謝立山
(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001)
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市化進(jìn)程正逐步向山區(qū)推進(jìn),山區(qū)人民的發(fā)展意愿也在逐步增強(qiáng)。為山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供交通基礎(chǔ)設(shè)施和基本保障,必須對(duì)現(xiàn)有山區(qū)進(jìn)行地質(zhì)研究,提高公路網(wǎng)、高速公路建設(shè)水平,樹(shù)立城鄉(xiāng)一體化發(fā)展模式。山區(qū)由于其特殊的地理位置,多種復(fù)雜的地形環(huán)境相互疊加作用,經(jīng)常發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,這些地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致了山區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中安全問(wèn)題特別重要,如果設(shè)計(jì)選線(xiàn)不當(dāng),后續(xù)高速公路運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患,導(dǎo)致道路無(wú)法正常通行,浪費(fèi)了建設(shè)資金,不利于山區(qū)與外界的聯(lián)系。為最大限度降低山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度,必須優(yōu)化山區(qū)公路的線(xiàn)性設(shè)計(jì)能力,合理規(guī)避各種安全隱患。
公路建設(shè)工作是在山地地形條件下進(jìn)行的,路徑線(xiàn)形設(shè)計(jì)直接關(guān)系到公路的安全運(yùn)營(yíng)。路徑線(xiàn)形設(shè)計(jì)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念,需要在設(shè)計(jì)中做到公路的整體形狀要與地形相匹配,對(duì)于各種地震以及山體滑坡、破碎崩塌等影響盡可能規(guī)避。同時(shí)控制平面、縱斷面和橫斷面,提高線(xiàn)路形狀的合理性。公路應(yīng)盡量避開(kāi)耕地,保持沿線(xiàn)水土質(zhì)量和生態(tài)修復(fù)。保障山區(qū)交通安全所需的交通安全設(shè)施配套道路總體規(guī)劃,綜合考慮沿線(xiàn)礦產(chǎn)資源分布、文化資源保護(hù)等因素,對(duì)公路設(shè)計(jì)中各分項(xiàng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某杀竟芾韀1]??傊?,在山路選路和設(shè)計(jì)階段,綜合考慮路線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)可行性、安全性、舒適性,盡可能避免潛在的地質(zhì)災(zāi)害,盡可能符合地形,減少充填和開(kāi)挖工作對(duì)原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響,減少外力擾動(dòng)。此外,在設(shè)計(jì)工作開(kāi)展過(guò)程中,應(yīng)隨時(shí)聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)人員,以確保設(shè)計(jì)階段的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。
研究思路是首先從地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、工效學(xué)、氣候、水文地質(zhì)、地質(zhì)等方面識(shí)別高速公路周邊區(qū)域可能存在的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),然后結(jié)合高速公路建設(shè)進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,重點(diǎn)關(guān)注特殊問(wèn)題[2]。在路段中,通過(guò)實(shí)地勘察、開(kāi)挖、物探、坑探等手段,提前確定減災(zāi)防災(zāi)的路線(xiàn)規(guī)劃和工程措施。結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)、流程審核與溝通,及時(shí)向客戶(hù)和咨詢(xún)部門(mén)反饋初步路線(xiàn)方案,根據(jù)多方意見(jiàn)優(yōu)化路線(xiàn)方案,對(duì)期間無(wú)法避免的重大災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)路段進(jìn)行排查,最后科學(xué)選路和工程選定的規(guī)劃和災(zāi)害預(yù)防和控制措施的技術(shù)流程,以避免或減少災(zāi)難性損失。
