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        綜合地質(zhì)勘察方法在復(fù)雜地質(zhì)山區(qū)選線中的應(yīng)用

        2022-07-08 09:07:12楊緒波廖芳茂胡朝旭
        公路交通技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:調(diào)繪選線泥石流

        楊緒波, 廖芳茂, 金 鋆, 胡朝旭, 謝 偉

        (四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司, 成都 610041)

        隨著西部大開發(fā)的發(fā)展以及脫貧攻堅戰(zhàn)向偏遠貧困地區(qū)的深入,四川省高速公路建設(shè)逐步進入“甘、阿、涼”等山區(qū),該區(qū)地形起伏大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、不良地質(zhì)發(fā)育、生態(tài)環(huán)境脆弱,使得該區(qū)修建公路勘察設(shè)計及施工難度都很大,橋隧結(jié)構(gòu)占比高,工程造價高,后期運營維護難度大。因此,合理科學(xué)的路線設(shè)計方案既要結(jié)合場區(qū)地形、地質(zhì)特點順勢而為,又要讓工程造價經(jīng)濟、運營安全、維護成本可控,使得項目整體發(fā)揮最佳的經(jīng)濟與社會效益。

        地質(zhì)選線已有大量研究與成功實踐。王韜等[1]以云南功待高速公路為例,運用不良地質(zhì)高發(fā)區(qū)地質(zhì)選線方法和原則開展地質(zhì)選線研究工作;劉品等[2]總結(jié)了地質(zhì)選線在不同設(shè)計階段中的運用,并以惠羅高速為例對地質(zhì)選線進行有效運用;祝建平等[3]采用無人機航拍與常規(guī)綜合選線手段相結(jié)合的方式對重慶巫鎮(zhèn)高速進行選線;高文濤等[4]根據(jù)西南地區(qū)多條高速公路地質(zhì)選線經(jīng)驗,總結(jié)了“八宜八不宜”原則;孫廣遠[5]結(jié)合成渝高速公路設(shè)計,歸納了目前山區(qū)高速公路設(shè)計中存在的典型地質(zhì)問題;毛學(xué)舜等[6]總結(jié)了地質(zhì)選線原則并用于杭新景高速公路方案比選;崔光耀等[7]結(jié)合汶川地震后G213線映汶路重建工程,提出了強震后高烈度艱險山區(qū)公路重建防災(zāi)選線的十字方針;李瑞濤等[8]從地形、地質(zhì)、特殊景觀、交叉等方面進行路線方案的比選與優(yōu)化;吳孝敏等[9]在川藏高速公路北線選線研究中,采用計算智能輔助選線軟件與常規(guī)選線方法相結(jié)合,選出最優(yōu)方案;謝猛[10]針對路線穿越采空區(qū)的選線問題,提出了綜合勘察方法;全炳欣等[11]將地質(zhì)選線應(yīng)用于山西省東大線改線工程前期設(shè)計,成功地繞避了滑坡群和不良地質(zhì)病害等地質(zhì)環(huán)境。

        據(jù)上分析,地質(zhì)選線的應(yīng)用是否成功,關(guān)鍵是能否有效獲取各類地質(zhì)信息,為其提供可靠依據(jù)。本文在總結(jié)前人對地質(zhì)選線研究的基礎(chǔ)上,以四川瀘石高速為例,總結(jié)了一套有效的綜合地質(zhì)勘察方法及流程,并成功用于該項目地質(zhì)選線中,優(yōu)選出最優(yōu)路線方案,可供復(fù)雜山區(qū)公路勘察設(shè)計參考。

        1 地質(zhì)概況

        瀘石高速位于四川省甘孜州瀘定縣及雅安市石棉縣境內(nèi)。路線全長約 96 km,雙向4車道,路基寬度25.5 m,設(shè)計隧道21座,橋梁46座,其中大于6 km超特長隧道2座,特大橋10座,橋隧比例90.3%[12-14]。

        1.1 地形地貌

        場區(qū)位于川西地區(qū)四川盆地向青藏高原的過渡帶,地貌以中高山峽谷地貌為主,山體呈近南北走向,山嶺海拔高程2 729 m~3 525 m,嶺谷相對高差達1 800 m~2 200 m。

