第八章公路工程地质问题.docx
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第八章公路工程地质问题
第八章公路工程地质问题
工程建筑与工程地质条件（地质环境）相互作用、相互制约而引起的，对建筑本身的顺利施工和正常运行或对周围环境可能产生的影响的地质问题称为工程地质问题。
第一节路基工程地质问题
路基所出现的各种软化、变形和整体失稳一般称为路基病害。
路基病害常与特殊的工程地质条件有关，其实质是路基工程地质问题。
一、路基不均匀变形
路基不均匀变形以路基沉陷变形较为常见，但也包括鼓胀变形。
除路基施工碾压不够外，特殊的工程地质条件常是主要原因。
软土、湿陷性黄土、多年冻土、岩溶空洞和地下矿山采空区等分布区域的路基常出现路基沉陷变形，而在盐渍土和膨胀土分布地区的路基则出现不均匀鼓胀变形。
1、软土路基沉陷
软土具有强度低、压缩性高、含水量大和透水性小等不利的工程性质。
在软土上修筑公路时，经常遇到软土地基压缩变形和地基剪切破坏带来路堤过大沉陷和破坏两大工程问题。
软土地基处理方法一般有换填法，抛石挤泥法，反压护道法，砂垫层法，预压、沙井或袋装沙井、挤密沙桩、塑料板等排水法，石灰、水泥或化学药剂加固法等。
2、黄土地基沉陷
黄土路基常出现路堤下沉、坡面冲刷、边坡滑塌和滑坡、冲沟侵蚀路基等工程病害。
特别是湿陷性黄土浸水后结构迅速破坏而发生显著的附加下沉，工程病害更是经常发生而且强烈。
3、多年冻土路基变形
由于修筑公路破坏了多年冻土的水热平衡状态，吸热大于散热，多年冻土逐渐融化，引起路基基底发生不均匀沉陷，或由于水分向路基上部集聚而引起冻胀、翻浆。
另外，路基下的冰丘、冰锥和季节活动层的冻融作用往往会使路基鼓胀，引起路基、路面的开裂与变形；当冰丘、冰锥溶解后，路基又发生不均匀沉陷。
4、膨胀土路基变形
膨胀土因特殊的工程性质对工程建筑产生多种危害，而且变形破坏具有反复性。
在膨胀土地区，房屋建筑常普遍出现开裂变形；，路面常出现大范围、大幅度的随季节变化的波浪变形；路基常出现的病害有不均匀鼓胀和沉陷，沿路肩部位的纵裂和坍肩，在路堑边坡和路堤边坡的剥落、冲蚀、溜塌、坍滑和滑坡，有“逢堑必滑，无堤不坍”之说。
这些病害的产生必须具备两个基本条件：
一是土具有胀缩特性，；二是水的渗入，。
因此，控制填土的性质或改善土的胀缩性，减小路基、路面水的渗入，是防治膨胀土道路病害的重要手段。
5、盐渍土路基变形
影响路基盐胀的主要因素有土质、含盐类型、含盐量、土的含水量、土体密度、温度及其变化过程等。
空隙较小的粘性土和空隙较大的砂性土不利于水和盐分的迁移，对盐胀不利。
一般来讲，盐胀最为强烈的土为粉性土。
各种盐类中，以硫酸盐的胀缩最为明显，其中又以Na2SO4最强烈，氯盐和碳酸盐类的胀缩性较小。
6、岩溶和采空区路基沉陷
岩溶地区路基的主要工程地质问题有：
由于地下洞穴顶板的坍塌，引起位于其上的路基及其附属构造无发生坍塌、下沉或开列；由于地下岩溶水的活动，或因地面水的消水洞穴阻塞，导致路基基底冒水、水淹路基、水冲路基以及隧道涌水等病害。
地下矿山采空区塌陷常造成地面大范围沉陷，给位于其上的公路带来路基路面变形和破坏。
二、边坡工程地质问题
边坡受岩性、构造等地质条件和风化、水的渗入和冲刷等自然地质作用以及人工开挖等工程活动的影响，常出现坡面变形和整体失稳破坏二类工程病害。
在山区高等级公路建设中高大边坡大量出现，因此边坡工程地质问题会愈来愈严重，破坏和造成的损失也会更加严重。
（一）坡面变形
坡面变形是指路堑（或路堤）边坡坡面的局部破坏，包括风化剥落、落石、冲刷和表层滑塌等类型。
剥落是指岩质路堑边坡岩体在风化作用及地表各种地质营力作用下，岩体表层破裂成小不等的岩屑，滚落在坡脚下就地堆积。
