综合地质勘察方法在复杂地质山区选线中的应用

2022-07-08杨绪波廖芳茂胡朝旭

公路交通技术 2022年3期

杨绪波，廖芳茂，金鋆，胡朝旭，谢伟

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041)

随着西部大开发的发展以及脱贫攻坚战向偏远贫困地区的深入，四川省高速公路建设逐步进入“甘、阿、凉”等山区，该区地形起伏大、地质构造复杂、不良地质发育、生态环境脆弱，使得该区修建公路勘察设计及施工难度都很大，桥隧结构占比高，工程造价高，后期运营维护难度大。因此，合理科学的路线设计方案既要结合场区地形、地质特点顺势而为，又要让工程造价经济、运营安全、维护成本可控，使得项目整体发挥最佳的经济与社会效益。

地质选线已有大量研究与成功实践。王韬等[1]以云南功待高速公路为例，运用不良地质高发区地质选线方法和原则开展地质选线研究工作；刘品等[2]总结了地质选线在不同设计阶段中的运用，并以惠罗高速为例对地质选线进行有效运用；祝建平等[3]采用无人机航拍与常规综合选线手段相结合的方式对重庆巫镇高速进行选线；高文涛等[4]根据西南地区多条高速公路地质选线经验，总结了“八宜八不宜”原则；孙广远[5]结合成渝高速公路设计，归纳了目前山区高速公路设计中存在的典型地质问题；毛学舜等[6]总结了地质选线原则并用于杭新景高速公路方案比选；崔光耀等[7]结合汶川地震后G213线映汶路重建工程，提出了强震后高烈度艰险山区公路重建防灾选线的十字方针；李瑞涛等[8]从地形、地质、特殊景观、交叉等方面进行路线方案的比选与优化；吴孝敏等[9]在川藏高速公路北线选线研究中，采用计算智能辅助选线软件与常规选线方法相结合，选出最优方案；谢猛[10]针对路线穿越采空区的选线问题，提出了综合勘察方法；全炳欣等[11]将地质选线应用于山西省东大线改线工程前期设计，成功地绕避了滑坡群和不良地质病害等地质环境。

据上分析，地质选线的应用是否成功，关键是能否有效获取各类地质信息，为其提供可靠依据。本文在总结前人对地质选线研究的基础上，以四川泸石高速为例，总结了一套有效的综合地质勘察方法及流程，并成功用于该项目地质选线中，优选出最优路线方案，可供复杂山区公路勘察设计参考。

1 地质概况

泸石高速位于四川省甘孜州泸定县及雅安市石棉县境内。路线全长约 96 km，双向4车道，路基宽度25.5 m，设计隧道21座，桥梁46座，其中大于6 km超特长隧道2座，特大桥10座，桥隧比例90.3%[12-14]。

1.1 地形地貌

场区位于川西地区四川盆地向青藏高原的过渡带，地貌以中高山峡谷地貌为主，山体呈近南北走向，山岭海拔高程2 729 m～3 525 m，岭谷相对高差达1 800 m～2 200 m。

1.2 地层岩性

场区内地层以元古界岩浆侵入岩为主，局部段落出露有中生界三叠系上统须家河组、古生界泥盆系中统地层，第四系地层分布在河(沟)谷、斜坡地段。

1.3 地震构造及地震

项目走廊带依次跨越了龙门山构造带和鲜水河—滇东构造带，构造体系复杂。近场区内主要发育大渡河断裂、金坪断裂、得妥断裂、二郎山断裂、鲜水河断裂南东段及大凉山断裂石棉段等区域性断层，场区构造纲要如图1所示。测区的地震动峰值加速度为0.20g～0.30g，地震动反应谱特征周期为0.40 s～0.45 s。地震基本烈度为Ⅷ度[15]。

图1 区域构造纲要示意

1.4 不良地质

场区整体稳定性较差，受该区地层岩性组合与活动构造的影响，场区内主要不良地质类型为滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、库岸再造、厚层堆积体等。由于项目走廊带内地质制约因素多，因此泸石高速初期路线设计共布置了8条比较方案，如图2所示。其中K42～K63段受大岗山库区库岸再造影响，地质灾害极其频繁，是制约项目能否可行的关键段落。

2 综合地质勘察

地质选线须对走廊带地质体有全面充分的认识，尤其要避免遗漏大型不良地质体，掌握地质灾害体的分布规律、形成机制，预测其发展趋势[16]。

传统勘察方法包括地质调绘、航片解译、地质钻探、工程物探、室内试验等，另外INSAR遥感监测、无人机倾斜摄影等新技术也逐步用于勘察设计中。这些方法与手段各有优点，但也存在一定局限性，因此综合地质勘察就是多种勘察方法的灵活运用，并相互补充与验证、相互指导的过程，不能过于强调某种方法而失偏颇。

