摘 要：由于西部地区地形、地貌、地质的复杂、多变性，导致山区高速公路勘察、设计难度大，需要考虑的因素多，技术要求高，设计单位都意识到地质选线在山区公路建设中的重要性。目前研究山区地质选线的学者较多，但对于构造地质选线的研究较少。设计中由于对构造地质的认识不足及不全面，引发的设计变更不在少数，凸显研究构造地质选线的必要性。结合罗望高速、金仁桐高速、昆楚高速、惠罗高速，归纳总结了构造地质选线的工作核心点，创新性提出影响山区高速公路建设的地质构造类型及构造地质选线原则。
关键词：山区高速公路;构造地质选线;向斜;背斜;断裂;穹隆构造;
基金：贵州省交通运输厅资助项目，项目编号2020-122-025;
随着交通强国各项工作的推进，西部地区各省份加快了各自的高速公路建设。至2020年底，西部地区高速公路通车里程占全国里程的比例为37%,其中贵州省高速公路通车里程达7 600 km, 四川省高速公路通车里程达8 000 km, 云南省高速公路通车里程达6 500 km。由于项目向复杂山区不断推进，在建设过程中遇到的地貌越来越特殊，地形高差越来越大，地质、岩性越来越复杂，灾害风险越来越多，治理难度也越来越大。
1 研究背景由于西部地区地形、地貌、地质的复杂、多变性，导致山区高速公路勘察设计难度大，需要考虑的因素多，技术要求高，设计单位都意识到地质选线在山区公路建设中的重要性。
钟立力[1]提出充分发挥地质选线在山区高速公路设计中的作用，对于公路的建设具有重要意义。高文涛等[2]结合部分重庆、四川高速公路，分析了山岭区高速公路地质选线的工作方法及重点，提出了“八宜八不宜”选线原则。孙广远[3]强调“地质选线”要在全过程中加强比选工作，而不是一味整治，从而合理控制成本。蔺国骞[4]明确隧道应尽可能避开断裂带，尽可能垂直穿越，避免平行通过。刘品等[5]明确了地质选线在高等级公路选线过程中具有关键作用，地质选线的好坏直接决定山区高速公路投资及运营成本，并首次提出了地质选线在公路建设周期内(工可、初步设计、施工图设计)选线原则。马平等[6]指出高速公路路线选择应避免在平行于背向斜轴线的单斜顺向岸坡布线，路线总体走向平行于长轴背向斜轴线，施工过程实际发生的顺层边坡病害证实，当路线走向平行背向斜轴线时，路线选择只能尽可能减少顺层边坡的段落长度，但顺层边坡问题不可避免。和佳良等[7]总结出全新世活动断裂带内山区高速公路工程几条选线原则：工程敷设方式应以路基、短隧、低桥为主，尽量少采用长隧、高桥等发生震害时不易修复的工程类型；隧道工程应尽量避开断裂破碎带中心位置或地表破裂带，尽量短距离穿越断层破碎带，在多个断裂交接位置应尽量避免设置隧道；线路走向应尽量绕避断裂带内成因复杂的混合堆积台地或阶地。彭小勇[8]提出了全寿命周期内山区高速公路减灾防灾选线的理念，并制定了山区高速公路防灾减灾选线的总体原则。张利民等[9]以衡量公路工程地质条件优劣的本质因素构建层次结构模型，提出了基于层次分析法的公路工程地质选线的优选方法。王栋等[10]通过研究活动断裂的黏滑位错、蠕滑变形特征，强震破坏特征，以及活动断裂导致的热害、次生灾害分布情况，来分析此类地质条件复杂区域的地质选线原则，明确活动断裂区地质选线应充分考虑活动断裂的活动特征以及其导致的主要工程问题。王哲威等[11]总结出在构造活跃期地质选线应遵循区域稳定性选线、明线工程地质灾害选线、地下工程“极难处理”地质问题选线、不良地质综合选线、地质横断面选线等5个阶段逐渐深入的顺序。黄勇等[12]针对深大活动断裂与高流、岩爆、软岩大变形、突涌水、高地温等地质风险，从地质选线、工程设置、工程措施等3个层次开展对策研究。谢猛[13]提出重载铁路复杂断裂构造区选线原则，以及以遥感构造解译为先导的地质选线方法。
