火山巖熔空洞地區高等級公路建設現狀與展望

姚永勝，朱洪洲，唐伯明，肖巧林

(1.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶400074;2.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙410004)

火山巖熔空洞地區是由于火山爆發時，熔巖巖漿在流動過程中，巖漿的逐步冷凝并伴隨著氣體的逸出和巖漿的補給中斷而形成的一種特殊的工程地質體。火山巖熔空洞地區分布廣泛，在日本、澳大利亞、阿拉伯地區及我國的海南省瓊北地區、浙江紹興、四川峨眉山、吉林長白山、新疆阿爾泰等地區都有大量分布［1-6］。

火山巖熔空洞地區在我國常用的行業規范中并未提及，在以往的公路建設中，遇到該類地區時，一般采用繞避的方式或依靠工程經驗來進行修筑，但隨著公路建設事業的發展，路網密度的加大，尤其是近年來高等級公路建設的快速發展，越來越多的高等級公路將不可避免地穿越火山巖熔空洞地區。高等級公路在穿越該地區時，如沒有對地基、路基進行相應處治，在公路的建設或運營階段，可能會出現公路的塌陷、不均勻沉降等病害。

1 火山巖空洞的形成及特點

火山噴發的類型有兩種，即裂隙式噴發和中心式噴發。早期火山活動以裂隙式噴發為主，晚期則以中心式噴發為主，至第四紀時以裂隙式噴發為主，兼有少量的中心式噴發，形成了大規模的盾形熔巖、熔巖流及熔巖臺地上的碎屑錐和復合錐［7］。火山噴發形成的高溫巖熔漿，主要為玄武巖巖漿，在沿地表流動的過程中，由于熔漿表面散熱較快，溫度很快下降，使露在表面的熔漿開始冷凝、固結，形成堅硬的熔巖外殼;而熔巖外殼下部的熔漿冷凝較慢，仍為流動態，繼續向前流動，隨著熔漿補給量的減少和中斷而最終形成的空洞便是火山巖熔洞穴。同時，由于熔巖巖漿含有大量氣體，熔漿在流動和凝結過程中，所含氣體不斷逸散和聚集，形成了氣泡和氣洞。因此，在火山巖巖體內部又形成了大量的巖熔隧道、節理或裂縫(圖1)。

圖1 火山巖熔空洞地區的典型節理、裂隙Fig.1 The typical joints and fissure at the cavity lava area

火山的噴發還具有階段性。當火山爆發后，大量的巖漿溢出，形成玄武巖臺地，這些玄武巖臺地在若干年間，經歷物理化學及風化、雨水侵蝕、搬運等作用，在玄武巖的表面逐漸形成了一定厚度的土壤，并長有植被;當下一次火山爆發時，巖漿再次沿著玄武巖臺地，隨著地勢從高到低流動，再一次覆蓋地表，并以此類推，當同一地方經過多次間斷的火山爆發后，在地層垂直方向上便會形成呈層狀分布的玄武巖地貌，再加上巖體中大量的氣孔、洞穴、節理和裂隙等，最終形成了一種特殊的，不同于其他巖石類的火山巖熔空洞地區的地貌特征。火山巖熔空洞地區的地質條件區別于其他地區，是因為火山巖為火山噴發出地表的巖漿巖所形成，屬于火成巖，是原生構造;而我們所熟知的石灰巖溶則是屬于次生構造。

2 火山巖的物理力學性質及工程特性

火山巖包括玄武巖、安山巖、花崗巖等，而火山爆發后的噴出巖，一般稱之為玄武巖。在公路建設中，主要涉及的是玄武巖。因此，筆者主要討論玄武巖的化學成分、物理力學性質和工程特性等。

2.1 化學成分

玄武巖的主要成分是 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO(還有少量的K2O、Na2O)，其中SiO2含量最多，約占成分總量的1/2左右。全新世玄武巖巖石化學成分見表 1［7］。

表1 全新世玄武巖巖石化學成分Table 1 Chemical compositions of Holocene basaltic rock /%

2.2 物理力學性質

玄武巖耐久性甚高，節理多，且節理面多成六邊形，新鮮完整的玄武巖為高強度、高模量、具有脆彈性特征的各向同性巖體。玄武巖巖石致密、堅硬、性脆，上部多風化呈碎塊狀或球狀，其容重一般為28～33 kN/m3［8-9］。玄武巖單軸飽和抗壓強度 Rc為21.2 ～78.8 MPa，平均 50.8 MPa，屬于硬巖［10］。

2.3 工程特性

火山巖熔空洞地區中的玄武巖柱狀節理較發育，且存在各種原生結構面，在物理風化及重力作用下，崩塌落石十分發育。在路基修筑之前，首先需對地基進行勘察和分析，對不滿足地基承載力的路段，應采取處治措施，以滿足地基的承載力要求和穩定性等。在路塹段時，下面的山坡上經常分布著大量的玄武巖崩塌巖塊，且崩塌巖塊由于巖性組合及產狀的不同，玄武巖發生崩塌落石的概率也將不一樣。在路基填方段，由于洞穴、裂隙、節理發育，在公路的建設和運營階段可能出現塌陷、不均勻沉降等病害。因此，在路基填筑時，對施工工藝和施工質量要求更高，同時也要注意路基及邊坡的防護和防水，避免沖刷。