图2 泸石高速路线平面示意

泸石高速勘察设计地质选线分2个阶段：第1阶段在收集前期勘察成果及区域资料基础上，对区域稳定性及大型不良地质体进行调研和专题研究，并根据研究成果对路线走廊带方案进行初步筛选与优化；第2阶段对各方案及控制性工点进行精细化勘察设计，通过针对性的各类专题研究并结合钻探、物探、遥感等勘察手段，对各路线方案进行评价、比选，最终选出最优路线方案，其流程如图3所示。

实际工作中，各勘察方法相互验证，相互指导，形成多视角、不同维度的工程地质综合地质勘察方法，以查明场区工程地质条件与特征。

图3 综合地质勘察方法流程

3 主要专项勘察成果

3.1 1∶10 000工程地质专项调绘

1∶10 000工程地质专项调绘是通过现场观察、典型剖面量测及描述，调查项目走廊带内主要构造及大型不良地质体，并将有关的地质要素以图例、符号表示在地质图上的方法，以掌握不良地质的类型、特点、规模以及各地质灾害体之间的分布规律与发展趋势预测，是一项非常重要的基础性地质勘察工作，全线走廊带内主要不良地质汇总见表1。

表1 项目走廊带内大型不良地质汇总

3.2 沿线断裂构造专题研究

在1∶10 000专项调绘基础上，该专题旨在对场区活动断裂的性质、规模、空间位置等进行专题调研。结果表明，鲜水河断裂带南东段(即磨西断裂)整体呈NW-NNW向，断裂宽度变化较大，在新民乡—出路沟一带断裂宽度可达70 m～120 m，断层两侧影响带宽约100 m～150 m。由碎粒岩、碎粉岩、断层泥等组成，为全新世活动断裂。磨西断裂在初勘比较线桩号BK59+000 m～BK62+000 m段(什月河、田湾河附近)、K73+000 m～K76+000 m段(新民乡—出路沟)与拟建高速公路B线相交。磨西断裂为全新世活动断裂，存在线路抗断错稳定问题，建议该段拟建线路在田湾河至石棉段选择左岸方案，避免磨西断裂对线路的不利影响。

3.3 多光谱遥感地质灾害解译研判

现场地质调绘受地形、植被、覆盖层等影响，有的地方人员无法达到，调绘难以展开。为此，在1∶10 000专项调绘基础上，采用多光谱遥感地质灾害解译研判工作，旨在对地质灾害体调查的补充，遥感结果见表2。

由表2可知，全区范围内不良地质体共96处。由于遥感解译范围较1∶10 000调绘范围广，包含很多线外区域以及隧道洞身段区域，因此遥感解译数量总体上较1∶10 000调绘的不良地质数量多，不良地质在地段上和时段上分布相对集中，滑坡主要发育在河谷岸坡带，坡度集中在25°～45°，库岸滑坡的坡度则基本在35°以上，危岩体主要发育在坡度40°以上区域的陡坡地段，泥石流沟主要朝向大渡河发育，且K56～K80段比较集中，碎屑流主要分布于40°以上陡坡，并由不稳定危岩崩塌体沿小型冲沟、落石槽崩落，部分碎屑流还转换为泥石流的物源。

表2 遥感解译不良地质汇总

3.4 INSAR专项遥感勘察监测研究

对处于初期变形阶段的不稳定斜坡，因其具有一定隐蔽性，变形迹象不明显，常规勘察方法难以发现，为此采用InSAR专项监测，对走廊带重点区域进行动态监测，旨在获取走廊带内潜在变形体的几何特征和变化信息。

基于SBAS-InSAR技术，在泸定至石棉高速公路附近边坡共探测到30个不稳定斜坡，其中北段13个，中段11个，南段6个。线路南段比较稳定，探测到的不稳定斜坡数量最少，线路北段虽然探测到的不稳定斜坡数目最多，但对线路的威胁性总体小于中段。

中段受地形、地质结构、水库蓄水、磨西断裂活断层影响，不良地质尤为发育，11处不稳定性斜坡年平均变形速率为20 mm/年～39 mm/年，最大累计变形量可达70 mm，且多地处大岗山库岸两岸斜坡带。这些变形体规模较大，若路线穿越变形体，对其扰动较严重，易诱发变形体进一步变形甚至滑动，进而威胁拟建路线结构物，其地质条件与适宜性很差。结合INSAR专项监测结果，路线方案采用了绕避方式通过，达到优选目的。

3.5 水文地质专项勘察

路线设计有2座大于8 km的特长隧道，为整个项目的控制性工程。隧道开挖后，隧址区的水文地质环境会发生一定改变。为探明其变化规律，采用水文地质专项调查及水文试验，对隧址区的地层岩性、地质构造特征，地表水、地下水分布、埋藏及补给、径流、排泄条件等进行研究。

