地质选线法在河都高速公路的研究与实践

韦世明，古鹏翔，罗 竟

(1.广西桂山高速公路有限公司，广西 都安 530700；2.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

地质选线法在河都高速公路的研究与实践

韦世明1，古鹏翔1，罗 竟2

(1.广西桂山高速公路有限公司，广西 都安 530700；2.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

地质选线法是喀斯特地区高速公路设计中选择最优方案的方法。文章分析喀斯特地质对公路的危害，提出喀斯特地区公路地质选线的一般原则、程序及要点，并结合河池至都安高速公路工程实例，介绍了地质选线法的实践经验。通过河池至都安高速公路通车后的营运证明，地质选线对建设期预判、实践和地质灾害处理及营运效益，起到了重要作用。

喀斯特；地区；高速公路；地质；选线

0 引言

喀斯特地貌是影响高速公路工程建设的重大不良地质现象之一，目前仍是工程建设中的世界性难题。广西是我国著名的喀斯特区，喀斯特面积97.725平方公里，占全区面积的41%。而河池地区喀斯特面积占广西喀斯特面积的65.8%，比重最高。因而在广西咯斯特地区施工时，合理布设公路路线，根据路线所经区域的喀斯特发育特征，科学解决穿越与避让问题，对于避免工程病害、降低工程造价、减少环境破坏意义重大。

本文以广西喀斯特地区高速公路为研究对象，通过分析喀斯特地质对公路潜在的破坏，提出喀斯特地区公路地质选线法，并应用到河池至都安高速公路选线中，取得良好成效。

1 喀斯特地质对公路的危害

1.1 水对工程的危害

喀斯特水是在各种喀斯特形态表面和内部之地表水与地下水的总称，包括喀斯特泉、接触带喀斯特水及地下河等表现形态，如图1所示。地表水、地下水均对路基等结构物产生危害。

图1 喀斯特地区路基遭喀斯特水破坏作用模型示意图

1.2 洞穴对工程的危害

广西地区喀斯特地质特征为碳酸盐岩系。碳酸盐岩在长期水的腐蚀、溶解下，形成大小不一、千姿百态的洞穴。公路路线通过这些洞穴地段，路基、桥梁、隧道的安全性难以准确评估，往往很难处理。

广西地区洞穴对工程的危害，主要表现为路基、桥梁、隧道基础悬空，尤其是洞穴顶板过薄，均会引起路基、桥梁、隧道发生猝不及防的破坏。

1.3 洞穴堆积物、石芽、石笋对工程的危害

长年自然搬运作用，洞穴内堆满各种填充物。碳酸盐岩为主导的喀斯特地区洞穴堆积着风化残积土。广西地区风化残积土具有膨胀土的许多特征，且保留有原生的层面与节理面。几经收缩、膨胀，土结构受到破坏，物理力学指标降低，造成边坡失稳。

石芽及溶隙间的充填土壤，往往成分不均，含水量高，承载力低，不能直接安放基础。位于路基边坡上的风化裂隙，当它们相互交织切割坡面时，则形成松散岩体或三角棒形槽，造成边坡坍方、掉块。

1.4 地面塌陷的危害

碳酸盐岩的喀斯特地区通常覆盖着第四纪松散土层，且地下水位高。岩溶通常具有连通性，地下水位相同。雨季水位的骤降或骤升，导致地面坍塌。如广西桂(林)-阳(朔)高速公路K11～K22路段及两侧内共有发育有60个塌陷坑，非常典型。最大规模的塌陷坑是2005年8月发生在K16的，塌坑直径达到10 m，坑深6 m。

2 喀斯特地区公路地质选线原则与程序

2.1 公路地质选线一般原则

喀斯特地区控制高速公路布线的主要地质问题是水、洞穴、松散堆积物。公路地质选线应遵循如下基本原则：

(1)路线设计以喀斯特地质条件为主导。在对可能发生的工程地质问题充分论证的前提下，合理地进行工程地质选线与方案比选，协调、平衡与经济、环保、安全、美观、舒适等多个设计目标的关系。

(2)对路线走廊带进行全面、准确的地质勘察。喀斯特地区选线，必须认真勘测，尤其是加强工程地质勘测，全面比较，避重就轻，防害兴利，在选线中慎重确定路线的布局和位置。

(3)协调局部与整体的关系。遇喀斯特发育地段，一般线路以绕避为主，或选择在喀斯特发育较弱的地区通过为宜。有时路线方案局部地质不利，但从整段线路总体来看，则可能是经济合理。因此，多方案、多措施比选，才能确定工程可行、经济合理的线路方案。

