成永剛，趙曉彥

(1.四川公路工程咨詢監(jiān)理公司， 四川 成都 610041； 2.西南交通大學(xué) 地質(zhì)工程系， 四川 成都 610031)

川藏高速公路四川境內(nèi)線路走廊帶狹窄、江河發(fā)育，地形陡峻、斷裂發(fā)育、氣候惡劣，形成了極其復(fù)雜的地質(zhì)條件，極其脆弱的生態(tài)條件，極其困難的工程建設(shè)條件。為填補(bǔ)四川藏區(qū)高速公路空白，提升國防安全保障水平，修建于川西藏區(qū)的南線川藏高速公路雅(安)康(定)段全長134.135 km，采用路基寬度24.5 m的四車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)[1]，橋隧比85%，每公里造價1.9億元，線路標(biāo)高從580 m快速抬升至3 000 m，是目前我國地質(zhì)條件最為復(fù)雜、工程建設(shè)難度最大、同等建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中造價最高的高速公路。

自工程建設(shè)以來，區(qū)內(nèi)巖漿巖建造坡體開挖后的路塹邊坡潛在破壞模式，由于工程地質(zhì)分析上的分歧，造成工程處治方案久拖不決，甚至造成大量工程報廢而形成不良的社會影響?；诖?，本文以雅康高速公路ZK49+090—ZK49+260段的玄武巖坡體病害處治工程為例，對玄武巖路塹邊坡中常見的幾個工程地質(zhì)問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，并在此基礎(chǔ)上對邊坡的工程防治方案進(jìn)行了探討。

ZK49+090—ZK49+260段玄武巖邊坡位于天全縣思經(jīng)鄉(xiāng)境內(nèi)，雅安端緊鄰公家坪大橋和天河長隧道，康定端緊鄰李子坪特大橋。設(shè)計(jì)階段由于區(qū)內(nèi)大量玄武巖出露地表，巖體性質(zhì)良好，故擬作為料場將玄武巖砌于路面基材。即在路基內(nèi)側(cè)設(shè)置11.0 m寬平臺，邊坡采用1∶0.3～1∶0.5的坡率開挖，形成了坡高85.0 m、取料26.3×104m3的深挖路塹邊坡。

2015年底，邊坡開挖時發(fā)現(xiàn)玄武巖受構(gòu)造作用風(fēng)化較為強(qiáng)烈、斷裂發(fā)育，造成玄武巖力學(xué)性質(zhì)無法滿足路面材料和邊坡穩(wěn)定性要求，需對原設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整?；诖?，原位治理方案取消坡腳寬大平臺、設(shè)置較緩坡率后邊坡高約128 m，并采用三排抗滑樁與大量錨固工程加固，其工程造價達(dá)7 113萬元。故提出線路左線采用隧道通過，右線適當(dāng)外移22.0 m后采用橋梁通過，線路影響長度為1 451 m，處治工程造價約4 439 萬元，并造成已建的公家坪大橋和李子坪特大橋約530萬元的報廢工程[2-3]。

變更方案審查階段，相關(guān)各方由于對玄武巖邊坡的工程地質(zhì)分析產(chǎn)生了巨大分歧，在長達(dá)近一年多批次的專家會審時無法與設(shè)計(jì)單位達(dá)到共識。最后考慮到2017年底的通車壓力，建設(shè)單位決定采用設(shè)計(jì)單位推薦的調(diào)線和隧道方案進(jìn)行處治。

1 玄武巖坡體基本特征

1.1 地形地貌特征

玄武巖邊坡區(qū)峽谷深切，岸坡陡峻，屬構(gòu)造剝蝕的低中山峽谷地貌。所依附的條狀山脊相對高差約646 m，山脊地形地貌上呈多級陡緩相間。高速公路在山脊坡腳的溝谷上部約40.5 m的陡坡部位通過，邊坡工程影響范圍內(nèi)的自然坡度約30°～50°，坡腳河流為典型的暴漲暴落型山區(qū)河流，河流沖刷嚴(yán)重，受邊坡所依附的自然突出山脊影響而呈“S”形從斜坡下部拐彎通過。如圖1所示。