        1.2 地層巖性

        場區(qū)內(nèi)地層以元古界巖漿侵入巖為主,局部段落出露有中生界三疊系上統(tǒng)須家河組、古生界泥盆系中統(tǒng)地層,第四系地層分布在河(溝)谷、斜坡地段。

        1.3 地震構(gòu)造及地震

        項目走廊帶依次跨越了龍門山構(gòu)造帶和鮮水河—滇東構(gòu)造帶,構(gòu)造體系復(fù)雜。近場區(qū)內(nèi)主要發(fā)育大渡河斷裂、金坪斷裂、得妥斷裂、二郎山斷裂、鮮水河斷裂南東段及大涼山斷裂石棉段等區(qū)域性斷層,場區(qū)構(gòu)造綱要如圖1所示。測區(qū)的地震動峰值加速度為0.20g~0.30g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s~0.45 s。地震基本烈度為Ⅷ度[15]。

        圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要示意

        1.4 不良地質(zhì)

        場區(qū)整體穩(wěn)定性較差,受該區(qū)地層巖性組合與活動構(gòu)造的影響,場區(qū)內(nèi)主要不良地質(zhì)類型為滑坡、崩塌、巖堆、泥石流、庫岸再造、厚層堆積體等。由于項目走廊帶內(nèi)地質(zhì)制約因素多,因此瀘石高速初期路線設(shè)計共布置了8條比較方案,如圖2所示。其中K42~K63段受大崗山庫區(qū)庫岸再造影響,地質(zhì)災(zāi)害極其頻繁,是制約項目能否可行的關(guān)鍵段落。

        2 綜合地質(zhì)勘察

        地質(zhì)選線須對走廊帶地質(zhì)體有全面充分的認識,尤其要避免遺漏大型不良地質(zhì)體,掌握地質(zhì)災(zāi)害體的分布規(guī)律、形成機制,預(yù)測其發(fā)展趨勢[16]。

        傳統(tǒng)勘察方法包括地質(zhì)調(diào)繪、航片解譯、地質(zhì)鉆探、工程物探、室內(nèi)試驗等,另外INSAR遙感監(jiān)測、無人機傾斜攝影等新技術(shù)也逐步用于勘察設(shè)計中。這些方法與手段各有優(yōu)點,但也存在一定局限性,因此綜合地質(zhì)勘察就是多種勘察方法的靈活運用,并相互補充與驗證、相互指導(dǎo)的過程,不能過于強調(diào)某種方法而失偏頗。

        圖2 瀘石高速路線平面示意

        瀘石高速勘察設(shè)計地質(zhì)選線分2個階段:第1階段在收集前期勘察成果及區(qū)域資料基礎(chǔ)上,對區(qū)域穩(wěn)定性及大型不良地質(zhì)體進行調(diào)研和專題研究,并根據(jù)研究成果對路線走廊帶方案進行初步篩選與優(yōu)化;第2階段對各方案及控制性工點進行精細化勘察設(shè)計,通過針對性的各類專題研究并結(jié)合鉆探、物探、遙感等勘察手段,對各路線方案進行評價、比選,最終選出最優(yōu)路線方案,其流程如圖3所示。

        實際工作中,各勘察方法相互驗證,相互指導(dǎo),形成多視角、不同維度的工程地質(zhì)綜合地質(zhì)勘察方法,以查明場區(qū)工程地質(zhì)條件與特征。

        圖3 綜合地質(zhì)勘察方法流程

        3 主要專項勘察成果

        3.1 1∶10 000工程地質(zhì)專項調(diào)繪

        1∶10 000工程地質(zhì)專項調(diào)繪是通過現(xiàn)場觀察、典型剖面量測及描述,調(diào)查項目走廊帶內(nèi)主要構(gòu)造及大型不良地質(zhì)體,并將有關(guān)的地質(zhì)要素以圖例、符號表示在地質(zhì)圖上的方法,以掌握不良地質(zhì)的類型、特點、規(guī)模以及各地質(zhì)災(zāi)害體之間的分布規(guī)律與發(fā)展趨勢預(yù)測,是一項非常重要的基礎(chǔ)性地質(zhì)勘察工作,全線走廊帶內(nèi)主要不良地質(zhì)匯總見表1。