(4)重视重大工程的方案选择。公路跨越峡谷河流的高墩大跨径特殊结构桥梁，穿越山岭的长大隧道等重大工程方案常常制约局部路线方案。因此，应优先选择控制路线方案的重大工程方案，以便尽快稳定路线方案。

(5)高填深挖与桥隧方案比较。喀斯特山区公路高填、深挖及重大不良地质路段，应以桥隧和路基方案综合比选后，考虑经济合理、技术稳妥及安全环保等因素择优选用。

(6)地质相对稳定，远离暗河，避开排泄区。路线应尽量选择在喀斯特不发育、欠发育、相对弱发育的地层岩组通过，避开排泄区，远离暗河。

2.2 喀斯特地区公路地质选线程序

公路选线应针对路线所经区域的生态环境、地形、地质的特性与差异，按拟定的各控制点由面到带、由带到线，由轮廓到具体，进行比较、优化与论证。不同设计阶段，选线工作内容应各有侧重，后一阶段是前一阶段的继续与完善。通过喀斯特工程地质勘察、路线方案布设、路线方案地质风险评价、路线方案优化等方法手段，对路线方案反复评价与优化，最终达到多目标协调的选线过程。公路地质选线概念程序见图2。

图2 公路地质选线概念程序图

3 地质选线法的实际应用

3.1 路线采取避开碳酸盐岩与非碳酸盐岩的接触带

碳酸盐岩与非碳酸盐岩质检之间存在厚度不一的接触带，使得地下水集中而导致碳酸盐岩石与水发生物理、化学反应，导致碳酸盐岩石岩溶进一步发育。平面上沿接触带走向分布有串珠状的各种喀斯特形态，地下水多具有承压性，且常发育于和接触带走向一致的纵向暗河，并与碳酸盐岩一侧的横向暗河相连。为避免喀斯特水和洞穴的危害，线路采取避开接触带及其附近，必要时以大交角穿过。

河池至百色高速公路坡明段(K70+820.734～K73+200)，工可方案路线从推测地下暗河上部以挖方通过。初设阶段从确保路基安全，远离暗河角度考虑，提出了B6线与K线进行比选(如下页图3所示)。K线主要穿过喀斯特盆地区，右侧为Dh2-2～Dh2-1地下暗河。通过地质钻探，未发现K线正下方存在暗河。B6为页岩与石灰岩接触带，属溶蚀强烈发育区。

从工程地质角度看，路线应避让碳酸盐岩与非碳酸盐岩的接触带，最终选择K线方案。

图3 河池至百色高速公路坡明段路线平面图

3.2 路线绕避喀斯特发育倾向的构造带

喀斯特地区的构造破碎带以及褶皱轴部均有利于岩溶发育。断裂带如为张性易于富集、传导地下水；如为压性则因阻水而使地下水富集于一侧；当为扭性时两种可能兼有。向斜轴以及断裂交叉处更有利于地下水富集、传导。上述地带喀斯特水循环交替强烈，喀斯特作用亦剧烈，常发育有地下大厅及暗河等。路线位置力求避开或不与其靠近，必要时以大交角通过。

河池至都安高速公路在初步设计过程中，根据顺安至高岭段(K59～K71)复杂的地形、地质、居民分布、工程用地等条件，提出了K线和N线两个方案，其平面方案图见图4。

图4 河都高速公路顺安至高岭段路线平面方案图

从地质构造、水文地质及喀斯特等角度考虑，路线方案比选如下[7]：

K线方案：路线斜切北西向宽缓背斜，岩溶发育较弱。沿线喀斯特、地下通道较发育，地下河4次下穿路线，但稳定地下水位低于隧道底板10～20 m，具备工程建设稳定条件。喀斯特形态以竖向溶隙、溶槽及溶洞为主，规模不大，对隧道围岩稳定影响不大，隧道施工遇到厅堂式水平大溶洞可能性不大。

N线方案：NK66+700以前与北东向断裂带平行或相交，断层控制喀斯特发育及地下水走向，喀斯特较发育，岩体较破碎；其后顺背斜翼部展线。且总体平行地下河展布，不排除强降雨期间洼地内排水不畅水位雍高而影响公路正常运行的可能。NK66+700～NK75+145.99段工程地质简单，但局部软土。

总体来看，K线方案斜切北西向宽缓背斜，较好地避开了有利于喀斯特发育的构造带；N线方案于NK66+700以前与北东向断裂带平行或相交，其后顺背斜翼部展线，不利于避让有利于喀斯特发育的构造带。因此，推荐K线为实施方案。实际隧道施工过程，未发现厅堂式大溶洞。