圖1 玄武巖邊坡地質(zhì)平面圖

1.2 坡體結(jié)構(gòu)特征

坡體上層為厚2.0 m～18.0 m的稍密的崩坡積碎石土，其中粒徑d>200 mm約占5%～15%，d在200 mm～20 mm約占50%～70%，d在20 mm～2 mm約占10%，余為粉黏粒。呈現(xiàn)出邊坡由上至下，由小里程向大里程碎石土厚度逐漸減小的趨勢。坡體下伏斑狀結(jié)構(gòu)、杏仁狀構(gòu)造的玄武巖，其中碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層厚度約為3 m～5 m左右，其下為較完整的微風(fēng)化玄武巖。坡體內(nèi)主要發(fā)育四組節(jié)理，其基本特征見表1(見圖2)。受區(qū)域構(gòu)造影響，自然邊坡發(fā)育有3條次級斷層CF1—CF3，其基本特征見表2。場地基本地震烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.15g[4]。

圖2 結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

表1 坡體玄武巖結(jié)構(gòu)面性質(zhì)及特征

表2 斷層性質(zhì)及特征

1.3 水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)年平均降雨量1 660 mm，坡腳大河為典型的暴漲暴落型山區(qū)河流，受項(xiàng)目區(qū)玄武巖地層的影響，河流的側(cè)蝕和下切相對比較輕微，且河流由于受凸出的玄武巖山脊阻擋呈“S”形從坡腳通過。邊坡后部山體高大，植被茂盛，但由于邊坡所依附的山脊在地形上凸出，造成項(xiàng)目區(qū)邊坡下水作用微弱。

2 坡體工程地質(zhì)特征分析

工程設(shè)計(jì)變更時，各方在坡體的主要四個工程地質(zhì)特征上產(chǎn)生了分歧，直接影響了處治方案的分析:

(1) 受CF1—CF3三條次級斷層影響造成邊坡巖體破碎而穩(wěn)定性變差。

(2) 玄武巖似層面與邊坡外傾結(jié)構(gòu)面配套組合后形成貫通的長大潛在滑面。

(3) 玄武巖坡體卸荷嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)面存在泥質(zhì)充填和鏡狀擦痕，造成坡體穩(wěn)定性差。

(4) 玄武巖邊坡地表堆積層穩(wěn)定性差。

基于此，變更原位治理方案采用緩坡開挖后形成了高約128 m的高大邊坡，并在以上四個不利地質(zhì)因素的作用下，開挖后的邊坡潛在下滑力達(dá)到了13 785 kN/m，需設(shè)置3排2.4 m×3.6 m×30 m～34m@5m的錨索抗滑樁和52排設(shè)計(jì)拉力為800 kN的錨索進(jìn)行加固(見圖3)。該處治方案工程造價為7 113萬元，且工期長而不能滿足通車要求。由此，設(shè)計(jì)最終推薦采用“工期可控、造價合理”的調(diào)線方案，即線路左線原位以暗挖隧道形式通過，右線適當(dāng)外移22.0 m后設(shè)置橋梁通過。該方案工程造價約4 439 萬元，報廢已建的公家坪和李子坪大橋工程約為530 萬元。

圖3 原位治理變更治理方案工程地質(zhì)斷面圖

2.1 關(guān)于次級斷層對邊坡的穩(wěn)定性影響

作為構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，這三條次級斷層中CF1和CF3斷層屬于壓性斷裂，呈帶狀延伸長度近百米，破碎帶內(nèi)巖體呈碎裂狀。CF2屬于張性斷裂，只在坡體局部出現(xiàn)，其延伸長度約15 m左右，其斷裂面呈鋸齒狀，有泥質(zhì)充填。這三條斷裂從性質(zhì)、形態(tài)上看，其對坡體的整體穩(wěn)定性或局部穩(wěn)定性分別有一定的影響。

從斷裂分布的位置上來看，CF1斷裂位于小里程側(cè)擬挖方的路塹邊坡坡腳不利于坡體整體穩(wěn)定，故應(yīng)貫徹高邊坡“固腳”原則的基礎(chǔ)上，采用抗滑樁等工程力度較大的措施進(jìn)行預(yù)加固是可以有效消除其對邊坡不利影響的。CF2斷裂位于擬挖方的路塹邊坡的二級邊坡中部，對坡體的局部穩(wěn)定性存在一定的影響。CF3斷裂位于擬挖方的路塹邊坡的坡頂附近，宜采用陡坡率設(shè)置加大開挖坡面斷層之間的安全距離。也就是說，雖然這三條斷層對高邊坡的整體穩(wěn)定性或局部穩(wěn)定性分別有一定的影響，但只要必要的合理工程措施，是可以有效確保坡體的永久穩(wěn)定性的。

2.2 關(guān)于玄武巖的控制性結(jié)構(gòu)面

項(xiàng)目區(qū)玄武巖結(jié)構(gòu)面可分為原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和淺表生結(jié)構(gòu)面。其中坡體的原生建造是基礎(chǔ)[7]，后期次生的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和淺表生結(jié)構(gòu)面，破壞了玄武巖的完整性，使巖體力學(xué)性質(zhì)具各向異性，對坡體的變形破壞模式有一定的影響。

