桂东南地区厚层风化壳成因分析及对公路建设的影响

刘骏

（浙江数智交院科技股份有限公司，杭州 310000）

1 引言

近年来，在交通强国战略的指引下，我国公路建设进入新一轮高潮，因公路建设导致的不良地质灾害也随之增多[1]，而其中厚层风化壳导致的滑坡、边坡垮塌、隧道坍塌等问题尤为突出，其带来的人身安全、经济损失巨大[2]。 本文以桂东南地区某高速公路为例，总结该区域厚层风化壳工程地质特性，从气候、地形、岩石特性、地质构造4 个方面分析形成原因，并评价其对公路路基、桥梁、隧道等结构物的影响，提出针对性的工程措施建议，为桂东南地区公路建设提供借鉴。

2 公路沿线工程地质条件

2.1 自然地理条件

工程区主要位于梧州市藤县和岑溪市， 地处云贵高原东南边缘，两广丘陵西部，属于亚热带季风气候区，气候温暖，雨水丰沛，光照充足。 夏季日照时间长、气温高、降水多，冬季日照时间短、天气干暖，具有明显的旱季和雨季。 受西南暖湿气流和北方变性冷气团的交替影响，干旱、暴雨、热带气旋、大风、雷暴、冰雹、低温冷（冻）害气象灾害较为常见。 工程区年平均气温17.5～23.5 ℃， 年平均降水量约为841.2～3 387.5 mm。受季风影响4～9 月为雨季， 降水量占全年降水量的70%～85%，10～3 月为旱季，降水量占全年降水量的15%～30%。 工程区内河流属珠江流域西江水系， 主要河流为浔江及其支流北流河、蒙江等。

2.2 公路沿线区域地质概况

工程区处于广西梧州市境内，呈南北向经过藤县、岑溪市，沿线跨越的地貌单元以剥蚀丘陵、缓丘为主，间夹少量冲（坡）洪积沟谷。其中，剥蚀丘陵地貌单元地形起伏较大，海拔高度在30～200 m，自然斜坡坡度一般为10°～40°，全线剥蚀丘陵地貌多属低丘陵，局部长大隧道段为低山—高丘陵，地势陡峭；线路范围内与浔江及其支流北流江交界处河谷深切， 未见较大平原，所经村镇局部有坡洪积沟谷及斜地、小型冲洪积平原分布，表面总体开阔，地形起伏不大，平均坡度3°～10°，宽0.3～3.5 km。

工程区沿线地层发育齐全，以碎屑沉积岩为主，局部穿插有变质岩和火成岩，主要地层时代有第三系、白垩系、泥盆系、奥陶系、寒武系、下古生界，主要岩性为泥岩、泥质粉砂岩、砂岩、砂砾岩、变粒岩、片岩、片麻岩、花岗岩等。 各岩性总体风化强烈，全强风化厚度大，约20～40 m，其中泥岩、泥质粉砂岩、砂岩、砂砾岩等胶结差，遇水易软化，暴晒易崩解，强度降低快，对工程影响极大。

工程区处于广西桂中-桂东台陷区， 长期处于沉降状态，晚古生代地层广泛发育， 基底构造以褶皱为主， 断裂构造发育，走廊带内次级构造发育，在走廊带内共发现断层32 条。 断层的发育使得岩体节理裂隙发育，完整性差。

3 厚层风化壳工程地质特性

3.1 残积土工程地质特性

工程区风化残积土主要是由泥岩、泥质粉砂岩、片麻岩、花岗岩等风化形成，呈褐红色、棕红色、砖红色，可塑硬塑状，黏粒含量高，含有大量的蒙脱石、高岭石等黏土成分，厚度3～10 m，最厚可达17 m。 沿线风化残积土普遍存在高液限的特征，以寒武系泥质粉砂岩、白垩系泥岩、变质岩及花岗岩风化残积物最为突出。 高液限土干硬时强度高， 常呈硬塑～坚硬状，黏聚力和内摩擦角较高，不易破坏；但同时因其毛细现象明显，饱水后能长时间保持水分，且孔隙比高、含水率高，故饱水后软化明显，承载力、稳定性急剧下降；且具有弱透水性、弱膨胀性，工程性质差[3]。 各类型残积层物理力学性质如表1 所示。

