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公路工程地質

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公路工程地質是由於國民經濟的發展和路網完善的需求,高速公路逐步進入山區。高速公路由於其線形指標高,工程艱巨,投資巨大,對自然環境的破壞也非常嚴重。隨著環境保護理念的日益深入人心,對於山區高速公路的勘察設計、施工運營等方面的環保要求也越來越高。

1 公路工程地質 -1 概述


由於國民經濟的發展和路網完善的需求,高速公路逐步進入山區。高速公路由於其線形指標高,工程艱巨,投資巨大,對自然環境的破壞也非常嚴重。隨著環境保護理念的日益深入人心,對於山區高速公路的勘察設計、施工運營等方面的環保要求也越來越高。山區公路環境載體主要是自然環境,也是地質環境。山區一般地形地質條件複雜,地質環境脆弱,地質災害多發,高速公路的建設不可避免的要切坡、填溝、打洞(隧道),對地質環境造成嚴重破壞,處理不好還會誘發和加劇各種地質災害,增加公路建設投資,影響工期,甚至給運營階段帶來嚴重的安全隱患。因此山區高速公路的環保主要是地質環境的保護和地質災害的防治。
要建設一條兼顧交通、環保、生態等方面要求的高標準的山區高速公路,應該重視和加強地質工作。地質工作應貫穿於設計、施工和運營的全過程。對地質現象和規律的認識(岩土工程勘察工作)是由面到線、由線到點、由表及裡、由粗到細、由宏觀到微觀,逐步深入的,根據不同階段應採取不同的方法和手段。

