川藏高速公路雅(安)康(定)段玄武巖邊坡工程地質分析與防治

成永剛，趙曉彥

(1.四川公路工程咨詢監理公司， 四川 成都 610041； 2.西南交通大學 地質工程系， 四川 成都 610031)

川藏高速公路四川境內線路走廊帶狹窄、江河發育，地形陡峻、斷裂發育、氣候惡劣，形成了極其復雜的地質條件，極其脆弱的生態條件，極其困難的工程建設條件。為填補四川藏區高速公路空白，提升國防安全保障水平，修建于川西藏區的南線川藏高速公路雅(安)康(定)段全長134.135 km，采用路基寬度24.5 m的四車道標準建設[1]，橋隧比85%，每公里造價1.9億元，線路標高從580 m快速抬升至3 000 m，是目前我國地質條件最為復雜、工程建設難度最大、同等建設標準中造價最高的高速公路。

自工程建設以來，區內巖漿巖建造坡體開挖后的路塹邊坡潛在破壞模式，由于工程地質分析上的分歧，造成工程處治方案久拖不決，甚至造成大量工程報廢而形成不良的社會影響。基于此，本文以雅康高速公路ZK49+090—ZK49+260段的玄武巖坡體病害處治工程為例，對玄武巖路塹邊坡中常見的幾個工程地質問題進行系統分析，并在此基礎上對邊坡的工程防治方案進行了探討。

ZK49+090—ZK49+260段玄武巖邊坡位于天全縣思經鄉境內，雅安端緊鄰公家坪大橋和天河長隧道，康定端緊鄰李子坪特大橋。設計階段由于區內大量玄武巖出露地表，巖體性質良好，故擬作為料場將玄武巖砌于路面基材。即在路基內側設置11.0 m寬平臺，邊坡采用1∶0.3～1∶0.5的坡率開挖，形成了坡高85.0 m、取料26.3×104m3的深挖路塹邊坡。

2015年底，邊坡開挖時發現玄武巖受構造作用風化較為強烈、斷裂發育，造成玄武巖力學性質無法滿足路面材料和邊坡穩定性要求，需對原設計進行調整。基于此，原位治理方案取消坡腳寬大平臺、設置較緩坡率后邊坡高約128 m，并采用三排抗滑樁與大量錨固工程加固，其工程造價達7 113萬元。故提出線路左線采用隧道通過，右線適當外移22.0 m后采用橋梁通過，線路影響長度為1 451 m，處治工程造價約4 439 萬元，并造成已建的公家坪大橋和李子坪特大橋約530萬元的報廢工程[2-3]。

變更方案審查階段，相關各方由于對玄武巖邊坡的工程地質分析產生了巨大分歧，在長達近一年多批次的專家會審時無法與設計單位達到共識。最后考慮到2017年底的通車壓力，建設單位決定采用設計單位推薦的調線和隧道方案進行處治。

1 玄武巖坡體基本特征

1.1 地形地貌特征

玄武巖邊坡區峽谷深切，岸坡陡峻，屬構造剝蝕的低中山峽谷地貌。所依附的條狀山脊相對高差約646 m，山脊地形地貌上呈多級陡緩相間。高速公路在山脊坡腳的溝谷上部約40.5 m的陡坡部位通過，邊坡工程影響范圍內的自然坡度約30°～50°，坡腳河流為典型的暴漲暴落型山區河流，河流沖刷嚴重，受邊坡所依附的自然突出山脊影響而呈“S”形從斜坡下部拐彎通過。如圖1所示。

圖1 玄武巖邊坡地質平面圖

1.2 坡體結構特征

坡體上層為厚2.0 m～18.0 m的稍密的崩坡積碎石土，其中粒徑d>200 mm約占5%～15%，d在200 mm～20 mm約占50%～70%，d在20 mm～2 mm約占10%，余為粉黏粒。呈現出邊坡由上至下，由小里程向大里程碎石土厚度逐漸減小的趨勢。坡體下伏斑狀結構、杏仁狀構造的玄武巖，其中碎塊狀強風化層厚度約為3 m～5 m左右，其下為較完整的微風化玄武巖。坡體內主要發育四組節理，其基本特征見表1(見圖2)。受區域構造影響，自然邊坡發育有3條次級斷層CF1—CF3，其基本特征見表2。場地基本地震烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.15g[4]。

圖2 結構面赤平投影圖

表1 坡體玄武巖結構面性質及特征

表2 斷層性質及特征

1.3 水文地質特征

區內年平均降雨量1 660 mm，坡腳大河為典型的暴漲暴落型山區河流，受項目區玄武巖地層的影響，河流的側蝕和下切相對比較輕微，且河流由于受凸出的玄武巖山脊阻擋呈“S”形從坡腳通過。邊坡后部山體高大，植被茂盛，但由于邊坡所依附的山脊在地形上凸出，造成項目區邊坡下水作用微弱。

