高速公路地质选线研究与实例分析

2024-02-27胡敏

山西建筑 2024年5期

胡敏

(中工武大设计集团有限公司,湖北武汉 430074)

早期,我国高速公路主要集中在平原和微丘区,至21世纪国家大力发展和完善高速公路网,丘陵区和山区高速公路得到大规模建设。由于地形、地质、水文、气象等相对复杂,生态环境脆弱,在设计初期,设计人员仍按照平原及微丘区的设计理念和思路进行公路路线设计,未充分认识到地质选线的重要性,在建设过程中诱发了大量工程地质病害,导致工程造价大幅增加,同时也给后期运营安全留下了较多隐患[1-2]。

随后地质选线在高速公路勘察设计中的重要性得到广泛推广和认可,但在具体执行过程中,高度依赖于个别人员的感性认识和定性分析能力。在设计周期有限情况下,如何做好地质选线和评价工作,成为高速公路路线方案成败的关键[3]。为此,本文结合笔者多年参与两广和西南地区多条高速公路勘察设计咨询经验,总结出了高速公路地质选线的一般思路和线位定量评价体系。

1 以服务功能初步拟定路线走向

初步拟定路线走向,一般在规划或可行性研究阶段进行,这是路线设计最开始的工作。本阶段主要是根据社会经济发展、在路网中的作用以及规划服务功能等需要,确定路线的控制点,控制点主要分两个层次,即基本走向控制点和一般控制点,将部分控制点串联起来形成路线大致走向或路线局部方案。本阶段地质选线主要是收集资料,为路线走向和路线局部方案比选评价工作做相关准备工作。

2 根据地形地质条件初拟路线方案

山区高速公路一般地形地质复杂,区域构造对路线方案影响较大,重点是活动性断裂带,一般采取绕避方式通过[4],如无法绕避,适宜在地质构造大角度相交或垂直路线走向,有利于公路工程的稳定,减少工程造价。同时断裂密集处、交汇处以及主要活动性断裂的拐角处、端点处设置桥梁和隧道等重要构造物。地区稳定性和构造活动性是高速公路路线走向的评价要点,一般在可行性研究阶段进行充分比选和论证。

例如:六盘水市六枝特区某高速公路地形起伏较大,地形地貌复杂,但构造行迹不论褶皱还是断裂构造,均有章可循,总体上排列醒目(见图1)。工可阶段,根据地形和地质构造特征,拟定的高速公路路线与主要构造体呈大角度相交,同时避开了断裂构造密集地带。

3 工程地质选线的评价与比选

初拟路线方案确定走廊带后,进行局部路线方案比选,一般在可行性研究或初步勘设阶段进行。比选中,对于工程地质条件,传统的工作方法主要依靠设计人员结合调绘或勘察资料主观判断来评价方案的优劣,偏重于定性分析。正确的方式应对其涉及的工程地质问题进行分析、抽取、罗列,进而尽量利用更为科学的评价方法进行决策,得出综合评估结论[5]。在高速公路地质选线中,各因素存在差别,同时又相互关联,对其评价需要考虑到多种指标、多种属性、重要程度不同等问题。为了提高评价质量,本文引入层次分析法(Analytics Hierarchy Process,简称AHP法)[6]和综合指数评价模型进行定量评价分析。

3.1 层次分析法概要

首先,建立高速公路地质选线的评价指标是首要任务,评价指标体系需要满足代表性、可比性、系统性等原则,同时需要确定评价指标之间的关联关系和隶属关系,进行分类分组,构造出一个有序的递阶层次结构模型;其次,对同一层次运用两两比较的方法对各指标进行比较,建构判断矩阵(见表1);然后,通过计算判断矩阵最大特征根和特征向量,可得到同一层某指标相对于上一层某指标相对重要性的排序权重;最后,由于客观事物的复杂性以及认识的片面性,构造的判断矩阵不一定是一致性矩阵,需要进行随机性和一致性检验[7](见表2),当CR≤0.10时,判断矩阵才具有满意的一致性,此时所获取的权值是合理的[8]。

表1 层次分析定权法的判断矩阵标度及其含义

表2 层次分析法的平均随机一致性指标值

3.2 综合指数评价模型概要

根据层次分析法得到各递阶层因子权重Wi后,结合工程地质条件具体要素因子评价值Pi,再加权求和,得到各递阶层因子数值Ik。其数学模型为:

其中,m为评价因子总数。

根据此公式所计算出的最终结果值判断路线方案的优劣性,最终综合计算数值Ik越小,方案越优。

3.3 地质选线评价案例分析

汕头至湛江高速公路工程云浮至湛江段全长约266 km,其中选取起点处约40 km进行选线比选评价分析。根据广东省交通运输相关规划,为满足服务功能要求,可知新兴县县城是基本走向控制点,簕竹镇是一般控制点,结合前后控制点,拟定了近南北走向路线方案。根据地形地貌地质条件,结合现场踏勘,拟定了沿山脚布线的A线方案和更靠近新兴县县城的B线方案,结合起点不同拟定了局部C线方案。

该段主要位于构造剥蚀中低山丘陵地区,出露侵入岩和碎屑岩,主要为震旦系(Z)的大绀山组(Z1d)地层,寒武系(∈)的牛角河组(∈n)和高滩组(∈g)地层,晚侏罗世黑云母花岗岩(J3γβ)等等,受印支构造运动和前前加里东构造运动影响,发育大山背斜、七星顶断层(见图2—图5)。

对该段项目地质选线进行分析,确定项目目标层,从地质角度选线确定最佳方案。接着建立评价指标,从场地稳定性方面看,该段路线位于新华夏构造带的第二隆起带的南段,与七星顶断层近乎平行,与大山背斜垂直相交,动峰值加速度为0.05g,各路线稳定性都较好,差别不大;从地形地貌看,B线和C线相对平坦,A线由于靠近山脚展线,起伏相对较大,存在一定差别;从地层岩类看,A线主要位于花岗岩坚硬岩区,砂岩、石英片岩松散—半坚硬碎屑岩区,B线主要位于花岗岩坚硬岩类区,砂岩、砾岩半坚硬—坚硬碎屑岩区,板岩、砂岩松散—半坚硬岩碎屑岩区,C线主要位于花岗岩坚硬岩区,砂岩、石英片岩松散—半坚硬碎屑岩区,差别较大;从现场勘探看,主要见花岗岩滑塌、软弱土层、砂岩和板岩碎屑体滑坡等不良地质与特殊岩土。按层次分析法构建递阶层次结构,可知地形地貌、地层岩类、不良地质与特殊岩土三个特征属于典型的准则层,同时结合该段地质具体情况对应列出指标层(见表3)。最后经过相关专家讨论,确定了评价指标之间相对重要性,建立判断矩阵,分层次进行计算,同时进行一次性检验,说明各指标的权重值是合理的(见表4—表7)。

表3 层次分析法递阶层次结构

表4 判断矩阵A及各因素权重

表5 判断矩阵B及各因素权重

表6 判断矩阵C及各因素权重

表7 判断矩阵D及各因素权重

本段拟定了三个路线方案,分别为A线、A+B+A线、C+A线,为便于统一标准和比较,本次对各指标层在全线中所占比例进行统计,统计数据结合道路路线、地质收集资料、现场调绘勘探等综合因素确定(见表8)。最后依据综合指数评价模型得出各比较线准则层和目标层得分。可知,A+B+A线Ik总分值为0.198,从地质选线角度认为是最优路线方案(见表9)。

表8 全线各指标层所占比例Pi

表9 路线方案综合评分对比简表Ik

4 最优路线方案的局部优化

确定好最优路线方案后,还需进行更深入的工程地质调查和勘测,一般在施工图勘设阶段进行,对局部存在的工程地质问题进行分析研究,利用层次分析法得出的指标权重,抓住主要矛盾,也就是影响最大的评价指标,尽量采取绕避,无法避开的,妥善处理工程地质问题“防”与“治”的关系,在完成局部方案优化基础上,最终合理确定工程方案。汕头至湛江高速公路工程云浮至湛江段起点约40 km地质选线过程可知,在准则层中,不良地质与特殊岩土对选线影响相对最大,在地形地貌指标层中,剥蚀低山对选线影响相对最大,在地层岩类指标层中,松散—半坚硬碎屑岩对选线影响相对最大,在不良地质与特殊岩土指标层中,碎屑体滑坡对选线影响相对最大,而碎屑体滑坡经常发育于剥蚀低山或丘陵地貌中松散—半坚硬碎屑岩区。因此,我们在施工图阶段重点关注碎屑体滑坡,可以适当采取调整局部路线平面或纵面,进行避让或降低处置规模,完成最优路线方案的局部优化。