貴州某高速公路隱伏巖溶地基處理設計

王寶軍 孫兆剛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

本高速公路位于貴州高原北部向四川盆地過渡的斜坡地帶，是大婁山脈的東南段，地形高低差異明顯。主要的山峰、河流受構造控制明顯，走向往往與構造線方向一致，測試區地貌類型可分為構造剝蝕溶蝕低山地貌、構造剝蝕溶蝕低中山地貌、剝蝕殘丘及丘陵河谷地貌類型，以溶蝕地貌及侵蝕構造地貌為主。溶蝕地貌發育于碳酸鹽類巖石分布區，主要受巖性及地質構造影響，表現為隱藏溶洞、漏斗、落水洞、豎井等。

2 隱伏巖溶安全頂板厚度確定方法

2．1 完整的頂板安全厚度計算

2．1．1 按頂板受剪進行計算

當隱伏巖溶頂板巖層完整，溶洞跨徑較小，頂板受剪是確定頂板安全厚度的主要控制因素，可按照頂板受剪計算其安全厚度。

根據頂板受剪狀態得出的安全厚度計算公式(1):

其中，Q1為路基范圍內溶洞頂板自重;Q2為附加荷載(包括填土及荷載);τ為巖石的抗剪強度，石灰巖一般為其容許抗壓強度的1/12，kPa;L為路基基底溶洞周長，L=2(B+b)，m;k為安全系數，一般取 1．2。

2．1．2 按梁板受力情況計算

當巖溶頂板巖層完整，頂板層趨近于水平，且溶洞跨徑較大，彎矩是確定頂板安全厚度的主要因素，可以按照梁板受力情況計算其安全厚度。

根據梁板受力狀態得出的安全厚度計算公式(2):

其中，［σ］為巖體的抗彎強度，石灰巖一般為其容許抗壓強度的1/8，kPa;B為路基底寬，m;b為溶洞寬度，m;Q為溶洞頂板總荷載(包括自重和附加荷載);k為安全系數，一般取1．2。

2．2 不完整的頂板安全厚度計算

2．2．1 按坍塌堵塞情況進行計算

適用于巖溶頂板裂隙發育，風化嚴重，存在坍塌可能的溶洞。由于巖層坍塌過程中有一定的松散膨脹，當坍塌至一定高度后，坍塌體將會自行填滿溶洞。根據這一情況得出的安全厚度計算公式(3):

其中，H0為溶洞高度，m;k為巖石的膨脹系數(石灰巖一般取k=1．2);k0為安全系數，一般取 1．2。

2．2．2 按破裂拱概念進行計算

適用于巖溶頂板為風化破碎的巖層。當溶洞未坍塌時，假設其處于極限平衡狀態，如發生坍塌則形成破裂拱，破裂拱高度H計算公式(4):

其中，b為溶洞寬度的一半，m;H0為溶洞高度，m;φ為巖石的內摩擦角，(°);f為巖石的強度系數為安全系數，一般取1．2。

3 路基距隱伏巖溶安全距離計算

路線附近的溶洞，距離路基坡腳應有一定的距離，一旦形成坍塌形漏斗，不至于危及路基安全，采用溶洞坍塌時擴散角計算，安全距離L計算公式(5):

其中，H為溶洞頂板厚度，m;φ為巖層的內摩擦角，(°);k為安全系數，一般取1．1 ～1．25。

4 不同頂板厚度隱伏巖溶路基處理措施

4．1 跨越

路基底或路基附近流量較大的暗河、落水洞、消水坑、巖溶泉等，采用橋涵跨越;規模較小的用蓋板涵跨過，或設擋土墻、護腳將水隔在路基外。當溶洞位于路基底或路基附近時，對溶洞頂板安全厚度及距路基的安全距離進行驗算后確定跨越方式。

4．2 加固

1)深而小的溶洞不便用洞內加固時，采用石蓋板或鋼筋混凝土蓋板加固，如靠近邊溝時，應防止邊溝水的滲漏。

2)對洞徑小、頂板薄或巖層破碎的溶洞，采用爆破頂板片石回填加固;如溶洞較深或需保持排水時，采用拱涵或板涵跨越。

3)對路基范圍內的地表塌陷(土洞)，如基巖未出露，用粘土回填夯實;如基巖出露并見空洞洞口時，用大塊石堵塞洞口后再用粘土回填土洞。

4)埋深較深、頂板安全厚度偏小的溶洞，當溶洞為充填的小型溶洞時，可采用鉆孔注漿法進行處理，注漿工藝宜采用低壓間歇式灌注，注漿壓力 0．3 MPa～0．4 MPa，間歇時間7 h ～8 h，砂漿標號M7．5;否則采用鉆孔爆破方式將溶洞頂板爆破坍塌為明溝再用挖方石料填充溶洞。

5)溶洞頂板較薄，且洞穴跨越較大或洞內有水流時，施工人員易進入洞穴內時，可采用漿砌片石支柱頂支。

5 工程實例

貴州某高速公路K55+220～K55+380段，經高密度電法進行勘探，該段巖溶強烈發育，頂板巖層較為完整，隱伏溶洞共計21處，頂板厚度1．3 m ～9．0 m，跨徑 0．5 m ～12．2 m。采用本文 2．1．1及2．1．2中兩種方法，將溶洞平面形狀假設為正矩形，對該段范圍內共21個隱伏溶洞的安全頂板厚度進行驗算，并根據不同頂板厚度及溶洞跨徑提出不同的處理措施。對于頂板實際厚度大于驗算得出的安全頂板厚度的9個溶洞，不進行特殊處理，直接在溶洞頂板頂部進行路基填筑;對于頂板實際厚度小于5 m，且頂板實際厚度小于驗算得出的安全頂板厚度的5個溶洞，對溶洞頂板進行爆破坡頂后采用片石進行回填處理;對于頂板實際厚度不小于5 m的7個溶洞，采用在頂板鉆孔向溶洞中注M7．5水泥砂漿的處理方式進行處理。

［1］ 李景成．談高速公路的巖深處理［J］．公路勘察設計，2002(1):3-4．

［2］ 交通部第二公路勘察設計院．公路設計手冊——路基［M］．第2版．北京:人民交通出版社，1996．

［3］ 邱存家，李 勇．貴州某機場巖溶地基處理設計［J］．地質災害與環境保護，2010(3):81-82．