复杂地质条件下山区公路工程勘察实践

黄 星

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

1 概述

随着经济发展、城市不断向山区延伸，不仅提高了城市与山区间交通运输的便捷程度，也对勘察提出了更高的要求，勘察不仅需要面对山区地貌形态多样、地质环境敏感脆弱、地层岩性复杂、不良地质作用普遍发育、特殊性岩土广泛分布等复杂地质条件，还要面对场地交通条件不便，施工受限颇多等不利因素，对勘察工作提出了很大的挑战[1-3]。

白云区至修文县道路工程为典型的山区道路工程，地形复杂，岩溶、采空区、滑坡、断层等不良地质及红黏土、软土等特殊性岩土发育，本文主要针对该项目的勘察开展进行研究探讨，以期为同类工程提供经验借鉴。

2 工程概况

2.1 工程简介

白云区至修文县道路工程是贵阳市“一环一横七射线”干线公路规划网体系中的第三条射线，全线长约20.2 km。该项目主路采用集散型一级公路标准，设计速度为80 km/h，全线设分离式隧道1座(全长约1.4 km)、大桥1座、中桥6座、人行天桥5座，各类通道、箱涵38座，高于10 m的边坡共14道，边坡最大开挖高度47 m，最大填方高度约26 m。

2.2 勘察方法及手段

工程沿线不良地质及特殊性岩土发育，勘察根据收集资料和踏勘成果，以及该工程特点和设计要求，采取以工程地质、水文地质调绘、物探(高密度电法、地震、波速测试)、钻探、坑探(重点边坡位置)、原位测试(标准贯入、重型动力触探)等与室内试验的多种手段相结合的方法进行。

2.3 工作量布置原则

工程地质测绘及水文地质测绘，比例1∶2 000，沿道路两侧各200 m范围内进行。

物探，高密度电法：主要在隧道段、桥梁段、断层及岩溶、采空区等不良地质发育段布置；地震法：采用反射波法，沿隧道轴线布置，并在进出洞口段各布置2条横断面；波速测试：在隧道段及桥梁段选择代表性孔进行。

钻孔：一般路基段按100 m间距布置，并尽可能利用桥梁、通道孔，陡坡路堤、高路堤及路堑按50 m间距布置断面；支挡结构，间距50 m；桥梁：桥梁均位于碳酸盐岩区，此按每桩1孔布置；隧道：洞身共布置5个勘探孔，在两侧洞口各布置两条横断面，每处3个钻孔；通道，每处2个～3个钻孔。勘探孔深度满足基础选择、承载力计算、沉降估算、边坡稳定性验算、地基处理、岩体及隧道围岩划分要求，隧道孔最大孔深209 m。

原位测试主要为标准贯入、重型动力触探。水文地质试验主要在隧道段进行了压水试验。

岩土水测试，除满足常规要求外，并选代表性土样进行三轴UU、无侧限抗压强度、自由膨胀率、固结系数、渗透系数等试验，对代表岩石样品进行了岩石直剪、抗拉、岩块声波、弹性模量、泊松比试验以及天然建筑材料试验等。

2.4 完成工作量

初、详勘共完成钻孔763个、进尺14 406 m，高密度电法103条剖面、总长19.55 km；浅源地震12条剖面、总长3.485 km；波速，23孔；压水试验7段；标准贯入试验71点、动力触探试验20.8 m；土样250组；岩样339组，水、土腐蚀性试验21组，击实、承载比试验3组，碎石集料试验6组。

3 场地工程地质条件

3.1 地形、地貌

沿线地貌单元为中低山丘陵(含中低山、中低山风化剥蚀残缓坡丘陵、碳酸盐岩类溶丘洼地)和开阔的宽谷盆地等地貌组合为主。线路沿线有水耕地、旱耕地、荒坡、森林和河流分布。沿线地面标高最低点位于麦架河1 240 m，最高点为六道拐石人山1 526 m，最大相对高差286 m。

3.2 区域构造及稳定性

所经线路下伏基岩为三叠系、二叠系、寒武系碳酸盐岩和煤系地层，缺失石炭系、泥盆系、志留系及奥陶系等地层；场区地层单斜为主，产状近南北走向，东倾为主，倾向一般在70°～110°之间；倾角6°～35°左右。

