構(gòu)造破碎帶深路塹地質(zhì)核查方法研究

王和平

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

地質(zhì)核查是對設(shè)計(jì)采用地質(zhì)資料的復(fù)核、驗(yàn)證和補(bǔ)充，是控制工程質(zhì)量過程中不可或缺的一環(huán)[1-3]。在地質(zhì)核查階段，應(yīng)根據(jù)施工需要進(jìn)行補(bǔ)充勘察，并合理選擇勘探手段[4-5]。針對地質(zhì)條件復(fù)雜的深路塹地區(qū)，應(yīng)采用綜合勘察技術(shù)進(jìn)行分析[6-7]，并對路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價[8]。

已有許多學(xué)者對地質(zhì)核查方法進(jìn)行相關(guān)研究，肖國峰等考慮了巖質(zhì)邊坡巖石強(qiáng)度、坡高、坡度等因素，通過量化指標(biāo)，建立巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析定量分析方法，但未考慮地下水、降水等因素的影響[9]；董捷等綜合分析路塹邊坡巖石強(qiáng)度、巖體整體性、結(jié)構(gòu)面特性、結(jié)構(gòu)面方位、邊坡高度、開挖坡角、降水量、地下水條件等因素，對山區(qū)鐵路初步設(shè)計(jì)階段沿線邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價，但是評價體系過于復(fù)雜，不適用于配合施工階段[10-12]。

根據(jù)山東省丘陵地區(qū)某新建高速鐵路構(gòu)造破碎帶深路塹實(shí)際地質(zhì)條件，采用踏勘、調(diào)查取樣、動力觸探、鉆探等綜合勘察方法進(jìn)行地質(zhì)核查，利用斷面、邊坡正面展示，對基底及邊坡構(gòu)造破碎帶分布情況進(jìn)行直觀展示。在邊坡穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上，對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行危險性分析，提出相應(yīng)的防護(hù)措施建議，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供地質(zhì)依據(jù)[13-15]。

1 工程概況

某新建高速鐵路深路塹(DK91+770～DK92+070段)位于丘陵斜坡地帶。線路中心最大挖深約22.57 m，路塹邊坡最大高度約28.40 m。工點(diǎn)范圍分布斷層、褶皺構(gòu)造破碎帶，主要由斷層角礫、斷層泥組成，成分不均勻，工程性質(zhì)差且分布極不規(guī)律。

場地地層自上而下主要有上更新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)黏土、碎石土，古元古界斷層角礫巖、長石石英巖及片麻巖。

場地位于暖溫帶亞濕潤氣候區(qū)，年平均降水量為667.4 mm，年平均降水日數(shù)為75.1 d，地下水為基巖裂隙水，本次開挖未揭露地下水。

2 綜合地質(zhì)核查方法

2.1 初步踏勘

該段線路走向86°，巖層產(chǎn)狀89°∠35°。通過現(xiàn)場踏勘，該段路塹主要不良地質(zhì)有構(gòu)造破碎帶和全風(fēng)化黃綠色片麻巖軟弱層。

(1)DK91+800～DK91+830、DK91+850～DK91+900段發(fā)育斷層破碎帶，巖土體主要表現(xiàn)為松散的黃褐色、紅褐色、棕紅色斷層泥、斷層角礫混合夾雜在堅(jiān)硬的強(qiáng)-弱風(fēng)化長石石英巖中，斷層走向與線路方向近垂直，基底有斷層穿過，兩側(cè)邊坡表層有剝落、滑塌現(xiàn)象(見圖1)。

圖1 DK91+870右側(cè)斷層破碎帶

(2)DK91+930～DK91+990段發(fā)育褶皺破碎帶，褶皺軸面與線路方向近垂直，西側(cè)翼產(chǎn)狀100°∠30°，東側(cè)翼產(chǎn)狀240°∠30°，基底為弱風(fēng)化長石石英巖與斷層泥相間分布。

(3)DK91+990～DK92+040段發(fā)育黃綠色全風(fēng)化片麻巖，主要為黃綠色，手搓有黏質(zhì)感，承載力低，表層有剝落、滑塌現(xiàn)象(見圖2)。

