陕西省榆林市境内某高速公路主要工程地质问题及对策

占样烈

（天津市市政工程设计研究总院,天津市 300392）

陕西省榆林市境内某高速公路主要工程地质问题及对策

占样烈

（天津市市政工程设计研究总院,天津市 300392）

通过资料收集、地质调绘、勘探、物探及室内土工试验,综合分析了某高速公路沿线的工程地质特征及水文地质条件,指出该公路沿线的特殊岩土有湿陷性黄土、膨胀岩、人工填土,主要不良地质有煤矿及小煤窑采空区、崩塌落石。针对沿线的主要工程地质问题提出了相应的工程处理措施意见,为设计、施工提供参考。

高速公路；工程地质；特殊岩土；不良地质；湿陷性新黄土；膨胀岩土；煤矿采空区

1 工程概况

某高速公路位于陕西省榆林市的府谷县和神木县境内,线路全长近62 km。全线桥梁42座,长14.3 km,隧道4座,长11.8 km,全线桥隧比42%。

2 工程地质及水文地质特征

线位位于黄土高原的东部,乌素里沙地以东。沿线所经地貌主要为河流谷地（见图1）、黄土塬梁峁（见图2）。线路经过黄土梁峁区,沟谷呈树枝状展布,流水下切作用强烈,沟壁与沟底往往出露基岩,地形复杂,起伏变化大,一般海拔在1 000～1 380 m。河谷深切50～200 m,两侧地形陡峻,自然坡度20°～70°,仅几条大川地势较为平坦开阔,多河漫滩,阶地发育不全。

图1 河流谷地地貌

图2 黄土梁峁地貌

该地区出露地层有第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）新黄土、粉细砂及粗细圆砾土,上更新统风积层（Q3eol）新黄土,上更新统冲洪积层（Q3al+pl）新黄土、粉细砂及粗圆砾土,中更新统冲积层（Q2al）老黄土,下伏侏罗系下统（J1-2）砂岩、泥岩、煤层。区内可采煤层主要分布于此地层内,村庄、既有道路及煤矿排土区分布第四系全新统人工堆积层（Q4ml）填筑土、素填土、杂填土。

沿线地表水主要为河流及少量坑塘。河流多为季节性河流,受季节影响明显。雨季流量大,河水暴涨暴落,历时短,携沙量大,造成上游冲蚀、下游淤积的河流特点；枯水季节径流量较小,平常趋于干涸。

本地区地下水根据赋存条件可分为沟谷冲积、洪积松散地层的孔隙潜水和基岩裂隙水。孔隙潜水主要含水层呈条带状分布于各沟谷中,由第四系冲积、冲洪积松散堆积物组成,厚度0.8～10.1 m不等,地下水位变幅1.0～2.0 m,主要靠大气降水及部分河水补给。基岩裂隙水的含水层主要赋存于侏罗系砂岩风化裂隙中,主要靠大气降水补给。地下水埋深变化大,20～50 m不等。地下水排泄主要以蒸发为主,局部以泉的形式出露于地表。

3 特殊岩土及不良地质

沿线分布的主要特殊岩土有湿陷性新黄土、膨胀岩土、人工填土；主要不良地质有煤矿及小煤窑采空区、崩塌落石。

3.1 特殊岩土

（1）湿陷性新黄土

沿线分布有湿陷性新黄土,主要分布于低山丘陵区顶部和河流谷地及其阶地,厚度不均。根据地质成因可分为两大类:一类主要分布于低山丘陵区顶部,这类新黄土的成因是风积,一般呈褐黄色～浅黄色,稍密～中密,可见少量白色菌丝,砂性较大,具中～高压缩性,湿陷系数δs=0.040～0.096,湿陷等级为Ⅱ级（中等）自重湿陷性,一般层厚3～6 m,局部最厚达12 m；另一类主要分布于河流谷地及其阶地,这类新黄土的成因是河流冲洪积形成,一般呈黄褐色,稍密～中密状态,结构疏松,具大孔隙,垂直节理发育,含钙质结核,干强度低,黏性较大,湿陷系数δs＝0.015～0.131,湿陷等级为Ⅱ级（中等）自重湿陷性,一般层厚6～12 m,局部最厚达20 m。沿线新黄土段落一般以路基形式及隧道洞口的形式通过,因此在路基填筑之前应消除黄土湿陷性或采用垫层换填处理,隧道施工应加强洞口的支护工作[1,2]。

（2）膨胀岩土

线位经过区域大量分布侏罗系下统（J1-2）泥岩、泥质砂岩风化层（见图3）。以上风化层在野外多呈紫红色夹少量灰绿色,薄至中厚层构造,斜坡上岩层剥落现象明显,在坡底分布有大量鸡粪状的风化球[6]。这些岩层的干燥岩块遇水后易崩解呈碎块、碎片或土状；柱状岩心暴露在空气中,数小时或几天后,易破裂分解成碎屑或土状。根据《岩土工程勘察规范（2009年版）》（GB 50021-2001）条文说明中的第6.7.1条的相关规定,并参考《铁路工程特殊岩土勘察规程》(TB10038-2012）第5.3.3条规定,将以上易崩解岩样品碾碎,过0.5 mm的筛去除粗颗粒后,按照膨胀土的自由膨胀率的试验方法进行试验,测得自由膨胀率Fs=40～80%,初步判定沿线膨胀岩土具有弱至中膨胀性。沿线泥岩、泥质砂岩等膨胀岩层厚度较大,钻探揭示厚度大于15 m,线路多以路堑、隧道、桥梁形式通过,因此建议路堑基底进行处理,路堑边坡需放缓或加强支护,隧道洞身应加强工程措施,桥梁工程应采用桩基础[4-6]。