3.3 路线避开喀斯特发育的极强区

喀斯特发育的极强区，给施工和运营带来潜在的安全风险。因此，选线时一般以绕避为宜，将线路布置在岩溶发育相对轻微的控制带。

靖西至那坡高速公路百针段，工可阶段利用漏斗地形，设置了3座大桥，隧道3座。经外业调查，漏斗地形属于喀斯特地质，大面积汇水由漏斗中心进入地下暗河，在此处设置大桥，桥梁基础设在漏斗上存在工程地质问题。初步设计阶段，提出K线(长隧道)方案，路线以直线通过，避开了两处漏斗中心，取消了百针大桥和弄歪大桥，避免了工程地质问题。靖西至那坡高速公路百针段路线方案比较情况见图5。

图5 靖西至那坡高速公路百针段路线方案比较图

3.4 路线绕避网状洞穴和巨大空洞区

局部的或个体的喀斯特大洞穴危害，也会控制着路线位置的选择。

图6为项目所经区域在二迭系茅口灰岩与玄武岩、砂页岩。接触处的陡坎下有大块石堆积和深切沟谷，明河源头与五处暗河相接，地面有新生陷穴，基岩相互脱离变位似龟板。北侧出露大面积的灰岩地层，汇水条件有利，喀斯特极度发育。尽管采用线多占农田，但避开了比较线的网状洞穴。

图6 骂支网伏洞穴区线路方案选择示意图

3.5 喀斯特地区隧道方案选择

3.5.1 喀斯特斜坡地区隧道选择在喀斯特安全带通过

研究显示[2]，喀斯特地区斜坡地段的地表、地下水总是以最短的途径向河流等排泄基准面排泄，因而斜坡地段以横向排水为主。这些斜坡地带存在一个喀斯特安全带，即岩溶水最低排泄点与山顶面靠河谷最外侧的洼地、竖井等垂直喀斯特形态之间的地带。安全带内岩溶发育程度相对微弱，是隧道通过的最佳位置，如图7所示。

图7 喀斯特安全带及隧道最佳位置示意图

河都高速公路庭上隧道在平面上与暗河相交[7]，隧道进口段左侧有地下河天窗存在。隧道在选址过程中，从安全地带通过，施工中未见大型溶洞。另外，通过控制隧道设计高程，保证了该隧道底板与地下河之间的厚度，在施工中未揭露与该地下河相连的垂直型溶槽，保证了工程地质安全。庭上隧道平面图见图8。

图8 河都高速公路庭上隧道平面图

3.5.2 越岭喀斯特隧道选择从喀斯特垂直渗流带内通过

喀斯特地区垂直渗流带主要排泄季节性山洪，地下水集水面积小，突水突泥可能性不大。因此，岩溶发育较弱，属于安全带。有条件时，应抬高路线高程，隧道从喀斯特垂直渗流带内通过。

河都高速公路下刁隧道在选址过程中，考虑到隧道位置前后及中间的喀斯特洼地都属于典型的喀斯特负地形，都有地下河出入，经过对比选线，将隧道选在喀斯特垂直渗流带区域通过。在施工中，除在中导洞开挖过程中发现一些小型溶洞外，未发现大型厅堂式溶洞，隧道基本安全通过该路段[8]。下刁隧道平面图见图9。

图9 河都高速公路下刁隧道平面图

3.5.3 路线绕避有利于喀斯特发育的构造带及喀斯特发育极强区

岩层破碎带、褶皱的轴部等构造发育部位，地下水循环强烈，有利于喀斯特的发育。这些构造发育部位往往成为地下水的循环通道或储水构造，路线应避开这些地带，或以大角度通过。因此，一般以绕避为主，将线路选在喀斯特发育相对轻微的地区[2]。

河都高速公路加洋隧道尽可能地向远离大溶洞与地下河方向偏移，同时抬高设计标高，但受限于前后地形，偏离的距离有限，施工中河池端(大溶洞出露端)虽成功避开喀斯特发育区，但都安端仍穿越厅堂式大溶洞，且部分隧道穿越溶洞填充物，致使隧道基底承载力不足[8]。加洋隧道路段水文地质情况见图10。

图10 河都高速公路加洋隧道路段水文地质图

3.5.4 隧道置于安全厚度的暗河顶板之上，大角度与地下暗河相交

河都高速公路谢家峒隧道[8]，隧址区喀斯特发育较强烈，喀斯特形态表现为落水洞、地下河出口洞、溶洞及溶蚀裂隙，其进出洞口及ZK28+000～ZK28+150段冲沟内喀斯特发育密度及规模相对较大。根据地质勘查结果，区域正断层由北向南与隧道轴线约呈8°夹角从隧道区经过，ZK28+700～YK29+000段内隧道受断层影响明显，断层影响带内喀斯特十分发育。另外，地质勘察结果推测原设计隧址区有一地下暗河通过，于ZK29+046左侧9 m坡脚处出露地表。