圖2 K92+001右側(cè)全風(fēng)化片麻巖

2.2 現(xiàn)場調(diào)查

(1)基底調(diào)查

應(yīng)查清基底兩側(cè)構(gòu)造破碎帶、軟弱層邊界，每處破碎帶設(shè)置線路左右側(cè)共4個分界點(diǎn)，測量其里程偏移量，可圈出破碎帶基底分布范圍，并進(jìn)行編號。

(2)邊坡調(diào)查

找出邊坡上構(gòu)造破碎帶或軟弱層分布邊界拐點(diǎn)，測量其坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)，記錄拐點(diǎn)與區(qū)域?qū)?yīng)關(guān)系，并對區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)描述，對路塹邊坡進(jìn)行初步穩(wěn)定性評價。編制觀測點(diǎn)描述單(見表1)。

2.3 動力觸探試驗(yàn)

對基底部分呈排狀進(jìn)行動力觸探試驗(yàn)，查看實(shí)測地基承載力，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，判斷軟弱層分界位置。

表1 觀測點(diǎn)描述單

2.4 補(bǔ)充鉆探

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、動力觸探試驗(yàn)結(jié)果，分析構(gòu)造破碎帶分布情況，結(jié)合既有勘察資料，布置網(wǎng)格狀勘探孔30個，分別位于左中線偏左2 m、偏右8 m對稱位置。對斷層泥、斷層角礫、黃褐色片麻巖，黃綠色片麻巖取膨脹樣分析。結(jié)合路基基底調(diào)查結(jié)果，繪制左中線偏左2 m、偏右8 m兩個斷面(見圖3、圖4)。

圖3 深路塹破碎帶偏左2 m斷面

圖4 深路塹破碎帶偏右8 m斷面

圖5 工程地質(zhì)平面及邊坡正面展示

3 地質(zhì)核查結(jié)果

根據(jù)邊坡調(diào)查觀測點(diǎn)里程及高程，將邊坡上不良地質(zhì)區(qū)域放入邊坡正面圖，與平面及斷面一一對應(yīng)，形成工程地質(zhì)平面及邊坡正面展示(見圖5)。

(1)構(gòu)造破碎帶

本段路基分布構(gòu)造破碎帶，主要為褶皺破碎帶和斷層破碎帶，其中,斷層破碎帶主要表現(xiàn)為斷層泥、斷層角礫。斷層破碎帶呈黃褐色、紅褐色、棕紅色，斷層泥呈土狀，硬塑狀態(tài)，礦物成分以黏土礦物為主，局部夾長石石英巖角礫碎石，成分不均勻；斷層角礫呈碎塊狀夾砂土狀，角礫成分以長石、石英巖為主。斷層破碎帶基本承載力為150～200 kPa。

(2)物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)土工化驗(yàn)報告成果分析，斷層泥巖性為黏性土，具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性及低強(qiáng)度特征；根據(jù)膨脹性化驗(yàn)成果分析，斷層泥自由膨脹率為49%～99%，蒙脫石含量為15.71%～38.12%，陽離子交換量為174.08～341.34 mmol/kg，綜合分析具有弱-中等膨脹性，局部為強(qiáng)膨脹性，遇水易軟化、吸水膨脹。

地質(zhì)核查階段，對斷層破碎帶進(jìn)行了動探測試及標(biāo)貫測試，原位測試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 原位測試統(tǒng)計(jì)

測試結(jié)果表明，斷層泥承載力低，與周圍強(qiáng)風(fēng)化巖工程性質(zhì)差異較大。該段落斷層破碎帶因含礫石成分差異，動探數(shù)據(jù)離散性大，斷層破碎帶與周圍巖層存在軟硬不均現(xiàn)象。

