劉駿

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310000）

1 引言

近年來，在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的指引下，我國(guó)公路建設(shè)進(jìn)入新一輪高潮，因公路建設(shè)導(dǎo)致的不良地質(zhì)災(zāi)害也隨之增多[1]，而其中厚層風(fēng)化殼導(dǎo)致的滑坡、邊坡垮塌、隧道坍塌等問題尤為突出，其帶來的人身安全、經(jīng)濟(jì)損失巨大[2]。 本文以桂東南地區(qū)某高速公路為例，總結(jié)該區(qū)域厚層風(fēng)化殼工程地質(zhì)特性，從氣候、地形、巖石特性、地質(zhì)構(gòu)造4 個(gè)方面分析形成原因，并評(píng)價(jià)其對(duì)公路路基、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物的影響，提出針對(duì)性的工程措施建議，為桂東南地區(qū)公路建設(shè)提供借鑒。

2 公路沿線工程地質(zhì)條件

2.1 自然地理?xiàng)l件

工程區(qū)主要位于梧州市藤縣和岑溪市， 地處云貴高原東南邊緣，兩廣丘陵西部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖，雨水豐沛，光照充足。 夏季日照時(shí)間長(zhǎng)、氣溫高、降水多，冬季日照時(shí)間短、天氣干暖，具有明顯的旱季和雨季。 受西南暖濕氣流和北方變性冷氣團(tuán)的交替影響，干旱、暴雨、熱帶氣旋、大風(fēng)、雷暴、冰雹、低溫冷（凍）害氣象災(zāi)害較為常見。 工程區(qū)年平均氣溫17.5～23.5 ℃， 年平均降水量約為841.2～3 387.5 mm。受季風(fēng)影響4～9 月為雨季， 降水量占全年降水量的70%～85%，10～3 月為旱季，降水量占全年降水量的15%～30%。 工程區(qū)內(nèi)河流屬珠江流域西江水系， 主要河流為潯江及其支流北流河、蒙江等。

2.2 公路沿線區(qū)域地質(zhì)概況

工程區(qū)處于廣西梧州市境內(nèi)，呈南北向經(jīng)過藤縣、岑溪市，沿線跨越的地貌單元以剝蝕丘陵、緩丘為主，間夾少量沖（坡）洪積溝谷。其中，剝蝕丘陵地貌單元地形起伏較大，海拔高度在30～200 m，自然斜坡坡度一般為10°～40°，全線剝蝕丘陵地貌多屬低丘陵，局部長(zhǎng)大隧道段為低山—高丘陵，地勢(shì)陡峭；線路范圍內(nèi)與潯江及其支流北流江交界處河谷深切， 未見較大平原，所經(jīng)村鎮(zhèn)局部有坡洪積溝谷及斜地、小型沖洪積平原分布，表面總體開闊，地形起伏不大，平均坡度3°～10°，寬0.3～3.5 km。

工程區(qū)沿線地層發(fā)育齊全，以碎屑沉積巖為主，局部穿插有變質(zhì)巖和火成巖，主要地層時(shí)代有第三系、白堊系、泥盆系、奧陶系、寒武系、下古生界，主要巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、砂礫巖、變粒巖、片巖、片麻巖、花崗巖等。 各巖性總體風(fēng)化強(qiáng)烈，全強(qiáng)風(fēng)化厚度大，約20～40 m，其中泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、砂礫巖等膠結(jié)差，遇水易軟化，暴曬易崩解，強(qiáng)度降低快，對(duì)工程影響極大。

工程區(qū)處于廣西桂中-桂東臺(tái)陷區(qū)， 長(zhǎng)期處于沉降狀態(tài)，晚古生代地層廣泛發(fā)育， 基底構(gòu)造以褶皺為主， 斷裂構(gòu)造發(fā)育，走廊帶內(nèi)次級(jí)構(gòu)造發(fā)育，在走廊帶內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層32 條。 斷層的發(fā)育使得巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差。

