湖南省城步至龍勝（湘桂界）高速公路特殊工程地質問題研究

宋志勇，傅鵑

（湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410008）

0 引言

為進一步加快湖南省西部經濟發展和打通地方高速公路省際通道的需要，同時響應國家發展改革委、交通運輸部《關于進一步貫徹落實“三大戰略”發揮高速公路支撐引領作用的實施意見》的要求，湖南省城步至龍勝（湘桂界）高速公路（簡稱“城龍高速”）應運而生。城龍高速位于湖南省城步苗族自治縣，起點對接S91 武靖高速城步支線，終點位于五團鎮雙田與城龍高速廣西段銜接。項目建成之后將承擔長途過境交通和區內交通的雙重任務。

城龍高速路線位于我國地勢第二階梯向第三階梯的過渡地帶，地勢陡峭，溝谷深切，山坡坡角一般達30°～60°，相對高差一般在200～600m，交通條件極差，植被發育，通行極為困難。同時，路線走廊帶在城步—江口大斷裂帶內通過，區域內地層分布復雜巖性差異大，地質構造復雜，斷裂發育，工程地質條件較差。因此，在城龍高速選線研究中不僅要注重地形選線，更要注重全線的地質選線，對局部高填路段綜合比選路基方案和橋梁方案擇優選取；對不良地質路段進行詳細的地質鉆探，揭露地質狀態并對土石水進行詳盡的試驗，為設計提供依據。

基于山區高速公路的特殊地形地質特點，吳翼虎[1]對山區高速的路線選型設計進行了分析研究，總結了一些山區高速公路的總體設計原則。高液限土的穩定性問題，一直是不良地質中比較復雜的問題，針對高液限土邊坡的穩定性分析，余小馬等[2]結合實際案例對高液限土路塹邊坡提出極限平衡分析方法，為高液限土邊坡的穩定性分析提供了一種思路。

1 區域地質概況

城龍高速勘察區位于揚子陸塊東南緣，多期構造活動發育，巖漿活動頻繁。根據1∶20 萬城步幅區域地質圖、區域地質報告，1∶5 萬城步縣城幅、區域地質報告，結合地質調繪，路線走廊帶（見圖1）在城步—江口大斷裂帶內通過，區域上城步—江口大斷裂從城步縣城經洞口縣城向北東方向，經白馬山巖體中部至新化后沿資江呈北東向延展，在該區范圍內從淺部特征來看，該斷裂帶大致以五團河斷層為西界，蘭蓉斷層為東界，出露寬約20km、呈北北東走向的斷褶帶，城步—江口大斷裂帶奠定了勘察區的主要褶皺構造和斷裂構造為北北東向，還有少量南北向構造。

圖1 該項目路線走廊帶

從區域地質構造圖2 中可以看出，路線K10+560—K17+600 段沿城步斷層塔溪山谷西側山腰中下部布線，大部分路段位于坡積體上。

圖2 區域地質構造圖

根據地質調查和鉆探，該區屬構造剝蝕低山山麓斜坡堆積區，坡積體主要由坡洪積夾石英砂巖、灰巖塊石黏性土等組成，為高液性土，坡體厚度一般較大，級配差，土體力學性質差。該區域斜坡樹枝狀溪溝發育，地表水豐富，沿線居民區存在多處滑坡災害點，邊坡穩定性差，支護難度大。道路施工及便道開挖極易引起斜坡滑移失穩。在施工圖設計階段，對此段共進行66 個地質鉆孔取樣并進行了試驗，得出高液限土的物理性質：

第一，天然含水率較高，一般高于塑限，范圍在15.8%～54.20% 之間；多為可塑-硬塑狀。在路線經過的農田區，呈軟塑-流塑狀、土體飽和、結構松散。

第二，液限、塑限和塑性指數均較高，液限范圍在50%～60.53% 之間，塑性在24.6～38.7 之間，塑性指數在22.3～47 之間。

第三，高液限土飽和度較大，一般大于80%。壓縮系數在0.11～0.37 之間，自由膨脹率最大約30%。

2 地質選線研究

城龍高速公路在K10+560—K17+600 段受塔溪互通設置以及路線走向等綜合因素的影響，不可避免須沿城步縣以南塔溪西側山腰中部布線。此段地形為構造剝蝕低山山麓斜坡堆積區，覆蓋層厚且存在高液限土，因此，在設計過程中應注重地質選線研究，對此段線位進行了高線位和低線位比選，見圖3。

圖3 路線比選方案示意圖

高線位沿堆積體上部布線，根據地勘調查坡積體上部未發現裂縫等失穩跡象，多處可見灰巖、泥灰巖、砂巖露頭，通過地質鉆探和物探揭露的地質情況來看，上部殘坡積覆蓋層厚度較斜坡中下部小，穩定性較好。因此，高線位選取基巖出露或覆蓋層較薄的山體部位通過，充分發揮山體局部抗滑段作用，減少工程處置費用。同時，路線從坡體上部穿過，可減少邊坡開挖量，邊坡卸載后相對而言增強了邊坡穩定性，路床盡可能落于穩定基巖，保證路基長期穩定。雖受陡峭地形影響，局部地段存在三級邊坡，通過加強邊坡防護可以消除邊坡失穩問題。