(3)膨脹性巖土

工點(diǎn)范圍分布片麻巖，黃綠色為主，少量黃褐色、灰黃色，全-強(qiáng)風(fēng)化，根據(jù)全風(fēng)化層片麻巖膨脹性化驗(yàn)成果，黃綠色片麻巖自由膨脹率為50%，蒙脫石含量為49.05%，陽離子交換量為406.6 mmol/kg，具強(qiáng)膨脹性；黃褐色片麻巖自由膨脹率為13%～17%，蒙脫石含量為19.67%～23.24%，陽離子交換量為332.67～342.71 mmol/kg，具有中等膨脹性。受構(gòu)造破碎帶影響，該段巖石產(chǎn)狀變化劇烈，節(jié)理裂隙很發(fā)育，局部褶皺與斷層構(gòu)造復(fù)合，巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。加之變質(zhì)作用及風(fēng)化不均作用影響，路塹邊坡坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈現(xiàn)顯著不均性特征。構(gòu)造破碎帶、黃綠色片麻巖工程性質(zhì)差，局部邊坡穩(wěn)定性較差。

4 路塹邊坡危險性評價

4.1 危險性影響因子

根據(jù)對該段路塹邊坡調(diào)查情況，將其分為8個段落，按左右兩側(cè)邊坡區(qū)分，共16部分(見表3)。

表3 路塹邊坡分區(qū)描述

路塹邊坡危險性由多種影響因子及其影響程度綜合確定，根據(jù)該段落路塹邊坡具體情況，為適應(yīng)配合施工階段快速評價機(jī)制，選取5個主要影響因子，分別為巖土類型、結(jié)構(gòu)面類型、邊坡高度、邊坡坡率、降雨，影響因子危險性分析如下。

(1)巖土類型S1研究區(qū)巖土類型有強(qiáng)風(fēng)化片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化長石石英巖、斷層角礫、斷層泥、黃綠色全風(fēng)化片麻巖，其中，斷層角礫、斷層泥承載力低、具有中等膨脹性，黃綠色全風(fēng)化片麻巖具有強(qiáng)膨脹性，不良巖體易遇水崩解，不利于邊坡穩(wěn)定，所以巖土類型與邊坡危險性密切相關(guān)。

(2)結(jié)構(gòu)面類型S2結(jié)構(gòu)面類型主要由結(jié)構(gòu)面與坡面相對位置關(guān)系決定，順層邊坡不利于邊坡穩(wěn)定。

(3)邊坡高度S3指路塹邊坡的垂直高度，高度越高，邊坡危險性越大。

(4)邊坡坡率S4邊坡坡率越大，越不利于邊坡穩(wěn)定。

(5)降雨S5大氣降水會加速膨脹性巖土結(jié)構(gòu)破壞。

將路塹邊坡危險性分為5個等級，見表4，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和巖質(zhì)邊坡類似工程經(jīng)驗(yàn)，將影響因子進(jìn)行量化，并對其危險性指數(shù)進(jìn)行賦值，見表5。

表4 路塹邊坡危險性分級標(biāo)準(zhǔn)

表5 路塹邊坡危險性影響因子指標(biāo)量化

4.2 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)影響因子兩兩相對重要程度，采用Stanty的標(biāo)度法(見表6)，得到判斷矩陣(見表7)。

表6 Stanty的標(biāo)度法

表7 影響因子重要程度判定

判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)，得到權(quán)重向量w=[0.355，0.177，0.142，0.089，0.237]T。

4.3 路塹邊坡危險性評價

根據(jù)各影響因子危險性指數(shù)與相應(yīng)權(quán)重，得到不同評價區(qū)域綜合危險性指數(shù)Pi，即

(1)

評價結(jié)果見表8。

表8 路塹邊坡危險性評價結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)核查結(jié)果，區(qū)域F1(DK91+930～DK91+990左側(cè))邊坡位于褶皺破碎帶，巖土體為斷層角礫、黃綠色全風(fēng)化片麻巖，混夾強(qiáng)風(fēng)化長石石英巖，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，完整性差，巖土體基本承載力為200～300 kPa，具有中等-強(qiáng)膨脹性。褶皺結(jié)構(gòu)面與坡面夾角約20°，為順層邊坡，坡高最高處為28 m，整體評價危險性等級高。

通過綜合評價，DK91+930～DK91+990段左側(cè)邊坡為危險；DK91+800～DK91+830、DK91+850～DK91+930段兩側(cè)邊坡，DK91+930～DK91+990段右側(cè)邊坡、DK91+990～DK92+040段兩側(cè)邊坡為較危險；DK91+770～DK91+800段左側(cè)邊坡，DK91+830～DK91+850段兩側(cè)邊坡為一般危險；其他段落兩側(cè)邊坡為較安全。

