摘 要：由于西部地區地形、地貌、地質的複雜、多變性，導緻山區高速公路勘察、設計難度大，需要考慮的因素多，技術要求高，設計單位都意識到地質選線在山區公路建設中的重要性。目前研究山區地質選線的學者較多，但對于構造地質選線的研究較少。設計中由于對構造地質的認識不足及不全面，引發的設計變更不在少數，凸顯研究構造地質選線的必要性。結合羅望高速、金仁桐高速、昆楚高速、惠羅高速，歸納總結了構造地質選線的工作核心點，創新性提出影響山區高速公路建設的地質構造類型及構造地質選線原則。

關鍵詞：山區高速公路;構造地質選線;向斜;背斜;斷裂;穹隆構造;

基金：貴州省交通運輸廳資助項目，項目編号2020-122-025;

随着交通強國各項工作的推進，西部地區各省份加快了各自的高速公路建設。至2020年底，西部地區高速公路通車裡程占全國裡程的比例為37%,其中貴州省高速公路通車裡程達7 600 km, 四川省高速公路通車裡程達8 000 km, 雲南省高速公路通車裡程達6 500 km。由于項目向複雜山區不斷推進，在建設過程中遇到的地貌越來越特殊，地形高差越來越大，地質、岩性越來越複雜，災害風險越來越多，治理難度也越來越大。

由于西部地區地形、地貌、地質的複雜、多變性，導緻山區高速公路勘察設計難度大，需要考慮的因素多，技術要求高，設計單位都意識到地質選線在山區公路建設中的重要性。

鐘立力[1]提出充分發揮地質選線在山區高速公路設計中的作用，對于公路的建設具有重要意義。高文濤等[2]結合部分重慶、四川高速公路，分析了山嶺區高速公路地質選線的工作方法及重點，提出了“八宜八不宜”選線原則。孫廣遠[3]強調“地質選線”要在全過程中加強比選工作，而不是一味整治，從而合理控制成本。蔺國骞[4]明确隧道應盡可能避開斷裂帶，盡可能垂直穿越，避免平行通過。劉品等[5]明确了地質選線在高等級公路選線過程中具有關鍵作用，地質選線的好壞直接決定山區高速公路投資及運營成本，并首次提出了地質選線在公路建設周期内(工可、初步設計、施工圖設計)選線原則。馬平等[6]指出高速公路路線選擇應避免在平行于背向斜軸線的單斜順向岸坡布線，路線總體走向平行于長軸背向斜軸線，施工過程實際發生的順層邊坡病害證實，當路線走向平行背向斜軸線時，路線選擇隻能盡可能減少順層邊坡的段落長度，但順層邊坡問題不可避免。和佳良等[7]總結出全新世活動斷裂帶内山區高速公路工程幾條選線原則：工程敷設方式應以路基、短隧、低橋為主，盡量少采用長隧、高橋等發生震害時不易修複的工程類型；隧道工程應盡量避開斷裂破碎帶中心位置或地表破裂帶，盡量短距離穿越斷層破碎帶，在多個斷裂交接位置應盡量避免設置隧道；線路走向應盡量繞避斷裂帶内成因複雜的混合堆積台地或階地。彭小勇[8]提出了全壽命周期内山區高速公路減災防災選線的理念，并制定了山區高速公路防災減災選線的總體原則。張利民等[9]以衡量公路工程地質條件優劣的本質因素構建層次結構模型，提出了基于層次分析法的公路工程地質選線的優選方法。王棟等[10]通過研究活動斷裂的黏滑位錯、蠕滑變形特征，強震破壞特征，以及活動斷裂導緻的熱害、次生災害分布情況，來分析此類地質條件複雜區域的地質選線原則，明确活動斷裂區地質選線應充分考慮活動斷裂的活動特征以及其導緻的主要工程問題。王哲威等[11]總結出在構造活躍期地質選線應遵循區域穩定性選線、明線工程地質災害選線、地下工程“極難處理”地質問題選線、不良地質綜合選線、地質橫斷面選線等5個階段逐漸深入的順序。黃勇等[12]針對深大活動斷裂與高流、岩爆、軟岩大變形、突湧水、高地溫等地質風險，從地質選線、工程設置、工程措施等3個層次開展對策研究。謝猛[13]提出重載鐵路複雜斷裂構造區選線原則，以及以遙感構造解譯為先導的地質選線方法。

