阿尔及利亚东西高速公路M3标段工程地质勘察研究

韩 信

(中国土木工程集团有限公司, 北京 100038)

1 概述

阿尔及利亚东西高速公路M3标段,全长27.46 km,因其地形地质复杂、气候条件特殊、安全形势严峻、工程数量规模大、且有2座于白垩系页片状泥灰岩(页岩)中掘进的隧道、40个月的工期及总价封顶的单价合同限制而为业界同仁广泛关注。

2 M3标段工程地质条件

2.1 地形地貌

路线地形起伏大,沟谷纵横,地势陡峻,总体两端低中间高,高程变化于106～713 m,植被覆盖率60%～70%,基岩半裸露。路线跨越3个地貌单元,K124+640～K129+000为丘陵，K129+000～K149+650为低山，K149+650～K152+100为河谷。

2.2 气象

地中海气候,年平均气温9～23 ℃,8月最热、月平均最高气温31.2 ℃,1月最冷、平均最低气温5.9 ℃,每年6月～9月为旱季,月平均降雨量15 mm,11月～次年3月为雨季,月平均降雨量为116 mm。总体特点是旱季雨量稀少,但多为暴雨,持续时间短降雨强度大；雨季降雨集中、持续,强度虽不大但历时长。

2.3 地质构造

2.3.1 区域地质构造

阿尔及利亚位于非洲北部,濒临地中海,地处欧洲与非洲板块结合部前缘,受欧洲板块推挤,在北部形成一系列东西向构造体系,包括褶皱及断裂。路线所经地区大地构造上属近东西向的阿尔卑斯—喜马拉雅山带中的阿尔特斯—阿尔卑斯褶皱带,地中海又是欧亚板块与非洲板块的交汇处,构造作用十分强烈,阿尔及利亚北部的阿特拉斯山系近东西向褶皱和逆断层发育,此段路线位于布那什背斜两翼,构造挤压强烈,岩体破碎,新构造活动强度大[1-2]。

2.3.2 褶皱

(1)布那什背斜

布那什是阿斯特拉褶皱带北部前沿一背斜构造,为一级构造,塑造了M3地层总体分布格局和产出特征：轴向近东西,核部为白垩系页片状泥灰岩、含砂岩或石灰岩薄夹层,两翼为三叠系互层状泥灰岩、砂岩。受地表径流侵蚀该构造在M3又形成3段相互独立的背斜谷地。在建公路在PK132之前横切背斜北翼,并横跨背斜核部后一路沿沟谷两侧谷坡背斜南北两翼展布,见图1。

图1 地质构造及线位关系示意

(2)小型(次级)褶曲

小型褶曲非常发育,规模从不足1 m到数米,多见层间、或发育于断裂破碎带。

2.3.3 断裂

断裂分3类：第一为东西走向逆推断裂,有断裂破碎带,宽度数十到百米延伸达数十公里不等,对高架桥基础、挖方路段有不同程度影响(图2(a))；第二为南北走向平错断层,规模较前者小,无明确断裂破碎带,易形成深切峡谷地貌或造成地层突然错断(图2(b))；第三是次级小型断层,规模从十几米到数百米,发育没有明显规律,对挖方边坡及隧道围岩稳定性有不利影响(图2(c))。

图2 某桥位揭露的F3断裂破碎带、某边坡冲沟处平错断层、某次级断裂

2.3.4 节理裂隙

岩性以软岩为主,节理裂隙普遍延展性不好；泥灰岩中多数呈闭合状态,偶有夹泥或石膏矿物充填；砂岩多数为张开裂隙,与泥灰岩呈夹层或互层延展性并不好。

2.3.5 片理

发育无明显规律,受其影响岩体完整性极差,白垩系页片状泥灰岩被切割成碎石状。

2.4 地层岩性

2.4.1 岩性特征

系构造剥蚀地貌,第四系覆盖层较薄,线路范围内揭露的岩层主要为第三系和白垩系,但岩性种类较复杂,包括泥岩、泥灰岩、页片状泥灰岩、石灰岩、千枚岩、长石石英砂岩、石英砂岩、砾岩、断层角砾岩等9种。主导岩性为泥灰岩、页片状泥灰岩、砂岩,其余仅局部揭露。

(1)泥灰岩(三叠系)

黄绿、青灰色,质地均匀,泥质结构,易崩解,水文性能差,薄～厚层状构造,含砂岩夹层,局部与砂岩互层,见图3(a)。单层厚度200～500 mm,局部达2 000 mm。

(2)页片状泥灰岩(三叠系),见图3(b)。

(3)页片状泥灰岩(白垩系)