目前研究山区地质选线的学者较多，但对于构造地质选线的研究较少(构造地质选线为地质选线的一个特殊且容易忽略的方向),仅有少量学者对断裂构造区选线进行研究，而且铁路学者研究成果较公路学者更深入。设计中由于对构造地质的认识不足及不全面，引发的设计变更不在少数，凸显研究构造地质选线的必要性。
其实断裂构造仅为构造中的一种表现形式，对于向斜构造、背斜构造、穹隆构造区域地质选线也有必要深入研究。
2 构造地质选线工作核心点2.1山区地质选线核心设计原则构造地质选线为地质选线的一个特殊方向，同样应遵循以下地质选线设计原则：(1)尊重地质规律原则；(2)可行性原则；(3)安全性原则；(4)经济性原则；(5)技术性原则(课题组在高文涛等[2]提出的“八宜八不宜”选线原则基础上创新性提出“八宜二重视原则”,即宜避不宜扰、宜硬不宜软、宜逆不宜顺、宜顺不宜乱、宜高不宜低、宜陡不宜缓、宜边不宜垭、宜阳不宜阴、重视构造地质选线、重视桥梁轴线选择(桥梁桥位选择));(6)可持续发展原则。
2.2重视地质选线在各公路建设周期中的运用重点所有公路项目建设均存在工程可行性研究、初步设计、施工图设计3个阶段，要重视地质选线在各阶段的运用要点及重点。工可注重方案宏观把控，应绕避大型滑坡、崩塌堆积体、岩溶、深厚软土、泥石流等不良地质；初步设计关注重点是路线走廊带区域稳定性问题，以及地形、地质环境问题；施工图关注重点是具体工点的地形、地质问题，以及高速公路本身结构有关的工程地质问题。
2.3构造地质影响因素及相应注意事项(1)地下水。①褶皱汇水问题。向斜和背斜是褶皱的两种具体的表现形式。背斜的单翼或向斜轴部易形成汇水，特别是下伏隔水层或为软硬相间的地质构造时，富水情况特别突出(一般软质岩为相对隔水层),典型的不利工况为隧道涌水、隧道仰拱大变形、工程边坡滑坡(顺层边坡渗水易导致覆盖层及不利结构面滑动；煤系地层、红黏土工程边坡富水均易导致工程边坡变形、失稳……)等。这些不利工况都应在勘察、设计中重点考虑。
②断裂破碎带汇水问题。断裂严格意义上可分为裂隙、节理和断层。断层是断裂中最不利典型情况(裂隙、节理对地质选线的影响较小，在此不予考虑),是地壳运动中产生的强大压力和张力超过岩体本身的强度对岩石造成破坏作用而形成的。文中断裂破碎带特指断层错动影响带。断裂破碎带就是断层运动的产物，由于错动的能量、方向不同，可能导致断裂带的宽度不一，且长期是地下水渗流的地下通道，富水情况突出，典型的工程情况为隧道涌水、工程边坡滑坡、桥梁桩基承载力不足等地质问题。
③穹隆构造汇水问题。穹隆构造是一种特殊形态的发育在地台盖层上的背斜，形态大致呈圆形，中部呈穹隆状。在穹隆构造影响区域，汇水呈发散状背斜式汇水特征，典型的工程情况为工程边坡失稳、滑坡。
(2)岩体完整性。褶皱、穹隆构造的核部及其核部影响区域，由于岩体中岩层走向变化剧烈，特别是硬质岩没有软质岩易于扭曲的特征，岩体一般节理、裂隙特别发育，岩体呈块状分布；对于断裂破碎带，由于受地壳运动或地下水长期冲刷、侵蚀、溶蚀的影响，在断裂破碎带附近一般都存在影响带，岩体完整性、力学性质相对较差。
(3)溶蚀性。褶皱、穹隆构造的核部及其核部影响区域，断裂破碎带影响区域，岩体节理、裂隙发育。岩体破碎，加之地下水长期汇流，对于可溶性岩体而言，易形成岩溶强发育区，可能存在大型溶洞、地下暗河等情况，勘察、设计中应重点考虑相应对策。
3 山区高速公路构造地质选线原则影响山区高速公路建设的地质构造类型主要可分为：向斜构造、背斜构造、断裂构造、穹隆构造。