目前研究山區地質選線的學者較多，但對于構造地質選線的研究較少(構造地質選線為地質選線的一個特殊且容易忽略的方向),僅有少量學者對斷裂構造區選線進行研究，而且鐵路學者研究成果較公路學者更深入。設計中由于對構造地質的認識不足及不全面，引發的設計變更不在少數，凸顯研究構造地質選線的必要性。

其實斷裂構造僅為構造中的一種表現形式，對于向斜構造、背斜構造、穹隆構造區域地質選線也有必要深入研究。

構造地質選線為地質選線的一個特殊方向，同樣應遵循以下地質選線設計原則：(1)尊重地質規律原則；(2)可行性原則；(3)安全性原則；(4)經濟性原則；(5)技術性原則(課題組在高文濤等[2]提出的“八宜八不宜”選線原則基礎上創新性提出“八宜二重視原則”,即宜避不宜擾、宜硬不宜軟、宜逆不宜順、宜順不宜亂、宜高不宜低、宜陡不宜緩、宜邊不宜垭、宜陽不宜陰、重視構造地質選線、重視橋梁軸線選擇(橋梁橋位選擇));(6)可持續發展原則。

所有公路項目建設均存在工程可行性研究、初步設計、施工圖設計3個階段，要重視地質選線在各階段的運用要點及重點。工可注重方案宏觀把控，應繞避大型滑坡、崩塌堆積體、岩溶、深厚軟土、泥石流等不良地質；初步設計關注重點是路線走廊帶區域穩定性問題，以及地形、地質環境問題；施工圖關注重點是具體工點的地形、地質問題，以及高速公路本身結構有關的工程地質問題。

向斜和背斜是褶皺的兩種具體的表現形式。背斜的單翼或向斜軸部易形成彙水，特别是下伏隔水層或為軟硬相間的地質構造時，富水情況特别突出(一般軟質岩為相對隔水層),典型的不利工況為隧道湧水、隧道仰拱大變形、工程邊坡滑坡(順層邊坡滲水易導緻覆蓋層及不利結構面滑動；煤系地層、紅黏土工程邊坡富水均易導緻工程邊坡變形、失穩……)等。這些不利工況都應在勘察、設計中重點考慮。

斷裂嚴格意義上可分為裂隙、節理和斷層。斷層是斷裂中最不利典型情況(裂隙、節理對地質選線的影響較小，在此不予考慮),是地殼運動中産生的強大壓力和張力超過岩體本身的強度對岩石造成破壞作用而形成的。文中斷裂破碎帶特指斷層錯動影響帶。斷裂破碎帶就是斷層運動的産物，由于錯動的能量、方向不同，可能導緻斷裂帶的寬度不一，且長期是地下水滲流的地下通道，富水情況突出，典型的工程情況為隧道湧水、工程邊坡滑坡、橋梁樁基承載力不足等地質問題。

穹隆構造是一種特殊形态的發育在地台蓋層上的背斜，形态大緻呈圓形，中部呈穹隆狀。在穹隆構造影響區域，彙水呈發散狀背斜式彙水特征，典型的工程情況為工程邊坡失穩、滑坡。

褶皺、穹隆構造的核部及其核部影響區域，由于岩體中岩層走向變化劇烈，特别是硬質岩沒有軟質岩易于扭曲的特征，岩體一般節理、裂隙特别發育，岩體呈塊狀分布；對于斷裂破碎帶，由于受地殼運動或地下水長期沖刷、侵蝕、溶蝕的影響，在斷裂破碎帶附近一般都存在影響帶，岩體完整性、力學性質相對較差。

褶皺、穹隆構造的核部及其核部影響區域，斷裂破碎帶影響區域，岩體節理、裂隙發育。岩體破碎，加之地下水長期彙流，對于可溶性岩體而言，易形成岩溶強發育區，可能存在大型溶洞、地下暗河等情況，勘察、設計中應重點考慮相應對策。

