某高速公路高架橋危巖體成因分析與防治措施

劉 海

（山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

0 引言

山區(qū)高速公路的建設(shè)由于其特殊的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造，在建設(shè)過程中，高填、深挖以及陡坡路堤（塹）、巖溶等特殊巖土問題較多，加之地質(zhì)勘查技術(shù)和手段的局限，往往無法預(yù)知公路工程中可能遇到的所有地質(zhì)問題，容易誘發(fā)大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及運(yùn)營安全[1]。

某高速公路路基寬度26 m，雙向四車道，設(shè)計(jì)車速100 km/h，瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)。公路全線穿越南嶺山脈，地形崎嶇起伏，地質(zhì)條件復(fù)雜，暗河、溶洞等地質(zhì)災(zāi)害隱伏性強(qiáng)，工程施工難度大。

該項(xiàng)目某高架橋?qū)俅罂鐝?、高墩特大型橋梁，全長1 037 m。據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，橋區(qū)碳酸鹽巖廣泛分布，兩側(cè)墩臺位于地勢陡峭的山坡上，發(fā)育崩塌及危巖體，中間橋墩位于地勢較為平坦的谷地中。橋位區(qū)發(fā)育的不良地質(zhì)包括巖溶、崩塌及危巖體、潛在不穩(wěn)定邊坡等3種類型。本文針對該高架橋北側(cè)危巖體，從地形地貌、氣象水文、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等方面分析了致災(zāi)環(huán)境，研究了致災(zāi)原因，最后通過巖體穩(wěn)定性分析提出了災(zāi)害防治措施。

1 高架橋危巖體主要孕災(zāi)環(huán)境

1.1 地形地貌

湖南省屬于丘陵地形，整體地形較為崎嶇，西部較高，南部有南嶺山脈，峰頂海拔都在千米以上，山間盆地較多，谷地多為交通要道。本項(xiàng)目高架橋橋址位于低山段，橋中為溝谷、兩側(cè)山體陡峭，溝谷與山體高程相差百米以上。

1.2 水文氣象

項(xiàng)目區(qū)域四季分明，冬短夏長，雨量豐富。多年平均氣溫為15℃～18.6℃，溫差較大，最低-12.1℃，最高42℃；多年平均相對濕度79%，絕對濕度17.2毫巴，潮濕系數(shù)1.59；多年平均降雨量1 298～1 560 mm，4—8月期間降雨量占全年總量的60%以上，降雨季節(jié)連綿30 d以上，8月以后雨量逐漸減少，11月至來年1月，降雨量僅占16%左右；降雨蒸發(fā)量少，多年平均水面蒸發(fā)量900～1 100 mm，陸面蒸發(fā)量為500～800 mm。

1.3 地層巖性

該項(xiàng)目沿線地層主要為灰?guī)r，包括炭質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖。沿線風(fēng)化強(qiáng)烈，殘積覆蓋層以碎石土、含礫亞黏土、亞黏土為主；丘嶺交錯，紅黏土、軟土分布較廣，石灰?guī)r居多，但風(fēng)化嚴(yán)重、完整性差，坡體表面覆層較薄[2]。

高架橋橋區(qū)上覆土層厚度變化大，主要分布于谷地中。K52+382—K52+442段山坡上發(fā)育殘坡積成因的更新統(tǒng)亞黏土，屬紅黏土，上硬下軟，下部多呈軟塑—可塑狀，厚度向谷地方向漸變薄，揭示的最大厚度為25.0 m；K52+442—K52+500段分布崩塌堆積體，主要成分的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，粒徑為30～500 cm，泥質(zhì)填充，厚度最大約29.0 m；谷中多為沖積成的更新統(tǒng)卵石層、漂石，間亞黏土，鉆孔厚度最大約52.0 m；K53+300—K53+419段山坡上發(fā)育不等厚度的塊石土，厚度自坡腳向上漸薄，坡腳厚度約5～11 m，坡頂裸露大片風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)地質(zhì)圖和地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，橋位所處區(qū)域?qū)偃A夏系構(gòu)造帶。結(jié)合巖層產(chǎn)狀分析及橋位區(qū)巖性調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本橋總體處于背斜構(gòu)造中，谷地鉆探揭示的巖性為灰?guī)r（不含或含少量白云質(zhì)），兩側(cè)山體普遍含白云質(zhì)，背斜軸部走向靠近NE，向SW傾伏，核部位于谷地中間。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在橋東約1.5 km處露出區(qū)域性斷層F1，該斷層包含兩個(gè)斷層帶，間距約50 m，近于平行，南側(cè)帶寬約75 m，北側(cè)帶寬約90 m。該斷層帶總體近直立，走向NE，屬正平移斷層。依走向判斷，與橋址所處谷地走向相近[3]。

1.5 水文地質(zhì)條件

經(jīng)地表調(diào)繪，地下水以巖溶水為主，高程約300.80～340.50 m，賦存于溶洞、溶蝕裂隙、溶溝等巖溶管道中，屬于上層滯水或風(fēng)化裂隙水，受橋區(qū)谷地溶蝕基準(zhǔn)面的控制，在巖體附近的坡腳以巖溶泉形式出露。

