成永刚，赵晓彦

(1.四川公路工程咨询监理公司， 四川 成都 610041； 2.西南交通大学 地质工程系， 四川 成都 610031)

川藏高速公路四川境内线路走廊带狭窄、江河发育，地形陡峻、断裂发育、气候恶劣，形成了极其复杂的地质条件，极其脆弱的生态条件，极其困难的工程建设条件。为填补四川藏区高速公路空白，提升国防安全保障水平，修建于川西藏区的南线川藏高速公路雅(安)康(定)段全长134.135 km，采用路基宽度24.5 m的四车道标准建设[1]，桥隧比85%，每公里造价1.9亿元，线路标高从580 m快速抬升至3 000 m，是目前我国地质条件最为复杂、工程建设难度最大、同等建设标准中造价最高的高速公路。

自工程建设以来，区内岩浆岩建造坡体开挖后的路堑边坡潜在破坏模式，由于工程地质分析上的分歧，造成工程处治方案久拖不决，甚至造成大量工程报废而形成不良的社会影响。基于此，本文以雅康高速公路ZK49+090—ZK49+260段的玄武岩坡体病害处治工程为例，对玄武岩路堑边坡中常见的几个工程地质问题进行系统分析，并在此基础上对边坡的工程防治方案进行了探讨。

ZK49+090—ZK49+260段玄武岩边坡位于天全县思经乡境内，雅安端紧邻公家坪大桥和天河长隧道，康定端紧邻李子坪特大桥。设计阶段由于区内大量玄武岩出露地表，岩体性质良好，故拟作为料场将玄武岩砌于路面基材。即在路基内侧设置11.0 m宽平台，边坡采用1∶0.3～1∶0.5的坡率开挖，形成了坡高85.0 m、取料26.3×104m3的深挖路堑边坡。

2015年底，边坡开挖时发现玄武岩受构造作用风化较为强烈、断裂发育，造成玄武岩力学性质无法满足路面材料和边坡稳定性要求，需对原设计进行调整。基于此，原位治理方案取消坡脚宽大平台、设置较缓坡率后边坡高约128 m，并采用三排抗滑桩与大量锚固工程加固，其工程造价达7 113万元。故提出线路左线采用隧道通过，右线适当外移22.0 m后采用桥梁通过，线路影响长度为1 451 m，处治工程造价约4 439 万元，并造成已建的公家坪大桥和李子坪特大桥约530万元的报废工程[2-3]。

变更方案审查阶段，相关各方由于对玄武岩边坡的工程地质分析产生了巨大分歧，在长达近一年多批次的专家会审时无法与设计单位达到共识。最后考虑到2017年底的通车压力，建设单位决定采用设计单位推荐的调线和隧道方案进行处治。

1 玄武岩坡体基本特征

1.1 地形地貌特征

玄武岩边坡区峡谷深切，岸坡陡峻，属构造剥蚀的低中山峡谷地貌。所依附的条状山脊相对高差约646 m，山脊地形地貌上呈多级陡缓相间。高速公路在山脊坡脚的沟谷上部约40.5 m的陡坡部位通过，边坡工程影响范围内的自然坡度约30°～50°，坡脚河流为典型的暴涨暴落型山区河流，河流冲刷严重，受边坡所依附的自然突出山脊影响而呈“S”形从斜坡下部拐弯通过。如图1所示。

图1 玄武岩边坡地质平面图

1.2 坡体结构特征

坡体上层为厚2.0 m～18.0 m的稍密的崩坡积碎石土，其中粒径d>200 mm约占5%～15%，d在200 mm～20 mm约占50%～70%，d在20 mm～2 mm约占10%，余为粉黏粒。呈现出边坡由上至下，由小里程向大里程碎石土厚度逐渐减小的趋势。坡体下伏斑状结构、杏仁状构造的玄武岩，其中碎块状强风化层厚度约为3 m～5 m左右，其下为较完整的微风化玄武岩。坡体内主要发育四组节理，其基本特征见表1(见图2)。受区域构造影响，自然边坡发育有3条次级断层CF1—CF3，其基本特征见表2。场地基本地震烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.15g[4]。

图2 结构面赤平投影图

表1 坡体玄武岩结构面性质及特征

表2 断层性质及特征

1.3 水文地质特征

区内年平均降雨量1 660 mm，坡脚大河为典型的暴涨暴落型山区河流，受项目区玄武岩地层的影响，河流的侧蚀和下切相对比较轻微，且河流由于受凸出的玄武岩山脊阻挡呈“S”形从坡脚通过。边坡后部山体高大，植被茂盛，但由于边坡所依附的山脊在地形上凸出，造成项目区边坡下水作用微弱。

2 坡体工程地质特征分析

工程设计变更时，各方在坡体的主要四个工程地质特征上产生了分歧，直接影响了处治方案的分析:

