阿爾及利亞?wèn)|西高速公路M3標(biāo)段工程地質(zhì)勘察研究

韓 信

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司, 北京 100038)

1 概述

阿爾及利亞?wèn)|西高速公路M3標(biāo)段,全長(zhǎng)27.46 km,因其地形地質(zhì)復(fù)雜、氣候條件特殊、安全形勢(shì)嚴(yán)峻、工程數(shù)量規(guī)模大、且有2座于白堊系頁(yè)片狀泥灰?guī)r(頁(yè)巖)中掘進(jìn)的隧道、40個(gè)月的工期及總價(jià)封頂?shù)膯蝺r(jià)合同限制而為業(yè)界同仁廣泛關(guān)注。

2 M3標(biāo)段工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

路線地形起伏大,溝谷縱橫,地勢(shì)陡峻,總體兩端低中間高,高程變化于106～713 m,植被覆蓋率60%～70%,基巖半裸露。路線跨越3個(gè)地貌單元,K124+640～K129+000為丘陵，K129+000～K149+650為低山，K149+650～K152+100為河谷。

2.2 氣象

地中海氣候,年平均氣溫9～23 ℃,8月最熱、月平均最高氣溫31.2 ℃,1月最冷、平均最低氣溫5.9 ℃,每年6月～9月為旱季,月平均降雨量15 mm,11月～次年3月為雨季,月平均降雨量為116 mm?？傮w特點(diǎn)是旱季雨量稀少,但多為暴雨,持續(xù)時(shí)間短降雨強(qiáng)度大；雨季降雨集中、持續(xù),強(qiáng)度雖不大但歷時(shí)長(zhǎng)。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

2.3.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

阿爾及利亞位于非洲北部,瀕臨地中海,地處歐洲與非洲板塊結(jié)合部前緣,受歐洲板塊推擠,在北部形成一系列東西向構(gòu)造體系,包括褶皺及斷裂。路線所經(jīng)地區(qū)大地構(gòu)造上屬近東西向的阿爾卑斯—喜馬拉雅山帶中的阿爾特斯—阿爾卑斯褶皺帶,地中海又是歐亞板塊與非洲板塊的交匯處,構(gòu)造作用十分強(qiáng)烈,阿爾及利亞北部的阿特拉斯山系近東西向褶皺和逆斷層發(fā)育,此段路線位于布那什背斜兩翼,構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈,巖體破碎,新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度大[1-2]。

2.3.2 褶皺

(1)布那什背斜

布那什是阿斯特拉褶皺帶北部前沿一背斜構(gòu)造,為一級(jí)構(gòu)造,塑造了M3地層總體分布格局和產(chǎn)出特征：軸向近東西,核部為白堊系頁(yè)片狀泥灰?guī)r、含砂巖或石灰?guī)r薄夾層,兩翼為三疊系互層狀泥灰?guī)r、砂巖。受地表徑流侵蝕該構(gòu)造在M3又形成3段相互獨(dú)立的背斜谷地。在建公路在PK132之前橫切背斜北翼,并橫跨背斜核部后一路沿溝谷兩側(cè)谷坡背斜南北兩翼展布,見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造及線位關(guān)系示意

(2)小型(次級(jí))褶曲

小型褶曲非常發(fā)育,規(guī)模從不足1 m到數(shù)米,多見(jiàn)層間、或發(fā)育于斷裂破碎帶。

2.3.3 斷裂

斷裂分3類(lèi)：第一為東西走向逆推斷裂,有斷裂破碎帶,寬度數(shù)十到百米延伸達(dá)數(shù)十公里不等,對(duì)高架橋基礎(chǔ)、挖方路段有不同程度影響(圖2(a))；第二為南北走向平錯(cuò)斷層,規(guī)模較前者小,無(wú)明確斷裂破碎帶,易形成深切峽谷地貌或造成地層突然錯(cuò)斷(圖2(b))；第三是次級(jí)小型斷層,規(guī)模從十幾米到數(shù)百米,發(fā)育沒(méi)有明顯規(guī)律,對(duì)挖方邊坡及隧道圍巖穩(wěn)定性有不利影響(圖2(c))。