剥落多发生在坡
坡面冲刷是雨水顺坡面流动时将松散的颗粒带走，而在坡面上冲刷出一条带状小纹沟。
表层滑塌是由于边坡上有地下水出露，形成点状或带状湿地，产生的坡面表层滑塌现象。
这类破坏由雨水浸湿、冲刷也能产生。
它往往是边坡更大规模变形破坏的前奏。
对已发生的破坏应及时整治，避免进一步发展。
疏导和拦截地下水，保持坡面干燥，可以制止边坡变形的发展。
（二）整体失稳
整体失稳是指边坡的整体塌滑和滑坡。
塌滑时边坡上部或顶部地面下沉、出现多条拉张裂缝，边坡中、下部向外鼓胀，显示出边坡整体滑动和破坏的征兆。
第二节桥梁工程地质问题
在桥梁施工、运营时遇到的问题：
有的将墩、台设在滑坡上，基坑开挖时引起滑坡复活，而使已建成的墩、台错位，有的墩、台建在岩溶洞穴上，致使墩、台倾斜无法使用
一、桥位选择的工程地质问题
桥梁位置的选择应该综合考虑线路方向、选线设计技术要求、城乡建设、交通水利设施的要求和地形、地质条件等多方面因素。
一般，中、小桥位置由线路条件决定，特大桥或大桥则往往先选好桥位，然后再统一考虑线路条件。
必须十分重视桥位地段的地质、地貌特征和河流水文特征。
1桥位应选择在岸坡稳定、地基条件良好、无不良地质现象的地段；应尽可能避开大断裂带，尤其不可在未胶结的断层破碎带和具有活动可能的断裂带上造桥。
2从河流的情况来看，最理想的桥位应选择在水流集中、河床稳定、河道顺直、坡降均匀、河谷较窄的地段，桥梁的轴线与河流方向垂直。
3选择桥位时，首先要研究地貌条件，了解河水对河床和岸坡冲刷作用的规律，避开那些有河床变迁，巨大河湾、活动砂洲的不良地段。
还要大致判定河谷内覆盖层的厚薄、基岩埋藏深浅，以便合理选定桥位。
（一）山区河流桥位条件
山区河流多在山峦起伏的深涧峡谷中流动，其特点是坡降大，水流急，河谷较深，河床中常有基岩裸露，或由巨砾、粗砂沉积覆盖，覆盖层一般较平原河流薄。
山区河流的水文特征是：
洪水暴涨暴落，洪峰次数频繁，持续时间短，流量及水位变化幅度较大。
根据山区河流的特点及勘测设计实践，选择山区河流的桥位时，应考虑如下几个原则
1.桥渡线尽可能选在河道顺直、水流通畅地段，避免在河弯、砂洲，河心孤石突起及河道急剧展宽等河段通过。
2.桥渡线宜选在河槽较窄的峡谷段通过，并应同时考虑施工方法与施工场地的布置问题。
当由于峡谷段水深流急，一跨不成，必须在河中建墩时，为避免基础施工困难，也可在开阔段通过。
3.桥渡线应避免在两河交汇或支流汇入主流的河口段通过，避免两河洪水涨落时间不同，冲淤变化复杂，影响建筑物的安全。
4．桥头及其引线应避开滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害发生场所。
（二）山前区宽河桥位条件
河流流出山区进入山前地区，地形骤然拓宽，多形成山前宽河。
它可分为上游狭窄河段，中游扩散河段和下游收缩河段，不同河段具有不同的特点。
1.上游狭窄河段
河流强烈下切，两岸陡立，河床纵坡大，流速也大，河床稳定。
此处桥长最短，桥位最易确定，桥位布置也较简单，桥下净空高，河滩路堤最短。
基础工程简单，防护工程少，是良好的桥位。
2.下游收缩河段
一般大河流随地形条件汇成一股或数股河道，水流平稳，河床稳定，在这里建桥也是较好的桥址。
3.中游扩散河段
此处水流经常变化，冲淤次数较多。
在此布置桥位，对孔径的大小，桥梁净空及导流建筑物设置等问题均难以解决。
尤其是逐年淤高，是一个复杂而危害很大的问题。
在此建桥，造价高，养护困难？
因此，应尽可能避开在此河段上建桥。
根据上述各河段的特点，布桥时应注意以下几点：
（1）上游狭窄河段应采用一河一桥的原则。
