头，通过地质钻探和物探揭露的地质情况来看，上部残坡积覆盖层厚度较斜坡中下部小，稳定性较好。因此，高线位选取基岩出露或覆盖层较薄的山体部位通过，充分发挥山体局部抗滑段作用，减少工程处置费用。同时，路线从坡体上部穿过，可减少边坡开挖量，边坡卸载后相对而言增强了边坡稳定性，路床尽可能落于稳定基岩，保证路基长期稳定。虽受陡峭地形影响，局部地段存在三级边坡，通过加强边坡防护可以消除边坡失稳问题。

低线位往山下偏离高线位85m，沿居民密集区西侧从坡积体中通过。虽低线位方案可有效减少施工便道修筑难度，但线位离居民密集区近，噪声影响大，且坡积体厚度大，一旦边坡出现问题将直接威胁居民安全。另外，低线位大部分路段位于基本农田范围，占用耕地面积较高线位多6hm2。综合考虑路基的稳定性、对居民区的影响以及减少占用耕地等情况，此段线位推荐采用高线位。同时，在施工图勘察阶段发现K15+640—K15+740 及K15+780—K15+970 高填方段斜坡覆盖层厚度大，斜坡坡向与岩层倾向小角度相交，为顺向坡，为防止在施工和运营过程中高填路基整体滑移，将两段高填路段调整为桥梁方案，桩基基底嵌入灰岩中，降低工程风险。

3 边坡稳定性分析

针对K10+560—K17+600 段坡积体高液性土的不良地质现象，施工图设计阶段对此段进行了详细的地质钻探和物探，精细化把控地质情况，并对K10+560—K17+600 段坡积体高液性土路堑边坡进行稳定性验算。

通过对典型断面K14+500 物探视电阻率等值线图（见图4）及钻孔揭露情况推测，上覆低阻为含水率较高的松动层，推测为潜在滑坡体，下伏基岩为泥灰岩。

图4 K14+500 物探成像图

根据钻探揭示，岩土界面为粉质黏土，呈可塑状。粉质黏土的黏聚力C、摩擦角φ的取值确定，根据土工试验结果，并结合《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）及经验参数取得，计算取值见表1《计算参数表》。本文采用南京库伦Geo5 岩土设计计算软件对K14+500 剖面进行稳定性验算，计算简图见图5。

表1 计算参数表

图5 K14+500 剖面计算简图

根据计算分析，K14+500 处覆盖层在暴雨工况处于欠稳定状态。

在设计方面根据此段坡积体覆盖层差异及稳定性分七段并做出针对性的处理措施，见表2。

表2 高液限土路段稳定性分析及处理措施表

4 边坡防护处置原则

对城龙高速位于坡积体的路线进行了详细地质钻探和物探，精细化把控地质情况针对覆盖层较厚兼存在高液限土情况，依据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）和《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019）中的规定及相关要求[3-4]，坚持“加强截排水、强腰固脚”等原则进行精细化设计。

在K10+560—K17+600 的高填路堤段，采用以下处置原则：一是基底清除软塑粉质黏土，强夯碾压硬质粉质黏土基底，换填50cm 片石方便地表水、地下渗流排出；二是路堤土采用土石混填，一层石一层土交替填筑，结合吴立坚等[5]对高液限土路基填筑的研究成果，在上路堤底部以下每填筑4m 进行一次强夯；三是路面底部以下铺设三层土工格栅，避免路堤自身不均匀沉降导致路面开裂；四是根据每段的地质情况，在基底合理设置抗滑桩，坡脚设置护脚墙，防止路基整体位移；五是在冲沟低洼处设置横向碎石渗沟，保通原有的排水通道，及时排出上游地表水；六是在施工和运营过程中做好动态监测。典型高填路堤处置剖面图，见图6。

图6 高填方路段处置图

在K10+560—K17+600 的深挖路堑段，采用的处置原则如下：一是根据地形情况适当放缓边坡；二是在坡脚设置路堑矮脚墙“固脚”；三是坡面设置锚杆框架梁“强腰”；四是框架梁内满铺浆砌片石护坡“封水”；五是施工和运营过程中做好动态监测。典型深挖路堑处置剖面图，见图7。

图7 深挖路堑路段处置图

对于K10+560—K17+600 的桥梁段，由于粉质黏土及全强风化泥岩厚度大，含有一定数量的黏土矿物和较多的细小黏粒成分，具有较高的离子交换能力和亲水性，对气候因素反应较灵敏，具有一定干缩湿胀效应和崩解性，自由膨胀率可以达到30%。粉质黏土及全强风化泥岩的水理性差，桩基施工过程可能进一步弱化其力学性质，在桥梁的山坡方向设置抗滑桩，防止山坡失稳。同时，要求桥梁墩台施工及便道施工时尽量少开挖，开挖应及时封水及防护。

5 结语

通过对城龙高速塔溪段山麓斜坡积体复杂地质情况的精细化把握、对路线平纵面的精细化调整、对路基高填深挖路段的精细化设计可以基本解决山麓斜坡积体高液限土技术难点，但仍需在施工和运营过程中做好动态监测，采用动态设计，对于覆盖层全风化层厚度极大的地段，建议施工现场设置试验路段来验证支护措施的可行性，以满足路基的百年品质要求。