2 公路工程地質 -2 勘察設計階段



地質條件是客觀存在的,山區高速公路在自然地質環境中穿行,並對地質環境進行改造,應該認識地質規律,尊重地質規律,在設計中充分考慮地質因素,遵循地質原則,從源頭上盡量減少山區高速公路對自然環境的破壞,並且為施工和運營提供良好的條件。
2.1工可階段――貫徹地質選線的原則
山區公路地質選線主要受到地形和不良地質現象的制約,主要的不良地質現象有滑坡、泥石流、岩崩、岩溶、岩堆(坡積層)、軟弱土、膨脹土、濕陷性黃土、凍土、水害、採空區以及強震區(高地應力)等。本階段應儘可能詳細地收集區域構造地質、岩石地層、水文地質、工程地質、地震地質、環境地質等方面的資料,利用遙感資料(衛片和航片),編製中比例尺(1:5萬或1:10萬)工程地質圖和地質災害(不良地質現象)分布圖,圖上標註大的地質構造(主要是斷層)、重大的地質病害體,分析區域性的地質災害發生條件,進行初步的地質災害評估,配合路線方案設計,進行必要的現場踏勘和重點路段的調查,反覆對比,優選出工程地質條件最好、地質災害最少、工程建設對地質環境的不利影響最小的路線走廊帶,真正貫徹地質選線的原則。對於滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、岩溶、軟土、泥沼等嚴重不良地質地段和沙漠、多年凍土等特殊地區,一般情況下路線應設法繞避。
2.2初設階段――突出重大地質病害對路線方案的制約
確定路線方案前應對沿線地質構造帶、斷層、岩石的層理情況、地質病害的分佈及範圍等,通過對遙感地質判釋資料以及不同勘測階段的勘探、調查資料的分析,研究路線通過方案並不斷優化。對地質較為複雜地段還應注意在設線后誘發並加劇地質病害的可能性,謹慎的確定路線的線位和採取的工程措施。地質技術人員應配合路線設計師作好地質諮詢工作,可以沿初步擬定的路線線位,進行全線踏勘,對重點工點進行地質調查,得出初擬線位沿線的基本工程地質情況,評估路線方案的可行性,發現重大不良地質地段或預測工後會出現難以治理的地質病害的路段要及時反饋信息,以便儘快調整路線線位。基本確定路線方案后,及時委託有資質的單位進行建設用地地質災害危險性評估工作,並進行大比例尺(1:1萬)的地質遙感解譯及地質災害調查和工程地質調繪工作,編製1:1萬工程地質圖和路線區域地質病害現狀圖。圖件的重點是地質災害和重要工點的工程地質條件,要有針對性,要突出重點,不可以拿1:5萬地質圖放大。現在委託地質部門做的圖件,有些不能稱為工程地質圖,只能稱為基本地質圖(工程地質分區太籠統、工程地質條件的論述太簡略)。地質災害評估工作不能夠代替1:1萬工程地質圖的編製,但二者可結合進行,以節約時間和經費。 很多地質災害(滑坡、泥石流等)由於植被覆蓋、後期人工改造以及觀察角度和範圍有限等原因,在現場難以判斷。通過遙感資料(如航片)可以從宏觀上觀察全貌,合理的解譯,有利於對此類不良地質體的正確認識。
當工作中發現仍有重大的地質病害存在或有潛在的重大地質病害時,必須及時調整線位。對於重大的地質病害應盡量繞避,實在無法繞避的要考慮工程措施的可能性與可靠性,盡量在路線的平縱面優化上下功夫(採用分離式路基、用橋隧構造物通過、從滑坡體上部通過、半路半橋等),避免高填深挖,以減少對地質環境的破壞,提高工程措施的可靠性和安全度。對地質病害應以防為主,以治為輔,能避當避,即使增加工程造價也是值得的。
以安徽省徽杭高速公路為例,該路全長約80km,有四分之三路段位於山區,由於勘測時間較早,對山區高速公路特點認識不足,以投資為主要控制因素,其中有一半左右的路段基本沿區域性的三陽斷裂帶布設。受構造影響,岩體風化破碎嚴重,並且沿線分佈有雄村滑坡、朱村滑坡等規模較大的不良地質體。施工開挖后,出現大量的不穩定邊坡,甚至誘發了部分滑坡。對於部分地質病害路段及時調整線位,進行了避讓,而更多的病害段只能採取治理措施,結果造價大幅攀升,嚴重影響了工期,並且治理效果也難以預測。
必要時應增加技術設計階段,對重大地質病害路段進行深入勘察,確定路線可行性。
2.3施工圖設計階段――詳查工點地質條件
通過初步設計階段的各種地質工作,已經基本查明路沿線的地質條件,但是工作深度和廣度還不夠。本階段應詳查工點地質(橋位、隧道、深路塹、高填路堤、陡坡路堤、支擋構造物),進行重要工點1:2000地質測繪。採用調查、測繪、槽探、坑探、鑽探、物探等綜合勘察手段。查明場地岩土體組成、性質、分佈以及風化層、不良地質、特殊性岩土等工程地質條件在路線縱橫方向的變化。以前對於橋位和隧道等構造物工點地質勘察較為重視,但是對於深路塹和陡路堤、斜坡路堤、支擋構造物等路基方面的工點也必須加強勘察,特別是高邊坡和不良地質體的勘察和預測。另外對於築路材料料場和棄土場的勘察一定要重視,以前山區公路曾出現過取土、棄土場所不合理,亂挖亂棄,破壞環境,導致水土流失的事例。
除了詳細的地質勘察工作之外,還要貫徹綜合設計原則,在路線設計的各個階段,對工程地質條件要有充分的了解,保證路線方案的科學性。對地質資料要充分利用,橋位、隧道、路線各有一套地質資料,但彼此經常脫節。比如當橋隧相連時,隧道勘察發現有不良地質現象,橋樑設計人員卻不知道,還把橋台置於其上。因此加強各專業之間的交流溝通,互相學習。從事路線、隧道、橋樑設計的人員要盡量多地掌握一些基本的地質知識,以有利於對地質資料的合理使用。