        表1 項目走廊帶內(nèi)大型不良地質(zhì)匯總

        3.2 沿線斷裂構(gòu)造專題研究

        在1∶10 000專項調(diào)繪基礎(chǔ)上,該專題旨在對場區(qū)活動斷裂的性質(zhì)、規(guī)模、空間位置等進行專題調(diào)研。結(jié)果表明,鮮水河斷裂帶南東段(即磨西斷裂)整體呈NW-NNW向,斷裂寬度變化較大,在新民鄉(xiāng)—出路溝一帶斷裂寬度可達70 m~120 m,斷層兩側(cè)影響帶寬約100 m~150 m。由碎粒巖、碎粉巖、斷層泥等組成,為全新世活動斷裂。磨西斷裂在初勘比較線樁號BK59+000 m~BK62+000 m段(什月河、田灣河附近)、K73+000 m~K76+000 m段(新民鄉(xiāng)—出路溝)與擬建高速公路B線相交。磨西斷裂為全新世活動斷裂,存在線路抗斷錯穩(wěn)定問題,建議該段擬建線路在田灣河至石棉段選擇左岸方案,避免磨西斷裂對線路的不利影響。

        3.3 多光譜遙感地質(zhì)災(zāi)害解譯研判

        現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪受地形、植被、覆蓋層等影響,有的地方人員無法達到,調(diào)繪難以展開。為此,在1∶10 000專項調(diào)繪基礎(chǔ)上,采用多光譜遙感地質(zhì)災(zāi)害解譯研判工作,旨在對地質(zhì)災(zāi)害體調(diào)查的補充,遙感結(jié)果見表2。

        由表2可知,全區(qū)范圍內(nèi)不良地質(zhì)體共96處。由于遙感解譯范圍較1∶10 000調(diào)繪范圍廣,包含很多線外區(qū)域以及隧道洞身段區(qū)域,因此遙感解譯數(shù)量總體上較1∶10 000調(diào)繪的不良地質(zhì)數(shù)量多,不良地質(zhì)在地段上和時段上分布相對集中,滑坡主要發(fā)育在河谷岸坡帶,坡度集中在25°~45°,庫岸滑坡的坡度則基本在35°以上,危巖體主要發(fā)育在坡度40°以上區(qū)域的陡坡地段,泥石流溝主要朝向大渡河發(fā)育,且K56~K80段比較集中,碎屑流主要分布于40°以上陡坡,并由不穩(wěn)定危巖崩塌體沿小型沖溝、落石槽崩落,部分碎屑流還轉(zhuǎn)換為泥石流的物源。

        表2 遙感解譯不良地質(zhì)匯總

        3.4 INSAR專項遙感勘察監(jiān)測研究

        對處于初期變形階段的不穩(wěn)定斜坡,因其具有一定隱蔽性,變形跡象不明顯,常規(guī)勘察方法難以發(fā)現(xiàn),為此采用InSAR專項監(jiān)測,對走廊帶重點區(qū)域進行動態(tài)監(jiān)測,旨在獲取走廊帶內(nèi)潛在變形體的幾何特征和變化信息。

        基于SBAS-InSAR技術(shù),在瀘定至石棉高速公路附近邊坡共探測到30個不穩(wěn)定斜坡,其中北段13個,中段11個,南段6個。線路南段比較穩(wěn)定,探測到的不穩(wěn)定斜坡數(shù)量最少,線路北段雖然探測到的不穩(wěn)定斜坡數(shù)目最多,但對線路的威脅性總體小于中段。

        中段受地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水庫蓄水、磨西斷裂活斷層影響,不良地質(zhì)尤為發(fā)育,11處不穩(wěn)定性斜坡年平均變形速率為20 mm/年~39 mm/年,最大累計變形量可達70 mm,且多地處大崗山庫岸兩岸斜坡帶。這些變形體規(guī)模較大,若路線穿越變形體,對其擾動較嚴重,易誘發(fā)變形體進一步變形甚至滑動,進而威脅擬建路線結(jié)構(gòu)物,其地質(zhì)條件與適宜性很差。結(jié)合INSAR專項監(jiān)測結(jié)果,路線方案采用了繞避方式通過,達到優(yōu)選目的。