(1) 受CF1—CF3三条次级断层影响造成边坡岩体破碎而稳定性变差。

(2) 玄武岩似层面与边坡外倾结构面配套组合后形成贯通的长大潜在滑面。

(3) 玄武岩坡体卸荷严重，结构面存在泥质充填和镜状擦痕，造成坡体稳定性差。

(4) 玄武岩边坡地表堆积层稳定性差。

基于此，变更原位治理方案采用缓坡开挖后形成了高约128 m的高大边坡，并在以上四个不利地质因素的作用下，开挖后的边坡潜在下滑力达到了13 785 kN/m，需设置3排2.4 m×3.6 m×30 m～34m@5m的锚索抗滑桩和52排设计拉力为800 kN的锚索进行加固(见图3)。该处治方案工程造价为7 113万元，且工期长而不能满足通车要求。由此，设计最终推荐采用“工期可控、造价合理”的调线方案，即线路左线原位以暗挖隧道形式通过，右线适当外移22.0 m后设置桥梁通过。该方案工程造价约4 439 万元，报废已建的公家坪和李子坪大桥工程约为530 万元。

图3 原位治理变更治理方案工程地质断面图

2.1 关于次级断层对边坡的稳定性影响

作为构造结构面，这三条次级断层中CF1和CF3断层属于压性断裂，呈带状延伸长度近百米，破碎带内岩体呈碎裂状。CF2属于张性断裂，只在坡体局部出现，其延伸长度约15 m左右，其断裂面呈锯齿状，有泥质充填。这三条断裂从性质、形态上看，其对坡体的整体稳定性或局部稳定性分别有一定的影响。

从断裂分布的位置上来看，CF1断裂位于小里程侧拟挖方的路堑边坡坡脚不利于坡体整体稳定，故应贯彻高边坡“固脚”原则的基础上，采用抗滑桩等工程力度较大的措施进行预加固是可以有效消除其对边坡不利影响的。CF2断裂位于拟挖方的路堑边坡的二级边坡中部，对坡体的局部稳定性存在一定的影响。CF3断裂位于拟挖方的路堑边坡的坡顶附近，宜采用陡坡率设置加大开挖坡面断层之间的安全距离。也就是说，虽然这三条断层对高边坡的整体稳定性或局部稳定性分别有一定的影响，但只要必要的合理工程措施，是可以有效确保坡体的永久稳定性的。

2.2 关于玄武岩的控制性结构面

项目区玄武岩结构面可分为原生结构面、构造结构面和浅表生结构面。其中坡体的原生建造是基础[7]，后期次生的构造结构面和浅表生结构面，破坏了玄武岩的完整性，使岩体力学性质具各向异性，对坡体的变形破坏模式有一定的影响。

玄武岩似层面J1延伸长度大而连续性较好，构成了坡体的岩体力学作用边界，控制岩体变形破坏的演化方向、坡体稳定性计算的边界，作为独立的地质单元，是重要的工程地质边界[8]，为A类贯通性宏面结构面。结构面J2和 J3对坡体浅表层岩体的完整性影响较大，为B类显现结构面。从潜在的控制性结构面来说，由于玄武岩的流面J1与构造结构面和浅表层结构面的J2与J3，在性质上存在很大的差异，尤其是结构面延伸长度呈现数量级的差异，因此，玄武岩似层面与边坡外倾结构面配套组合后形成的长大潜在滑面是不成立的，其配套后只能在坡面形成危岩落石。

2.3 关于玄武岩的坡体卸荷

项目区地质构造复杂。坡体所在山脊地形地貌上呈多级陡缓相间，显示坡体在形成过程中受到新构造运动、河流的下切，以及卸荷等浅表生改造的时效作用[9-10]，具有明显的时空发育特征，即地壳上升、剥蚀作用在时间上的阶段性和坡体形态在空间上的分带性，对坡体结构具有直接的影响。浅而表生改造使玄武岩坡体出现多组外倾结构面，斜坡岩体顺坡向出现一定的板裂化，见图4。即：J2陡倾角结构面为多次构造活动所致，并受到后期浅表生构造作用的改造。其贯通度差，结构面微张—闭合。J3较缓倾角结构面反映出玄武岩自然边坡受新构造运动和沟谷侧向卸荷的共同作用影响。其贯通度差，与坡面呈大角度相交，结构面微张—闭合。J4反倾结构面是坡体在卸荷作用下使岩体向沟谷的临空方向出现回弹错动，外倾结构面出现镜状擦痕，并造成拉张性质、多充填有次生泥的现象。考虑到回弹错动呈现出向坡体深处逐渐减小的趋势，结构面由地表的微张而逐渐闭合呈现刚性结构面特征，加之结构面贯通度差，结构面力学性能较好，其对坡体稳定性影响较小。J1似层面是玄武岩原生喷出时的流面所致[11]，其结构面呈闭合—微张，无层间错动带等软弱结构面，属硬性结构面，似层面物理力学参数较高，且其与开挖面夹角53°，故对坡体的整体稳定性影响相对较小。