圖2 某橋位揭露的F3斷裂破碎帶、某邊坡沖溝處平錯(cuò)斷層、某次級(jí)斷裂

2.3.4 節(jié)理裂隙

巖性以軟巖為主,節(jié)理裂隙普遍延展性不好；泥灰?guī)r中多數(shù)呈閉合狀態(tài),偶有夾泥或石膏礦物充填；砂巖多數(shù)為張開(kāi)裂隙,與泥灰?guī)r呈夾層或互層延展性并不好。

2.3.5 片理

發(fā)育無(wú)明顯規(guī)律,受其影響巖體完整性極差,白堊系頁(yè)片狀泥灰?guī)r被切割成碎石狀。

2.4 地層巖性

2.4.1 巖性特征

系構(gòu)造剝蝕地貌,第四系覆蓋層較薄,線路范圍內(nèi)揭露的巖層主要為第三系和白堊系,但巖性種類(lèi)較復(fù)雜,包括泥巖、泥灰?guī)r、頁(yè)片狀泥灰?guī)r、石灰?guī)r、千枚巖、長(zhǎng)石石英砂巖、石英砂巖、礫巖、斷層角礫巖等9種。主導(dǎo)巖性為泥灰?guī)r、頁(yè)片狀泥灰?guī)r、砂巖,其余僅局部揭露。

(1)泥灰?guī)r(三疊系)

黃綠、青灰色,質(zhì)地均勻,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),易崩解,水文性能差,薄～厚層狀構(gòu)造,含砂巖夾層,局部與砂巖互層,見(jiàn)圖3(a)。單層厚度200～500 mm,局部達(dá)2 000 mm。

(2)頁(yè)片狀泥灰?guī)r(三疊系),見(jiàn)圖3(b)。

(3)頁(yè)片狀泥灰?guī)r(白堊系)

深灰、灰黑色,泥灰質(zhì)結(jié)構(gòu),薄層或頁(yè)片狀構(gòu)造,具油脂光澤,層間滑膩,易于裂解,含砂巖夾層,見(jiàn)圖3(c)。

(4)砂巖

灰白、黃灰、青灰色,細(xì)?；蛑写至＝Y(jié)構(gòu),中薄層狀構(gòu)造,巖質(zhì)較硬～堅(jiān)硬,裂隙發(fā)育,耐風(fēng)化,常呈夾層產(chǎn)出,局部富集,見(jiàn)圖3(d)。

圖3 三疊系泥灰?guī)r、三疊系頁(yè)片狀泥灰?guī)r、白堊系頁(yè)片狀泥灰?guī)r、砂巖

2.4.2 地層結(jié)構(gòu)

(1)上白堊統(tǒng)(K2)頁(yè)片狀泥灰?guī)r

相當(dāng)森諾曼階,含薄砂巖夾層,構(gòu)成布那什背斜核部主體地層,見(jiàn)圖4(a),分布于PK132+800～PK143+300、PK145+020～PK146+030、PK146+500～PK152+100,占M3總里程62%。

(2)下第三系(E2)上段泥灰?guī)r或頁(yè)片狀泥灰?guī)r

薄層或頁(yè)片狀,含砂巖薄夾層,見(jiàn)圖4(b),僅見(jiàn)于丘陵區(qū),分布于PK124+640～PK129+000,累計(jì)4.36 km約占M3總里程16%。

(3)第三系(E2)下段泥灰?guī)r夾砂巖

出露于低山區(qū)PK129～PK132+500,見(jiàn)圖4(c),位于布那什背斜北翼,累計(jì)3.5 km,占M3的13%。

(4)下第三系(E1)互層狀砂巖與頁(yè)片狀泥灰?guī)r

分布于低山區(qū)PK132+500～800、PK143+300～PK145+020、PK146+030～500段,層厚不足百米,呈帶狀在路線上斷續(xù)出露,累計(jì)2.5 km,占M3的9%。砂巖中厚層狀,質(zhì)地堅(jiān)硬,節(jié)理裂隙較發(fā)育,單層厚度一般小于0.40 m；頁(yè)片狀泥灰?guī)r與砂巖成互層狀產(chǎn)出,層厚比2∶1。砂巖堅(jiān)硬耐風(fēng)化,局部形成坡度約40°～60°的陡坡地形,圖4(d)為PK144+046高架橋址出露的互層狀砂巖與頁(yè)巖。