（2）中游扩散河段一般应顺应水流的自然趋势，采取一河多桥原则。
在显著的支岔上分别设桥。
但在水流比较集中，泛滥范围不宽，设置相应的导流建筑物能保证桥渡安全时，也可考虑一河一桥的原则。
（3）下游收缩河段应分别在各稳定的河道上建桥。
不宜改河合并，以保证桥梁安全。
（三）平原区河流桥位条件
平原区河流，河床摆动较大，而且有的河段稳定，有的河段仍不断变化。
1.在平原区河流稳定河段，桥位应选在河道顺直、河床深槽地段，桥梁中线宜与河流两岸垂直。
2.在平原区河流次稳定河段，则要注意河床的天然演变。
一般桥位可选在河湾顶部中间部位跨越，不宜设在两河湾间直线过渡段，以免河湾下移，引起桥下斜流冲刷，危及墩、台安全。
3.对于平原区游荡性河段，桥位宜选在有坚固抗冲的岸壁或人工建筑物河堤等处。
必要时采取导流措施保护桥渡安全。
第三节隧道工程地质问题
本节主要讨论隧道位置的选择与地质条件的关系，隧道涌水、地下温度、瓦斯与岩爆等问题。
一、隧道位置的选择与地质条件
隧道是整个公路中的组成部分，在一般情况下，隧道的位置应当根据的走向来加以确定。
但对于长大隧道，特别是工程地质条件复杂的长大隧道，其位置的选择往往取决于工程地质条件的优劣，即工程地质条件决定隧道位置。
在各类地质条件中，地质构造与岩层产状、岩石类型及风化程度、地下水条件、地质灾害等都会对隧道位置的选择产生影响。
这里主要讨论在各类地质构造条件下和地质灾害地区隧道位置的选择。
（一）地质构造与岩层产状对隧道稳定的影响
1．岩层产状与隧道稳定性的关系
在水平岩层（倾角小于10°）中，由于洞室开挖失去支撑，在拱顶岩层中产生拉应力，若岩层很薄且为软弱岩层、层间连接较弱或为不同性质的岩层及有软弱夹层时，常常发生拱顶坍塌掉块。
若岩层被几组相交的垂直或大倾角裂隙切割，则可能造成隧道拱顶大面积坍塌。
因此，穿越水平岩层的隧道，应选择在坚硬、完整的岩层中。
在软硬相间的情况下，隧道拱部应尽量设置在硬岩中。
在倾斜岩层中，沿岩层走向布置隧道一般是不利的。
主要的工程地质问题是不均匀的地层压力即偏压。
当岩层倾角较大时，施工中还易产生顺层滑动和塌方。
实践证明，隧道沿岩层走向通过不同岩性的倾斜岩层时，应选在岩性坚硬完整的岩层中，避免将隧道选在不同岩层的交界处或有软弱夹层的地带。
隧道顺岩层走向通过直立或近于直立的岩层，初偏压外，稳定性与倾斜岩层相似。
隧道轴向与岩层走向垂直或大角度斜交，是隧道在单斜岩层中的最好布置。
在这种情况下岩层受力条件较为有利，开挖后易于成拱，同时围岩压力分布也较均匀，且岩层倾角愈大，隧道稳定性愈好。
2．地质构造与隧道稳定性的关系
一般情况下，应当避免将隧道沿褶曲的轴部设置，该处岩层弯曲、裂隙发育，岩石较为破碎。
特别在向斜轴部常是地下水富集之处，开挖后会造成大量地下水涌出。
另外向斜轴部的岩层下部受拉，上部受压，裂隙将岩层切割成上小下大的楔形体，隧道拱顶易于产生岩块坍落。
通常尽量将隧道设置在褶曲的翼部或横穿褶曲轴。
垂直穿越背斜的隧道，其两端的拱顶压力大，中部压力小。
隧道横穿向斜时，情况则相反。
断层是在构造运动中产生的，断层对隧道工程，特别是对隧道施工会产生巨大不利影响。
断层破碎带内不仅岩层破碎严重，还常是地下水的储水空间或集水通道，在断层破碎带内的隧道施工极易产生坍塌和涌水。
断层两侧的岩层中往往存在一定的残余地应力，因而围岩压力较大。
在选择隧道位置时应尽量避开大规模断层，若不易避开时，则应采用隧道轴线与断层线垂直或大角度通过。
当隧道通过几组断层时，还应考虑围岩压力沿隧道轴线可能重新分布，断层形成上大下小的楔体，可能将自重传给相邻岩体，使它们的地层压力增加。
（二）不良地质现象发育地区隧道位置的选择
1、滑坡地区隧道位置的选择
