岩溶地区公路地质选线方法

2018-08-28杨宏志杨少伟

筑路机械与施工机械化 2018年6期

李杰，杨宏志，杨少伟

（1.陕西交通技术咨询有限公司，陕西西安 710068；2.长安大学公路学院，陕西西安 710064）

0 引言

岩溶地区土层贫瘠浅薄，水土流失、石漠化现象严重，植被破坏后恢复难度大，自然生态环境脆弱。修建公路时临时占地、挖土和放置土等会给公路沿线的环境造成危害，同时，在高速公路施工和运营中也会出现松软堆积物的坍塌、岩溶水的侵袭等地质问题。

国外在19世纪就开始关注此类问题，如Ford等论述了岩溶地区岩溶发育特点及地质特征；Wolf分析了不同碳酸盐岩岩溶发育的差异性；Quinlan在研究岩溶发育特征的同时，分析了工程建设中岩溶地下水所导致的危害；Crrens运用地理信息系统（GIS）方法对岩溶发育程度的指标进行了研究；Tony Waltham对工程建设中的此类问题进行了深入探索，并详细介绍了岩溶区工程活动中隐性风险因素及处理措施。

国内在地质选线方面研究较多的是铁道部的一些专家，如李雯对岩溶地区铁路的选址风险进行了研究，并发表了著作《岩溶地区铁路选线风险评估研究》；苏贵芬基于新建云桂铁路广南段线路，进行了地质控制因素及方案比选研究，并对岩溶特征及影响铁路选线的地质控制因素进行了研究。

基于目前国内外在岩溶地区高速公路选线方面并没有形成系统化的研究，本文对其进行汇总，分别讨论岩溶地质的不同特征以及其对工程的危害，并以此为切入点研究不同情况下的岩溶地区公路选线的方案及选线要点；给出选线地质情况优劣的判定，从而提出一整套公路地质选线设计原则和方法，对岩溶区公路规划设计具有重要意义。

1 岩溶地质特性

1.1 岩溶发育规律

1.1.1 岩溶特性

在碳酸盐岩分布地区，各种地层岩性对岩溶发育程度的不同影响主要表现为以下2个方面。

（1）碳酸盐岩的成分与结构。从碳酸盐岩的结构方面考虑，当晶粒较粗时，溶解度也就越大，岩溶发育程度也就越高。由于较粗粒结构的岩石空隙大，吸水率就较高，抗侵蚀能力就较差，因而有利于溶蚀。

（2）岩石地层与岩溶发展之间的关系。由于岩溶层组类型的差异，岩溶水动力条件也有所不同，所呈现的岩溶地貌形态及其规模也是千差万别。因此，划分岩溶层组类型不仅便于对地层单位作出评价，也是研究岩溶地区工程地质和水文地质条件的重要依据。

1.1.2 地质构造

主要影响岩溶发育的地质构造是断裂和褶皱，它们是控制地下水循环运动方向和途径的主要因素。

（1）褶皱与岩溶的关系。褶皱变形的不同部位其变形强度和对地层的切割程度各异，变形的力学性质不同，破裂程度不同，其裂隙介质的导水性也不同。褶皱往往控制地下水系统的边界，影响地下水流的交替强度，从而影响岩溶、岩溶水的发育。

（2）断裂与岩溶的关系。地质构造对岩体稳定性的破坏增加了岩石的透水性，使水在可溶岩岩体内的循环条件得到改善，水的溶蚀作用得到加强，岩溶的发育进程加快。灰岩等的透水性主要依赖于风化裂隙、构造裂隙的发育程度，而风化裂隙仅涉及表层，构造裂隙才涉及深部。因此，构造带是导致岩溶发育深度的重要原因。