3 厚層風(fēng)化殼工程地質(zhì)特性

3.1 殘積土工程地質(zhì)特性

工程區(qū)風(fēng)化殘積土主要是由泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、片麻巖、花崗巖等風(fēng)化形成，呈褐紅色、棕紅色、磚紅色，可塑硬塑狀，黏粒含量高，含有大量的蒙脫石、高嶺石等黏土成分，厚度3～10 m，最厚可達(dá)17 m。 沿線風(fēng)化殘積土普遍存在高液限的特征，以寒武系泥質(zhì)粉砂巖、白堊系泥巖、變質(zhì)巖及花崗巖風(fēng)化殘積物最為突出。 高液限土干硬時(shí)強(qiáng)度高， 常呈硬塑～堅(jiān)硬狀，黏聚力和內(nèi)摩擦角較高，不易破壞；但同時(shí)因其毛細(xì)現(xiàn)象明顯，飽水后能長(zhǎng)時(shí)間保持水分，且孔隙比高、含水率高，故飽水后軟化明顯，承載力、穩(wěn)定性急劇下降；且具有弱透水性、弱膨脹性，工程性質(zhì)差[3]。 各類型殘積層物理力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。

表1 各類型殘積層物理力學(xué)性質(zhì)

3.2 全強(qiáng)風(fēng)化層工程地質(zhì)特性

工程區(qū)全強(qiáng)風(fēng)化層厚度非常大，普遍在20～40 m，最大可達(dá)60 m。 其中全風(fēng)化層多呈土狀， 部分全風(fēng)化花崗巖呈砂土狀， 厚度5～20 m， 天然孔隙比較高， 液限35%～45%（局部路段＞50%），呈高液限狀，遇水易于軟化，承載力、穩(wěn)定性急劇下降。 強(qiáng)風(fēng)化層厚度10～20 m，受區(qū)域構(gòu)造影響強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎，多呈碎裂結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度低，敲擊易碎。 其中沉積巖區(qū)受層狀巖性差異，存在沿層面風(fēng)化不均勻的現(xiàn)象，呈強(qiáng)風(fēng)化夾全風(fēng)化狀，而全風(fēng)化遇水極易軟化，導(dǎo)致沉積巖區(qū)開挖邊坡極易沿著巖層面產(chǎn)生滑塌； 花崗巖地區(qū)受構(gòu)造、 地形影響，沿垂直方向上差異風(fēng)化非常顯著，多見球形風(fēng)化。 各全風(fēng)化巖物理力學(xué)性質(zhì)如表2 所示。

表2 各全風(fēng)化巖物理力學(xué)性質(zhì)

4 厚層風(fēng)化殼成因分析

4.1 氣候影響因素

桂東南地區(qū)緯度低，年平均氣溫高且降雨量大，夏季空氣濕度多高于90%，植被茂密。 較高的氣溫一方面通過加快化學(xué)反應(yīng)速度來增加化學(xué)風(fēng)化作用的速度； 另一方面適宜生物生長(zhǎng)，導(dǎo)致生物活動(dòng)頻繁，生物風(fēng)化作用顯著。降雨量或空氣濕度通過影響水動(dòng)力變化、水溶液成分變化來影響物理和化學(xué)的風(fēng)化作用，桂東南地區(qū)不僅降雨量大，而且突發(fā)性暴雨較多，導(dǎo)致水流的侵蝕能力極強(qiáng)，對(duì)于加速物理風(fēng)化作用顯著，而該地區(qū)水溶液成分豐富也使得化學(xué)風(fēng)化作用明顯。植被茂盛一方面加速了生物風(fēng)化作用；另一方面間接影響物理、化學(xué)風(fēng)化速度，如根劈作用使巖體裂隙發(fā)育，有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)豐富導(dǎo)致水溶液更具腐蝕性，這都間接增加了物理化學(xué)風(fēng)化作用。總之，工程區(qū)的氣候特點(diǎn)導(dǎo)致該地區(qū)物理、化學(xué)、生物風(fēng)化作用顯著[4]。