沿线共发现5条断层穿过线路，以多期压扭性断裂为主，构造线以南北向及北东向沿展，与地层构造线方向基本一致，断层多在路基段穿越线路，因此对本项目影响较小。

本区地震动反应谱特征周期为0.35 s；地震动峰加速度小于0.05g；相应区域地震基本烈度为小于6度。

本路径处于稳定区域，路径及其附近区域断裂活动微弱或不明显。

3.3 地层

沿线岩土层种类多，全线土层厚度和基岩埋深变化起伏大，其中覆盖层以红黏土为主，在山丘段及宽谷盆地段上部以硬～可塑为主、宽谷盆地段下部以软塑为主，性状差异大，残丘间洼地水田中有淤泥质土分布；下伏基岩为三迭系中统松子坎组(T2s)和下统茅草铺组(T1m)、夜郎组(T1y)白云岩、灰岩夹砂、泥岩；二迭系上统长兴、大隆组(P2c+d)、龙潭组(P2l)燧石灰岩、泥灰岩、砂泥岩，夹薄煤层；寒武系中上统娄山关群(∈2-3ls)、中统高台组、石冷水组(∈2g-s)白云岩、泥质白云岩夹泥岩，基岩风化不均，强风化层局部厚度大。

4 岩土工程特征

4.1 覆盖层

①淤泥(Qn)：土质差，分布范围有限，建议采用换填处理。可挖性等级为Ⅰ级。

②杂填土(Qml)：成分复杂，结构较松散，分布范围有限，未经处理一般不宜作为天然地基持力层。该层可挖性等级为Ⅰ级。

③第四系填耕土层(Qml)：该层分布较广，低洼处多为稻田，含植物根系及腐殖质，结构较松散，未经处理一般不宜作为天然地基持力层。该层可挖性等级为Ⅰ级。

④残坡积(Qel+dl)：该层以红黏土为主，局部为黏土、粉质黏土，可塑为主，上部为硬塑～可塑，下部局部为软～可塑，该层为高液限土，但不具膨胀性，中压缩性为主，土质较好，可作为路基持力层。该层可挖性等级为Ⅱ级。

4.2 基岩

根据沿线露头及钻孔揭示，浅部基岩均遭受不同程度风化，多具垂直分带性，全风化带较少见，强风化带分布不连续。

1)强风化泥岩、泥灰岩夹煤层：黑色、灰黑、灰黄色，受构造运动影响较严重，部分为半岩半土状，裂隙发育、少量裂隙被钙质胶结物充填，遇水易软化、崩解，该层岩体较软、破碎，路堑段该层应降低坡率并作相应支护，该层工程性质一般。该层可挖性等级为Ⅲ级。

2)强风化白云岩、泥灰岩、灰岩、燧石灰岩：灰、灰白色，多为薄层状，受构造运动影响较严重，裂隙发育，多被泥质、钙质胶结物充填，岩芯多呈砂状、碎块状，该层岩体较软、破碎。该层工程性质较好。该层可挖性等级为Ⅲ级。

3)中风化泥灰岩、砂岩：灰、深灰色，多为薄层状，遇水可软化、崩解，受构造运动影响较严重，裂隙较发育，多被铁质、钙质充填，该层岩体较软、破碎，该层工程性质相对较好。该层可挖性等级为Ⅳ级。

4)中风化灰岩：灰、灰白色，薄层～厚层白云岩，裂隙较为发育，铁质、钙质充填，岩芯呈碎块状和柱状。该层工程性质较好。该层可挖性等级为Ⅴ级。

5)中风化白云岩：紫红色，肉红色，薄层～厚层状，裂隙较为发育，铁质、钙质充填，岩芯呈碎块状和柱状。该层工程性质较好。该层可挖性等级为Ⅴ级。

4.3 岩土物理力学指标

根据所取原状岩、土样试验结果及相关规范有关规定并结合地区经验确定如表1所示。

表1 岩层主要物理力学参数

4.4 水文地质条件

地表水：线路区域地处长江与珠江流域分水岭上，属长江流域乌江水系。本工程跨越的主要河流有麦架河、瓦罐窑河、小桥河及路家河，河谷阶地地貌不明显，两岸基本对称，谷坡宽缓。除河流外，线路上还有较多的溪沟流水，各河流均自西向东流入猫跳河。

沿线发现共14处泉水点，均为下降泉，除隧道进口处泉水流量较大外，达30 L/s外，大部分流量甚小，以细泉渗出。

沿线山区河流具有洪枯流量瞬息变化，易涨易退形成雨源性山区河流的水文特征。山区河流易暴涨暴落，设计、施工都必须作好充分考虑和准备，以免造成公路的水毁问题。

地下水：测区地下水类型主要有第四系潜水，基岩裂隙水和岩溶水等。其中各含水层受大气降水影响明显，初勘时河谷平原及山谷中大部分钻孔可见地下水，详勘期间由于正经历百年一遇大旱，大部分钻孔均未见地下水。