2 坡體工程地質特征分析

工程設計變更時，各方在坡體的主要四個工程地質特征上產生了分歧，直接影響了處治方案的分析:

(1) 受CF1—CF3三條次級斷層影響造成邊坡巖體破碎而穩定性變差。

(2) 玄武巖似層面與邊坡外傾結構面配套組合后形成貫通的長大潛在滑面。

(3) 玄武巖坡體卸荷嚴重，結構面存在泥質充填和鏡狀擦痕，造成坡體穩定性差。

(4) 玄武巖邊坡地表堆積層穩定性差。

基于此，變更原位治理方案采用緩坡開挖后形成了高約128 m的高大邊坡，并在以上四個不利地質因素的作用下，開挖后的邊坡潛在下滑力達到了13 785 kN/m，需設置3排2.4 m×3.6 m×30 m～34m@5m的錨索抗滑樁和52排設計拉力為800 kN的錨索進行加固(見圖3)。該處治方案工程造價為7 113萬元，且工期長而不能滿足通車要求。由此，設計最終推薦采用“工期可控、造價合理”的調線方案，即線路左線原位以暗挖隧道形式通過，右線適當外移22.0 m后設置橋梁通過。該方案工程造價約4 439 萬元，報廢已建的公家坪和李子坪大橋工程約為530 萬元。

圖3 原位治理變更治理方案工程地質斷面圖

2.1 關于次級斷層對邊坡的穩定性影響

作為構造結構面，這三條次級斷層中CF1和CF3斷層屬于壓性斷裂，呈帶狀延伸長度近百米，破碎帶內巖體呈碎裂狀。CF2屬于張性斷裂，只在坡體局部出現，其延伸長度約15 m左右，其斷裂面呈鋸齒狀，有泥質充填。這三條斷裂從性質、形態上看，其對坡體的整體穩定性或局部穩定性分別有一定的影響。

從斷裂分布的位置上來看，CF1斷裂位于小里程側擬挖方的路塹邊坡坡腳不利于坡體整體穩定，故應貫徹高邊坡“固腳”原則的基礎上，采用抗滑樁等工程力度較大的措施進行預加固是可以有效消除其對邊坡不利影響的。CF2斷裂位于擬挖方的路塹邊坡的二級邊坡中部，對坡體的局部穩定性存在一定的影響。CF3斷裂位于擬挖方的路塹邊坡的坡頂附近，宜采用陡坡率設置加大開挖坡面斷層之間的安全距離。也就是說，雖然這三條斷層對高邊坡的整體穩定性或局部穩定性分別有一定的影響，但只要必要的合理工程措施，是可以有效確保坡體的永久穩定性的。

2.2 關于玄武巖的控制性結構面

項目區玄武巖結構面可分為原生結構面、構造結構面和淺表生結構面。其中坡體的原生建造是基礎[7]，后期次生的構造結構面和淺表生結構面，破壞了玄武巖的完整性，使巖體力學性質具各向異性，對坡體的變形破壞模式有一定的影響。

玄武巖似層面J1延伸長度大而連續性較好，構成了坡體的巖體力學作用邊界，控制巖體變形破壞的演化方向、坡體穩定性計算的邊界，作為獨立的地質單元，是重要的工程地質邊界[8]，為A類貫通性宏面結構面。結構面J2和 J3對坡體淺表層巖體的完整性影響較大，為B類顯現結構面。從潛在的控制性結構面來說，由于玄武巖的流面J1與構造結構面和淺表層結構面的J2與J3，在性質上存在很大的差異，尤其是結構面延伸長度呈現數量級的差異，因此，玄武巖似層面與邊坡外傾結構面配套組合后形成的長大潛在滑面是不成立的，其配套后只能在坡面形成危巖落石。

2.3 關于玄武巖的坡體卸荷

項目區地質構造復雜。坡體所在山脊地形地貌上呈多級陡緩相間，顯示坡體在形成過程中受到新構造運動、河流的下切，以及卸荷等淺表生改造的時效作用[9-10]，具有明顯的時空發育特征，即地殼上升、剝蝕作用在時間上的階段性和坡體形態在空間上的分帶性，對坡體結構具有直接的影響。淺而表生改造使玄武巖坡體出現多組外傾結構面，斜坡巖體順坡向出現一定的板裂化，見圖4。即：J2陡傾角結構面為多次構造活動所致，并受到后期淺表生構造作用的改造。其貫通度差，結構面微張—閉合。J3較緩傾角結構面反映出玄武巖自然邊坡受新構造運動和溝谷側向卸荷的共同作用影響。其貫通度差，與坡面呈大角度相交，結構面微張—閉合。J4反傾結構面是坡體在卸荷作用下使巖體向溝谷的臨空方向出現回彈錯動，外傾結構面出現鏡狀擦痕，并造成拉張性質、多充填有次生泥的現象。考慮到回彈錯動呈現出向坡體深處逐漸減小的趨勢，結構面由地表的微張而逐漸閉合呈現剛性結構面特征，加之結構面貫通度差，結構面力學性能較好，其對坡體穩定性影響較小。J1似層面是玄武巖原生噴出時的流面所致[11]，其結構面呈閉合—微張，無層間錯動帶等軟弱結構面，屬硬性結構面，似層面物理力學參數較高，且其與開挖面夾角53°，故對坡體的整體穩定性影響相對較小。

