探討基于不良地質(zhì)條件下的公路選線設(shè)計(jì)

彭 飛

（山西路恒交通勘察設(shè)計(jì)咨詢(xún)公司，山西 太原 030006）

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的同時(shí)，對(duì)于基礎(chǔ)民生設(shè)施建設(shè)也逐步加快。公路建設(shè)作為民生基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)重要部分，也快速向前發(fā)展，具體體現(xiàn)在對(duì)于新型公路設(shè)計(jì)理念的提出，即倡導(dǎo)行車(chē)舒適、風(fēng)景優(yōu)美的同時(shí)，還需要公路各個(gè)平面協(xié)調(diào)合理。這種公路設(shè)計(jì)的新標(biāo)準(zhǔn)不僅需要考慮設(shè)計(jì)方面公路穩(wěn)定性與耐久性問(wèn)題，還需要綜合考慮自然條件因素?？梢?jiàn)，公路的選線設(shè)計(jì)也在逐步追求高標(biāo)準(zhǔn)，需要與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相協(xié)調(diào)。

公路選線設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的作業(yè)，要達(dá)到所需要的理想設(shè)計(jì)要求，使得設(shè)計(jì)的公路安全可靠，使用年限長(zhǎng)，選線需做到以下要求：①公路選線設(shè)計(jì)時(shí)，要認(rèn)真勘察，對(duì)于沿線的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，應(yīng)考慮相關(guān)措施予以避免。通常情況下，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的地段或不適合開(kāi)挖的地段應(yīng)繞過(guò)。選線必須通過(guò)這一地質(zhì)災(zāi)害路線時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理改善地質(zhì)條件，方可進(jìn)行公路施工。②公路選線設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)即尊重自然，走可持續(xù)發(fā)展道路。可見(jiàn)，選線設(shè)計(jì)必須與環(huán)境相協(xié)調(diào)。因此公路選線過(guò)程中，需遵循這一標(biāo)準(zhǔn)，盡可能減少對(duì)一些自然原始地形的破壞，減小對(duì)于生態(tài)環(huán)境的破壞。這樣才能更好地保障人民切身利益，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。

1 不良地質(zhì)條件下的選線設(shè)計(jì)方法

選線設(shè)計(jì)是公路優(yōu)劣的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)于選線設(shè)計(jì)需要考慮的因素很多，因此需要妥善處理好各個(gè)因素之間的制約關(guān)系，制定出最合理的選線方案。合理的選線方法，需要達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：①選線設(shè)計(jì)不僅需要保證行車(chē)的安全與快捷，還要考慮公路造價(jià)的合理性。對(duì)于一些不良地質(zhì)條件下的選線，尤其要注意與自然條件的相互協(xié)調(diào)。從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)和安全方面制定最合理的選線方案。②選線的時(shí)候要盡可能節(jié)約資源，如公路選線遭遇一些農(nóng)田等基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，應(yīng)予以綜合考慮，如實(shí)在無(wú)法避免，需協(xié)調(diào)多方面的關(guān)系，方可進(jìn)行相關(guān)選線設(shè)計(jì)并著手施工。

2 不良地質(zhì)條件下的選線設(shè)計(jì)

2.1 不良地質(zhì)條件下的公路選線的勘察步驟

如今，公路建設(shè)的步伐不斷加快，對(duì)于公路選線也越加重視，但是對(duì)于一些不良地質(zhì)條件下的選線設(shè)計(jì)，要進(jìn)行綜合考慮。目前，我國(guó)由于之前的公路設(shè)施建設(shè)時(shí)沒(méi)有考慮不良地質(zhì)條件，導(dǎo)致公路災(zāi)害事故發(fā)生頻繁，不僅加重了防護(hù)工作的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還進(jìn)一步加大了對(duì)自然條件的破壞，顯然背離了可持續(xù)發(fā)展道路。

所謂不良地質(zhì)主要是指由于自然條件的影響，導(dǎo)致地質(zhì)分布不均勻，受力作用時(shí)容易產(chǎn)生不均勻沉降等問(wèn)題，嚴(yán)重影響行車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此在公路選線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇最小程度地?cái)_動(dòng)不良地質(zhì)的選線，這樣可以減少對(duì)于不良地質(zhì)的處理和改善費(fèi)用。

對(duì)于不良地質(zhì)條件下的選線步驟如下：①對(duì)選線區(qū)域的地質(zhì)條件資料，進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究。②通過(guò)衛(wèi)星定位系統(tǒng)和航攝照片，對(duì)于公路選線方案路線初步在影片中進(jìn)行選定。然后對(duì)所選路線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，對(duì)一些存在明顯地質(zhì)災(zāi)害的路段進(jìn)行篩除，盡可能避免一些治理困難的路段，粗略地選定一條有價(jià)值的公路路線選擇方案。③對(duì)所選方案通過(guò)一些探測(cè)儀器進(jìn)行探測(cè)，確定一些災(zāi)害路段的處理方案，優(yōu)化所選擇的方案，做最優(yōu)化選擇。