        3.5 水文地質(zhì)專項勘察

        路線設(shè)計有2座大于8 km的特長隧道,為整個項目的控制性工程。隧道開挖后,隧址區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境會發(fā)生一定改變。為探明其變化規(guī)律,采用水文地質(zhì)專項調(diào)查及水文試驗,對隧址區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征,地表水、地下水分布、埋藏及補給、徑流、排泄條件等進行研究。

        結(jié)果表明地下水主要受大氣降水、冰雪融水補給,通過裂隙入滲補給地下水,裂隙系統(tǒng)是控制地下水從補給區(qū)流向排泄區(qū)徑流的主要途徑。地下水的徑流主要受地形、地質(zhì)構(gòu)造(節(jié)理裂隙)、巖性及排泄基準面的控制,呈現(xiàn)出較為顯著的構(gòu)造控水特征。隧址區(qū)內(nèi)山勢陡峭,地形對地下水流動起到了決定性的影響作用,地表水分水嶺與地下水分水嶺基本重合,地下宏觀徑流方向與地表高程等高線呈正交趨勢。主要的排泄方式為隱伏分散裂隙流,其次為集中泉水。大渡河為隧址區(qū)最低侵蝕基準面和各類水源的排泄通道。

        隧道區(qū)內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水,主體圍巖為花崗巖,洞身段出水狀態(tài)以點滴狀、雨淋狀為主,局部股狀涌水為主,涌突水危險主要集中在花崗巖體中的輝綠巖脈、節(jié)理密集帶、次級斷層帶及其影響帶以及隧道穿越溝谷的淺埋段,主要高風險段落見表3。

        表3 涌突水高風險段落統(tǒng)計

        隧道開挖通過這些高風險區(qū)段時,建議采用鉆探、物探等多種手段加強超前探水地質(zhì)預(yù)報。除上述段落外,其余段圍巖中含次級斷層、巖脈及節(jié)理密集帶也會有涌突水、突泥災(zāi)害,隧道施工應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報,特別是加強對隱伏次級斷層、破碎巖脈、長大裂隙等導(dǎo)水構(gòu)造的超前探測,并根據(jù)超前預(yù)報成果,采用超前泄水孔方式釋放地下水,降低洞內(nèi)涌突水、突泥風險。

        3.6 泥石流專項調(diào)查

        路線走廊帶內(nèi)共發(fā)育有28條規(guī)模不等的泥石流,針對推薦線走廊帶內(nèi)9條泥石流溝進行了專項調(diào)查,旨在查明泥石流的基本特征、形成條件及規(guī)模,并查明其成因類型及演化過程,評價泥石流的危險性及發(fā)展演化趨勢。

        調(diào)查結(jié)果表明,場區(qū)內(nèi)泥石流多為暴雨類-溝谷型-稀性泥石流,其規(guī)模以中、大型為主,少量小型泥石流,其中分布1處特大型泥石流,其發(fā)展階段以衰退期為主,部分處于發(fā)展期,且發(fā)展期泥石流多位于鮮水河斷裂帶附近,尤其以海螺溝磨西河泥石流為代表。由于路線位于構(gòu)造活躍區(qū),若區(qū)域內(nèi)發(fā)生強震,導(dǎo)致物源量增加,場區(qū)內(nèi)處于衰退期的泥石流仍可能爆發(fā)大型泥石流。泥石流明線段采用橋梁以大跨徑方式通過,由于部分泥石流溝床較寬,橋墩位置應(yīng)盡量避開泥石流主溝道,并進行防沖擊和防掏蝕設(shè)計,同時做好岸坡防護,以防止洪流側(cè)蝕,確保橋梁安全。

        3.7 綜合物探

        鮮水河活動斷裂帶是本項目路線方案的控制性因素之一,斷裂帶的影響寬度直接影響路線方案的調(diào)整。采用物探瞬變電磁法,在斷層帶與路線交匯處布設(shè)了2條物探剖面,旨在查明斷層規(guī)模與空間位置及其影響帶寬度,并采用鉆探進行驗證,典型剖面如圖4所示。