影響山區高速公路建設的地質構造類型主要可分為：向斜構造、背斜構造、斷裂構造、穹隆構造。

(1)岩層傾角不是控制選線的唯一标準，應考慮工程邊坡後緣的保護對象(公路、電力塔、通訊塔、村莊等設施)等級及治理費用。

(2)在相同的内動力地質作用和外動力地質作用形成的地貌類型、相同的岩體類型(包括岩體的力學性質)情況下，岩體的傾角是形成不同地形的主要原因。

①當岩層傾角≤40°時，易形成台地地形或緩斜坡地形，坡腳易形成堆積體，建議路線優先從台地或斜坡中上部通過，可采用錯幅路基、半路半橋、全橋、交叉換岸等設計方案。工程邊坡(順層邊坡)不具備按層面清方的可能性，但工程邊坡高度具有較好的可控空間。

②當岩層傾角在40°～60°之間時，地形開始變得陡峻，存在分級台地的可能性。由于受溝谷水流沖刷的影響，坡腳堆積體範圍一般不大，采用錯幅路基、半路半橋、全橋等設計方案時工程造價将大大提高，施工組織變得困難。且施工中棄渣困難，易産生次生災害。工程邊坡(順層邊坡)可能存在按層面清方可能性，但工程邊坡高度開始變得不可控。

③當岩層傾角≥60°時，地形陡峻，由于受溝谷水流沖刷的影響，坡腳堆積體範圍一般不大。雖然工程邊坡大多具備按層面清方可能性，但采用錯幅路基、半路半橋等設計方案時工程造價異常不可控，施工組織困難。且施工中棄渣困難，易産生次生災害。

(3)對于向斜構造溝谷地形，地質選線優先選擇岩層傾角較緩一側斜坡布線。

(4)若單側布線困難(治理難度大、施工難度大、投資金額高……),可采用“交叉換岸(整幅、分幅)”、“8”字型或“編辮子型”布線。

貴州省餘慶至安龍高速公路羅甸至望谟段下裡哈路段為典型向斜構造地質選線段落。

由于受區域構造下裡哈向斜的影響，走廊帶位于向斜核部及核部影響區域。由于向斜漸變距離狹窄且漸變過程劇烈，因此岩體節理、裂隙發育，較為破碎，且兩側山體皆為順層坡。根據2.1節山區地質選線核心設計原則指導思想，該段線路即是構造地質選線的一種特殊形式，傳統的“宜逆不宜順”選線原則在此處并不适用。

下裡哈段兩岸均為順層邊坡，K線側的岩層傾角為15°～35°,屬于緩傾角順層斜坡路基；B2-1線側的岩層傾角為35°～56°,屬于中陡傾角陡斜坡路基。岩層的傾角導緻了地形的劇烈變化，直接影響路基的方案、處治措施及造價。構造地質選線是地質選線的一種特殊形式，并沒有相關的文獻指出相應的技術标準。針對這一特殊的地質情況，進行了課題研究。方案的比選是在課題研究的基礎上進行，力求方案最優，且經濟、合理、可行、可控。詳細布線方案如圖1所示。

圖1 K線與B2-1比較線地質平面關系

在同種地貌類型、同種岩體類型的情況下，岩體的傾角是形成不同地形的主要原因。K線側邊坡傾角為15°～35°,形成了寬緩台地，工程邊坡不具備按岩體層面清方的條件，但是适宜采用錯幅路基、半路半橋等設計方案，施工條件良好。此外，潛在失穩邊坡(順層邊坡)的控制難度大，應盡可能控制工程邊坡的高度。B2-1線邊坡傾角為35°～56°,形成了陡斜河谷岸坡，雖然局部區域工程邊坡具備按岩體層面清方的條件，但工程邊坡的後緣為S312線(望谟至羅甸唯一通道),不具備按岩體層面清方的可能性，故采用強支擋措施。此外，相對于寬緩平台地形(主線地形),錯幅路基、半路半橋等設計方案的施工組織困難、棄渣困難，易産生更多的次生災害。同樣，潛在失穩邊坡(順層邊坡)的控制難度大，應盡可能控制工程邊坡的高度。綜合比較可知，K線在地形、地質條件上相比B2-1線占優。