玄武巖似層面J1延伸長度大而連續(xù)性較好，構(gòu)成了坡體的巖體力學(xué)作用邊界，控制巖體變形破壞的演化方向、坡體穩(wěn)定性計(jì)算的邊界，作為獨(dú)立的地質(zhì)單元，是重要的工程地質(zhì)邊界[8]，為A類貫通性宏面結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面J2和 J3對坡體淺表層巖體的完整性影響較大，為B類顯現(xiàn)結(jié)構(gòu)面。從潛在的控制性結(jié)構(gòu)面來說，由于玄武巖的流面J1與構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和淺表層結(jié)構(gòu)面的J2與J3，在性質(zhì)上存在很大的差異，尤其是結(jié)構(gòu)面延伸長度呈現(xiàn)數(shù)量級的差異，因此，玄武巖似層面與邊坡外傾結(jié)構(gòu)面配套組合后形成的長大潛在滑面是不成立的，其配套后只能在坡面形成危巖落石。

2.3 關(guān)于玄武巖的坡體卸荷

項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。坡體所在山脊地形地貌上呈多級陡緩相間，顯示坡體在形成過程中受到新構(gòu)造運(yùn)動、河流的下切，以及卸荷等淺表生改造的時效作用[9-10]，具有明顯的時空發(fā)育特征，即地殼上升、剝蝕作用在時間上的階段性和坡體形態(tài)在空間上的分帶性，對坡體結(jié)構(gòu)具有直接的影響。淺而表生改造使玄武巖坡體出現(xiàn)多組外傾結(jié)構(gòu)面，斜坡巖體順坡向出現(xiàn)一定的板裂化，見圖4。即：J2陡傾角結(jié)構(gòu)面為多次構(gòu)造活動所致，并受到后期淺表生構(gòu)造作用的改造。其貫通度差，結(jié)構(gòu)面微張—閉合。J3較緩傾角結(jié)構(gòu)面反映出玄武巖自然邊坡受新構(gòu)造運(yùn)動和溝谷側(cè)向卸荷的共同作用影響。其貫通度差，與坡面呈大角度相交，結(jié)構(gòu)面微張—閉合。J4反傾結(jié)構(gòu)面是坡體在卸荷作用下使巖體向溝谷的臨空方向出現(xiàn)回彈錯動，外傾結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)鏡狀擦痕，并造成拉張性質(zhì)、多充填有次生泥的現(xiàn)象?？紤]到回彈錯動呈現(xiàn)出向坡體深處逐漸減小的趨勢，結(jié)構(gòu)面由地表的微張而逐漸閉合呈現(xiàn)剛性結(jié)構(gòu)面特征，加之結(jié)構(gòu)面貫通度差，結(jié)構(gòu)面力學(xué)性能較好，其對坡體穩(wěn)定性影響較小。J1似層面是玄武巖原生噴出時的流面所致[11]，其結(jié)構(gòu)面呈閉合—微張，無層間錯動帶等軟弱結(jié)構(gòu)面，屬硬性結(jié)構(gòu)面，似層面物理力學(xué)參數(shù)較高，且其與開挖面夾角53°，故對坡體的整體穩(wěn)定性影響相對較小。

基于此，玄武巖坡體不存在貫通的卸荷結(jié)構(gòu)面，且結(jié)構(gòu)面的泥質(zhì)充填和鏡狀擦痕現(xiàn)象主要存在坡體的淺表層，不會對坡體的整體穩(wěn)定性形成較大影響。

圖4 玄武巖邊坡局部圖

2.4 關(guān)于地表堆積層的穩(wěn)定性

坡體堆積層主要是由后部山體的崩坡積碎石土形成，呈稍密狀，下伏土巖界面與地表自然坡度近于一致，約為40°～45°，坡體無地下水活動痕跡。從碎石土和下伏玄武巖性質(zhì)的工程地質(zhì)類比來說。稍密狀的碎石土綜合類摩擦角應(yīng)不小于35°；從自然坡度的工程地質(zhì)類比來說，自然地表坡度是坡體內(nèi)部物理力學(xué)性能在表觀的綜合反映[12-13]，并且經(jīng)受自然的外界營力作用。因此，自然坡面傾角α應(yīng)較碎石土或土巖界面處的綜合內(nèi)摩擦角φ小，即φ≥40°。故考慮到玄武巖邊坡地表堆積體的物理力學(xué)參數(shù)相對較好，在對其進(jìn)行適當(dāng)工程預(yù)加固、防止坡體力學(xué)參數(shù)降低的基礎(chǔ)上，是可以確保開挖邊坡的穩(wěn)定性的。