深灰、灰黑色,泥灰质结构,薄层或页片状构造,具油脂光泽,层间滑腻,易于裂解,含砂岩夹层,见图3(c)。

(4)砂岩

灰白、黄灰、青灰色,细粒或中粗粒结构,中薄层状构造,岩质较硬～坚硬,裂隙发育,耐风化,常呈夹层产出,局部富集,见图3(d)。

图3 三叠系泥灰岩、三叠系页片状泥灰岩、白垩系页片状泥灰岩、砂岩

2.4.2 地层结构

(1)上白垩统(K2)页片状泥灰岩

相当森诺曼阶,含薄砂岩夹层,构成布那什背斜核部主体地层,见图4(a),分布于PK132+800～PK143+300、PK145+020～PK146+030、PK146+500～PK152+100,占M3总里程62%。

(2)下第三系(E2)上段泥灰岩或页片状泥灰岩

薄层或页片状,含砂岩薄夹层,见图4(b),仅见于丘陵区,分布于PK124+640～PK129+000,累计4.36 km约占M3总里程16%。

(3)第三系(E2)下段泥灰岩夹砂岩

出露于低山区PK129～PK132+500,见图4(c),位于布那什背斜北翼,累计3.5 km,占M3的13%。

(4)下第三系(E1)互层状砂岩与页片状泥灰岩

分布于低山区PK132+500～800、PK143+300～PK145+020、PK146+030～500段,层厚不足百米,呈带状在路线上断续出露,累计2.5 km,占M3的9%。砂岩中厚层状,质地坚硬,节理裂隙较发育,单层厚度一般小于0.40 m；页片状泥灰岩与砂岩成互层状产出,层厚比2∶1。砂岩坚硬耐风化,局部形成坡度约40°～60°的陡坡地形,图4(d)为PK144+046高架桥址出露的互层状砂岩与页岩。

图4 上白垩统泥灰岩、下第三系泥灰岩、第三系泥灰岩夹砂岩、下第三系互层砂岩与泥灰岩

2.5 地表、地下水

2.5.1 地表水

区内沟谷有常年地表径流,且紧邻为首都供水的2个水库,地表水相对丰富。

2.5.2 地下水

M3标段以泥灰岩为主,含水透水性能均很差；虽存在本身裂隙发育具备含水、透水条件的砂岩、石灰岩等,但由于背斜河谷地貌,线位处在斜坡地段,属补给区。勘探显示地下水活动极不活跃,无连续稳定地下含水层,基础及坡面开挖仅个别段落有零星渗水。

2.6 不良地质

2.6.1 滑坡

勘察期间发现的大中型滑坡有4处,其中2处与断裂破碎带有关,一处顺层滑移,一处强风化带的浅层滑移,做了改线处理外,其他均属线外滑坡。

2.6.2 滑塌

滑塌数量众多,绝大多数是全、强风化层或堆积层碎石土的浅层滑移失稳,与降雨及工程活动密切相关,下伏泥灰岩透水性能差、地表降雨在岩土界面或岩体风化显著差异部位汇聚有关。

2.7 地震

阿尔卑斯—喜马拉雅造山带在地中海地区代表了欧亚和非洲板块的汇聚区,近年来的空间和大地测量结果显示在阿尔及利亚北部地区这两大板块汇聚速度约为4～5 mm/年。区域大地动力环境造成了阿尔及利亚北部地区强烈的构造变形,形成阿特拉斯山系的褶皱和以逆断层为主的断裂构造,属地震多发地带,项目所在区地震动峰值加速度为0.25g～0.40g,相当于Ⅷ～Ⅸ度地震区。

3 主要勘察成果

3.1 构造物(地基与基础工程)

绝大部分构造物位于斜坡场地,地基土主要为倾斜岩层,岩层倾角一般大于30°,地基均匀性差,为不稳定软岩地基,基础设计应留有足够的安全储备；强风化带岩体节理裂隙发育、岩体完整性差不宜作为深(桩)基础的桩端持力层；尽量跨越已发现的断裂构造,位于断裂破碎带的墩台基础应尽量置于断裂带下盘或预留足够的安全储备；基桩设计一般情况均按摩擦桩设计(计入端阻力)；应用设计计算的岩土物理力学参数见表1[3]。阿尔及利亚东西高速公路项目勘察设计施工是执行欧洲(法国)标准规范的,而旁压试验[4]是欧洲标准规范[5]中构造物的地质条件评价、浅和深基础设计中的承载力确定、基础沉降计算诸多方面的实用可靠方法。

表1 应用于深基础设计计算的岩土物理力学参数

3.2 路基(边坡及斜坡)

地处构造剥蚀基岩低山区,线路总体沿斜坡展布,第四系覆盖层一般不大于3 m厚；路基填方工程,由于基底泥灰岩、页片状泥灰岩透水性差,容易导致岩土界面地下水的汇聚；泥灰岩、页片状泥灰岩对水极其敏感,故对挖方坡面宜尽快防护、避免长时间暴露[6-8]；路基填筑不宜在雨季施工；采用锚杆支护时应注意岩层与锚杆的倾向、倾角夹角不宜太小；泥灰岩或页片状泥灰岩原则上不宜作为路基填料；应用于边坡工程设计计算的岩土的物理力学参数见表2[3]。