2 高架橋危巖體成災(zāi)原因分析

高架橋路線走向約150°，北側(cè)危巖體上覆亞黏土厚度約5～20 m，基巖為灰?guī)r，巖質(zhì)堅(jiān)硬。危巖所在高邊坡坡面產(chǎn)狀為117°∠90°，巖性為巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r，整體結(jié)構(gòu)，表層風(fēng)化程度較低，為崩塌的產(chǎn)生提供了物質(zhì)條件。通過現(xiàn)場調(diào)查確認(rèn)，斷層F1在橋區(qū)以約4條小型斷層出現(xiàn)，總體走向NE，直立或稍傾向SE、NW，斷層寬度小于20 m，斷層帶中巖石已重新膠結(jié)成軟巖。平行于懸崖壁發(fā)育一條長大裂隙，該裂隙在坡頂處張開度約30～50 cm，而且裂隙中巖溶發(fā)育，如圖1所示。

圖1 危巖體裂隙發(fā)育示意圖

裂隙1和裂隙2自上而下切割危巖體，但未貫通，閉合于危巖體中部?，F(xiàn)場調(diào)查初步確定危巖體范圍由大裂隙所控制，大裂隙旁出露的層面產(chǎn)狀為292°∠42°，為反傾，延展性差。在巖壁陡峭面處，巖壁巖體多為條狀柱體或菱形體薄板，在重力、水及其他外力作用下，易發(fā)生崩塌或傾倒破壞。一旦發(fā)生大規(guī)模破壞，將對工程造成毀滅性影響，因此在橋梁施工前，應(yīng)先加固巖體。若施工前期未采取防護(hù)或加固措施，危巖體坍塌或傾倒將沿裂隙向谷地方向發(fā)展，進(jìn)而引發(fā)下伏巖體和上覆土層的失穩(wěn)[4]。

3 荷葉塘危巖體防治措施及施工要點(diǎn)

3.1 防治措施和力學(xué)計(jì)算結(jié)果

針對該危巖體，擬采用錨桿支護(hù)、加強(qiáng)排水和掛網(wǎng)防護(hù)等措施加強(qiáng)其穩(wěn)定性，其中錨桿防護(hù)設(shè)定參數(shù)和形式如表1所示。

表1 荷葉塘高架橋北側(cè)危巖體錨桿防護(hù)基本參數(shù)

表2 荷葉塘高架橋北側(cè)危巖體錨桿防護(hù)穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

為了驗(yàn)證錨桿防護(hù)的可靠性和錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，對錨固的危巖體進(jìn)行了滑動穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算參數(shù)和計(jì)算簡圖如表2、圖2所示。

經(jīng)過計(jì)算，危巖體的總下滑力為9 415.4 kN，總抗滑力為12 403.6 kN，安全系數(shù)為1.317。因此，采用錨桿防護(hù)之后，該危巖體基本穩(wěn)定，基本不會產(chǎn)生崩塌、落石等地質(zhì)災(zāi)害，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 荷葉塘高架橋北側(cè)危巖體錨桿防護(hù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖2 危巖體錨桿防護(hù)穩(wěn)定性計(jì)算簡圖

3.2 防治與施工要點(diǎn)

通過現(xiàn)場勘測及力學(xué)計(jì)算，提出“錨桿錨固+排水+掛網(wǎng)防護(hù)”的處置對策，可以保證巖體穩(wěn)定及橋位施工。

a）排水設(shè)施施工 巖體坡頂應(yīng)設(shè)置坡頂截水溝，且應(yīng)在荷葉塘高架橋和坡體清方施工前完成。截水溝開挖之前應(yīng)做好襯砌準(zhǔn)備，以便開挖后及時(shí)襯砌，減少地表水入滲。這項(xiàng)措施是減小挖方邊坡坍塌的重要手段。當(dāng)挖方揭露出地下水時(shí)，應(yīng)在地下水出露點(diǎn)用粗砂石料填壓，然后做盲溝引排地下水[5]。

b）掛網(wǎng)防護(hù) 掛網(wǎng)防護(hù)系統(tǒng)可以適應(yīng)各種復(fù)雜地形地貌環(huán)境，盡可能降低大規(guī)模開挖所致的環(huán)境破壞及邊坡失穩(wěn)危害。施工靈活，對其他作業(yè)運(yùn)營干擾較少[6]。

c）錨桿防護(hù) 此危巖體受構(gòu)造作用形成塊體結(jié)構(gòu)，塊度大、重量大、位置高，一旦脫離母體其能量大、彈跳高，被動攔截較為困難，應(yīng)采取以錨桿為主的主動防護(hù)型式。錨桿防護(hù)必須在充分分析研究地質(zhì)資料和現(xiàn)場條件后進(jìn)行，并需進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)[7]。

d）信息化施工 荷葉塘高架橋危巖體形成原因復(fù)雜、影響因素眾多，在前期地質(zhì)勘察過程中不可能查清區(qū)內(nèi)所有的地質(zhì)狀況，在施工過程中，施工機(jī)械對于危巖體的擾動同樣會改變巖體的原有狀態(tài)，使巖體穩(wěn)定性降低。因此，在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對坡體結(jié)構(gòu)和變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)掌握施工對巖體穩(wěn)定的影響，并及時(shí)根據(jù)監(jiān)測信息更改施工安排，保證人員和機(jī)具的安全。

4 結(jié)論

a）從地形地貌、氣象水文、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等方面對湖南永藍(lán)高速公路荷葉塘高架橋北側(cè)危巖體孕災(zāi)環(huán)境進(jìn)行了分析。

b）研究了該危巖體的致災(zāi)原因，認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造條件和巖性條件為造成災(zāi)害的主要影響因素。

c）提出了“錨桿錨固+排水+掛網(wǎng)防護(hù)”的綜合防治對策，并對危巖體進(jìn)行了力學(xué)穩(wěn)定性分析計(jì)算，結(jié)果證明，防治對策設(shè)置科學(xué)、合理，可以達(dá)到防護(hù)目的。