圖4 上白堊統(tǒng)泥灰?guī)r、下第三系泥灰?guī)r、第三系泥灰?guī)r夾砂巖、下第三系互層砂巖與泥灰?guī)r

2.5 地表、地下水

2.5.1 地表水

區(qū)內(nèi)溝谷有常年地表徑流,且緊鄰為首都供水的2個(gè)水庫(kù),地表水相對(duì)豐富。

2.5.2 地下水

M3標(biāo)段以泥灰?guī)r為主,含水透水性能均很差；雖存在本身裂隙發(fā)育具備含水、透水條件的砂巖、石灰?guī)r等,但由于背斜河谷地貌,線位處在斜坡地段,屬補(bǔ)給區(qū)?？碧斤@示地下水活動(dòng)極不活躍,無(wú)連續(xù)穩(wěn)定地下含水層,基礎(chǔ)及坡面開(kāi)挖僅個(gè)別段落有零星滲水。

2.6 不良地質(zhì)

2.6.1 滑坡

勘察期間發(fā)現(xiàn)的大中型滑坡有4處,其中2處與斷裂破碎帶有關(guān),一處順層滑移,一處強(qiáng)風(fēng)化帶的淺層滑移,做了改線處理外,其他均屬線外滑坡。

2.6.2 滑塌

滑塌數(shù)量眾多,絕大多數(shù)是全、強(qiáng)風(fēng)化層或堆積層碎石土的淺層滑移失穩(wěn),與降雨及工程活動(dòng)密切相關(guān),下伏泥灰?guī)r透水性能差、地表降雨在巖土界面或巖體風(fēng)化顯著差異部位匯聚有關(guān)。

2.7 地震

阿爾卑斯—喜馬拉雅造山帶在地中海地區(qū)代表了歐亞和非洲板塊的匯聚區(qū),近年來(lái)的空間和大地測(cè)量結(jié)果顯示在阿爾及利亞北部地區(qū)這兩大板塊匯聚速度約為4～5 mm/年。區(qū)域大地動(dòng)力環(huán)境造成了阿爾及利亞北部地區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造變形,形成阿特拉斯山系的褶皺和以逆斷層為主的斷裂構(gòu)造,屬地震多發(fā)地帶,項(xiàng)目所在區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.25g～0.40g,相當(dāng)于Ⅷ～Ⅸ度地震區(qū)。

3 主要勘察成果

3.1 構(gòu)造物(地基與基礎(chǔ)工程)

絕大部分構(gòu)造物位于斜坡場(chǎng)地,地基土主要為傾斜巖層,巖層傾角一般大于30°,地基均勻性差,為不穩(wěn)定軟巖地基,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)留有足夠的安全儲(chǔ)備；強(qiáng)風(fēng)化帶巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體完整性差不宜作為深(樁)基礎(chǔ)的樁端持力層；盡量跨越已發(fā)現(xiàn)的斷裂構(gòu)造,位于斷裂破碎帶的墩臺(tái)基礎(chǔ)應(yīng)盡量置于斷裂帶下盤(pán)或預(yù)留足夠的安全儲(chǔ)備；基樁設(shè)計(jì)一般情況均按摩擦樁設(shè)計(jì)(計(jì)入端阻力)；應(yīng)用設(shè)計(jì)計(jì)算的巖土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[3]。阿爾及利亞?wèn)|西高速公路項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)施工是執(zhí)行歐洲(法國(guó))標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的,而旁壓試驗(yàn)[4]是歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[5]中構(gòu)造物的地質(zhì)條件評(píng)價(jià)、淺和深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的承載力確定、基礎(chǔ)沉降計(jì)算諸多方面的實(shí)用可靠方法。

表1 應(yīng)用于深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算的巖土物理力學(xué)參數(shù)

3.2 路基(邊坡及斜坡)

地處構(gòu)造剝蝕基巖低山區(qū),線路總體沿斜坡展布,第四系覆蓋層一般不大于3 m厚；路基填方工程,由于基底泥灰?guī)r、頁(yè)片狀泥灰?guī)r透水性差,容易導(dǎo)致巖土界面地下水的匯聚；泥灰?guī)r、頁(yè)片狀泥灰?guī)r對(duì)水極其敏感,故對(duì)挖方坡面宜盡快防護(hù)、避免長(zhǎng)時(shí)間暴露[6-8]；路基填筑不宜在雨季施工；采用錨桿支護(hù)時(shí)應(yīng)注意巖層與錨桿的傾向、傾角夾角不宜太??；泥灰?guī)r或頁(yè)片狀泥灰?guī)r原則上不宜作為路基填料；應(yīng)用于邊坡工程設(shè)計(jì)計(jì)算的巖土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2[3]。