4.2 地形影響因素

地形影響因素主要有地勢(shì)高速、起伏及坡向。 地勢(shì)的起伏影響到地下水位、植被發(fā)育及風(fēng)化產(chǎn)物的保存，從而影響風(fēng)化作用的進(jìn)行。 桂東南地區(qū)以剝蝕低山丘陵地貌為主， 地形起伏，地下水位埋深大，風(fēng)化產(chǎn)物不易于保存，使基巖不斷裸露，從而加速了風(fēng)化作用的進(jìn)行。 向陽(yáng)、背陽(yáng)坡的風(fēng)化作用類型和強(qiáng)度也不一樣。 向陽(yáng)坡日照時(shí)間長(zhǎng)，濕度較高，植被較多，所以風(fēng)化作用較強(qiáng)烈。 廣西東南臨海，西北為云貴高原，地形總體呈現(xiàn)出東南低西北高的特征，為云貴高原向陽(yáng)面，夏季季風(fēng)受云貴高原阻擋，使得該地區(qū)降雨量高，氣候炎熱、潮濕，化學(xué)、生物風(fēng)化作用更加強(qiáng)烈。

4.3 巖石特征影響因素

巖石的組成成分、 結(jié)構(gòu)是影響巖石風(fēng)化速度的重要因素。桂東南地區(qū)巖層巖性多樣，成分和結(jié)構(gòu)迥異，而總體上都呈現(xiàn)出風(fēng)化強(qiáng)烈。 排除氣候、地形、構(gòu)造因素，單從巖性方面很難總結(jié)統(tǒng)一規(guī)律，所以本文根據(jù)公路沿線巖性特性分類分析。 從組成成分來看，沿線的花崗巖、變質(zhì)巖以及存在輕微變質(zhì)的寒武系砂巖均含大量的長(zhǎng)石、黑云母等易于風(fēng)化礦物，風(fēng)化程度明顯較高；從結(jié)構(gòu)構(gòu)造來看，沿線第三系、白堊系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖等結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)差，層理明顯，且軟硬相間，易于風(fēng)化。

4.4 地質(zhì)構(gòu)造影響因素

工程區(qū)為桂東南強(qiáng)震地震構(gòu)造區(qū)，發(fā)育多條斷裂構(gòu)造，次級(jí)構(gòu)造極發(fā)育。 地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈的區(qū)域，一方面因巖體活動(dòng)頻繁，擠壓作用明顯，增加了物理風(fēng)化作用，巖土受擠壓破碎，導(dǎo)致節(jié)理裂隙的發(fā)育。 另一方面節(jié)理裂隙發(fā)育使巖石與水溶液、空氣的接觸面積增大，增強(qiáng)水溶液的流通性，從而促進(jìn)化學(xué)風(fēng)化作用的進(jìn)行。

5 厚層風(fēng)化殼對(duì)公路結(jié)構(gòu)物的影響及建議防護(hù)措施

5.1 對(duì)填方路基穩(wěn)定性的影響及建議

工程區(qū)第四系覆蓋層厚度普遍較大， 且多具高液限性，特別是花崗巖、變質(zhì)巖、寒武系奧陶系等老地層區(qū)域，厚度變化亦較大。 高液限土干燥條件下物理力學(xué)性質(zhì)尚可，長(zhǎng)期浸水后強(qiáng)度迅速降低，且透水性差，對(duì)填方路基排水及穩(wěn)定性影響較大。

建議在路基底部鋪設(shè)50 cm 砂礫、 碎石等透水性材料作為墊層，并在墊層頂面設(shè)置防滲土工布，防止毛細(xì)水上升。 路床范圍內(nèi)（一般為路面結(jié)構(gòu)層以下0～80 cm）存在殘積土?xí)r，需要超挖后換填砂礫、碎石等透水性材料。 在路基填方中增加土工格柵等加筋材料增加路基整體性。 路基施工時(shí)加強(qiáng)截排水措施，避開雨季施工并加強(qiáng)雨水的疏排，嚴(yán)禁地基土泡水。