结果表明地下水主要受大气降水、冰雪融水补给，通过裂隙入渗补给地下水，裂隙系统是控制地下水从补给区流向排泄区径流的主要途径。地下水的径流主要受地形、地质构造(节理裂隙)、岩性及排泄基准面的控制，呈现出较为显著的构造控水特征。隧址区内山势陡峭，地形对地下水流动起到了决定性的影响作用，地表水分水岭与地下水分水岭基本重合，地下宏观径流方向与地表高程等高线呈正交趋势。主要的排泄方式为隐伏分散裂隙流，其次为集中泉水。大渡河为隧址区最低侵蚀基准面和各类水源的排泄通道。

隧道区内地下水主要为基岩裂隙水，主体围岩为花岗岩，洞身段出水状态以点滴状、雨淋状为主，局部股状涌水为主，涌突水危险主要集中在花岗岩体中的辉绿岩脉、节理密集带、次级断层带及其影响带以及隧道穿越沟谷的浅埋段，主要高风险段落见表3。

表3 涌突水高风险段落统计

隧道开挖通过这些高风险区段时，建议采用钻探、物探等多种手段加强超前探水地质预报。除上述段落外，其余段围岩中含次级断层、岩脉及节理密集带也会有涌突水、突泥灾害，隧道施工应加强超前地质预报，特别是加强对隐伏次级断层、破碎岩脉、长大裂隙等导水构造的超前探测，并根据超前预报成果，采用超前泄水孔方式释放地下水，降低洞内涌突水、突泥风险。

3.6 泥石流专项调查

路线走廊带内共发育有28条规模不等的泥石流，针对推荐线走廊带内9条泥石流沟进行了专项调查，旨在查明泥石流的基本特征、形成条件及规模，并查明其成因类型及演化过程，评价泥石流的危险性及发展演化趋势。

调查结果表明，场区内泥石流多为暴雨类-沟谷型-稀性泥石流，其规模以中、大型为主，少量小型泥石流，其中分布1处特大型泥石流，其发展阶段以衰退期为主，部分处于发展期，且发展期泥石流多位于鲜水河断裂带附近，尤其以海螺沟磨西河泥石流为代表。由于路线位于构造活跃区，若区域内发生强震，导致物源量增加，场区内处于衰退期的泥石流仍可能爆发大型泥石流。泥石流明线段采用桥梁以大跨径方式通过，由于部分泥石流沟床较宽，桥墩位置应尽量避开泥石流主沟道，并进行防冲击和防掏蚀设计，同时做好岸坡防护，以防止洪流侧蚀，确保桥梁安全。

3.7 综合物探

鲜水河活动断裂带是本项目路线方案的控制性因素之一，断裂带的影响宽度直接影响路线方案的调整。采用物探瞬变电磁法，在断层带与路线交汇处布设了2条物探剖面，旨在查明断层规模与空间位置及其影响带宽度，并采用钻探进行验证，典型剖面如图4所示。

单位：m

根据物探解译并结合现场调绘、钻孔验证，鲜水河断裂带宽320 m～440 m，断裂带内由断层角砾岩、糜棱岩等构成，呈眼球状构造，岩质极软呈塑性状态，其影响带宽度约560 m～1 150 m，岩体破碎，构造擦痕发育，矿物呈定向排列特征，部分段落发育次级小断层。

4 地质选线应用

由于本项目地形起伏大，地质构造复杂，不良地质体众多，其它干扰因素多，共设计了8条同精度比较线方案以及6条论述线方案，对路线走廊带5个段落进行比选。本文以其中K46～K83段为代表，通过综合地质勘察方法与分析，从地质角度评价路线适宜性与可行性。

K46～K83段长37 km，走廊带内K46～K65段位于大岗山库区范围内，由于场区内不良地质体发育，因此设计提出左岸和右岸2个方案。其中，左岸方案包括了E+G与K+G 两个方案，右岸方案即B1+K+C。通过上述综合地质勘察方法，该段走廊带整体上与鲜水河断裂构造带近平行，此外还发育有得妥断层，场区内地层岩性以元古界早震旦系花岗岩为主，局部发育有三叠系须家河煤系地层以及泥盆系中统变质岩。场区内不良地质体由泥石流、滑坡、错落体、崩塌、库岸再造以及部分大型地震堆积体构成。各方案涉及的不良地质体、结构物特征及路线方案比选见表4，走廊带内不良地质分布如图5所示。

通过地质条件的比选与分析，并结合工程规模与造价，考虑地质安全及后期维护难度，最终选定左岸E+G为推荐线方案。该方案所涉及的不良地质体规模有限，可通过工程措施进行处治，路线绕避了三叠系煤系地层并避免了随之而来的瓦斯、大变形等隧道地质问题，且远离鲜水河活动断裂带，降低了地震时诱发的次级地质灾害风险。该方案中隧道围岩整体上以Ⅲ级为主，Ⅳ级次之，围岩条件较其它方案好，隧道工程造价可控。另外，该方案路线长度最短，不仅提高了工程安全性，降低了工程建设难度，还节省了工程造价和后期运营维护费用，因此该路线方案为最优方案。