兩方案平縱面均較順适，技術指标基本相當。

B2-1線路線減短65 m, 橋梁增長350 m, 建安費增加1 425萬元，綜合比較可知，B2-1線工程規模大。

K線與B2-1線綜合比較表如表1所示。從地質、經濟、治理難度等方面進行綜合比較，可知K線均優于B2-1線。

表1 K線與B2-1線綜合比較

背斜構造影響下，存在兩種情況：(1)背斜為區域大背斜，受區域背斜的影響，一定存在兩個走廊帶或兩道單向産狀溝谷，溝谷中必定有一側為順向坡、地形較平緩，另一側為逆向坡、地形較陡峻；(2)背斜為非區域背斜，背斜的核部沿溝谷下切、缺失，溝谷兩側出露岩體均呈反傾狀。背斜構造地質選線盡量采用“宜逆不宜順”設計原則，盡量沿溝谷反傾岸坡布線，減少順向坡段落，減少防護工程量。

逆層工程邊坡較順層工程邊坡穩定，常見的逆層工程邊坡主要破壞模式為傾倒破壞、沿不利結構面折線滑動破壞，但防護工程量可控。傾倒破壞是逆層邊坡一種典型破壞模式。研究表明，随着岩層傾角從小到大的變化，邊坡穩定安全系數先是變小然後變大，反映出的規律是：岩層傾角介于30°～75°之間的中傾角反傾向邊坡最容易發生傾倒破壞；岩層傾角大于75°的陡傾角反傾向邊坡次之；岩層傾角小于30°的緩傾角反傾向邊坡不易發生傾倒破壞。當然，岩層傾角僅僅是影響邊坡傾倒穩定的幾種因素之一，和岩石岩性、工程邊坡的高度、岩層厚度、切坡角度(邊坡開挖坡比)等因素均密切相關。沿不利結構面折線滑動工程邊坡主要受節理、裂隙控制。

總體而言，對于單向産狀溝谷岸坡，建議沿逆向岸坡布線；對于兩側均為反傾狀溝谷岸坡，建議沿相對緩傾岸布線。這一是能有效控制工程邊坡高度，有效控制工程邊坡的穩定性；二是技術難度及線外工程難度相對較低；三是能夠有效控制投資。

貴州省金沙經仁懷至桐梓高速公路K26～K38段，受仁懷背斜影響，走廊帶内左側為順向坡，右側為逆向坡，如圖2所示。場區出露岩性為奧陶系紅花園組(O1h)灰岩、桐梓組(O1t)白雲岩夾頁岩、寒武系婁山關群(∈2-3ls)白雲岩夾泥質白雲岩、高台組(∈2g)泥質粉砂岩夾泥質白雲岩，主要以硬質岩夾軟質岩工程邊坡為主，岩層産狀為140°～170°∠10°～40°。為了控制順層邊坡段落長度，工程沿溝谷右側逆向岸坡段布線，可大量減少工程防護，減少治理難度，有效控制工程投資。

圖2 金仁桐高速K26～K38段與仁懷背斜平面位置關系

斷裂，特别是活動斷裂(活動斷裂可分為全新世活動斷裂、非全新世活動斷裂、發震斷裂),對線路方案影響較大，一般路線應避免長距離走行于主斷層位置；應特别注意橋梁、隧道等結構物與主斷裂位置關系，依據勘察結論加強結構物布設方案的比選；宜選擇與構造行迹大角度相交或垂直走向，盡量短距離穿越斷裂破碎帶，從而有利于公路工程穩定。不宜在斷裂帶中，特别是活動斷裂帶中，斷裂密集處、交彙處(不同斷裂交彙、主斷裂與次生斷裂分支交彙處),以及主要活動斷裂的端點、拐點、交彙處布設橋、隧等重要構造物，也不宜沿逆斷層上盤迂回展線。