5.2 對(duì)挖方路基穩(wěn)定性的影響及建議

工程區(qū)受巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，全～強(qiáng)風(fēng)化厚度大，開挖邊坡坡體以全～強(qiáng)風(fēng)化基巖為主，且受構(gòu)造影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差，部分巖石如寒武系砂巖（全強(qiáng)風(fēng)化）、白堊系泥質(zhì)粉砂巖等開挖后日曬雨淋易崩解或軟化， 且多含有軟弱夾層，極易坍塌滑坡，對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性影響較大。

對(duì)于厚層風(fēng)化殼邊坡，應(yīng)進(jìn)一步放緩坡率開挖，對(duì)于開挖范圍主要位于全風(fēng)化層的高邊坡，建議坡率1∶1.5～1∶2.0；開挖范圍主要位于全風(fēng)化層的高邊坡，建議坡率1∶1.25～1∶1.5。建議坡腳設(shè)置矮擋墻固腳，并針對(duì)性地設(shè)置坡體及坡面防護(hù)措施。施工過程中應(yīng)開挖一級(jí)支護(hù)一級(jí)， 嚴(yán)防開挖后坡面過長(zhǎng)時(shí)間暴露，開挖后坡頂及時(shí)設(shè)置排水邊溝，做好截排水措施。

5.3 對(duì)隧道工程的影響及建議

工程區(qū)受區(qū)域構(gòu)造影響，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，隧道進(jìn)出洞口以全強(qiáng)風(fēng)化層基巖為主，洞身以中風(fēng)化基巖為主，部分隧道埋深較小，洞身無中風(fēng)化基巖揭露，除部門火成巖隧道大埋深圍巖完整性、穩(wěn)定性較好，大部分區(qū)域隧道圍巖風(fēng)化強(qiáng)烈、完整性差、穩(wěn)定性差。 本文對(duì)項(xiàng)目區(qū)不同類型巖性隧道圍巖級(jí)別進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)（見表3）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，沉積巖區(qū)隧道Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖占比超過90%，而火成巖區(qū)隧道Ⅲ級(jí)圍巖占比接近70%，工程區(qū)主要以沉積巖為主，火成巖僅零星分布，即厚層風(fēng)化殼對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

表3 隧道圍巖分級(jí)統(tǒng)計(jì)

厚層風(fēng)化殼區(qū)域，隧道洞口的支護(hù)需加強(qiáng)重視，特別是對(duì)于邊仰坡需加強(qiáng)支護(hù)及排水措施； 局部殘積土具高液限土性質(zhì)路段，隧道開挖和支護(hù)需采取有效措施，防止基底沉降和隧道拱圈變形；隧道淺埋段，需加強(qiáng)勘察，盡早判別風(fēng)化層厚度，防止施工時(shí)發(fā)生冒頂。

6 結(jié)語

桂東南地區(qū)厚層風(fēng)化殼主要表現(xiàn)為殘積土普遍具有高液限性，全強(qiáng)風(fēng)化層結(jié)構(gòu)松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，穩(wěn)定性差。 厚層風(fēng)化殼主要成因有區(qū)域氣溫高、降雨量大、濕度大、地形起伏大、巖石礦物穩(wěn)定性差、巖石結(jié)構(gòu)松散、地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈等。 公路建設(shè)中填挖方路基及隧道工程地質(zhì)條件受厚層風(fēng)化殼影響較大，不僅增加了建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，也提高了建設(shè)成本。 建議建設(shè)過程中對(duì)各結(jié)構(gòu)物有針對(duì)性地加強(qiáng)支護(hù)措施， 做好排水措施，謹(jǐn)防潛在風(fēng)險(xiǎn)。