表1 各类型残积层物理力学性质

3.2 全强风化层工程地质特性

工程区全强风化层厚度非常大，普遍在20～40 m，最大可达60 m。 其中全风化层多呈土状， 部分全风化花岗岩呈砂土状， 厚度5～20 m， 天然孔隙比较高， 液限35%～45%（局部路段＞50%），呈高液限状，遇水易于软化，承载力、稳定性急剧下降。 强风化层厚度10～20 m，受区域构造影响强烈，节理裂隙极发育，岩体破碎，多呈碎裂结构，强度低，敲击易碎。 其中沉积岩区受层状岩性差异，存在沿层面风化不均匀的现象，呈强风化夹全风化状，而全风化遇水极易软化，导致沉积岩区开挖边坡极易沿着岩层面产生滑塌； 花岗岩地区受构造、 地形影响，沿垂直方向上差异风化非常显著，多见球形风化。 各全风化岩物理力学性质如表2 所示。

表2 各全风化岩物理力学性质

4 厚层风化壳成因分析

4.1 气候影响因素

桂东南地区纬度低，年平均气温高且降雨量大，夏季空气湿度多高于90%，植被茂密。 较高的气温一方面通过加快化学反应速度来增加化学风化作用的速度； 另一方面适宜生物生长，导致生物活动频繁，生物风化作用显著。降雨量或空气湿度通过影响水动力变化、水溶液成分变化来影响物理和化学的风化作用，桂东南地区不仅降雨量大，而且突发性暴雨较多，导致水流的侵蚀能力极强，对于加速物理风化作用显著，而该地区水溶液成分丰富也使得化学风化作用明显。植被茂盛一方面加速了生物风化作用；另一方面间接影响物理、化学风化速度，如根劈作用使岩体裂隙发育，有机质、腐殖质丰富导致水溶液更具腐蚀性，这都间接增加了物理化学风化作用。总之，工程区的气候特点导致该地区物理、化学、生物风化作用显著[4]。

4.2 地形影响因素

地形影响因素主要有地势高速、起伏及坡向。 地势的起伏影响到地下水位、植被发育及风化产物的保存，从而影响风化作用的进行。 桂东南地区以剥蚀低山丘陵地貌为主， 地形起伏，地下水位埋深大，风化产物不易于保存，使基岩不断裸露，从而加速了风化作用的进行。 向阳、背阳坡的风化作用类型和强度也不一样。 向阳坡日照时间长，湿度较高，植被较多，所以风化作用较强烈。 广西东南临海，西北为云贵高原，地形总体呈现出东南低西北高的特征，为云贵高原向阳面，夏季季风受云贵高原阻挡，使得该地区降雨量高，气候炎热、潮湿，化学、生物风化作用更加强烈。

4.3 岩石特征影响因素

岩石的组成成分、 结构是影响岩石风化速度的重要因素。桂东南地区岩层岩性多样，成分和结构迥异，而总体上都呈现出风化强烈。 排除气候、地形、构造因素，单从岩性方面很难总结统一规律，所以本文根据公路沿线岩性特性分类分析。 从组成成分来看，沿线的花岗岩、变质岩以及存在轻微变质的寒武系砂岩均含大量的长石、黑云母等易于风化矿物，风化程度明显较高；从结构构造来看，沿线第三系、白垩系砂岩、泥质粉砂岩、砂砾岩等结构松散，胶结差，层理明显，且软硬相间，易于风化。