3.1向斜构造3.1.1向斜构造地质选线原则(1)岩层倾角不是控制选线的唯一标准，应考虑工程边坡后缘的保护对象(公路、电力塔、通讯塔、村庄等设施)等级及治理费用。
(2)在相同的内动力地质作用和外动力地质作用形成的地貌类型、相同的岩体类型(包括岩体的力学性质)情况下，岩体的倾角是形成不同地形的主要原因。
①当岩层倾角≤40°时，易形成台地地形或缓斜坡地形，坡脚易形成堆积体，建议路线优先从台地或斜坡中上部通过，可采用错幅路基、半路半桥、全桥、交叉换岸等设计方案。工程边坡(顺层边坡)不具备按层面清方的可能性，但工程边坡高度具有较好的可控空间。
②当岩层倾角在40°～60°之间时，地形开始变得陡峻，存在分级台地的可能性。由于受沟谷水流冲刷的影响，坡脚堆积体范围一般不大，采用错幅路基、半路半桥、全桥等设计方案时工程造价将大大提高，施工组织变得困难。且施工中弃渣困难，易产生次生灾害。工程边坡(顺层边坡)可能存在按层面清方可能性，但工程边坡高度开始变得不可控。
③当岩层倾角≥60°时，地形陡峻，由于受沟谷水流冲刷的影响，坡脚堆积体范围一般不大。虽然工程边坡大多具备按层面清方可能性，但采用错幅路基、半路半桥等设计方案时工程造价异常不可控，施工组织困难。且施工中弃渣困难，易产生次生灾害。
(3)对于向斜构造沟谷地形，地质选线优先选择岩层倾角较缓一侧斜坡布线。
(4)若单侧布线困难(治理难度大、施工难度大、投资金额高……),可采用“交叉换岸(整幅、分幅)”、“8”字型或“编辫子型”布线。
3.1.2向斜构造地质选线案例分析贵州省余庆至安龙高速公路罗甸至望谟段下里哈路段为典型向斜构造地质选线段落。
由于受区域构造下里哈向斜的影响，走廊带位于向斜核部及核部影响区域。由于向斜渐变距离狭窄且渐变过程剧烈，因此岩体节理、裂隙发育，较为破碎，且两侧山体皆为顺层坡。根据2.1节山区地质选线核心设计原则指导思想，该段线路即是构造地质选线的一种特殊形式，传统的“宜逆不宜顺”选线原则在此处并不适用。
下里哈段两岸均为顺层边坡，K线侧的岩层倾角为15°～35°,属于缓倾角顺层斜坡路基；B2-1线侧的岩层倾角为35°～56°,属于中陡倾角陡斜坡路基。岩层的倾角导致了地形的剧烈变化，直接影响路基的方案、处治措施及造价。构造地质选线是地质选线的一种特殊形式，并没有相关的文献指出相应的技术标准。针对这一特殊的地质情况，进行了课题研究。方案的比选是在课题研究的基础上进行，力求方案最优，且经济、合理、可行、可控。详细布线方案如图1所示。
图1 K线与B2-1比较线地质平面关系
(1)地质评价。在同种地貌类型、同种岩体类型的情况下，岩体的倾角是形成不同地形的主要原因。K线侧边坡倾角为15°～35°,形成了宽缓台地，工程边坡不具备按岩体层面清方的条件，但是适宜采用错幅路基、半路半桥等设计方案，施工条件良好。此外，潜在失稳边坡(顺层边坡)的控制难度大，应尽可能控制工程边坡的高度。B2-1线边坡倾角为35°～56°,形成了陡斜河谷岸坡，虽然局部区域工程边坡具备按岩体层面清方的条件，但工程边坡的后缘为S312线(望谟至罗甸唯一通道),不具备按岩体层面清方的可能性，故采用强支挡措施。此外，相对于宽缓平台地形(主线地形),错幅路基、半路半桥等设计方案的施工组织困难、弃渣困难，易产生更多的次生灾害。同样，潜在失稳边坡(顺层边坡)的控制难度大，应尽可能控制工程边坡的高度。综合比较可知，K线在地形、地质条件上相比B2-1线占优。
(2)指术指标。两方案平纵面均较顺适，技术指标基本相当。