表2 應(yīng)用于邊坡工程設(shè)計(jì)計(jì)算的巖土的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 隧道

洞身段圍巖局部為砂巖夾頁(yè)片狀泥灰?guī)r外,大部分以頁(yè)片狀泥灰?guī)r或夾砂巖為主,圍巖類(lèi)別相對(duì)較低、巖層傾角較大、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、層間結(jié)合力較差；隧道掘進(jìn)過(guò)程中遇到一些小型斷裂等含水構(gòu)造,滲水、涌水將不可避免,施工中應(yīng)加強(qiáng)預(yù)報(bào)、做好預(yù)案；因地制宜適時(shí)采取“以排為主,防、排、截、堵相結(jié)合”的處治原則[9]；隧道圍巖等級(jí)構(gòu)成中,Ⅰ號(hào)隧道Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖各占31.1%、68.9%,Ⅱ號(hào)隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖各占20.8%、68.4%和10.8%,劃分標(biāo)準(zhǔn)是按照法國(guó)隧道協(xié)會(huì)2003年版《應(yīng)用于地下工程設(shè)計(jì)的巖體工程特征導(dǎo)則》[10]；洞室圍巖主體以白堊系頁(yè)片狀泥灰?guī)r為主,對(duì)水敏感、易風(fēng)化裂解,掌子面開(kāi)挖及時(shí)封閉非常必要；應(yīng)用于隧道工程計(jì)算的巖土體物理、力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3[3],隧道邊仰坡設(shè)計(jì)計(jì)算的巖土體物理、力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2[3]。

表3 隧道工程計(jì)算巖土體參數(shù)

4 施工過(guò)程中遇到的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策

4.1 基礎(chǔ)工程

基礎(chǔ)工程施工過(guò)程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策詳見(jiàn)表4。

4.2 路基工程

沿線糟糕的工程地質(zhì)條件,加之2008～2009年冬

表4 樁基礎(chǔ)工程施工過(guò)程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策

季跨度大、時(shí)間長(zhǎng)的強(qiáng)降雨,導(dǎo)致邊坡防護(hù)工程無(wú)法實(shí)施,排水設(shè)施無(wú)法跟進(jìn),另一方面裸露的緩坡率的開(kāi)挖邊坡受雨水長(zhǎng)期入滲、浸潤(rùn)、風(fēng)化,使巖體強(qiáng)度大大降低。2008年11月,當(dāng)雨季剛剛來(lái)臨,PK137頁(yè)巖邊坡便產(chǎn)生傾倒變形,進(jìn)而發(fā)展成大型滑坡[8]；隨著持續(xù)的降雨,邊坡變形破壞情況進(jìn)一步加劇,并相繼出現(xiàn)了PK128、PK134、PK144+900、PK144+500(位于棄方場(chǎng)地[11])等一系列滑坡。2009年6月29日PK146+300處再次發(fā)生大滑坡,同時(shí)潛在滑坡PK146+700前緣也開(kāi)始出現(xiàn)蠕動(dòng)變形。大量挖方邊坡的滑移或變形令承包商和業(yè)主極為震驚,部分滑坡是地質(zhì)研究和施工圖設(shè)計(jì)沒(méi)有預(yù)計(jì)到的。路基工程施工過(guò)程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策詳見(jiàn)表5。

4.3 隧道工程

隧道掘進(jìn)過(guò)程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策詳見(jiàn)表6。

5 結(jié)論

(1)阿爾及利亞?wèn)|西高速公路M3標(biāo)段主要的地質(zhì)問(wèn)題為工程病害多發(fā)。沿線分布的老第三系(E)泥灰?guī)r類(lèi)砂巖和白堊系(K)葉片狀泥灰?guī)r(頁(yè)巖),巖性極軟,極易風(fēng)化,加之構(gòu)造破碎、遇水軟化,又有一定的膨脹性,是易滑坡地層。從濱海平原向南部低山丘陵區(qū)過(guò)渡地帶,自然山坡平緩,巖性軟弱、強(qiáng)度低、不易形成高陡斜坡。地下水主要由大氣降水補(bǔ)給,11月至次年3月雨季,降雨量達(dá)400～500 mm,比較集中,山坡匯水面積較大,砂巖含水,而泥灰?guī)r相對(duì)隔水、持水性強(qiáng),遇水軟化,基巖頂面常積水?；鶐r內(nèi)裂隙水受構(gòu)造控制,常呈脈狀分布；地下水是邊坡變形的重要影響因素。