2.2 各種地質(zhì)條件下公路選線的基本原則

2.2.1 不同地形、地貌條件的公路選線標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1.1 河谷路線

河谷路線設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)河谷的巖層為縱向發(fā)育，應(yīng)注意路線布置在地勢(shì)較平坦處或者是有階地的一岸；當(dāng)河谷的巖層為橫向發(fā)育，公路路線應(yīng)布設(shè)在橫向斷裂較少的一岸。

2.2.1.2 越嶺路線布置

越嶺布置公路路線時(shí)，應(yīng)注意所布置路線應(yīng)垂直于該山嶺的構(gòu)造軸線，這樣可以最小面積的公路路線經(jīng)過(guò)破碎帶，最小面積地處理災(zāi)害路段。

2.2.2 不良地質(zhì)路段的公路路線設(shè)計(jì)

2.2.2.1 山體崩坍區(qū)

對(duì)于崩坍區(qū)段的路線通過(guò)時(shí)，應(yīng)盡量進(jìn)行避免。綜合考慮之下，不宜避免時(shí)，應(yīng)設(shè)置建筑物對(duì)山體進(jìn)行遮擋，防止山體上部落石等造成路段堵塞。

2.2.2.2 滑坡區(qū)

當(dāng)選線設(shè)計(jì)通過(guò)滑坡路段時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)注意化滑坡區(qū)的破題穩(wěn)定性，盡量保證滑坡區(qū)域不受開(kāi)挖選線的影響。實(shí)在無(wú)法避免對(duì)滑坡區(qū)域的開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)對(duì)所開(kāi)挖滑坡進(jìn)行相應(yīng)處理，防止斜坡失穩(wěn)導(dǎo)致路段坍塌。

2.2.2.3 泥石流區(qū)

有些路段選線通過(guò)泥石流區(qū)域時(shí)，應(yīng)注意首先考慮流通以及河床的穩(wěn)定，保證淤泥變化時(shí)不至于形成泥石流災(zāi)害。對(duì)于淤泥的積累區(qū)域，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行疏通。總之，要優(yōu)先考慮對(duì)可能發(fā)生泥石流區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)整治，以保護(hù)公路選線路段。

2.2.2.4 風(fēng)沙區(qū)

路線通過(guò)沙漠區(qū)域時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)嚴(yán)重的流沙區(qū)域地段。所選擇的路段應(yīng)盡可能少的通過(guò)流沙路段，若非必要可優(yōu)先考慮繞過(guò)流沙路段。通過(guò)流沙路段時(shí)，應(yīng)注意考慮此段流沙路段的風(fēng)向問(wèn)題，盡量保證路線走向與主導(dǎo)的風(fēng)向大致保持平行，這樣可以有效地減小流沙路段對(duì)于公路運(yùn)營(yíng)的影響。

2.2.3 特殊巖層的選線設(shè)計(jì)

2.2.3.1 軟土區(qū)域

軟土區(qū)域指軟基基層，其土質(zhì)的含水量比較高，因而土層的壓縮性高、承載能力比較低、抗剪性能差。軟土地基的主要成分是成軟塑性到流塑性狀態(tài)的飽和黏土。軟土地基的變形大、沉降量大、強(qiáng)度低，因此導(dǎo)致了軟土地基上進(jìn)行路橋施工時(shí)，優(yōu)先就要考慮的問(wèn)題是控制軟土地基的沉降變形與路橋穩(wěn)定性。另外，軟土地基的含水量較大時(shí)，很難通過(guò)堆載壓縮達(dá)到壓實(shí)要求。

2.2.3.2 凍土區(qū)域

凍土區(qū)域是指一些海拔比較高的路段。由于海拔較高，晝夜溫差較大，導(dǎo)致土壤的熱脹冷縮明顯，所以?xún)鐾羺^(qū)域會(huì)出現(xiàn)軟弱基層。與軟土區(qū)域不同的是，這種區(qū)域的處理方法與軟土區(qū)域完全不同，需要使用一些保溫材料來(lái)對(duì)凍土進(jìn)行置換，以保證土層不會(huì)受荷載作用或溫度作用而變形。

3 不良地質(zhì)條件下的穩(wěn)定狀態(tài)判定

公路選線工程對(duì)于一些不良地質(zhì)不宜繞過(guò)時(shí)，需按最小穿過(guò)的原則進(jìn)行選線，并應(yīng)對(duì)所選路線進(jìn)行相關(guān)處理，以保證災(zāi)害路段達(dá)到穩(wěn)定性要求。通常對(duì)于災(zāi)害路段的穩(wěn)定性判斷時(shí)是通過(guò)工程所廣泛使用的穩(wěn)定安全系數(shù)來(lái)進(jìn)行判定。工程穩(wěn)定系數(shù)的數(shù)學(xué)定義為：