基于此，玄武岩坡体不存在贯通的卸荷结构面，且结构面的泥质充填和镜状擦痕现象主要存在坡体的浅表层，不会对坡体的整体稳定性形成较大影响。

图4 玄武岩边坡局部图

2.4 关于地表堆积层的稳定性

坡体堆积层主要是由后部山体的崩坡积碎石土形成，呈稍密状，下伏土岩界面与地表自然坡度近于一致，约为40°～45°，坡体无地下水活动痕迹。从碎石土和下伏玄武岩性质的工程地质类比来说。稍密状的碎石土综合类摩擦角应不小于35°；从自然坡度的工程地质类比来说，自然地表坡度是坡体内部物理力学性能在表观的综合反映[12-13]，并且经受自然的外界营力作用。因此，自然坡面倾角α应较碎石土或土岩界面处的综合内摩擦角φ小，即φ≥40°。故考虑到玄武岩边坡地表堆积体的物理力学参数相对较好，在对其进行适当工程预加固、防止坡体力学参数降低的基础上，是可以确保开挖边坡的稳定性的。

需要说明的是，紧邻的大里程侧起点ZK49+260的李子坪特大桥，其在修建时开挖形成了高约80.0 m的近直立玄武岩边坡。该临时边坡在开挖后没有采取任何防护工程，在大桥施工的近两年的时间内，坡体整体稳定性较好，只有个别依附于CF3小断层的危岩落石掉落。这有效印证了玄武岩坡体的整体稳定性是良好的，可以通过适当的工程防护而能够确保高速公路的永久安全的。

3 变更设计优化方案

3.1 设计方案优化的思路

通过以上玄武岩坡体工程地质分析，可得对坡体原位处治方案进行有效优化，从而提高处治方案的安全性、经济性和社会影响性。

(1) 依据玄武岩流面、浅表生结构面的性质[14]，与开挖临空面进行合理的地质配套确定玄武岩边坡的主控潜在滑面，减少工程对断层和地表堆积体的扰动。

(2) 玄武岩高边坡贯彻“固脚、强腰、分级加固”的理念，结合工程地质条件，采用合理收坡、预加固的原则，尽量减小边坡高度和工程规模，保护环境。

(3) 依据坡体工程地质分析，结合紧邻的李子坪特大桥开挖的近直立边坡的工程类比，对坡体的潜在下滑力依据岩石压力和堆积体的稳定性进行复核。经计算分析，坡体的控制性下滑力为2 652 kN/m，为设计文件的19.24%。边坡处于工程加固的安全、经济合理范围。

(4) 依据边坡开挖后的形成的临空面，分别对上部堆积体和下伏玄武岩边坡开挖后的稳定性进行加固。贯彻“固脚、强腰、分级加固”的原则[15]，在边坡坡脚设置多排锚索的“桩式梁”型锚索抗滑桩，对CF1和CF2断层影响范围内的坡体进行预加固而“固脚”，桩后边坡采用面板式锚杆或锚索挡墙进行“强腰”，从而有效提高坡体的整体稳定性和局部稳定性。

3.2 防护工程设置

在坡脚设置一排2.4 m×3.6 m×36 m@5 m的锚索抗滑桩进行固脚收坡，并在长20 m的桩体悬臂段设置四排设计拉力为500 kN的锚索；桩后位于中风化的二、三级边坡采用1∶0.2坡率，设置板厚为30 cm、设计拉力为500 kN的6排锚索轻型锚索挡墙；由稍密状碎石土构成的四级边坡，采用1∶0.35坡率，设置板厚为30 cm、设计拉力为400 kN的3排锚索和直径为Φ32的锚杆组成的轻型挡墙。经优化后，边坡的坡高可由128 m降为55.9 m。

4 结 语

(1) 川藏高速公路所经地区峡谷深切、地质构造复杂，技术人员应积极调整适应“无人区”等复杂地质条件下的地质调查和岩土工程设计，实现技术创新，尽量减少工程建设期间的重大设计变更。

(2) 复杂环境中的玄武岩边坡防治，应依据地形地貌、岩土体性质、坡体结构等地质条件，结合工程地质类比，合理分析断层、流面、浅表生结构面和地表堆积体对边坡的稳定性影响程度。

(3) 高度超过30 m的深挖路堑边坡，应在合理设置预加固和主动防护工程的基础上，采用陡坡率收坡防护方案，减小开挖工程对坡体扰动和保护环境。