對(duì)于特殊的重大災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)規(guī)劃避免風(fēng)險(xiǎn)路線(xiàn),根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行路線(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)。如果無(wú)法調(diào)整路線(xiàn)計(jì)劃,則應(yīng)優(yōu)先考慮項(xiàng)目解決方案以減少地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響。地理災(zāi)害控制措施應(yīng)基于整個(gè)項(xiàng)目周期系統(tǒng),有效可靠,全面考慮在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各種環(huán)境引起的工程危害,并實(shí)施必要的監(jiān)測(cè)預(yù)警,實(shí)現(xiàn)從源頭控制,并嚴(yán)格控制山區(qū)高速公路的前期選線(xiàn)工作、設(shè)計(jì)工作,保證后續(xù)高速公路運(yùn)行的安全性[3]。
工程線(xiàn)路段巖層分布形態(tài)以沉積巖為主,其中沉積巖層分布明顯。不同的地層差別很大。一些巖層在長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化后不具有良好的承載能力。施工和運(yùn)行過(guò)程中容易因外界荷載擾動(dòng)導(dǎo)致倒塌病害發(fā)生。在山地地形中,地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為明顯,由于地質(zhì)構(gòu)造的長(zhǎng)期作用,容易產(chǎn)生巖石裂縫,從而導(dǎo)致巖石坍塌。因此,在為山路選擇路線(xiàn)的過(guò)程中,應(yīng)盡量避開(kāi)巖壁裂開(kāi)的部分??梢酝ㄟ^(guò)在影響高速公路和橋梁安全的巖層中的滑坡易發(fā)位置設(shè)置長(zhǎng)期觀(guān)察點(diǎn),并及時(shí)反饋災(zāi)害動(dòng)態(tài),提前制定預(yù)防措施[4]。
山區(qū)巖樁分布密集,巖樁主要由塊狀巖石、粒狀碎石、塌陷巖等沉積物組成。巖石結(jié)構(gòu)較松散,巖樁天然孔隙率高,在外荷載壓縮作用下,存在較大的下沉、倒塌、全滑等災(zāi)害。因此,在選擇山路的過(guò)程中,應(yīng)盡量避開(kāi)巖堆,對(duì)于不可避免的情況,應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施,必要時(shí)可采用建筑圍擋,防止山路上碎石滾落。需要清理山中破碎的巖石,并在巖石經(jīng)常掉落的地方添加阻擋結(jié)構(gòu)。安裝蓋板或防護(hù)墻,防止巖石風(fēng)化、零星碎裂,清除山坡或邊坡的巖屑,降低邊坡速度,在巖石破損嚴(yán)重的路段設(shè)置護(hù)欄,石墻、巖石等塊狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于部分懸于邊坡的巖石,根據(jù)地形和巖石的形成情況,采用鋼筋混凝土柱支撐。如果坍塌量大且頻繁,不能建立阻塞結(jié)構(gòu)時(shí),可以在內(nèi)部使用干磚,在表面使用水泥砂漿磚并且使用隧道和其他受保護(hù)的結(jié)構(gòu)來(lái)保證車(chē)輛通行安全[5]。
高速公路沿線(xiàn)有不同數(shù)量的滑坡土壤,滑坡土表面覆蓋著各種類(lèi)型的粉砂黏土、粉砂巖、礫石和松散基巖等,由于滑坡土穩(wěn)定性差,巖層有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)?;虏『性诼坊茀^(qū)雨季、打樁、山路開(kāi)挖和施工措施不當(dāng)?shù)确矫娓鼮槊黠@?;虏『?duì)山區(qū)道路建設(shè)的影響是非常不利的,所以山區(qū)高速的路線(xiàn)選擇過(guò)程要盡量做好,避開(kāi)山體滑坡區(qū),如果實(shí)在沒(méi)有辦法避免,就加一個(gè)擋土墻結(jié)構(gòu),如作為沿線(xiàn)該位置的擋土墻,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綜合治理滑坡病害,加強(qiáng)山路路邊防水排水設(shè)計(jì),禁止在山路滑坡、堆積或傾倒土體。