1.1.3 岩溶水运动特征

（1）岩溶与水的交替循环。水的交替循环是岩溶发育的主要条件，即使具备岩性条件、构造条件，若缺乏水的溶蚀条件，仍不能发育岩溶。不同地貌单元、不同水动力区段，其地下水交替循环类型不同，岩溶发育类型亦不同。分水岭和地下水补给区，水流交替以垂直循环为主，相应发育的岩溶形态为“垂直型”，如垂直漏斗、竖井等；径流区和排泄区地下水交替循环以水平流动为主，侧向冲蚀、溶蚀强烈，岩溶发育以“管道型”为主，如溶洞和落水洞等。

（2）岩溶化山区岩溶水动力剖面分带。季节变动带、垂直渗流带、水平流动带和深部滞流带是当前国内公路建设常用的岩溶水动力剖面分带。考虑到特定条件对西南山区分水岭地区及河谷斜坡的岩溶水动力剖面分带的影响，为了工程需要，在与一般垂直分带理论不相矛盾的情况下，应用垂直渗流带、岩溶裂隙水带及水平流动带这3个垂直分带。

1.2 对工程的危害

在岩溶区高速公路地质选线时，由于岩溶区地质条件较为复杂，在施工过程中难免会遇到各种岩溶问题，岩溶地质的主要危害体现在以下几个方面。

1.2.1 岩溶水对工程的危害

岩溶水的表现形态多变，主要分为地下暗河、岩溶接触带水系和岩溶泉流等，其中地下水与岩溶地表水转换频繁，因而复杂多变。在公路建设中，若无完善的应对方式，会使得路基遭到破坏。

（1）岩溶地表水的危害。路段处于岩溶洼地、谷地中，洪水时路基及桥涵常遭冲刷甚至淹没，在洼地积水的浸泡下，产生路堤下沉或坍塌等。

（2）岩溶地下水的危害。雨季时因路基基底涌水导致路堤坍滑或冲毁；桥基坑涌水加大了排水困难或导致基坑坍塌，影响施工进度；隧道大量涌水或突水且经常伴随涌泥、涌沙现象，严重影响施工进程和运营。

1.2.2 岩溶洞穴对工程的危害

公路路线通过岩溶洞穴分布地段，工程建筑基础出现悬空，其程度视洞穴大小有所区别。当出现大范围岩溶空洞区时，不管对于何种穿越工程（如路基、桥隧等），都将面临严峻的考验，首先要解决的问题是如何在四壁临空的条件下进行建设。建筑物基底之下如有溶洞，其顶板过薄将导致坍塌。

1.2.3 松散堆积物和碳酸盐风化层的危害

松散堆积物主要是指砂土、岩块及砂砾等。这些松散堆积物极易产生下沉、坍塌。在隧道顶部岩层中如果填充着垂直洞穴，如大量堆积物的落水洞或竖井等一旦被隧道切穿，就会造成坍塌，从而中断施工。

碳酸钙堆积物，包括洞穴内各种碳酸钙沉积形态（如石钟乳、石灰华石笋、石柱、石幔等），因具有孔隙率大、性脆的特性，在施工中极易因震动、撞击等原因产生掉块、坍落等。

碳酸盐岩风化层系指山砂、残积土及破碎岩体等。山砂为白云岩风化后的产物，出现在挖方边坡时，会造成坍方，降雨则会形成流沙，使坡面留下新生沟槽，进而影响边坡稳定。风化残积土与膨胀土的特性类似，具有很多节理裂隙层面，遇水膨胀软化，干燥时收缩龟裂，土质坚硬，故此类物理力学指标较差，土结构不稳定，易造成边坡失稳。

1.2.4 地面塌陷的危害

岩溶平原、谷地以及洼地通常由松散的第四纪土层覆盖。土层中地下水通常具有统一水面，水位埋藏浅，在基岩岩溶发育过程中，由于地下水运动、水位降低或其他原因，均可能导致地面塌陷，且塌陷的发生很突然，规模、时间、空间位置均难以预测。

2 岩溶区公路选线原则及要点

2.1 一般原则

岩溶区地质条件较为复杂，主要表现在岩溶水、岩溶洞穴、坍塌的松散堆积物及岩溶区覆盖层的大面积塌陷。因此，岩溶地区高速公路地质选线时，必须对各方面因素进行综合考虑，分清主次，掌握全局，一般原则如下。