4.5 不良地质条件及特殊性岩土

工程沿线不良地质发育，主要有岩溶、采空区、滑坡、断层等；特殊性岩土主要为红黏土，软土。

岩溶：全线碳酸盐岩分布广泛，碳酸盐岩分布段占线路全长的97%以上，岩溶地貌发育，多见溶蚀沟、溶蚀槽、溶蚀洼地、落水洞、溶洞等岩溶地貌，钻及基岩全部钻孔见洞率为10%、其中桥梁深孔中见洞率可达16%，溶土洞发育程度一般。在钻孔的岩土界面多发生漏水现象，也反映岩溶裂隙较发育的特征。最大溶蚀洼地位于线路右侧K9+800处，为一大型溶蚀洼地、直径超过150 m、落差可达30 m以上。

滑坡：位于里程K8+400～K8+460右幅，体积约2 000 m3，为一小型土质滑坡。初步设计阶段已将线路调整至外侧140 m，由于该滑坡距线路有一定距离，对线路无影响。

采空区：线路K4+600～K6+300段有煤矿和铁矿分布，可分铁矿采空区与煤矿采空区两大类。铁矿采空区主要分布于隧道顶，根据调查和物探资料，隧道轴线上铁矿层深度小于35 m，由于隧道洞身埋深一般大于150 m，因此采空区对隧道洞身段影响较小；煤矿采空区位于K4+700～K4+850路基段，规模小，对路基影响小。

红黏土：沿线分布较广，为碳酸岩风化产物，厚度变化较大，为高液限土，一般不具膨胀性，中压缩性为主，上部硬塑为主，沟谷靠近基岩部分为可塑、局部软塑。

软土：主要为塘中分布的淤泥和山间谷地水田的稻田土，全线总长度约750 m，厚度1 m～5 m不等。

5 勘察工作重点难点及应对措施

本工程包括长隧道、大中桥、高路堑、高填方段，各个工点性质不一、对勘察要求不一，整个线路不良地质发育，工程地质条件复杂，勘察措施需要很强的针对性。本工程的勘察重点是对沿线不良地质、隧道及路堑段的工程地质特征的分析与评价，具体如下：

1)对全线进行了工程地质和水文地质调查工作，重点是沿线不良地质分布段、隧道出入口仰坡、路堑边坡以及沿线泉水分布等，结合钻探、物探成果，绘制了详细的工程地质平面图，在图中标出了断层、溶蚀洼地、落水洞、滑坡、采空区、软土等不良地质与特殊性岩土的分布范围。

2)不良地质发育段：滑坡段，以调查为主，在初设阶段查明了滑坡分布范围，线路结合拆迁一并作了避让；采空区，以调查为主，辅以适当的高密度电法等措施，查明了采空区分布范围，评价了采空区对工程的影响，特别是经过多次走访，找到了原矿主、参与采矿的山民，最终确认了采矿规模；岩溶段，一般以地质调查为主，桥梁等重点位置辅以高密度电法进行探查，桥梁段当采用桩基时则采用1桩1孔进行查明，对大型溶蚀洼地建议线位作了避让。

3)软土，以钻探为主，结合地质调查查明了分布范围及厚度；红黏土，全线均有分布，上部硬塑为主，往下靠近基岩面多为软可塑，因此进行了加密取样，除常规物理试验外，还进行了固结快剪、无限侧抗压强度、三轴UU等试验。

4)隧道段：以地质调查、钻探及室内试验为主，并辅以物探(高密度电法、地震、波速)、压水等试验，重点评价采空区对隧道的影响、进行隧道围岩类别划分，并进行涌水量预测；隧道也是施工最困难地段，不仅钻机上山困难，用水更加困难，采用了挖坑蓄水、多水泵接力抽水等措施保证用水，同时配制了专门泥浆保护孔壁稳定、防止塌孔。

5)深路堑段：以地质调查为主，辅以钻探和室内试验，并在重点位置布置了探抗，根据地质调查成果采用玫瑰花图确定优势结构面产状、并结合赤平投影初步分析，重点评价软弱夹层对顺层边坡的稳定性的影响。

6)填方段、支挡结构、一般路基段：以钻探为主，重点查明红黏土层、软土层的厚度及性状，并对沿线的筑路材料进行了评价。

7)桥梁段：部分桥梁处基岩埋深较浅，因此重点是桥梁桩基础和天然地基的比选，由于桥梁处均位于岩溶发育段，初勘阶段布置了高密度电法物探，均没有发现断层破碎带和大的溶洞，详勘阶段对可能采用桩基方案的桥梁采用1桩1孔方式查明桥梁址处岩溶发育情况。

6 工程地质分析评价

工程沿线属于基本稳定区域，但沿线不良地质和特殊性岩土发育，工程地质条件和水文地质条件较复杂，本项目线路长，各构筑物性质不一，桥梁、隧道以及路基的深挖、高填等均是岩土评价的重点工作。