滑坡是一种危害严重的地质灾害，多分布在河谷或山前斜坡地带，滑坡体在天然状态下稳定性已较差，在隧道施工扰动下更易失去平衡，产生滑动。
小型滑坡一般对隧道洞口产生影响，大型滑坡不仅影响洞口还会影响到洞身的稳定性。
当隧道需要在滑坡地区通过时，必须查清滑坡地区的岩性、地质构造、水文地质条件，确定滑坡范围、滑动面的位置、滑动方向及滑坡发生、发展的原因，才能判断滑坡的稳定状态，以及将来可能发展的趋势。
一般情况下应避开滑坡体，必须在滑坡地区通过时，应将隧道设在滑动面以外一定部位处。
如果滑动面有可能继续向深部发展，则隧道位置应选在可能形成新滑面以下一定深度。
对于古滑坡体，只有搞清滑坡性质及滑体结构，并采取一定的措施后，如刷方减载，排水等工程措施后，确认古滑坡体不会因隧道施工而复活，才能把隧道放在滑坡体内通过。
2、崩塌岩堆地区隧道位置的选择
崩塌落石多发生在岩石坚硬、有裂隙切割的岩体组成的陡坡地段，在长年累月的风化作用及各种外动力地质作用下，常易产生崩塌落石，岩石崩落危及坡脚下的公路。
在崩塌、落石地区确定隧道位置时，必须查清岩体中裂隙的产状，延伸长度，胶结情况及对铁路可能构成的危害。
一般小型崩塌、落石地区，可以清除危岩或嵌补裂隙处理。
如果裂隙延伸长度大，张开无胶结，岩体稳定性差，有严重崩塌、落石隐患地段，应以长隧道通过。
在查明斜坡外侧张开裂隙的规模、范围、特征及其发展趋势后，采用减载、压浆或嵌补加固措施，确保张裂隙外岩体稳定的情况下，方可将隧道位置放在张裂隙外岩体中通过。
隧道通过岩堆地区时，必须查明岩堆的规模、范围，岩堆的物质组成和密实程度及岩堆的稳定状态和发展趋势。
一般情况下，应避免在岩堆体内设置隧道。
隧道必须通过岩堆体时，必须放在岩堆体下一定深度的基岩内，任何情况下都不可将隧道设在岩堆体与基岩接触面上。
3、泥石流地区隧道位置的选择
隧道通过泥石流地区，以在流通区泥石流沟口的基岩中通过为首选方案，这里侵蚀作用比较轻微，无沉积物或沉积物较少，沟槽相对稳定，如果沟底岩层比较完整，对隧道稳定无影响。
当线路布设标高较低，隧道需要在泥石流的沉积区通过时，一定要注意洞口位置的选择，避开洪积物可能扩大的范围，尤其是发展中的泥石流，洪积扇不断扩大，更应注意，以免堵塞洞口。
当老洪积扇处于下切阶段，应考虑泥石流沟的改道和最大下切深度，使隧道洞顶距最低下切面有一定距离，确保安全。
4．溶地区隧道位置的选择
隧道通过岩溶地区，会遇到溶蚀裂隙、管道、漏斗、溶洞和暗河等，给隧道施工带来很大困难。
一旦隧道与充水溶洞、暗河贯通，将发生大量涌水，危及施工安全。
因此，在岩溶地区选择隧道位置时，应查明区域地层的岩性、地质构造及地表水与地下水的补给、排泄关系，查清岩溶洞穴、地下暗河的分布，位置、大小、填充情况及稳定性等，尽可能避开对隧道危害较大的暗河、溶洞等发育区。
根据岩溶发育规律，在可溶岩层与非可溶岩层接触地带或构造破碎带，常常是岩溶发育地带，选择隧道位置时，应尽量避开这些地带，将隧道位置选在非可溶岩中。
正断层较逆断层和平推断层更有利于岩溶发展，因此在断裂发育地区，隧道应避开正断层，如避不开，应正交或以大角度通过断层破碎带，以减少岩溶危害。
当隧道洞身穿过溶洞时，应查明溶洞大小、规模及稳定状态。
只要溶洞比较稳定，岩溶不再发展，一般情况下对隧道的稳定性没有什么影响，只要采取适当工程措施即可。
如果洞身在溶洞附近通过，这时隧道周围，特别是拱顶及隧底距溶洞应有足够的安全距离。
二、地下水、地温、瓦斯与岩爆问题
（一）地下水
1、隧道涌水
隧道涌水是指在富水的岩体中开挖隧道，当遇到互相贯通又含水的裂隙时，大量的地下水就涌入洞内，新开挖的隧道就成为排泄地下水的新通道。