由于公路工程是條帶狀工程,在地質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和周?chē)襟w構(gòu)造等方面存在很大差異。這些地質(zhì)要素是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究地質(zhì)災(zāi)害物質(zhì)的演化是識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害的前提。因此,在山區(qū)公路線(xiàn)前方,主要根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)圖和地質(zhì)構(gòu)造,研究公路廊道區(qū)的當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)圖、地質(zhì)年代演變和地質(zhì)局給出的報(bào)告,成巖的形成地質(zhì)圖,確定大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的區(qū)域,這是減災(zāi)和防災(zāi)的基礎(chǔ)[6]。
地層巖與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系密切,通道廊道地層根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)圖確定,識(shí)別通道區(qū)軟硬巖、易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地層。山區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中,線(xiàn)路經(jīng)過(guò)彈道層,由于線(xiàn)路經(jīng)過(guò)開(kāi)挖、填方、隧道,施工過(guò)程中易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,避開(kāi)易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地層減少軟巖地段的范圍,通過(guò)移動(dòng)到硬巖地段提高施工以及道路的安全性。
局部地質(zhì)圖決定了路線(xiàn)的單層結(jié)構(gòu),與條帶區(qū)域、地震、原位應(yīng)力、原位溫度、巖石斷裂、板沖擊區(qū)和有源層的地下水開(kāi)發(fā)和工程地質(zhì)條件有關(guān)。在開(kāi)發(fā)巖石破碎和折疊結(jié)構(gòu)的地區(qū),由于巖石的強(qiáng)烈壓縮和碎片,巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低,巖石裂縫增加,巖石層損壞,風(fēng)化程度高,地下水水位高。在公路建設(shè)期間,存在不良的地質(zhì)現(xiàn)象,如緩沖,滑坡和碎片流動(dòng),這也導(dǎo)致了道路路基質(zhì)量不穩(wěn)。穿過(guò)裂縫的波紋結(jié)構(gòu)直接威脅到未來(lái)的安全性或正常運(yùn)行。同時(shí)巖石完整性損壞,地下水沿著裂縫滲透,導(dǎo)致頂部塌陷會(huì)影響施工安全性,橋梁區(qū)域受到斷層區(qū)域的損壞,影響橋梁瀝青長(zhǎng)度和橋梁穩(wěn)定性。因此,在選擇路徑時(shí),避免大規(guī)模斷裂區(qū)域,使路徑平行于斷裂方向,避免接觸山體斷裂裂縫以及減少裂縫結(jié)構(gòu)對(duì)公路工程的影響[7]。
當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)圖通常代表給定區(qū)域的巖石分布狀態(tài),并充分利用現(xiàn)有的生產(chǎn)來(lái)確定道路走廊坡的形成,逆深度和切線(xiàn)特性。該路線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離傾斜切割線(xiàn),以減少順層。如果不可能避免順層情況的出現(xiàn),則應(yīng)減少工程坡度的高度以減少地質(zhì)災(zāi)害。
地形地貌學(xué)收集風(fēng)化、退化、運(yùn)輸、沉積和硬化噴發(fā)的綜合結(jié)果,作為各種地質(zhì)過(guò)程的綜合影響。可以根據(jù)地形地貌特征推斷地質(zhì)功能和演化過(guò)程,預(yù)測(cè)公路建設(shè)工程未來(lái)的變化和可能引起的地質(zhì)災(zāi)害。在設(shè)計(jì)選擇高速公路路線(xiàn)時(shí),地形圖是必不可少的參考。
等高線(xiàn)密集的陡坡一般會(huì)導(dǎo)致壤土中的沉積物塌陷,坡頂?shù)娘L(fēng)化裂縫和危險(xiǎn)巖層與沖積沉積物形成的峽谷緩坡相反,容易形成沉積物和滑坡。在表面平緩獨(dú)立山脈的情況下,斜坡上的巖層具有較強(qiáng)的耐候性,以硬巖為主,工程地質(zhì)條件較好,總體來(lái)說(shuō),山體緩坡以軟巖為主。地層剖面的坡度一般與邊坡巖層的坡向重合,如果路徑垂直于坡向,則容易發(fā)生地層滑坡。