(2)M3標(biāo)段地質(zhì)條件不良,且是大區(qū)域分布,路線走廊選擇在小范圍內(nèi)都難以避開(kāi)這一不良地質(zhì)區(qū)。路線從濱海平原向南進(jìn)山橫切背斜兩翼,巖層與線路斜交,PK132路線走在背斜的南翼逆向坡,避免了順層滑坡,是有利于邊坡穩(wěn)定的。之所以發(fā)生這么多邊坡變形和滑坡,主要為巖性不良,屬于地質(zhì)病害多發(fā)巖層；路線靠背斜軸部太近,地應(yīng)力集中,邊坡開(kāi)挖后應(yīng)力釋放,卸荷松弛強(qiáng)烈,加之開(kāi)挖后地表水滲入坡體,軟化破碎巖體造成大量坍塌、滑移；為減少邊坡支擋加固工程,大部分邊坡坡率較緩,但放緩邊坡增大了受水面積,開(kāi)挖一級(jí)、未防護(hù)加固一級(jí),挖到坡腳還沒(méi)防護(hù),截水天溝和邊坡排水不及時(shí),使大量雨水下滲入坡體,促使了邊坡變形。

表5 深挖方工程施工過(guò)程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策

表6 隧道掘進(jìn)過(guò)程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策

(3)施工勘察和監(jiān)控作為施工過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)充完善的重要手段,在歐洲(法國(guó))勘察設(shè)計(jì)體系中被強(qiáng)化,主要表現(xiàn)為施工驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。施工驗(yàn)證,對(duì)于構(gòu)造物基礎(chǔ)、填方地基等比較容易探明地質(zhì)情況的工點(diǎn),強(qiáng)化進(jìn)行地質(zhì)驗(yàn)證,以修正設(shè)計(jì)方案；動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),對(duì)于隱蔽性工程,難以用有限的地質(zhì)勘察手段探明地質(zhì)狀況的工點(diǎn),如隧道工程主體、掘進(jìn)支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高邊坡的幾何形態(tài)及防護(hù)方案等均采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

[1] 劉運(yùn)平,岳永利,張敏靜.阿爾及利亞?wèn)|西高速公路工程地質(zhì)勘察的特點(diǎn)[J].公路,2008(9)：275-278.

[2] 韓信.阿爾及利亞?wèn)|西高速公路工程地質(zhì)勘察研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2012(1)：11-16．

[3] 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.阿爾及利亞?wèn)|西高速公路項(xiàng)目 M3標(biāo)段土方工程、構(gòu)造物、Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].西安:中交第一公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司,2008.

[4] 韓信,張敏靜,孫永香.旁壓試驗(yàn)有關(guān)問(wèn)題的探討[J].公路,2008(9):286-289．

[5] 韓信.中歐(法)巖土工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系差異研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2011(11):117-121.

[6] 岳永利,丁小軍,王佐,等.阿爾及利亞?wèn)|西高速公路(中、西標(biāo)段)泥灰?guī)r分布及工程性能[J].公路,2008(9)：80-84.

[7] 吳臻林,劉運(yùn)平,李德林.泥灰?guī)r邊坡變形機(jī)理分析及處治對(duì)策[J].公路,2008(9)：105-108.

[8] 丁小軍,劉衛(wèi)民,王佐,等.軟質(zhì)巖邊坡傾倒變形機(jī)理及處治工程實(shí)例[M].北京：人民交通出版社,2010.

[9] 韓常領(lǐng),趙永國(guó).頁(yè)巖大斷面隧道設(shè)計(jì)與施工難點(diǎn)及對(duì)策[J].公路,2008(9):174-178.

[10] 劉漢啟,張敏靜,吳臻林,等.基于RMR分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隧道圍巖級(jí)別的劃分[J].公路,2008(9):179-181.

[11] 韓信,張敏靜.棄土場(chǎng)位置選擇和設(shè)計(jì)原則方法探討[J].公路,2008(9):282-285.