（1）路线设计时，除主要考虑岩溶地质条件外，还要考虑岩溶区可能出现的其他地质灾害，经过详细勘察论证后再合理进行工程地质选线与方案比选。

（2）在岩溶地区选线，应进行充分的地质勘察、全方位的路线比较，避让地质灾害重灾区，以此确定路线的最佳走向和位置。

（3）岩溶地区地质选线应多方面考虑，把握好局部与整体之间的关系，利用综合勘探手段查明岩溶分布范围、规模大小、发育特征和发展趋势，研究可行的整治措施。

（4）岩溶山区公路选线时，对可能出现地质灾害的路段，结合经济技术和安全环保等方面，综合考虑采取何种最优方案（桥梁、隧道和路基等）穿越不良岩溶地质段。

综合以上原则，岩溶区公路选线应从所在区域地质条件差异、地形地貌特征及生态环境保护等方面进行比较、优化和论证，如图1所示。所以岩溶地区公路地质选线程序是以岩溶工程地质为主要因素，兼顾其他因素，通过对路线方案反复评选与优化，最终确定一个多种因素相协调的路线方案。

图1 公路地质选线流程

2.2 方案选择要点

岩溶区公路地质选线与其他区域公路地质选线主要区别在于，需要进行详细的岩溶地质勘察和水文条件调查，而且要进行风险地质评估。岩溶区的工程地质勘察是公路选线的基础，两者相互协调、相互参考。不同设计阶段地质勘察的任务不同，地质选线所考虑的因素也相同，以下列出了可行性研究阶段和初步设计段地质选线方案比选流程。

（1）可行性研究阶段路线选择。路线起终点和中间主要控制点的论证、路线走廊带方案的拟定和比选问题，都是高速公路工程可行性研究阶段的主要内容。可行性研究阶段岩溶区公路选线地质勘察的主要任务有：调查项目所在地区的地形地貌及工程地质条件，以及施工中可能存在风险地质灾害；实地踏勘所选区域工程地质及可能影响工程建设的重要地质因素，为优选路线方案提供地质依据。路线布设方案的初步确定应结合工程可行性地质勘察报告，同时兼顾不良地段对路线的影响；然后根据所选区域内岩溶及断裂带分布状况，分析岩溶发育区对工程建设的影响，并综合路网衔接、生态环境影响、工程经济等方面提出路线走廊带的优化方案。

（2）初步设计阶段路线比选岩溶工程地质勘察内容为：详细勘察公路沿线及各类构筑物（如桥涵、隧道等）建设场地的工程地质条件。其中针对沿线的地形地质条件，结合遥感图像解译、工程地质调绘、物探、钻探等多种手段，对路线及各类构筑物工程建设场地的工程地质条件进行综合勘察，是岩溶工程地质初步勘察阶段的主要任务。路线方案比选及风险评估为：初步设计阶段方案是在工程可行性研究区域的线路中进行比选，以岩溶区工程地质条件为主导，从工程造价、交通安全、生态环境景观影响等方面对路线方案进行综合评价，选择最佳线路方案。

3 岩溶区公路地质的选线方案

3.1 路线方案选择

在公路施工图设计阶段，地质选线的要点总结为“以避为主，避重就轻”，路线或构造物应尽量避绕不良路段，无法避绕时，尽量从工程影响较小的路段通过。

3.1.1 路线布设原则

（1）路线应避开或尽量远离碳酸盐岩与非碳酸盐岩的接触带及岩溶接触带，减小岩溶洞穴和岩溶水系的影响，如图2所示。

图2 路线在碳酸盐岩层布设

（2）路线应避开岩溶较发育地带，选择岩溶发育弱的区域，如图3所示。

图3 路线在构造破碎带附近布设

（3）路线应绕避网状洞穴和巨大空洞区。根据岩溶勘测结果预测岩溶空腔的空间位置和发育程度及特征，将路线调整到岩溶发育程度较弱的区域，从而降低线路地质灾害风险。

3.1.2 河岸选择要点

（1）河岸应选择在岩溶发育较轻微的地段。由于可溶岩出露面积和汇水面积的大小及构造条件等因素的影响，两岸岩溶发育常有差异。岩溶发育程度高的一岸，排泄的岩溶地下水较为集中，水动力作用强烈，对碳酸盐岩的溶蚀及机械破坏作用也就剧烈，常发育有大洞穴或多层溶洞，地表岩溶现象也较显著。