4.4 原設(shè)計(jì)方案危險性分析

根據(jù)施工圖資料，DK91+863～DK92+027段左側(cè)路塹邊坡、DK91+863～DK91+985段右側(cè)路塹邊坡采用現(xiàn)澆C35鋼筋混凝土錨桿框架，錨桿采用直徑32 mm HRB400螺紋鋼，錨桿長10.0 m，塹腳采用樁板墻支護(hù)，錨固樁樁長為16.0 m，樁間距6.0 m，其余段落路基塹腳設(shè)重力式擋土墻。路塹兩側(cè)設(shè)置C25鋼筋混凝土矩形側(cè)溝，間隔50 m設(shè)置集水井。

采取路基邊坡防護(hù)措施后，一般危險區(qū)域A1、C1、C2段邊坡坡高3～12 m，坡面為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖、長石石英巖，結(jié)構(gòu)面與坡面近乎垂直，設(shè)置重力式擋土墻后邊坡為較安全；較危險區(qū)域D1、D2、E1、E2、F2、G1段邊坡坡高12～28 m，坡面為斷層破碎帶，結(jié)構(gòu)面與坡面近乎垂直，坡面設(shè)置錨桿框架，塹腳采用樁板墻支護(hù)后邊坡為較安全。較危險區(qū)域B1、B2、G2段邊坡坡高6～18 m，坡面為斷層破碎帶、黃綠色全風(fēng)化片麻巖，結(jié)構(gòu)面與坡面近垂直，設(shè)置重力式擋土墻后邊坡為一般危險；危險區(qū)域F1段邊坡坡高22～28 m，坡面為斷層破碎帶夾黃綠色全風(fēng)化片麻巖，為順層邊坡，坡面設(shè)置錨桿框架，塹腳采用樁板墻支護(hù)后，邊坡為一般危險。

4.5 邊坡處理措施

較危險區(qū)域B1、B2(DK91+800～DK91+830兩側(cè))邊坡坡高6～9 m，坡面為斷層破碎帶，建議在設(shè)置擋土墻基礎(chǔ)上再進(jìn)行放坡；較危險區(qū)域G2(DK91+990～DK92+040右側(cè))邊坡坡高15～18 m，坡面為黃綠色全風(fēng)化片麻巖，建議坡面設(shè)置錨桿框架，塹腳改為樁板墻防護(hù)；危險區(qū)域F1(DK91+930～DK91+990左側(cè))邊坡坡高22～28 m，坡面為斷層破碎帶夾黃綠色全風(fēng)化片麻巖，結(jié)構(gòu)面與坡面順層，建議增加錨桿桿長、增加樁板墻錨固樁樁長并減小樁間距。

綜上所述，建議在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，DK91+800～DK91+830兩側(cè)邊坡應(yīng)適當(dāng)放坡，“錨桿框架+樁板墻”支護(hù)段落里程范圍調(diào)整為DK91+850～DK92+040兩側(cè)邊坡，其中，DK91+930～DK91+990左側(cè)邊坡應(yīng)采取增加錨桿桿長、樁板墻錨固樁樁長及減小樁間距等措施。

5 結(jié)論

(1)高速鐵路構(gòu)造破碎帶深路塹地區(qū)地質(zhì)核查宜采用踏勘、調(diào)查取樣、動力觸探、鉆探等綜合勘察技術(shù)，對路塹基底與邊坡進(jìn)行綜合分析，制作工程地質(zhì)平面及邊坡正面展示，可提高路基橫斷面填繪準(zhǔn)確性。

(2)根據(jù)綜合勘察結(jié)果，采用層次分析法，將路塹邊坡危險性分為4個等級：危險、較危險、一般危險、較安全。評價結(jié)果顯示DK91+930～DK91+990左側(cè)邊坡為危險段，評價結(jié)果與實(shí)際情況吻合。

(3)根據(jù)危險性評價結(jié)果，在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，提出放坡、調(diào)整“錨桿框架+樁板墻”支護(hù)里程段落和增加錨桿桿長等措施，可有效規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險。