图3 紫红色泥岩

（3）人工填土

线路里程CK28+300～CK42+600段高速公路穿过大量煤矿,在线位周围分布有大量煤矿弃土（见图4）,主要由砂、泥岩的岩块或岩屑、黏性土、煤矸石组成,杂色,呈松散至稍密状态,多数弃土未进行任何工程处理,仅少量进行简单碾压及围挡,工程性质较差,弃土堆的堆填高度10～50 m,最高达80 m高。这些弃土堆大部分处于非稳定状态,随时都有垮塌的可能。该段落内弃土堆分布于线路左右侧50～650 m不等,外业过程中通过地质调绘和现场实地勘察,查清了弃土堆的成分、工程性质、分布特征。对于填高高度大于20 m的弃土堆,由于治理费用过高,线路尽量绕避；对于离线位较近且填土高度较低的弃土堆,建议采取清除或支护的措施。

图4 煤矿弃土堆

3.2 不良地质

（1）煤矿及小煤窑采空区

线路所处区域府谷、神木县为我国主要煤炭场地之一,煤田广泛分布,煤地层主要为侏罗系下统（J1-2）,分布4层可采煤层,即2-2、3-2、5-1、5-2号煤层,每层厚1.3～1.8 m,煤层埋深60～100 m。线路里程 CK15+000～CK52+000线路行走在府谷、神木县的主要煤矿产区。根据收集来的煤矿资料,结合现场调查资料综合分析,该段落内煤矿开采的主要煤层为5-1、5-2号煤。其中:5-1号煤底板埋深1 130～1 158 m,平均厚度1.4 m；5-2号煤底板埋深约1 107～1 139 m,平均厚度1.6 m。在该段落内,线路设计高程为1 127～1 178 m,经分析可得5-1号煤层底板位于公路设计高程以下5～25 m, 5-2号煤层底板位于公路设计高程以下20～43 m。线路附近正规开采的煤矿资料较为齐全,采空区范围边界相对明确。对于这些大型的采空区线路方案都已基本绕避。

除上诉正规煤矿采空区外,线路所经地区还大量分布有小煤窑（见图5）。由于开采年代久远,采掘无规律,采掘巷道杂乱,相关记录资料缺乏。这些小煤窑采空区的资料只能通过现场调查访问,并辅以物探、钻探等现场勘察手段查明。但是,部分小煤窑由于开采年代过于久远,坑口目前已经坍塌甚至掩埋,现场没有任何开采过的迹象。对于这类小煤窑,采空区线路方案无法做到完全绕避,施工过程中只有结合分布特征采取相应的处理措施。

图5 小煤窑

（2）崩塌落石

沿线分布的主要岩层为侏罗系下统（J1-2）砂岩、泥岩,由于这两种岩层的硬度存在较大差异,软硬不均,抗风化能力差异较大,通常由于下部的泥岩层风化后造成上部砂岩层底部失稳,砂岩层整体崩塌而下,形成落石孤立分布于沿线斜坡上,直径一般多为0.5～1.5 m,局部最大可达5 m。这些崩塌落石（见图6）在自然状态下处于稳定状态,施工过程中一旦人为破坏了所处平衡状态,必将形成二次崩塌或滑坡。经现场地质调绘查明,沿线共分布59处崩塌落石,受影响线路总长度达5.6 km。这些段落内线路多以隧道洞口和桥梁形式通过,对于这些崩塌落石,建议采取清除和加固相结合的综合整治措施[3,4]。

图6 崩塌落石

4 结论

通过资料收集、外业地质调绘,并结合现场钻探、物探、土工试验等勘察成果综合分析,该高速公路沿线分布的特殊岩土有湿陷性黄土、膨胀岩土、人工填土（煤矿弃土堆）,主要不良地质现象有煤矿及小煤窑采空区和崩塌落石等。对以上沿线分布的特殊岩土和不良地质,勘察设计过程中多已绕避,或提供了其他相应的处理措施。但仍需注意以下几个方面的问题:

（1）沿线分布的泥岩、泥质砂岩等膨胀岩具有弱至中膨胀性,路堑段挖方弃土不宜直接用作路基填料,应将膨胀岩剔除掉或做相应的处理后方可用作路基填料。

（2）施工前应对沿线煤矿采空区的范围进行复核,防止部分煤矿采空区扩大后而未知,避免造成工程安全隐患。

[1]JTG C20-2011,公路工程地质勘察规范[S].

[2]JTG D30-2015,公路路基设计规范[S].

[3]JTG D63-2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[4]JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].

[5]GB 50021-2001,岩土工程勘察规范（2009年版）[S].

[6]TB10038-2012,铁路工程特殊岩土勘察规程[S].

U412.22

B

1009-7716（2017）07-0045-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.013

2017-03-17

占样烈（1982-）,男,江西鹰潭人,硕士,工程师,从事工程地质研究工作。