不良地质及特殊性岩土分析评价：

1)岩溶，线路对K9+800大型溶蚀洼地进行了避让；对落水洞应进行保护，特别是路基范围的落水洞不宜填埋，可设置暗涵进行排水，其他小型溶洞及土洞可采用片石回填；桥梁段桩基须穿过溶洞进行入稳定基岩；隧道段主要位于寒武系白云岩地层中，附近可见溶洞存在，对隧道开挖过程中发现的溶洞，应做加固、引排截流岩溶水等工作。

2)采空区，隧道段由于隧道埋深较大、对隧道基本无影响；路基段，由于规模小、不需要专门处理。

3)滑坡，已进行避让，对本工程无影响。

4)断层，均为非活动断裂，一般位于路基段，断层两侧岩溶较发育，可结合路基一并处理。

5)红黏土，填方段作为路基填料时宜控制填筑高度并作改性处理，高挖方段宜适当放缓坡率。

6)淤泥质土层，厚度不大，宜作挖除换填处理。

一般路基段工程地质评价：全线两端为河谷盆地地貌类型，覆盖层厚度较大，以土质路基为主，中部低山丘陵段为土石方路基段，在局部有河塘、稻田淤泥分布，但厚度一般不大。一般路基段可在清表后填筑，河塘、稻田淤泥分布段及表层的耕土层应作挖除换填处理。

挖方路段建议综合整治措施，在地形条件许可的情况下，结合路基的取土，尽量刷方减重，减少支挡工程，加强地表、地下水的排泄措施，以提高岩土的抗剪强度，增加坡体的稳定性。对顺向坡采用锚杆框架梁体系，对逆向坡一般采用锚钉挂网混凝土封面的防护方式，当为土质边坡时，对路堑路床0.8 m范围内的红黏土应进行超挖，并换填渗透性好的碎石土或外掺石灰进行改性处理。

高填段宜采取设置台阶、挡土墙、土工格栅等措施，在山沟等并设置相应的过水通道，防止路堤水淹；填方路段应注意对填土分层碾压、夯实处理，由于沿线均分布有红黏土，根据承载比试验资料，CBR2.5=4.7%～7.4%，CBR5.0=3.7%～6.2%。其指标小于一级公路对填料强度的要求，当采用该层作为路基填料时应进行适当的改性处理，如掺灰等。当采用该层用为路基持力层，应设置排水隔离层，采用渗透性好的碎石土填筑，其顶面设置反滤层。对高填方段还需考虑适当的地基加固处理措施，如碎石桩等。

支挡工程：挖方段建议以强、中风化岩作为天然地基持力层；填方段如土层厚度大，可结合路基一并处理。

桥梁工程：桥址处基岩一般埋藏较浅，但风化不均，当采用桩基时，可以中风化白云岩、灰岩作为桩基持力层，边墩采用天然地基方案时，建议以下部强、中风化岩作为天然地基持力层。塘古塘大桥处岩溶发育，覆盖层厚度较大，可考虑采用桩基方案。

通道工程：强、中风化岩及硬、可塑红黏土作为天然地基持力层；软塑土层可用块石换填；个别为淤泥质土层应进行挖除换填。

隧道工程：地层相对简单，其中出口段覆盖层较厚，以残坡积黏土为主，基岩主要为寒武系中上统(∈2+3)白云岩、泥质白云岩夹泥岩，岩性较为单一，地层倾角较缓，进口处小于10°，出口在10°～22°左右；围岩级别进出洞口段为Ⅴ类，洞身段Ⅳ类为主。隧道顶部经大规模采矿，遗留矿洞极多，深度一般不超过50 m，而隧道顶板厚度多大于150 m且地层以近水平为主，因此山顶的采空区对隧道建设影响较小。隧道段岩溶较发育，洞身涌水以溶隙涌水及裂隙性涌水为主，采用简易水均衡法进行估算：涌水量Qs=1 430 m3/d、最大涌水量为7 150 m3/d。由于洞身段有溶洞分布，存在岩溶管道水，有产生突涌的可能，对施工存在一定隐患，应加强超前地质预报等措施。

7 结语

1)白修线公路沿线地形变化大、深挖高填路段较多，沿线不良地质及特殊性岩土发育，不良地质主要为岩溶、滑坡、采空区、断层；特殊性岩土主要为软土、红黏土等，需针对性的采取适宜的勘察手段,包括工程地质、水文地质调绘、物探、钻探、坑探、原位测试、压水试验与室内试验等。

2)针对不良地质，应加强地质调查及物探工作，对红黏土层，应注意往下由硬塑变软可塑的特性、加强室内剪切试验。

3)对于滑坡、大型岩溶地貌等不良地质应加强与设计沟通，有条件可以避让为主。

4)工程地质评价应根据不同构筑物性质结合地质条件和当地经验进行。