式中：R——巖層或土層的廣義抗滑力。廣義抗滑力是指一切阻礙巖層或土層滑動(dòng)的力，實(shí)際情況下可以為抗滑力或抗剪力或抗滑力矩等。

S——巖層或土層的廣義滑動(dòng)力。相同的，廣義滑動(dòng)力是指一切迫使巖層或土層滑動(dòng)的力。

工程實(shí)踐過(guò)程中，使用上述公式來(lái)定義災(zāi)害地區(qū)路段的穩(wěn)定性。當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)大于1時(shí)，說(shuō)明巖層或土層處于穩(wěn)定狀況；等于1時(shí)，處于臨界狀態(tài)；小于1時(shí)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1 滑坡破壞的穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

如上圖1所示。當(dāng)滑坡處于自然狀態(tài)時(shí)，從圖1（a）可以看出：

圖1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算模型圖

當(dāng)滑坡上A點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，即有tanβ=tan準(zhǔn)，β=準(zhǔn).

由此可知，當(dāng)坡腳小于巖層的內(nèi)摩擦角時(shí)，巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)邊坡為直立破體時(shí)，即邊坡的組成為黏性土層時(shí)，此時(shí)可以忽略?xún)?nèi)摩擦角的影響，從圖1（b）可以看出：

式中：γ——土層的重度；

h——坡體高度；

β——巖層內(nèi)摩擦角；

W——坡體自重；

T——坡體側(cè)向力。

由上式可得：

式中：l——破裂面的長(zhǎng)度；

c——坡體面荷載；

FS——穩(wěn)定系數(shù)。

當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)大于1時(shí)，可以判定該坡體穩(wěn)定；當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)等于1時(shí)，坡體處于極限狀態(tài)；當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)小于1時(shí)，坡體處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

3.2 崩坍破壞巖層的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在分析地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，發(fā)現(xiàn)有可能產(chǎn)生崩坍破壞，應(yīng)使用巖層崩坍破壞理論來(lái)計(jì)算其穩(wěn)定性。計(jì)算時(shí)，首先假設(shè)當(dāng)?shù)氐牡卣鹆?、風(fēng)力、地下水的沖刷作用等都為零。還需要對(duì)崩坍過(guò)程作出相應(yīng)的假設(shè)，具體假設(shè)如下：①崩坍破壞發(fā)生以前，認(rèn)為整個(gè)巖層處于統(tǒng)一狀態(tài)，即認(rèn)定巖層為整體，其受力情況相同。②巖體崩坍過(guò)程中，其巖體碎片空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，在計(jì)算時(shí)，認(rèn)為所有的巖層崩坍時(shí)運(yùn)動(dòng)情況一致，且都認(rèn)為是發(fā)生平面運(yùn)動(dòng)。③崩坍過(guò)程中，脫落的巖體與穩(wěn)定的巖層之間不存在相互作用力，即認(rèn)為崩坍發(fā)生時(shí)，各部分的摩擦力均為零。

均質(zhì)土體邊坡或巖層邊坡發(fā)生崩坍破壞時(shí)，從其巖體形成機(jī)理進(jìn)行相關(guān)受力情況分析，認(rèn)為崩塌體的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K的計(jì)算方法如下所示：

式中：f——表示靜水壓力，單位為kN；

h——水位高，當(dāng)有較大降雨時(shí)，認(rèn)為水位高度與巖土體高度相同，單位為m；

a——巖體重度，單位為kN/m3；

F——水平地震力作用，單位kN；

a——轉(zhuǎn)點(diǎn)A至中路延長(zhǎng)線的垂直距離，這里等于崩坍體寬度的1/2，單位為m。

巖體崩坍的計(jì)算簡(jiǎn)圖模型如圖2所示。

圖2 巖體崩坍計(jì)算模型圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著民生建設(shè)的不斷加速，公路設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在不斷的開(kāi)發(fā)與發(fā)展。然而，一些優(yōu)質(zhì)地質(zhì)條件下的公路選線基本趨于飽和，所以對(duì)于不良地質(zhì)條件下公路建設(shè)成為了一個(gè)難題?；诓涣嫉刭|(zhì)條件下的公路選線時(shí)，所需要堅(jiān)持的首要原則在于盡可能繞過(guò)不良地質(zhì)路段，實(shí)在無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)保證盡可能少的將公路路段位于不良地質(zhì)上，這樣可以最小化公路路段的處理。在不良地質(zhì)條件下進(jìn)行公路路段的處理時(shí)，應(yīng)首先保證路段周?chē)麦w或巖體的穩(wěn)定性，再進(jìn)行路段的施工。堅(jiān)持公路選線“快速、安全、舒適”的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合道路設(shè)計(jì)原則，綜合不良地質(zhì)公路路段的處理，建設(shè)出舒展平緩、平縱協(xié)調(diào)、行車(chē)舒適的高標(biāo)準(zhǔn)公路。

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