某高速公路高架橋危巖體成因分析與防治措施

劉 海

（山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護交通行業重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

山區高速公路的建設由于其特殊的地形地貌、地質構造，在建設過程中，高填、深挖以及陡坡路堤（塹）、巖溶等特殊巖土問題較多，加之地質勘查技術和手段的局限，往往無法預知公路工程中可能遇到的所有地質問題，容易誘發大規模的地質災害，造成重大經濟損失，嚴重影響施工進度及運營安全[1]。

某高速公路路基寬度26 m，雙向四車道，設計車速100 km/h，瀝青混凝土路面結構。公路全線穿越南嶺山脈，地形崎嶇起伏，地質條件復雜，暗河、溶洞等地質災害隱伏性強，工程施工難度大。

該項目某高架橋屬大跨徑、高墩特大型橋梁，全長1 037 m。據工程地質勘察報告，橋區碳酸鹽巖廣泛分布，兩側墩臺位于地勢陡峭的山坡上，發育崩塌及危巖體，中間橋墩位于地勢較為平坦的谷地中。橋位區發育的不良地質包括巖溶、崩塌及危巖體、潛在不穩定邊坡等3種類型。本文針對該高架橋北側危巖體，從地形地貌、氣象水文、地層巖性、地質構造、水文地質等方面分析了致災環境，研究了致災原因，最后通過巖體穩定性分析提出了災害防治措施。

1 高架橋危巖體主要孕災環境

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。本項目高架橋橋址位于低山段，橋中為溝谷、兩側山體陡峭，溝谷與山體高程相差百米以上。

1.2 水文氣象

項目區域四季分明，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；降雨蒸發量少，多年平均水面蒸發量900～1 100 mm，陸面蒸發量為500～800 mm。

1.3 地層巖性

該項目沿線地層主要為灰巖，包括炭質灰巖、灰巖、泥質灰巖、炭質頁巖。沿線風化強烈，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，石灰巖居多，但風化嚴重、完整性差，坡體表面覆層較薄[2]。

高架橋橋區上覆土層厚度變化大，主要分布于谷地中。K52+382—K52+442段山坡上發育殘坡積成因的更新統亞黏土，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，主要成分的白云質灰巖、灰巖，粒徑為30～500 cm，泥質填充，厚度最大約29.0 m；谷中多為沖積成的更新統卵石層、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，坡頂裸露大片風化白云質灰巖。

1.4 地質構造

根據地質圖和地質調查報告，橋位所處區域屬華夏系構造帶。結合巖層產狀分析及橋位區巖性調查發現，本橋總體處于背斜構造中，谷地鉆探揭示的巖性為灰巖（不含或含少量白云質），兩側山體普遍含白云質，背斜軸部走向靠近NE，向SW傾伏，核部位于谷地中間。

調查發現，在橋東約1.5 km處露出區域性斷層F1，該斷層包含兩個斷層帶，間距約50 m，近于平行，南側帶寬約75 m，北側帶寬約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 水文地質條件

經地表調繪，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，屬于上層滯水或風化裂隙水，受橋區谷地溶蝕基準面的控制，在巖體附近的坡腳以巖溶泉形式出露。

2 高架橋危巖體成災原因分析

高架橋路線走向約150°，北側危巖體上覆亞黏土厚度約5～20 m，基巖為灰巖，巖質堅硬。危巖所在高邊坡坡面產狀為117°∠90°，巖性為巨厚層白云質灰巖，整體結構，表層風化程度較低，為崩塌的產生提供了物質條件。通過現場調查確認，斷層F1在橋區以約4條小型斷層出現，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成軟巖。平行于懸崖壁發育一條長大裂隙，該裂隙在坡頂處張開度約30～50 cm，而且裂隙中巖溶發育，如圖1所示。

圖1 危巖體裂隙發育示意圖

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。現場調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，易發生崩塌或傾倒破壞。一旦發生大規模破壞，將對工程造成毀滅性影響，因此在橋梁施工前，應先加固巖體。若施工前期未采取防護或加固措施，危巖體坍塌或傾倒將沿裂隙向谷地方向發展，進而引發下伏巖體和上覆土層的失穩[4]。

3 荷葉塘危巖體防治措施及施工要點

3.1 防治措施和力學計算結果

針對該危巖體，擬采用錨桿支護、加強排水和掛網防護等措施加強其穩定性，其中錨桿防護設定參數和形式如表1所示。

表1 荷葉塘高架橋北側危巖體錨桿防護基本參數

表2 荷葉塘高架橋北側危巖體錨桿防護穩定性計算參數

為了驗證錨桿防護的可靠性和錨桿設計參數的合理性，對錨固的危巖體進行了滑動穩定性計算，計算參數和計算簡圖如表2、圖2所示。

經過計算，危巖體的總下滑力為9 415.4 kN，總抗滑力為12 403.6 kN，安全系數為1.317。因此，采用錨桿防護之后，該危巖體基本穩定，基本不會產生崩塌、落石等地質災害，計算結果如表3所示。

表3 荷葉塘高架橋北側危巖體錨桿防護穩定性計算結果

圖2 危巖體錨桿防護穩定性計算簡圖

3.2 防治與施工要點

通過現場勘測及力學計算，提出“錨桿錨固+排水+掛網防護”的處置對策，可以保證巖體穩定及橋位施工。

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

b）掛網防護 掛網防護系統可以適應各種復雜地形地貌環境，盡可能降低大規模開挖所致的環境破壞及邊坡失穩危害。施工靈活，對其他作業運營干擾較少[6]。

c）錨桿防護 此危巖體受構造作用形成塊體結構，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，應采取以錨桿為主的主動防護型式。錨桿防護必須在充分分析研究地質資料和現場條件后進行，并需進行動態設計[7]。

d）信息化施工 荷葉塘高架橋危巖體形成原因復雜、影響因素眾多，在前期地質勘察過程中不可能查清區內所有的地質狀況，在施工過程中，施工機械對于危巖體的擾動同樣會改變巖體的原有狀態，使巖體穩定性降低。因此，在施工過程中，應加強對坡體結構和變形的實時監測，及時掌握施工對巖體穩定的影響，并及時根據監測信息更改施工安排，保證人員和機具的安全。

4 結論

a）從地形地貌、氣象水文、地層巖性、地質構造、水文地質條件等方面對湖南永藍高速公路荷葉塘高架橋北側危巖體孕災環境進行了分析。

b）研究了該危巖體的致災原因，認為地質構造條件和巖性條件為造成災害的主要影響因素。

c）提出了“錨桿錨固+排水+掛網防護”的綜合防治對策，并對危巖體進行了力學穩定性分析計算，結果證明，防治對策設置科學、合理，可以達到防護目的。