基于此，玄武巖坡體不存在貫通的卸荷結構面，且結構面的泥質充填和鏡狀擦痕現象主要存在坡體的淺表層，不會對坡體的整體穩定性形成較大影響。

圖4 玄武巖邊坡局部圖

2.4 關于地表堆積層的穩定性

坡體堆積層主要是由后部山體的崩坡積碎石土形成，呈稍密狀，下伏土巖界面與地表自然坡度近于一致，約為40°～45°，坡體無地下水活動痕跡。從碎石土和下伏玄武巖性質的工程地質類比來說。稍密狀的碎石土綜合類摩擦角應不小于35°；從自然坡度的工程地質類比來說，自然地表坡度是坡體內部物理力學性能在表觀的綜合反映[12-13]，并且經受自然的外界營力作用。因此，自然坡面傾角α應較碎石土或土巖界面處的綜合內摩擦角φ小，即φ≥40°。故考慮到玄武巖邊坡地表堆積體的物理力學參數相對較好，在對其進行適當工程預加固、防止坡體力學參數降低的基礎上，是可以確保開挖邊坡的穩定性的。

需要說明的是，緊鄰的大里程側起點ZK49+260的李子坪特大橋，其在修建時開挖形成了高約80.0 m的近直立玄武巖邊坡。該臨時邊坡在開挖后沒有采取任何防護工程，在大橋施工的近兩年的時間內，坡體整體穩定性較好，只有個別依附于CF3小斷層的危巖落石掉落。這有效印證了玄武巖坡體的整體穩定性是良好的，可以通過適當的工程防護而能夠確保高速公路的永久安全的。

3 變更設計優化方案

3.1 設計方案優化的思路

通過以上玄武巖坡體工程地質分析，可得對坡體原位處治方案進行有效優化，從而提高處治方案的安全性、經濟性和社會影響性。

(1) 依據玄武巖流面、淺表生結構面的性質[14]，與開挖臨空面進行合理的地質配套確定玄武巖邊坡的主控潛在滑面，減少工程對斷層和地表堆積體的擾動。

(2) 玄武巖高邊坡貫徹“固腳、強腰、分級加固”的理念，結合工程地質條件，采用合理收坡、預加固的原則，盡量減小邊坡高度和工程規模，保護環境。

(3) 依據坡體工程地質分析，結合緊鄰的李子坪特大橋開挖的近直立邊坡的工程類比，對坡體的潛在下滑力依據巖石壓力和堆積體的穩定性進行復核。經計算分析，坡體的控制性下滑力為2 652 kN/m，為設計文件的19.24%。邊坡處于工程加固的安全、經濟合理范圍。

(4) 依據邊坡開挖后的形成的臨空面，分別對上部堆積體和下伏玄武巖邊坡開挖后的穩定性進行加固。貫徹“固腳、強腰、分級加固”的原則[15]，在邊坡坡腳設置多排錨索的“樁式梁”型錨索抗滑樁，對CF1和CF2斷層影響范圍內的坡體進行預加固而“固腳”，樁后邊坡采用面板式錨桿或錨索擋墻進行“強腰”，從而有效提高坡體的整體穩定性和局部穩定性。

3.2 防護工程設置

在坡腳設置一排2.4 m×3.6 m×36 m@5 m的錨索抗滑樁進行固腳收坡，并在長20 m的樁體懸臂段設置四排設計拉力為500 kN的錨索；樁后位于中風化的二、三級邊坡采用1∶0.2坡率，設置板厚為30 cm、設計拉力為500 kN的6排錨索輕型錨索擋墻；由稍密狀碎石土構成的四級邊坡，采用1∶0.35坡率，設置板厚為30 cm、設計拉力為400 kN的3排錨索和直徑為Φ32的錨桿組成的輕型擋墻。經優化后，邊坡的坡高可由128 m降為55.9 m。

4 結 語

(1) 川藏高速公路所經地區峽谷深切、地質構造復雜，技術人員應積極調整適應“無人區”等復雜地質條件下的地質調查和巖土工程設計，實現技術創新，盡量減少工程建設期間的重大設計變更。

(2) 復雜環境中的玄武巖邊坡防治，應依據地形地貌、巖土體性質、坡體結構等地質條件，結合工程地質類比，合理分析斷層、流面、淺表生結構面和地表堆積體對邊坡的穩定性影響程度。

(3) 高度超過30 m的深挖路塹邊坡，應在合理設置預加固和主動防護工程的基礎上，采用陡坡率收坡防護方案，減小開挖工程對坡體擾動和保護環境。