(3)工程规模。B2-1线路线减短65 m, 桥梁增长350 m, 建安费增加1 425万元，综合比较可知，B2-1线工程规模大。
K线与B2-1线综合比较表如表1所示。从地质、经济、治理难度等方面进行综合比较，可知K线均优于B2-1线。
表1 K线与B2-1线综合比较
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项目 |
单位 |
K线 |
B2-1线 |
|
起点桩号 |
- |
YK50 900.000 |
YK50 900.000 |
|
终点桩号 |
- |
YK54 100.000 |
YK54 034.532 |
|
路线长度 |
km |
3.200 |
3.135 |
|
桥梁 |
m/座 |
1 400/3 |
1750/4 |
|
隧道 |
m/座 |
0 |
0 |
|
建安费 |
万元 |
23 000 |
24 425 |
|
推荐意见 |
- |
推荐 |
不推荐 |
背斜构造影响下，存在两种情况：(1)背斜为区域大背斜，受区域背斜的影响，一定存在两个走廊带或两道单向产状沟谷，沟谷中必定有一侧为顺向坡、地形较平缓，另一侧为逆向坡、地形较陡峻；(2)背斜为非区域背斜，背斜的核部沿沟谷下切、缺失，沟谷两侧出露岩体均呈反倾状。背斜构造地质选线尽量采用“宜逆不宜顺”设计原则，尽量沿沟谷反倾岸坡布线，减少顺向坡段落，减少防护工程量。
逆层工程边坡较顺层工程边坡稳定，常见的逆层工程边坡主要破坏模式为倾倒破坏、沿不利结构面折线滑动破坏，但防护工程量可控。倾倒破坏是逆层边坡一种典型破坏模式。研究表明，随着岩层倾角从小到大的变化，边坡稳定安全系数先是变小然后变大，反映出的规律是：岩层倾角介于30°～75°之间的中倾角反倾向边坡最容易发生倾倒破坏；岩层倾角大于75°的陡倾角反倾向边坡次之；岩层倾角小于30°的缓倾角反倾向边坡不易发生倾倒破坏。当然，岩层倾角仅仅是影响边坡倾倒稳定的几种因素之一，和岩石岩性、工程边坡的高度、岩层厚度、切坡角度(边坡开挖坡比)等因素均密切相关。沿不利结构面折线滑动工程边坡主要受节理、裂隙控制。
总体而言，对于单向产状沟谷岸坡，建议沿逆向岸坡布线；对于两侧均为反倾状沟谷岸坡，建议沿相对缓倾岸布线。这一是能有效控制工程边坡高度，有效控制工程边坡的稳定性；二是技术难度及线外工程难度相对较低；三是能够有效控制投资。
3.2.2背斜构造地质选线案例分析贵州省金沙经仁怀至桐梓高速公路K26～K38段，受仁怀背斜影响，走廊带内左侧为顺向坡，右侧为逆向坡，如图2所示。场区出露岩性为奥陶系红花园组(O1h)灰岩、桐梓组(O1t)白云岩夹页岩、寒武系娄山关群(∈2-3ls)白云岩夹泥质白云岩、高台组(∈2g)泥质粉砂岩夹泥质白云岩，主要以硬质岩夹软质岩工程边坡为主，岩层产状为140°～170°∠10°～40°。为了控制顺层边坡段落长度，工程沿沟谷右侧逆向岸坡段布线，可大量减少工程防护，减少治理难度，有效控制工程投资。
图2 金仁桐高速K26～K38段与仁怀背斜平面位置关系
3.3断裂构造3.3.1断裂构造地质选线原则断裂，特别是活动断裂(活动断裂可分为全新世活动断裂、非全新世活动断裂、发震断裂),对线路方案影响较大，一般路线应避免长距离走行于主断层位置；应特别注意桥梁、隧道等结构物与主断裂位置关系，依据勘察结论加强结构物布设方案的比选；宜选择与构造行迹大角度相交或垂直走向，尽量短距离穿越断裂破碎带，从而有利于公路工程稳定。不宜在断裂带中，特别是活动断裂带中，断裂密集处、交汇处(不同断裂交汇、主断裂与次生断裂分支交汇处),以及主要活动断裂的端点、拐点、交汇处布设桥、隧等重要构造物，也不宜沿逆断层上盘迂回展线。