4.4 地质构造影响因素

工程区为桂东南强震地震构造区，发育多条断裂构造，次级构造极发育。 地质构造作用强烈的区域，一方面因岩体活动频繁，挤压作用明显，增加了物理风化作用，岩土受挤压破碎，导致节理裂隙的发育。 另一方面节理裂隙发育使岩石与水溶液、空气的接触面积增大，增强水溶液的流通性，从而促进化学风化作用的进行。

5 厚层风化壳对公路结构物的影响及建议防护措施

5.1 对填方路基稳定性的影响及建议

工程区第四系覆盖层厚度普遍较大， 且多具高液限性，特别是花岗岩、变质岩、寒武系奥陶系等老地层区域，厚度变化亦较大。 高液限土干燥条件下物理力学性质尚可，长期浸水后强度迅速降低，且透水性差，对填方路基排水及稳定性影响较大。

建议在路基底部铺设50 cm 砂砾、 碎石等透水性材料作为垫层，并在垫层顶面设置防渗土工布，防止毛细水上升。 路床范围内（一般为路面结构层以下0～80 cm）存在残积土时，需要超挖后换填砂砾、碎石等透水性材料。 在路基填方中增加土工格栅等加筋材料增加路基整体性。 路基施工时加强截排水措施，避开雨季施工并加强雨水的疏排，严禁地基土泡水。

5.2 对挖方路基稳定性的影响及建议

工程区受岩石风化强烈，全～强风化厚度大，开挖边坡坡体以全～强风化基岩为主，且受构造影响，岩体节理裂隙发育，岩体完整性差，部分岩石如寒武系砂岩（全强风化）、白垩系泥质粉砂岩等开挖后日晒雨淋易崩解或软化， 且多含有软弱夹层，极易坍塌滑坡，对路堑边坡稳定性影响较大。

对于厚层风化壳边坡，应进一步放缓坡率开挖，对于开挖范围主要位于全风化层的高边坡，建议坡率1∶1.5～1∶2.0；开挖范围主要位于全风化层的高边坡，建议坡率1∶1.25～1∶1.5。建议坡脚设置矮挡墙固脚，并针对性地设置坡体及坡面防护措施。施工过程中应开挖一级支护一级， 严防开挖后坡面过长时间暴露，开挖后坡顶及时设置排水边沟，做好截排水措施。

5.3 对隧道工程的影响及建议

工程区受区域构造影响，岩石风化强烈，隧道进出洞口以全强风化层基岩为主，洞身以中风化基岩为主，部分隧道埋深较小，洞身无中风化基岩揭露，除部门火成岩隧道大埋深围岩完整性、稳定性较好，大部分区域隧道围岩风化强烈、完整性差、稳定性差。 本文对项目区不同类型岩性隧道围岩级别进行分类统计（见表3）。根据统计结果，沉积岩区隧道Ⅴ、Ⅳ级围岩占比超过90%，而火成岩区隧道Ⅲ级围岩占比接近70%，工程区主要以沉积岩为主，火成岩仅零星分布，即厚层风化壳对隧道围岩稳定性影响较大。

表3 隧道围岩分级统计

厚层风化壳区域，隧道洞口的支护需加强重视，特别是对于边仰坡需加强支护及排水措施； 局部残积土具高液限土性质路段，隧道开挖和支护需采取有效措施，防止基底沉降和隧道拱圈变形；隧道浅埋段，需加强勘察，尽早判别风化层厚度，防止施工时发生冒顶。

6 结语

桂东南地区厚层风化壳主要表现为残积土普遍具有高液限性，全强风化层结构松散，节理裂隙发育，岩体破碎，稳定性差。 厚层风化壳主要成因有区域气温高、降雨量大、湿度大、地形起伏大、岩石矿物稳定性差、岩石结构松散、地质构造强烈等。 公路建设中填挖方路基及隧道工程地质条件受厚层风化壳影响较大，不仅增加了建设风险，也提高了建设成本。 建议建设过程中对各结构物有针对性地加强支护措施， 做好排水措施，谨防潜在风险。