需要說明的是，緊鄰的大里程側(cè)起點(diǎn)ZK49+260的李子坪特大橋，其在修建時開挖形成了高約80.0 m的近直立玄武巖邊坡。該臨時邊坡在開挖后沒有采取任何防護(hù)工程，在大橋施工的近兩年的時間內(nèi)，坡體整體穩(wěn)定性較好，只有個別依附于CF3小斷層的危巖落石掉落。這有效印證了玄武巖坡體的整體穩(wěn)定性是良好的，可以通過適當(dāng)?shù)墓こ谭雷o(hù)而能夠確保高速公路的永久安全的。

3 變更設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

3.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的思路

通過以上玄武巖坡體工程地質(zhì)分析，可得對坡體原位處治方案進(jìn)行有效優(yōu)化，從而提高處治方案的安全性、經(jīng)濟(jì)性和社會影響性。

(1) 依據(jù)玄武巖流面、淺表生結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)[14]，與開挖臨空面進(jìn)行合理的地質(zhì)配套確定玄武巖邊坡的主控潛在滑面，減少工程對斷層和地表堆積體的擾動。

(2) 玄武巖高邊坡貫徹“固腳、強(qiáng)腰、分級加固”的理念，結(jié)合工程地質(zhì)條件，采用合理收坡、預(yù)加固的原則，盡量減小邊坡高度和工程規(guī)模，保護(hù)環(huán)境。

(3) 依據(jù)坡體工程地質(zhì)分析，結(jié)合緊鄰的李子坪特大橋開挖的近直立邊坡的工程類比，對坡體的潛在下滑力依據(jù)巖石壓力和堆積體的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核。經(jīng)計(jì)算分析，坡體的控制性下滑力為2 652 kN/m，為設(shè)計(jì)文件的19.24%。邊坡處于工程加固的安全、經(jīng)濟(jì)合理范圍。

(4) 依據(jù)邊坡開挖后的形成的臨空面，分別對上部堆積體和下伏玄武巖邊坡開挖后的穩(wěn)定性進(jìn)行加固。貫徹“固腳、強(qiáng)腰、分級加固”的原則[15]，在邊坡坡腳設(shè)置多排錨索的“樁式梁”型錨索抗滑樁，對CF1和CF2斷層影響范圍內(nèi)的坡體進(jìn)行預(yù)加固而“固腳”，樁后邊坡采用面板式錨桿或錨索擋墻進(jìn)行“強(qiáng)腰”，從而有效提高坡體的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。

3.2 防護(hù)工程設(shè)置

在坡腳設(shè)置一排2.4 m×3.6 m×36 m@5 m的錨索抗滑樁進(jìn)行固腳收坡，并在長20 m的樁體懸臂段設(shè)置四排設(shè)計(jì)拉力為500 kN的錨索；樁后位于中風(fēng)化的二、三級邊坡采用1∶0.2坡率，設(shè)置板厚為30 cm、設(shè)計(jì)拉力為500 kN的6排錨索輕型錨索擋墻；由稍密狀碎石土構(gòu)成的四級邊坡，采用1∶0.35坡率，設(shè)置板厚為30 cm、設(shè)計(jì)拉力為400 kN的3排錨索和直徑為Φ32的錨桿組成的輕型擋墻。經(jīng)優(yōu)化后，邊坡的坡高可由128 m降為55.9 m。

4 結(jié) 語

(1) 川藏高速公路所經(jīng)地區(qū)峽谷深切、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，技術(shù)人員應(yīng)積極調(diào)整適應(yīng)“無人區(qū)”等復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)調(diào)查和巖土工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，盡量減少工程建設(shè)期間的重大設(shè)計(jì)變更。

(2) 復(fù)雜環(huán)境中的玄武巖邊坡防治，應(yīng)依據(jù)地形地貌、巖土體性質(zhì)、坡體結(jié)構(gòu)等地質(zhì)條件，結(jié)合工程地質(zhì)類比，合理分析斷層、流面、淺表生結(jié)構(gòu)面和地表堆積體對邊坡的穩(wěn)定性影響程度。

(3) 高度超過30 m的深挖路塹邊坡，應(yīng)在合理設(shè)置預(yù)加固和主動防護(hù)工程的基礎(chǔ)上，采用陡坡率收坡防護(hù)方案，減小開挖工程對坡體擾動和保護(hù)環(huán)境。