地形斜坡結(jié)構(gòu),生存特性和周?chē)匦紊系鸟R蹄谷或新的一些現(xiàn)有地層的反演,都容易發(fā)生滑坡。從地形的角度來(lái)看,溝渠的發(fā)展和分配,典型的巖溶發(fā)展,喀斯特洪水和碎片流動(dòng)威脅到隧道建設(shè)和結(jié)構(gòu)的安全性,巖石路基的快速崩潰威脅著道路運(yùn)行的安全。因此,在選擇公路路線(xiàn)時(shí),要了解坡度特性的防災(zāi)措施,確定地質(zhì)災(zāi)害的地形,避免或減少路線(xiàn)的影響。應(yīng)特別注意河谷等結(jié)構(gòu)對(duì)于路橋穩(wěn)定性的影響以及建造難度的影響,合理選擇中和長(zhǎng)跨度橋梁的位置,這是線(xiàn)路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
山路建設(shè)中最常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害是山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,但是外部氣候尤其是特殊氣候條件的影響也是一個(gè)重要的外部條件,能夠觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,促進(jìn)并加速發(fā)生和發(fā)展地質(zhì)災(zāi)害。設(shè)計(jì)公路時(shí),應(yīng)特別注意地表水易聚集的低洼地區(qū)、斜坡上的軟土和狹窄峽谷段的流域。同時(shí)要注意臺(tái)風(fēng)等異常氣候?qū)Φ孛嫫露鹊牟焕绊?。道路?jīng)過(guò)隆起的基巖土壤區(qū),還應(yīng)注意雨旱交替對(duì)路基側(cè)坡的影響。
受到山區(qū)中河流的影響,周?chē)娜芏捶e水,地下水和降雨滲透,改變了原始地質(zhì)環(huán)境條件,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害,因此需要正確地識(shí)別。隧道施工導(dǎo)致周?chē)叵陆Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,通過(guò)人工排水使得地下溶洞等水分減少,隧道泄漏水、巖石崩塌、路基沉降等,這些都影響施工安全、公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。同時(shí)高風(fēng)險(xiǎn)巖石區(qū),公路選線(xiàn)應(yīng)繞避,避免在水流通廊道、暗河等區(qū)域附近進(jìn)行道路施工[8]。
人類(lèi)工程對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響主要是對(duì)原始地質(zhì)環(huán)境的破壞和地質(zhì)演化。由于地表變形和塌陷、巖樁工程活動(dòng)、水庫(kù)建設(shè)等,人類(lèi)煤礦產(chǎn)生的地質(zhì)損害導(dǎo)致形成次生碎屑。這改變了路堤的地質(zhì)環(huán)境,導(dǎo)致路堤不穩(wěn)定。
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu),地形圖中預(yù)先規(guī)劃的路線(xiàn)需要重點(diǎn)進(jìn)行災(zāi)害調(diào)查。災(zāi)害機(jī)理包括規(guī)模、性質(zhì)和災(zāi)害影響,包括道路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中的災(zāi)害調(diào)查、可能的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。對(duì)于具有場(chǎng)地勘測(cè)和工程經(jīng)驗(yàn)以及重大地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域,路線(xiàn)規(guī)劃者必須快速提供反饋,以調(diào)整路線(xiàn)規(guī)劃、檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方法。使用工程解決方案減少地質(zhì)災(zāi)害,或在地質(zhì)災(zāi)害方面相對(duì)損失較小的工程解決方案,從中選擇合適的方法減少地質(zhì)災(zāi)害,提高路線(xiàn)設(shè)計(jì)水平。
及時(shí)與業(yè)主溝通、咨詢(xún)、審查、收集經(jīng)驗(yàn)、做出科學(xué)決策、優(yōu)化路線(xiàn)設(shè)計(jì),利用業(yè)主邀請(qǐng)的豐富經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家并結(jié)合咨詢(xún)和審查方面的豐富經(jīng)驗(yàn),提高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)路線(xiàn)圖的設(shè)計(jì)。這是一個(gè)多方面的科學(xué)論證,需要設(shè)計(jì)人員快速響應(yīng)和反饋,降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),最終實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范,路線(xiàn)達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)。
