桂東南地區(qū)厚層風化殼成因分析及對公路建設的影響

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，在交通強國戰(zhàn)略的指引下，我國公路建設進入新一輪高潮，因公路建設導致的不良地質災害也隨之增多[1]，而其中厚層風化殼導致的滑坡、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)濟損失巨大[2]。 本文以桂東南地區(qū)某高速公路為例，總結該區(qū)域厚層風化殼工程地質特性，從氣候、地形、巖石特性、地質構造4 個方面分析形成原因，并評價其對公路路基、橋梁、隧道等結構物的影響，提出針對性的工程措施建議，為桂東南地區(qū)公路建設提供借鑒。

2 公路沿線工程地質條件

2.1 自然地理條件

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，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫暖，雨水豐沛，光照充足。 夏季日照時間長、氣溫高、降水多，冬季日照時間短、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的交替影響，干旱、暴雨、熱帶氣旋、大風、雷暴、冰雹、低溫冷（凍）害氣象災害較為常見。 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，局部長大隧道段為低山—高丘陵，地勢陡峭；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，局部穿插有變質巖和火成巖，主要地層時代有第三系、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。 各巖性總體風化強烈，全強風化厚度大，約20～40 m，其中泥巖、泥質粉砂巖、砂巖、砂礫巖等膠結差，遇水易軟化，暴曬易崩解，強度降低快，對工程影響極大。

工程區(qū)處于廣西桂中-桂東臺陷區(qū)， 長期處于沉降狀態(tài)，晚古生代地層廣泛發(fā)育， 基底構造以褶皺為主， 斷裂構造發(fā)育，走廊帶內(nèi)次級構造發(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 厚層風化殼工程地質特性

3.1 殘積土工程地質特性

工程區(qū)風化殘積土主要是由泥巖、泥質粉砂巖、片麻巖、花崗巖等風化形成，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17 m。 沿線風化殘積土普遍存在高液限的特征，以寒武系泥質粉砂巖、白堊系泥巖、變質巖及花崗巖風化殘積物最為突出。 高液限土干硬時強度高， 常呈硬塑～堅硬狀，黏聚力和內(nèi)摩擦角較高，不易破壞；但同時因其毛細現(xiàn)象明顯，飽水后能長時間保持水分，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，工程性質差[3]。 各類型殘積層物理力學性質如表1 所示。

表1 各類型殘積層物理力學性質

3.2 全強風化層工程地質特性

工程區(qū)全強風化層厚度非常大，普遍在20～40 m，最大可達60 m。 其中全風化層多呈土狀， 部分全風化花崗巖呈砂土狀， 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。 強風化層厚度10～20 m，受區(qū)域構造影響強烈，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎，多呈碎裂結構，強度低，敲擊易碎。 其中沉積巖區(qū)受層狀巖性差異，存在沿層面風化不均勻的現(xiàn)象，呈強風化夾全風化狀，而全風化遇水極易軟化，導致沉積巖區(qū)開挖邊坡極易沿著巖層面產(chǎn)生滑塌； 花崗巖地區(qū)受構造、 地形影響，沿垂直方向上差異風化非常顯著，多見球形風化。 各全風化巖物理力學性質如表2 所示。

表2 各全風化巖物理力學性質

4 厚層風化殼成因分析

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反應速度來增加化學風化作用的速度； 另一方面適宜生物生長，導致生物活動頻繁，生物風化作用顯著。降雨量或空氣濕度通過影響水動力變化、水溶液成分變化來影響物理和化學的風化作用，桂東南地區(qū)不僅降雨量大，而且突發(fā)性暴雨較多，導致水流的侵蝕能力極強，對于加速物理風化作用顯著，而該地區(qū)水溶液成分豐富也使得化學風化作用明顯。植被茂盛一方面加速了生物風化作用；另一方面間接影響物理、化學風化速度，如根劈作用使巖體裂隙發(fā)育，有機質、腐殖質豐富導致水溶液更具腐蝕性，這都間接增加了物理化學風化作用?？傊?，工程區(qū)的氣候特點導致該地區(qū)物理、化學、生物風化作用顯著[4]。