受地形、路线标准的制约，该路段平、纵线形无法调整。隧道施工中揭露了多处厅堂式溶洞，与地下河直接或间接联通，雨季地下水位接近隧道底板。为处理该隧道的厅堂式溶洞，业主多次组织专家制定专项处治方案。

3.6 桥位选择及下构形式选择要点

喀斯特对桥梁的危害一般表现为[2]：溶洞顶板坍塌而引起桥梁或涵洞下沉及破坏；突然性的地下涌水，冲毁桥涵；洞穴周期性冒水，引起桥涵沉陷、崩塌。研究喀斯特地区桥位选择、桥型选择等关键问题，对于提高喀斯特地区桥梁布置方案的科学性、合理性和安全性具有重要意义。

桥位的选择，采取“避重就轻”的原则，桥址在岩溶发育相对较弱，地形地貌条件适宜的狭窄区。

桥型选择要点：布置桥型方案时，净空受影响的路段，推荐采用小跨径钢筋混凝土梁桥，扩大基础。覆盖层厚>15 m时的桥址，推荐选择桩基。

墩高>30 m以上，宜选用薄壁墩；墩高<30 m，优先选择排架桩。

河都高速溶洞、暗河顶板上桥址，基本选择轻型墩台、埋置式桥台，以减轻桥梁自重。

4 结语

喀斯特地区地质选线法在河池至都安高速公路等项目得到很好地应用。营运两年多，没有发生一起地质灾害，证明预判准确。地质选线法，尚有下列问题待进一步研究：

(1)多指标的协调决策。公路路线设计属于多目标决策问题，各设计目标之间具有矛盾性和不可调和性，采用现代数学方法和系统理论，定量地解决多目标决策问题，是喀斯特地区高速公路路线设计理论研究的方向。

(2)路线设计突出控制点。喀斯特地区高速公路路线设计的突出特点在于喀斯特地质(地貌)及路域生态环境石漠化趋势问题，加强设计期间的喀斯特地质勘察和生态影响评估，充分利用先进的RS和GIS技术辅助进行公路路线设计方案决策，是今后努力的方向。

[1]周 洲，郑志华.喀斯特地貌公路建设项目环境影响评价[J].上海船舶运输科学研究所学报，2007，30(2)：110-112.

[2]许金良，田 林，牛冬瑜.基于RS-GIS的喀斯特地区公路生态选线[J].长安大学学报(自然科学版)，2013，33(2)：1-8.

[3]吴华金，张林洪.山区公路选线[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4]霍 明.山区高速公路勘察设计指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5]交通运输部公路司.新理念公路设计指南(2005)版[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6]杨宏志，许金良.基于约束描述的公路路线设计过程模型[J].重庆交通学院学报，2005，24(1)：37-40.

[7]广西壮族自治区交通规划勘察设计院.河池至都安高速公路两阶段初步设计说明书[R].南宁，2009.

[8]广西桂山高速公路有限公司.喀斯特地区典型示范工程成套技术管理研究[R].南宁，2014.

Research and Practice of Geological Route Selection Method in Hedu Expressway

WEI Shi-ming1，GU Peng-xiang1，LUO Jing2

(1.Guangxi Guishan Expressway Co.，Ltd.，Du’an，Guangxi，530700；2.Guangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanning，Guangxi，530023)

Geological route selection method is the method to select the optimal scheme in expressway design in karst region.This article analyzed the hazards of karst geology to highway，proposed the general principles，procedures and key points of highway geologic route selection in karst region，and combined with Hechi-Du’an Expressway engineering practice，it introduced the practical experiences of geologic route selection method.Through the operation of Hechi-Du’an Expressway，it was verified that the geological route selection has played a significant role in the prediction and practice during construction stage as well as the geological disaster treatment and operation benefits.

Karst；Region；Expressway；Geology；Route selection

韦世明(1968—)，高级工程师，主要从事高速公路工程技术管理工作；

古鹏翔(1977—)，高级工程师，主要从事高速公路工程技术管理工作；

罗 竟(1964—)，教授，从事公路工程建设技术研究工作。

广西交通科技项目“喀斯特地区典型示范工程成套技术管理研究”(项目编号：〔2011〕54-28)

U412.32

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.11.001

1673-4874(2016)11-0001-06

2016-10-25