3 火山巖熔空洞地區公路病害分析

火山巖熔空洞地區屬于一種特殊的地質體，在工程建設時需依據其特點而特殊對待。在以往的鐵路和水壩修建過程中，已遇到過類似的地質，并有一些研究。比如，在內蒙古的張集鐵路中，于國新，等［11］從地貌特征、地層特點、力學性質、路基工程、邊坡、隧道等方面，詳細分析了該地區的玄武巖分布及其工程特性。此外，在貴州、浙江、江蘇等地，也有一些關于玄武巖地區的地質災害研究，主要涉及的是邊坡和邊坡穩定性方面的探討［10-11］。但在火山巖熔空洞地區修建高等級公路方面的研究成果還很少。該地區修建公路時，會遇到開挖堅硬巖石難度大、巖體裂隙發育及開挖薄層軟質巖石后，施工場地受到限制等諸多不利因素［12］，需要公路建設者進一步研究和總結。

火山噴發的巖漿隨著地表流動時，在不同的內外部因素(如巖漿的礦物組成、地形、地貌、溫度、濕度等條件)共同作用下，最終形成了火山巖熔空洞地區的不良地質體。這對公路工程的建設和后期運營存在著極大的安全隱患，而地質體中的地下空洞、巖熔隧道、塌陷坑、溝槽等對公路建設的影響更為突出(圖2)。

圖2 巖熔隧道及巖熔陷坑Fig.2 Lava tunnel＆ lava collapse

3.1 火山巖熔地下空洞對公路工程的危害

裸露型熔洞由于幾何尺寸的差異在地基表面形成了高低不平的基巖面，且熔洞內填充著大量的風化沉積物(主要為高液限土)，這將可能導致修筑在其上的路基產生沉降不均或結構物的地基承載力不能滿足規范要求等;覆蓋型熔洞則可能因頂板太薄或強度不夠，從而導致熔洞頂板的突然塌陷;大面積的蜂窩狀熔洞群則可能會引起路塹邊坡的坍塌或路基填方段的不均勻沉降。

3.2 巖熔隧道對公路路基危害

巖熔隧道頂板中的巖體裂隙發育且在長期的地質風化及外荷載作用的影響下，使得頂板巖體產生松動或巖石強度降低，進而影響其穩定性，而當頂板承載力不能滿足規范要求時，則會使修筑在其上面的路基產生突然性塌陷或邊坡失穩等病害［12-13］。

3.3 巖熔陷坑對公路路基危害

在坑底、坑邊、坑頂四周發育著環狀裂隙且陷坑內充填有大量的風化沉積物;而在坑側壁及坑邊角可能有殘留的小熔洞，以及在坑底雜亂堆積大小不等的棱角狀塊石或形狀大小各異的巖堆等;它們都將對公路路基的填筑、壓實和穩定性產生較大影響［14-15］。

3.4 熔溝、熔槽及柱狀節理對公路路基的危害

溝槽、基巖的凹凸不平及其巖性差異，使得路基或結構物基礎產生不均勻受力，從而引起不均勻沉降或開裂;而柱狀節理則影響巖體的完整性和強度，進而可能導致路基的變形不均或沉陷等病害。

4 火山巖熔空洞地區高等級公路建設展望

盡管在火山巖熔空洞地區修建高等級公路會遇到很多困難，但隨著我國經濟的發展和公路的建設水平、科研水平不斷提升，公路科研人員和建設者已積累了一定的工程經驗。但為了保證公路的設計、施工和后期運營階段的安全性，在以下幾個方面還需進一步的發展和完善［16］。

4.1 勘察技術

由于火山巖熔空洞地區屬于不良地質體，那么如何運用物探、鉆探、聲波檢測等勘探方法，查明地質情況，以便更好地指導公路建設的設計和施工等顯得尤為重要。同時，對路基挖填方、構造物、橋涵隧道等中的一些重點和關鍵部位需要進行更為詳細的勘察。

4.2 公路設計

在前期工作和地質勘探結束后，結合火山巖熔空洞地區的實際情況，如何對修筑其上的公路進行設計，以保證公路修建及后期運營時的安全，仍是一項重要任務。同時，在保證安全性的前提下，也要注重公路設計時的經濟性和適用性等，也是公路設計工作者的重要任務之一。

4.3 地基處治

在對火山巖熔空洞地區的地基在進行處治時，選取什么樣的技術手段和方法進行處治，亦相當重要。常用的處治方法有注漿法、強夯法、沖擊壓實法、橋跨法、板跨法、揭開洞頂回填法等，對各種方法進行理論分析并通過試驗路段驗證后，選取一種或幾種方法作為主要的處治手段。同時，地基處治時的施工工藝流程、技術指標和控制指標等需制定專門的實施方案。施工過程中，施工單位和監理單位對重點和關鍵部位需進行重點控制，以保證地基處治的工程質量及后期公路運營階段的安全性。

4.4 路基修筑

在火山巖熔空洞地區路堤和路塹的修筑時，需重點考慮選用什么樣的試驗路段、選取何種填筑材料、采用何種施工工藝、注意哪些控制要點，以及修筑過程和后期的檢測、效果評價等方面。同時，依據室內外試驗、現場試驗，因地制宜，綜合分析和驗證后，進而制定出一套完整、詳細、適用的實施方案。

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