（2）河流因侧蚀作用发育于谷坡上的层状岩溶地带，路线宜靠山里通过。受构造或岩性的限制，当其地壳间歇上升，河谷间歇下切后，在河谷两岸的山坡上，悬挂有层状溶洞。由于它和山顶面的岩溶无任何联系，故在河水面以上的均为早期无水干溶洞。如图4所示，路线位置应靠近山里通过且避开洞穴。

图4 岩溶河谷溶洞与路线位置

（3）应尽量选择村镇较少的一岸，以减少对原有自然景观及人文环境的破坏，同时可减少建设中的拆迁工作。

3.1.3 河谷线位高度选择

沿河线依照路线高度和设计水位的关系，分为低线和高线，对不同形式的河谷可选择不同的路线布设方法。河谷线路选择主要考虑以下几点。

（1）对于U形河谷溶丘洼地和峰林谷地区，公路选线应该靠近山一侧设计高程必须大于最高洪水位。就地形条件而言，路线按高线布设，势必出现高填方、深路堑或大桥。从路线位于谷底，则易受岩溶水积水危害，并且占地较多。就岩溶地质而言，位于洼地和谷地中的路线因洼地内松散土层浸水引起路基沉陷、坍滑，雨季积水、消水和冒水也会危害路基。因而，路线沿洼地、谷地边缘靠山脚布设，路基设计标高高于最大洪水位是较为理想的线位。

（2）V形河谷山地河谷区，路线应尽量提高设计高程，避开排泄带。当路线经过排泄区一岸时，宜多布设外露工程如路基、桥、明洞等，少做隐蔽工程如隧道等。无论何种工程，平面上与排泄带距离越远、纵断面上设计高程越高越有利。

（3）岩溶山区由于地形地质限制，开阔河谷区，往往是城镇聚集区，路线应与当地城镇规划相融合，避免直穿，尽量沿河谷区的城镇边缘，如山脚部位绕行。

（4）沿河线高线即河谷岸坡中部至坡顶地带（斜坡地带）路线，在选线时应垂直于渗流带，靠近安全带附近通过。

3.2 桥位方案选择

在桥梁修建的不同河谷地段，因为岩溶发育特征的差异，空间分布规律复杂多样，给桥梁设计和施工带来一定困难。对岩溶地区桥位、桥型等关键问题进行研究，可提高岩溶区桥梁结构布置方案的安全性、经济性、美观性及合理性。

（1）岩溶地区桥梁桥位选择要点。桥梁修建在岩溶地区时，为使资金经济效益最大化，并确保桥梁安全运营，桥位方案的选择主要有：桥位宜选在稳定性较好、岩溶发育相对较弱的河段，减少深基工程；桥位通过岩溶平原区时，适宜在洞穴顶板较厚、洞穴小、溶沟及溶槽较弱的河段布设。

（2）岩溶区桥型选择要点。设计梁部孔跨式样、墩台及基础类型时，应对桥位所处的地质环境、通航情况、水位情况及溶洞情况进行全面分析，研究确定布置桥型方案。在岩溶极发育，特别是在遇到大的溶洞、溶槽，大跨度桥型优先采用，一跨通过为宜。为降低桥梁墩台的高度及基础处理费用，遇到岩溶发育的河谷，墩台位置应避开溶洞、溶沟、溶槽、漏斗等地形。为确保墩台基础的稳定及桥梁安全，墩台位置选择应避开胶结不良、岩体强度低的蠕动断裂带。