3 公路工程地質 -3 施工階段――遵循信息化施工、補充勘察、動態設計原則



由於地質條件的複雜性和勘察周期的制約,有些複雜場地(岩溶、破碎帶、岩性縱橫向差異大的地區)或地形困難場地(陡坡、魚塘等)在設計階段難以布置充分的勘察工作量,無法查清場地詳細工程地質條件。在施工期間,可以進行補充勘察,如對岩溶發育區或岩性差異大的場地逐樁鑽探,對原進場困難場地通過施工便道進場鑽探。施工中發現新的地質問題也要補充勘察。應該把施工期間的勘察工作視作設計期間勘察工作的重要補充。
另外本階段應遵循信息化施工(施工中監測)、動態設計的原則。隧道的超前預報、邊坡的動態監測都是施工階段必須要進行的工作。施工單位一定要配備過硬的地質技術人員,及時發現問題,不要等到地質病害已經發生才去治理,要有前瞻性、預見性,發現邊坡、隧道等有失穩的趨勢之後要立即反饋業主和設計單位,並及時採取合適的加固措施,避免邊坡、隧洞大面積失穩。應該認識到,設計階段的勘察工作對地質現象和地質規律的認識往往是不全面的,甚至是錯誤的,據此進行的設計只能稱為預設計。在邊坡或隧道斷面開挖以後,很多問題才會發現,此時應有岩土工程技術人員在現場,對照原有的勘察設計方案,發現新的問題之後通過合理工序及時調整設計方案。等到問題已經發生才去採取措施,既多花了錢,又耽誤了工期。
目前施工單位的岩土工程技術人員也是極為缺乏的,有時由於不合理的施工方法導致或加劇了地質病害的發生和發展(如在破碎岩體上放大炮、自下而上開挖邊坡等)
施工期間的岩土工程監理工作目前還較為薄弱的,有豐富理論知識和實踐經驗的岩土監理工程師極為缺乏,使施工期間的地質病害預防工作遠遠達不到要求。

4 公路工程地質 -4 運營階段――加強敏感點監測



山區高速公路運營期間也要高度重視地質工作。因為有些地質災害的發生是一個長期的過程,應力釋放或邊坡的蠕變有些需要長達幾年乃至十幾年的時間,一次性治理有時並不能保證長治久安。因此對於一些在施工中出現病害的路段或重要工點要建立資料庫,進行變形、位移和地下水的動態監測,定期巡查,建立防災和預警系統,在雨季或洪水季節要加強對敏感點的監測。通過長期觀測記錄,還可以更深入的認識地質規律,分析地質病害的發生髮展機理,預測發展趨勢,發現有不利的趨勢要及時採取措施。

5 公路工程地質 -5 山區公路建設地質工作中存在的問題


5.1前期階段
工可階段對地質工作不夠重視,地質遙感工作不做或精度不夠,不能夠貫徹地質選線的原則,導致選定的路線走廊帶中地質病害多,處理難度大,給後期工作帶來極大難度。
初步設計階段,由於路線方案調整較大,而工期緊張,因此很多勘察工作量作廢,路線地質精度不夠,部分工點缺少地質資料,給設計工作帶來隱患,也使得施工圖設計階段路線方案有時發生較大調整。
施工圖設計階段不做或漏做重要工點的1:2000地質測繪,或雖做了但精度不夠;對一些地質病害研究不深,導致對一些重要工點的勘察深度不夠;對於路線地質調查深度不夠,導致一些地質敏感點遺漏,在施工中出現地質病害。構造物勘察相對較細,而路基方面的勘察則往往較粗略。
目前的山區公路工程勘察還存在許多有待改進的地方。由於現在很多項目的勘察設計工期都非常緊張,如何在很短的時間內達到儘可能高的勘察精度,的確是一個難題。為搶時間,現在地質勘察工作很大一部分外委出去,全線人員設備上了很多,但在施工中仍會暴露出很多地質問題。這一方面是由於地質現象的隱蔽性和地質科學的複雜性,難以全面深入地認識地質現象,另一方面也是由於從事岩土工程的技術人員本身能力有限所致。岩土工程在一定程度上屬於經驗學科,技術人員的經驗非常重要。外委的勘察單位一定要過硬,對於其提供的地質資料要進行審核,去偽存真,對於不能夠滿足規範和設計要求的堅決返工。在其外業和內業階段要進行監督,多溝通。外行業的地勘隊伍往往對公路工程的特點及公路勘察規範了解不夠,不能夠有針對性的進行勘察,資料經常不能滿足設計要求。另外由於工期緊,技術準備不足,勘察手段不合理,經常導致勘察深度不足,如隧道勘探未採用雙管單動鑽進,無法判斷RQD,鑽探工藝和技術不過硬,岩石取心率低,鑽孔水文地質試驗數據不足,對邊坡勘察無法判斷滑動面,無法取得可信的各種力學參數,物探手段與其他勘探手段的互相校核精度不夠等,甚至有個別單位編造資料應付設計。所以不僅要看投入了多少人力物力,還要看投入人員技術水平、職業技能和職業道德素質如何,擬定的勘察方案是否合理,對地質現象的認識是否科學。在實踐中,由於技術人員水平參差不齊,經常會出現錯判、漏判地質病害的現象。因此加強公路岩土工程從業人員的技術水平是非常緊迫的事情。
5.2施工階段
地質技術力量薄弱,岩土工程監測和監理不力,施工工序和方法不對,導致地質病害的加劇,甚至誘發地質病害。對工程地質特點認識不足,不能夠及時預測和反饋地質病害,只能被動地等待地質病害的發生。
5.3運營階段
地質工作目前還基本上是空白,無法保證山區高速公路的安全順暢。