低線位往山下偏離高線位85m，沿居民密集區西側從坡積體中通過。雖低線位方案可有效減少施工便道修筑難度，但線位離居民密集區近，噪聲影響大，且坡積體厚度大，一旦邊坡出現問題將直接威脅居民安全。另外，低線位大部分路段位于基本農田范圍，占用耕地面積較高線位多6hm2。綜合考慮路基的穩定性、對居民區的影響以及減少占用耕地等情況，此段線位推薦采用高線位。同時，在施工圖勘察階段發現K15+640—K15+740 及K15+780—K15+970 高填方段斜坡覆蓋層厚度大，斜坡坡向與巖層傾向小角度相交，為順向坡，為防止在施工和運營過程中高填路基整體滑移，將兩段高填路段調整為橋梁方案，樁基基底嵌入灰巖中，降低工程風險。

3 邊坡穩定性分析

針對K10+560—K17+600 段坡積體高液性土的不良地質現象，施工圖設計階段對此段進行了詳細的地質鉆探和物探，精細化把控地質情況，并對K10+560—K17+600 段坡積體高液性土路塹邊坡進行穩定性驗算。

通過對典型斷面K14+500 物探視電阻率等值線圖（見圖4）及鉆孔揭露情況推測，上覆低阻為含水率較高的松動層，推測為潛在滑坡體，下伏基巖為泥灰巖。

圖4 K14+500 物探成像圖

根據鉆探揭示，巖土界面為粉質黏土，呈可塑狀。粉質黏土的黏聚力C、摩擦角φ的取值確定，根據土工試驗結果，并結合《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）及經驗參數取得，計算取值見表1《計算參數表》。本文采用南京庫倫Geo5 巖土設計計算軟件對K14+500 剖面進行穩定性驗算，計算簡圖見圖5。

表1 計算參數表

圖5 K14+500 剖面計算簡圖

根據計算分析，K14+500 處覆蓋層在暴雨工況處于欠穩定狀態。

在設計方面根據此段坡積體覆蓋層差異及穩定性分七段并做出針對性的處理措施，見表2。

表2 高液限土路段穩定性分析及處理措施表

4 邊坡防護處置原則

對城龍高速位于坡積體的路線進行了詳細地質鉆探和物探，精細化把控地質情況針對覆蓋層較厚兼存在高液限土情況，依據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）和《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610—2019）中的規定及相關要求[3-4]，堅持“加強截排水、強腰固腳”等原則進行精細化設計。

在K10+560—K17+600 的高填路堤段，采用以下處置原則：一是基底清除軟塑粉質黏土，強夯碾壓硬質粉質黏土基底，換填50cm 片石方便地表水、地下滲流排出；二是路堤土采用土石混填，一層石一層土交替填筑，結合吳立堅等[5]對高液限土路基填筑的研究成果，在上路堤底部以下每填筑4m 進行一次強夯；三是路面底部以下鋪設三層土工格柵，避免路堤自身不均勻沉降導致路面開裂；四是根據每段的地質情況，在基底合理設置抗滑樁，坡腳設置護腳墻，防止路基整體位移；五是在沖溝低洼處設置橫向碎石滲溝，保通原有的排水通道，及時排出上游地表水；六是在施工和運營過程中做好動態監測。典型高填路堤處置剖面圖，見圖6。

圖6 高填方路段處置圖

在K10+560—K17+600 的深挖路塹段，采用的處置原則如下：一是根據地形情況適當放緩邊坡；二是在坡腳設置路塹矮腳墻“固腳”；三是坡面設置錨桿框架梁“強腰”；四是框架梁內滿鋪漿砌片石護坡“封水”；五是施工和運營過程中做好動態監測。典型深挖路塹處置剖面圖，見圖7。

圖7 深挖路塹路段處置圖

對于K10+560—K17+600 的橋梁段，由于粉質黏土及全強風化泥巖厚度大，含有一定數量的黏土礦物和較多的細小黏粒成分，具有較高的離子交換能力和親水性，對氣候因素反應較靈敏，具有一定干縮濕脹效應和崩解性，自由膨脹率可以達到30%。粉質黏土及全強風化泥巖的水理性差，樁基施工過程可能進一步弱化其力學性質，在橋梁的山坡方向設置抗滑樁，防止山坡失穩。同時，要求橋梁墩臺施工及便道施工時盡量少開挖，開挖應及時封水及防護。

5 結語

通過對城龍高速塔溪段山麓斜坡積體復雜地質情況的精細化把握、對路線平縱面的精細化調整、對路基高填深挖路段的精細化設計可以基本解決山麓斜坡積體高液限土技術難點，但仍需在施工和運營過程中做好動態監測，采用動態設計，對于覆蓋層全風化層厚度極大的地段，建議施工現場設置試驗路段來驗證支護措施的可行性，以滿足路基的百年品質要求。