隧道涌水量取决于含水层的厚度、透水性、补给来源，以及隧道的长度和断面大小。
主要通过勘探、试验来查明以上水文地质条件，并计算隧道涌水量。
然
2、隧道浸水与渗水
隧道位于地下特别是水下隧道，隧道围岩常处于地下水的浸泡中。
地下水的活动会改变岩石的物理力学性质，降低岩体强度，并能加速岩体风化破坏。
地下水在软弱结构面中活动，可起软化、润滑作用，常常造成岩块坍塌。
在泥页岩、千枚岩等软岩中活动引起岩层软化，进而造成隧道洞身变形等。
某些地层，如膨胀岩土、无水石膏等，在水的作用下，能使体积膨胀，地层压力大大增加。
隧道渗水是指隧道建成后，地下水顺洞身施工接缝或裂缝渗出的现象。
渗水对隧道衬砌具有破坏性，也对车辆行驶造成影响，在北方破坏和影响则更大。
地下水中一般含有各种离子成分，对混凝土具有不同程度的侵蚀性，水在衬砌层中渗透就造成其被侵蚀。
在北方冬季冻结期，渗水在混凝土裂缝中冻结膨胀，会加剧混凝土的破坏。
冬季渗水在洞壁和路面冻结则严重影响车辆行驶，甚至造成安全事故。
渗水还在洞壁形成水渍，影响洞内照明效果。
（二）地温
对于深埋隧道，地下温度是一个重要问题。
一般规定隧道内温度不应超过25℃，超过这个温度就应采取降温措施。
当隧道内温度超过32℃时，施工作业困难，劳动效率大大降低。
除了深度，地温还与地质构造、火山活动及地下水温度等因素有关。
岩石层理方向导热性好，所以位于陡倾地层中的隧道地温低于层理大致平行地面地层中的隧道地温。
在近代构造运动和岩浆活动频繁地区，受岩浆热源影响，地温较一般地区高，在地下热水、温泉出露地区地温也较高。
（三）瓦斯
隧道穿过含煤地层时，可能遇到瓦斯。
它使人窒息致死，甚致引起爆炸，造成严重事故。
瓦斯在煤层和石油沉积物中或邻近的岩层中较为丰富。
选线时应尽量避开或不通过含瓦斯的地层，或尽量减少隧道从其中通过。
通过这类地层时，切忌线路走向与煤层走向一致，线路坡度应根据通风排水综合考虑，洞口位置应设在自然通风良好的地方。
当隧道通过可能发生瓦斯的煤层时，必须有安全可靠的措施，如通风、瓦斯检查、防火防爆等。
隧道施工时，应加强通风，降低瓦斯浓度。
开挖时工作面上的瓦斯含量超过1﹪时，就不准装药放炮，超过2﹪时工作人员应撤出，进行处理。
（四）岩爆
岩爆是在地下巷道工作面上发生的岩片爆裂、岩块弹射或崩落掉块现象。
岩爆发生前无明显征兆，发生时伴随有岩石破裂的爆裂声，弹射出的岩块有一定的初速度，伤害力强，对施工人员和机械设备有很大的危害。
岩爆现象有两种：
一种是当岩石发生爆裂声响后，裂开的岩块随即被弹射出来。
爆裂发生时突然迅速，声响大，弹射时常伴有烟雾状粉末散出，被弹出的岩块较小，一般为几厘米长宽的碎块、薄片，弹射远而有力。
这种情况多发生在导坑顶部和扩大的牛角弯处，而齐头掌子面与侧壁则很少发生。
另一种情况是岩石发生爆裂声响后，裂开的岩块并不立即弹射出来，而是经过一段时间，岩块才从围岩中弹射或自由落下，爆裂声响小，爆裂岩块较大。
这种岩爆常见于巷道顶部，侧壁也有发生的。
发生岩爆的岩体多为花岗岩、正长岩、斑岩、闪长岩、辉绿岩、片麻岩和石灰岩等坚硬脆性岩体。
埋深多在大于200m深度以下，岩体中具有较高的初始应力。
施工过程中主要采用下列方法防治岩爆。
1.超前钻孔在预测可能发生岩爆的工作面上钻数个直径60～80mm，深数米或10m左右的钻孔，释放岩体中的应力。
2.超前支撑及紧跟衬砌超前开挖顶板，超前作顶板支撑，可减少岩爆危害。
或紧跟开挖工序，使用锚杆支撑及金属挂网护顶，也能收到满意效果。
3.喷雾洒水向新爆破的岩面上洒水，增加岩石湿度，降低了岩石的脆性，可以减少岩爆现象。
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