表2 应用于边坡工程设计计算的岩土的物理力学参数

3.3 隧道

洞身段围岩局部为砂岩夹页片状泥灰岩外,大部分以页片状泥灰岩或夹砂岩为主,围岩类别相对较低、岩层倾角较大、结构面发育、层间结合力较差；隧道掘进过程中遇到一些小型断裂等含水构造,渗水、涌水将不可避免,施工中应加强预报、做好预案；因地制宜适时采取“以排为主,防、排、截、堵相结合”的处治原则[9]；隧道围岩等级构成中,Ⅰ号隧道Ⅳ、Ⅴ类围岩各占31.1%、68.9%,Ⅱ号隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩各占20.8%、68.4%和10.8%,划分标准是按照法国隧道协会2003年版《应用于地下工程设计的岩体工程特征导则》[10]；洞室围岩主体以白垩系页片状泥灰岩为主,对水敏感、易风化裂解,掌子面开挖及时封闭非常必要；应用于隧道工程计算的岩土体物理、力学参数见表3[3],隧道边仰坡设计计算的岩土体物理、力学参数见表2[3]。

表3 隧道工程计算岩土体参数

4 施工过程中遇到的主要工程地质问题及对策

4.1 基础工程

基础工程施工过程中的主要工程地质问题及对策详见表4。

4.2 路基工程

沿线糟糕的工程地质条件,加之2008～2009年冬

表4 桩基础工程施工过程中的主要工程地质问题及对策

季跨度大、时间长的强降雨,导致边坡防护工程无法实施,排水设施无法跟进,另一方面裸露的缓坡率的开挖边坡受雨水长期入渗、浸润、风化,使岩体强度大大降低。2008年11月,当雨季刚刚来临,PK137页岩边坡便产生倾倒变形,进而发展成大型滑坡[8]；随着持续的降雨,边坡变形破坏情况进一步加剧,并相继出现了PK128、PK134、PK144+900、PK144+500(位于弃方场地[11])等一系列滑坡。2009年6月29日PK146+300处再次发生大滑坡,同时潜在滑坡PK146+700前缘也开始出现蠕动变形。大量挖方边坡的滑移或变形令承包商和业主极为震惊,部分滑坡是地质研究和施工图设计没有预计到的。路基工程施工过程中的主要工程地质问题及对策详见表5。

4.3 隧道工程

隧道掘进过程中的主要工程地质问题及对策详见表6。

5 结论

(1)阿尔及利亚东西高速公路M3标段主要的地质问题为工程病害多发。沿线分布的老第三系(E)泥灰岩类砂岩和白垩系(K)叶片状泥灰岩(页岩),岩性极软,极易风化,加之构造破碎、遇水软化,又有一定的膨胀性,是易滑坡地层。从滨海平原向南部低山丘陵区过渡地带,自然山坡平缓,岩性软弱、强度低、不易形成高陡斜坡。地下水主要由大气降水补给,11月至次年3月雨季,降雨量达400～500 mm,比较集中,山坡汇水面积较大,砂岩含水,而泥灰岩相对隔水、持水性强,遇水软化,基岩顶面常积水。基岩内裂隙水受构造控制,常呈脉状分布；地下水是边坡变形的重要影响因素。

(2)M3标段地质条件不良,且是大区域分布,路线走廊选择在小范围内都难以避开这一不良地质区。路线从滨海平原向南进山横切背斜两翼,岩层与线路斜交,PK132路线走在背斜的南翼逆向坡,避免了顺层滑坡,是有利于边坡稳定的。之所以发生这么多边坡变形和滑坡,主要为岩性不良,属于地质病害多发岩层；路线靠背斜轴部太近,地应力集中,边坡开挖后应力释放,卸荷松弛强烈,加之开挖后地表水渗入坡体,软化破碎岩体造成大量坍塌、滑移；为减少边坡支挡加固工程,大部分边坡坡率较缓,但放缓边坡增大了受水面积,开挖一级、未防护加固一级,挖到坡脚还没防护,截水天沟和边坡排水不及时,使大量雨水下渗入坡体,促使了边坡变形。

表5 深挖方工程施工过程中的主要工程地质问题及对策

表6 隧道掘进过程中的主要工程地质问题及对策

(3)施工勘察和监控作为施工过程中对设计进行补充完善的重要手段,在欧洲(法国)勘察设计体系中被强化,主要表现为施工验证和动态设计。施工验证,对于构造物基础、填方地基等比较容易探明地质情况的工点,强化进行地质验证,以修正设计方案；动态设计,对于隐蔽性工程,难以用有限的地质勘察手段探明地质状况的工点,如隧道工程主体、掘进支护及衬砌结构设计、高边坡的几何形态及防护方案等均采用动态设计。

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