        單位:m

        根據(jù)物探解譯并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)繪、鉆孔驗證,鮮水河斷裂帶寬320 m~440 m,斷裂帶內(nèi)由斷層角礫巖、糜棱巖等構(gòu)成,呈眼球狀構(gòu)造,巖質(zhì)極軟呈塑性狀態(tài),其影響帶寬度約560 m~1 150 m,巖體破碎,構(gòu)造擦痕發(fā)育,礦物呈定向排列特征,部分段落發(fā)育次級小斷層。

        4 地質(zhì)選線應(yīng)用

        由于本項目地形起伏大,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,不良地質(zhì)體眾多,其它干擾因素多,共設(shè)計了8條同精度比較線方案以及6條論述線方案,對路線走廊帶5個段落進行比選。本文以其中K46~K83段為代表,通過綜合地質(zhì)勘察方法與分析,從地質(zhì)角度評價路線適宜性與可行性。

        K46~K83段長37 km,走廊帶內(nèi)K46~K65段位于大崗山庫區(qū)范圍內(nèi),由于場區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體發(fā)育,因此設(shè)計提出左岸和右岸2個方案。其中,左岸方案包括了E+G與K+G 兩個方案,右岸方案即B1+K+C。通過上述綜合地質(zhì)勘察方法,該段走廊帶整體上與鮮水河斷裂構(gòu)造帶近平行,此外還發(fā)育有得妥斷層,場區(qū)內(nèi)地層巖性以元古界早震旦系花崗巖為主,局部發(fā)育有三疊系須家河煤系地層以及泥盆系中統(tǒng)變質(zhì)巖。場區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體由泥石流、滑坡、錯落體、崩塌、庫岸再造以及部分大型地震堆積體構(gòu)成。各方案涉及的不良地質(zhì)體、結(jié)構(gòu)物特征及路線方案比選見表4,走廊帶內(nèi)不良地質(zhì)分布如圖5所示。

        通過地質(zhì)條件的比選與分析,并結(jié)合工程規(guī)模與造價,考慮地質(zhì)安全及后期維護難度,最終選定左岸E+G為推薦線方案。該方案所涉及的不良地質(zhì)體規(guī)模有限,可通過工程措施進行處治,路線繞避了三疊系煤系地層并避免了隨之而來的瓦斯、大變形等隧道地質(zhì)問題,且遠離鮮水河活動斷裂帶,降低了地震時誘發(fā)的次級地質(zhì)災(zāi)害風險。該方案中隧道圍巖整體上以Ⅲ級為主,Ⅳ級次之,圍巖條件較其它方案好,隧道工程造價可控。另外,該方案路線長度最短,不僅提高了工程安全性,降低了工程建設(shè)難度,還節(jié)省了工程造價和后期運營維護費用,因此該路線方案為最優(yōu)方案。

        表4 路線方案綜合比選

        圖5 K46~K83路線方案及不良地質(zhì)平面

        5 結(jié)束語

        瀘石高速目前處于施工階段,前期勘察設(shè)計階段基于綜合地質(zhì)勘察方法的勘察成果與現(xiàn)階段施工揭露的地質(zhì)情況一致,表明該套方法行之有效,現(xiàn)總結(jié)如下:

        1) 對于復(fù)雜山區(qū)的公路勘察設(shè)計,地質(zhì)選線是路線設(shè)計成功與否的首要工作,綜合地質(zhì)勘察方法是地質(zhì)選線的有效技術(shù)支撐。

        2) 綜合地質(zhì)勘察方法是通過區(qū)域地質(zhì)研究、1∶10 000地質(zhì)調(diào)繪、多光譜遙感等多種手段及方法,掌握場區(qū)區(qū)域地質(zhì)情況,通過針對性的各類專題研究獲取局部地質(zhì)特征,并通過鉆探、物探等勘探方法進行補充與驗證,本質(zhì)上是探索建設(shè)場區(qū)地質(zhì)規(guī)律及發(fā)展特征的一種綜合性方法。

        3) 基于地質(zhì)選線的路線設(shè)計,不僅繞避了大型地質(zhì)災(zāi)害體,降低了地質(zhì)風險,還明顯降低了工程造價和后期運營維護費用。

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