6 正確認識地質工作的重要性和特殊性

由於岩土體的組成物質差異,更重要的是在岩土體內部分佈有大量的不連續界面,把完整的岩土體分割成許多塊體,總體為非均質體,在應力的傳遞上非常複雜,因此岩土工程屬於非線性科學。現有的岩石力學、土力學、岩體力學等均難以準確的描述岩土體實際的力學本構關係。地質災害的發生除了其本身的因素外,還受到許多外界的因素影響,十分複雜。因此,對於岩土工程的分析計算只能是半定量的,在很大程度上受分析者經驗的制約。對於已經存在的滑坡、崩塌、泥石流等地質病害,其周界相對清楚,各種勘察設計技術規範較完備,認識起來相對容易。最難的是對於現狀穩定的高邊坡,預測其人工開挖后的穩定性。對於其地質構造的分析,地質-力學模型的建立,穩定計算分析都十分困難。勘察深度難以保證,穩定性計算方法不夠科學,邊坡設計時也有其不合理之處,如一般都只給出最終的邊坡坡率和邊界,各種邊坡加固設計也是針對最終邊坡的,各種分析計算也是以最終邊坡為約束條件的。這樣即使地質條件清楚,分析計算合理,設計穩妥,施工嚴格遵循規範和設計要求,也往往會出現難以預料的地質病害。其中一個重要原因是未對開挖過程中的各種邊坡條件進行分析計算,雖然按最終邊坡條件計算是穩定的,但不能夠保證任意開挖條件下邊坡都是穩定的。因此對於從事邊坡設計的岩土工程師而言,應該對於邊坡開挖過程中的多種控制性斷面穩定性進行計算,提供合理的開挖步驟和各種穩定的開挖斷面,並對不穩定的中間邊坡提出臨時性的工程加固措施,以保證邊坡的穩定開挖。

6 公路工程地質 -7 展望



技術進步是山區高速公路成功修築的重要保證。現在採用三維數模,可以很快的得出路線平縱面模型,任意切割縱橫斷面,發現問題之後可以很快的調整線位並重新進行分析,大大提高了工作效率。相信隨著3S技術的發展,今後三維數模會和三維地學模型、岩土工程專家分析系統結合起來,對於重要工點通過現場地質工作,建立地質-力學模型,通過專家分析系統,可以任意模擬邊坡開挖后的形狀及物理力學狀態的變化,迅速分析其穩定性,進行針對性的設計。甚至還可以對邊坡等地質病害通過互聯網進行遠程會診,聚集各方面力量以解決問題。 8 結語

地質環境保護和地質災害防治是山區高速公路建設成敗的關鍵,為此必須重視地質工作。(1)業主要認識到,前期的地質工作一定要認真細緻,勘察設計階段多花些錢和時間,盡量詳細地查明地質條件,避免地質隱患,對於施工來說會節約大量的投資和工期。(2)設計階段的地質勘察工作必須加強,要達到必要的深度。(3)施工單位要加強地質技術力量,業主單位也要增加地質技術人員,岩土工程監理工作要加強。(4)運營階段的岩土工程監測工作必須重視。(5)單純依靠前期地質工作對地質客觀規律和地質環境的認識是不夠的,在設計施工運營的全過程中要不斷的加強地質工作。(6)由於地質條件的複雜性,雖然進行了前期地質勘察工作,在施工和運營中出現地質病害也是正常的。(7)設計階段深入細緻的地質工作可以確保施工時不出現大的地質病害,施工階段的細緻的地質工作可以確保運營期間不出現大的地質病害。(8)公路勘察設計、施工、建設及運營管理單位一般岩土工程技術力量相對薄弱,應加強人才培養,適應山區高等級公路建設的需要。
山區高速公路的修建對勘察、設計、施工、監理、管理等各個環節和部門都提出了更高的要求,大家要加強學習,真正重視問題的嚴重性。可以說,山區高速公路的修建,岩土工程是關鍵,地質病害是控制性因素。
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