由于山區(qū)公路的路線(xiàn)設(shè)計(jì)方法主要依靠公路線(xiàn)形,因此路線(xiàn)設(shè)計(jì)安全在公路設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要,直接關(guān)系到后續(xù)山區(qū)公路的安全通行質(zhì)量和車(chē)輛的行駛質(zhì)量,以及暢通科學(xué)合理的公路線(xiàn)形設(shè)計(jì)是車(chē)輛安全通行的基本前提。因此,公路線(xiàn)形設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全和技術(shù)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的優(yōu)化組合,有效提高山地道路的安全通行質(zhì)量。
隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念的進(jìn)一步深化,在山路設(shè)計(jì)過(guò)程中也必須強(qiáng)調(diào)環(huán)保要求,環(huán)保設(shè)計(jì)理念必須貫穿山路設(shè)計(jì)的全過(guò)程?,F(xiàn)行國(guó)家公路設(shè)計(jì)規(guī)范明確要求將環(huán)境保護(hù)因素納入公路選線(xiàn)規(guī)范條件,控制山地公路建設(shè)及后續(xù)運(yùn)營(yíng)對(duì)原生態(tài)環(huán)境的影響,提高環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展水平。因此,在實(shí)施道路線(xiàn)形設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意環(huán)保要求,對(duì)路段進(jìn)行綜合環(huán)境評(píng)價(jià),盡量少占用耕地,堅(jiān)決防止民挖。
國(guó)外一些國(guó)家將公路兩側(cè)的安全設(shè)計(jì)作為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)子項(xiàng)目。公路兩側(cè)的容差設(shè)計(jì)是山路安全設(shè)計(jì)的重要體現(xiàn),公路兩側(cè)的容差設(shè)計(jì)的目的是為了保證車(chē)輛的安全返程有足夠的空間。其中公路兩側(cè)的參數(shù)設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)寬度、坡度比和水密排水設(shè)計(jì)。為了不讓山路上的車(chē)輛行駛時(shí)偏離車(chē)道,可增加等高線(xiàn)、引導(dǎo)標(biāo)志等交通安全設(shè)施,并通過(guò)車(chē)道外側(cè)顯示振動(dòng)提供足夠的行車(chē)警告和通知。降低坡度比可降低車(chē)輛傾覆的可能性,應(yīng)修改路基邊溝,并應(yīng)盡可能使用覆蓋排水溝或碟形排水溝。道路必須按時(shí)清理,緊急避讓重型卡車(chē),此外還需要進(jìn)一步優(yōu)化道路欄桿和防撞墻的結(jié)構(gòu)和防撞等級(jí)。
總之,山區(qū)高速公路的設(shè)計(jì)應(yīng)以盡量避開(kāi)危險(xiǎn)路段為基本原則,設(shè)計(jì)過(guò)程中合理規(guī)劃路線(xiàn)總長(zhǎng)并繞開(kāi)地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的區(qū)域。對(duì)于不可避免的路段,應(yīng)當(dāng)采取地質(zhì)災(zāi)害管理和防護(hù)措施,確保相關(guān)路段的安全運(yùn)營(yíng)。在山區(qū)道路的路線(xiàn)選擇期間,必須進(jìn)行早調(diào)查晚設(shè)計(jì),以消除影響線(xiàn)路穩(wěn)定的因素,防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。影響道路的常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害,包括山體崩塌,危險(xiǎn)的巖石,山坡等等道路路線(xiàn)選擇應(yīng)避免大層面的裂縫,避免山體滑坡和塌陷等不利地質(zhì)部分,沿著山區(qū)避免環(huán)境敏感的地區(qū),做好土壤和水資源保護(hù),加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害管理,不擴(kuò)大損害范圍,倡導(dǎo)山路路線(xiàn)設(shè)計(jì),理性路線(xiàn),防止地質(zhì)災(zāi)害,采取科學(xué)合理的綜合改善措施,提高地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)水平,提高道路施工質(zhì)量,保證駕駛安全。