對于活動斷裂，展線方案要充分考慮其活動特征。如：(1)斷裂、斷塊活動的繼承性和新生性特征；(2)斷塊活動變形(黏滑錯位特征、蠕滑變形特征等)、差異性特征；(3)斷裂活動量特征。對于活動斷裂，展線方案還應充分考慮其強震破壞特征，主要表現在活動斷裂導緻的次生地質災害等對建設工程的影響。路線應以路基、短隧、低橋為主，盡量少采用特長隧道、長隧道、高橋、特殊橋梁等發生震害時不易修複的構造物。

西山斷層為區域性大斷層。西山斷層北接普渡河大斷裂，向南經滇池再南插晉甯。斷層北段(兆古龍村南)的斷層面傾向東，傾角為70°～80°,東盤奧陶系地層逆沖于西盤二疊系地層之上，破碎帶寬度約400 m。斷層壁上可見“X”型張扭節理。斷層南延至普吉有一分支經王家橋～大觀樓插入滇池，為傾向西的逆沖斷層，與主幹斷層共同形成普吉～大觀樓新生代凹陷。斷層南段的斷層面傾向東，傾角較陡，具正斷層性質。該斷層各段力學性質表現不一，除因各段應力邊界不同外，應和多次構造運動的改造有關。從斷層的發育史及晚近期活動遺迹看，主幹斷層應是先壓後張、先逆後正的多反複運動斷層。

昆明(岷山)至楚雄(廣通)高速公路改擴建工程ZK1～ZK5段分别在ZK1 500、ZK3 000、ZK3 700、ZK4 280處4次與西山斷層及次生斷層相交，如圖3所示。場區地震動峰值加速度為0.20 g, 地震動反應譜特征周期為0.45 s, 抗震設防烈度為Ⅷ度，為地震多發帶。為确保項目的使用安全，在線位走廊帶内盡量調整線位與斷層相交的角度(盡可能垂直及大角度相交),且展線應避開西山斷裂端點、拐點以及與次生斷裂的交彙點，并在與斷層相交處以路基形式通過。

圖3 昆楚高速ZK1～ZK5段與西山斷層及其次生斷層平面位置關系

穹隆構造一般影響區域較大，在構造影響下順層邊坡呈現環形分布。在構造影響區域内可能分布衆多溝谷，溝谷一側必為順向斜坡。線路應盡可能展布在岩層産狀逆向分布側。設計可參照“宜逆不宜順”設計要點。

銀川至龍邦高速公路貴州境惠水至羅甸(黔桂界)段K105～K111處受下羅妥穹隆構造的影響(如圖4所示),路線右側工程邊坡為全順層邊坡，出露岩性為三疊系邊陽組(T2b)砂泥岩、夜郎組(T1y)泥岩夾泥灰岩、永甯鎮組(T1yn)灰岩夾泥岩、二疊系大隆組(P2d)泥岩、長興組(P2c)燧石灰岩、吳家坪組(P2w)泥頁岩及泥灰岩夾煤線，以軟質岩為主，岩層傾角為30°～70°。工程邊坡開挖以後若防護不及時，易沿不利結構面滑動，應控制工程邊坡(順層邊坡)段落及高度，且應加強勘察，合理、有效、經濟地增加坡面支擋防護。

圖4 惠羅高速K105～K111段與穹隆構造的平面位置關系

(1)由于山區地形、地貌、地質的複雜、多變性，極大限制了在山區高速公路走廊帶内展線條件，且平面、縱面受控因數較多。但衆多布線因素中，地質條件是選線考慮的關鍵，地質選線的好壞直接決定山區高速公路投資及運營成本。地質選線的理念應始終貫穿于山區高速公路勘察、設計的不同階段，持續不斷地進行比選及優化。堅持地質選線優先，是山區高速公路建設的難點及重點。

(2)構造地質選線為地質選線的一個特殊且容易忽略的方向，在方案設計中應給予足夠重視。

(3)影響山區高速公路建設的地質構造類型主要可分為向斜構造、背斜構造、斷裂構造和穹隆構造。

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