对于活动断裂，展线方案要充分考虑其活动特征。如：(1)断裂、断块活动的继承性和新生性特征；(2)断块活动变形(黏滑错位特征、蠕滑变形特征等)、差异性特征；(3)断裂活动量特征。对于活动断裂，展线方案还应充分考虑其强震破坏特征，主要表现在活动断裂导致的次生地质灾害等对建设工程的影响。路线应以路基、短隧、低桥为主，尽量少采用特长隧道、长隧道、高桥、特殊桥梁等发生震害时不易修复的构造物。
3.3.2断裂构造地质选线案例分析西山断层为区域性大断层。西山断层北接普渡河大断裂，向南经滇池再南插晋宁。断层北段(兆古龙村南)的断层面倾向东，倾角为70°～80°,东盘奥陶系地层逆冲于西盘二迭系地层之上，破碎带宽度约400 m。断层壁上可见“X”型张扭节理。断层南延至普吉有一分支经王家桥～大观楼插入滇池，为倾向西的逆冲断层，与主干断层共同形成普吉～大观楼新生代凹陷。断层南段的断层面倾向东，倾角较陡，具正断层性质。该断层各段力学性质表现不一，除因各段应力边界不同外，应和多次构造运动的改造有关。从断层的发育史及晚近期活动遗迹看，主干断层应是先压后张、先逆后正的多反复运动断层。
昆明(岷山)至楚雄(广通)高速公路改扩建工程ZK1～ZK5段分别在ZK1 500、ZK3 000、ZK3 700、ZK4 280处4次与西山断层及次生断层相交，如图3所示。场区地震动峰值加速度为0.20 g, 地震动反应谱特征周期为0.45 s, 抗震设防烈度为Ⅷ度，为地震多发带。为确保项目的使用安全，在线位走廊带内尽量调整线位与断层相交的角度(尽可能垂直及大角度相交),且展线应避开西山断裂端点、拐点以及与次生断裂的交汇点，并在与断层相交处以路基形式通过。
图3 昆楚高速ZK1～ZK5段与西山断层及其次生断层平面位置关系
3.4穹隆构造3.4.1穹隆构造地质选线原则穹隆构造一般影响区域较大，在构造影响下顺层边坡呈现环形分布。在构造影响区域内可能分布众多沟谷，沟谷一侧必为顺向斜坡。线路应尽可能展布在岩层产状逆向分布侧。设计可参照“宜逆不宜顺”设计要点。
3.4.2穹隆构造地质选线案例分析银川至龙邦高速公路贵州境惠水至罗甸(黔桂界)段K105～K111处受下罗妥穹隆构造的影响(如图4所示),路线右侧工程边坡为全顺层边坡，出露岩性为三迭系边阳组(T2b)砂泥岩、夜郎组(T1y)泥岩夹泥灰岩、永宁镇组(T1yn)灰岩夹泥岩、二迭系大隆组(P2d)泥岩、长兴组(P2c)燧石灰岩、吴家坪组(P2w)泥页岩及泥灰岩夹煤线，以软质岩为主，岩层倾角为30°～70°。工程边坡开挖以后若防护不及时，易沿不利结构面滑动，应控制工程边坡(顺层边坡)段落及高度，且应加强勘察，合理、有效、经济地增加坡面支挡防护。
图4 惠罗高速K105～K111段与穹隆构造的平面位置关系
4 结语(1)由于山区地形、地貌、地质的复杂、多变性，极大限制了在山区高速公路走廊带内展线条件，且平面、纵面受控因数较多。但众多布线因素中，地质条件是选线考虑的关键，地质选线的好坏直接决定山区高速公路投资及运营成本。地质选线的理念应始终贯穿于山区高速公路勘察、设计的不同阶段，持续不断地进行比选及优化。坚持地质选线优先，是山区高速公路建设的难点及重点。
(2)构造地质选线为地质选线的一个特殊且容易忽略的方向，在方案设计中应给予足够重视。
(3)影响山区高速公路建设的地质构造类型主要可分为向斜构造、背斜构造、断裂构造和穹隆构造。
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