4.2 地形影響因素

地形影響因素主要有地勢高速、起伏及坡向。 地勢的起伏影響到地下水位、植被發(fā)育及風化產(chǎn)物的保存，從而影響風化作用的進行。 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，風化產(chǎn)物不易于保存，使基巖不斷裸露，從而加速了風化作用的進行。 向陽、背陽坡的風化作用類型和強度也不一樣。 向陽坡日照時間長，濕度較高，植被較多，所以風化作用較強烈。 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，為云貴高原向陽面，夏季季風受云貴高原阻擋，使得該地區(qū)降雨量高，氣候炎熱、潮濕，化學、生物風化作用更加強烈。

4.3 巖石特征影響因素

巖石的組成成分、 結構是影響巖石風化速度的重要因素。桂東南地區(qū)巖層巖性多樣，成分和結構迥異，而總體上都呈現(xiàn)出風化強烈。 排除氣候、地形、構造因素，單從巖性方面很難總結統(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、變質巖以及存在輕微變質的寒武系砂巖均含大量的長石、黑云母等易于風化礦物，風化程度明顯較高；從結構構造來看，沿線第三系、白堊系砂巖、泥質粉砂巖、砂礫巖等結構松散，膠結差，層理明顯，且軟硬相間，易于風化。

4.4 地質構造影響因素

工程區(qū)為桂東南強震地震構造區(qū)，發(fā)育多條斷裂構造，次級構造極發(fā)育。 地質構造作用強烈的區(qū)域，一方面因巖體活動頻繁，擠壓作用明顯，增加了物理風化作用，巖土受擠壓破碎，導致節(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，增強水溶液的流通性，從而促進化學風化作用的進行。

5 厚層風化殼對公路結構物的影響及建議防護措施

5.1 對填方路基穩(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性質尚可，長期浸水后強度迅速降低，且透水性差，對填方路基排水及穩(wěn)定性影響較大。

建議在路基底部鋪設50 cm 砂礫、 碎石等透水性材料作為墊層，并在墊層頂面設置防滲土工布，防止毛細水上升。 路床范圍內(nèi)（一般為路面結構層以下0～80 cm）存在殘積土時，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。 路基施工時加強截排水措施，避開雨季施工并加強雨水的疏排，嚴禁地基土泡水。

5.2 對挖方路基穩(wěn)定性的影響及建議

工程區(qū)受巖石風化強烈，全～強風化厚度大，開挖邊坡坡體以全～強風化基巖為主，且受構造影響，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（全強風化）、白堊系泥質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，對路塹邊坡穩(wěn)定性影響較大。

對于厚層風化殼邊坡，應進一步放緩坡率開挖，對于開挖范圍主要位于全風化層的高邊坡，建議坡率1∶1.5～1∶2.0；開挖范圍主要位于全風化層的高邊坡，建議坡率1∶1.25～1∶1.5。建議坡腳設置矮擋墻固腳，并針對性地設置坡體及坡面防護措施。施工過程中應開挖一級支護一級， 嚴防開挖后坡面過長時間暴露，開挖后坡頂及時設置排水邊溝，做好截排水措施。

5.3 對隧道工程的影響及建議

工程區(qū)受區(qū)域構造影響，巖石風化強烈，隧道進出洞口以全強風化層基巖為主，洞身以中風化基巖為主，部分隧道埋深較小，洞身無中風化基巖揭露，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)域隧道圍巖風化強烈、完整性差、穩(wěn)定性差。 本文對項目區(qū)不同類型巖性隧道圍巖級別進行分類統(tǒng)計（見表3）。根據(jù)統(tǒng)計結果，沉積巖區(qū)隧道Ⅴ、Ⅳ級圍巖占比超過90%，而火成巖區(qū)隧道Ⅲ級圍巖占比接近70%，工程區(qū)主要以沉積巖為主，火成巖僅零星分布，即厚層風化殼對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

表3 隧道圍巖分級統(tǒng)計

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

6 結語

桂東南地區(qū)厚層風化殼主要表現(xiàn)為殘積土普遍具有高液限性，全強風化層結構松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，穩(wěn)定性差。 厚層風化殼主要成因有區(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、巖石結構松散、地質構造強烈等。 公路建設中填挖方路基及隧道工程地質條件受厚層風化殼影響較大，不僅增加了建設風險，也提高了建設成本。 建議建設過程中對各結構物有針對性地加強支護措施， 做好排水措施，謹防潛在風險。