巖溶區高速公路路基處治設計

鄭亞強

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

在我國華南、西南地區高速公路建設中，巖溶是一種比較常見的不良地質現象。針對巖溶區的溶洞處治，在高速公路橋梁施工時溶洞的處治技術相對于路基而言比較成熟，對于路基工程，由于其對地表變形的容許值大、變形周期長且處治范圍通常比較大等緣故，在跨過溶洞時的巖溶處治一直未能形成一套完善的技術。國內學者李楊、彭瑞華在鐵路工程中采用壓力注漿技術進行處治[1]，陳青洪在渝懷鐵路建設中采用開挖回填、注漿等技術對不同形態的溶洞進行處治[2]，均取得了良好的效果。但由于注漿工程量難以控制，往往造成工程造價難以控制。

本文將結合廣東省汕湛高速公路建設中的路基路段溶洞處治設計，介紹壓力灌注混凝土處治溶洞的設計方法，以期能夠拋磚引玉，與業界同行共同探討公路路基路段巖溶的處治技術。

1 工程概況

汕湛高速公路云浮至湛江段K26+100—K30+100路段跨越巖溶區，該地區地貌單元屬巖溶溶蝕準平原區，地形平緩，地表多為第四系地層所覆蓋，植被發育，稻田密集。地層巖性為第四系沖洪積（Q4al+pl）粉質黏土、砂土層和殘坡積圓礫土層之下隱伏石炭系石灰巖。石灰巖層節理裂隙較發育，巖層多見方解石脈，溶洞、溶蝕溝槽等巖溶現象極發育，溶洞埋深4.7～33.6 m，溶洞高 5.5～23.7 m，溶洞多為半充填，且溶洞以串珠式溶洞形式存在，上下層溶洞間巖層頂板厚0.5～4 m不等，最上層溶洞巖層頂板厚度0～21.6 m。根據《公路工程地質勘察規范》（JTG C20—2011），該地區巖溶按埋藏條件分類為淺-深覆蓋型巖溶。巖溶發育等級綜合評定為極發育。

該路段路基形式以填方路基為主，填土高度3～11 m，局部存在挖方路基。

2 巖溶區路基穩定性評定現狀

我國現行《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）對路基穩定性有影響的最小溶洞埋深未做明確規定，僅提出了對于溶洞頂板巖層完整性較好時，采用厚跨比法確定路基的穩定性。規范規定當頂板的厚度與路基跨越溶洞的長度之比大于0.8時，溶洞可不作處理[3]。向賢禮、曾祥忠等經過研究認為，對于穩定圍巖,可以用厚跨比法進行評價。當能夠取得參數時，可以將洞體頂板視作結構自承重體系，用結構力學分析法進行評價，根據頂板形態、成拱條件及裂隙切割情況，分別將其作為梁板或拱受力計算或進行有限元數值分析；對于不穩定圍巖，選擇散體理論分析方法中諸如坍塌平衡法、坍塌填塞法、經驗公式法以及穩定系數法等半定量、定量分析評價法[4]。但前提條件均是要求取得準確的勘察資料，而現實情況是由于溶洞處于地下，分布形態復雜，邊界模糊，同時對于深埋溶洞，現有的地質勘察手段也較難確定頂板的巖層完整性，因此采用厚跨比法判定巖溶地區路基的穩定性盡管理論成熟，但工程實際操作性還有待于進一步提高，在目前溶洞區路基穩定性評價中應用較少。而對于采用坍塌填塞法確定的巖溶穩定性評定過于保守，勢必造成工程浪費。

3 巖溶處治設計

3.1 處治設計方案

根據廣東省高速公路巖溶處治經驗，溶洞埋深小于15 m時且溶洞頂部巖層厚度小于5 m時，需對路基下的溶洞進行處治。當溶洞埋深小于3 m時，可采用直接開挖后回填、地表強夯處理或者鋼筋混凝土板跨越的方法進行處治，該項技術已比較成熟，本文不再贅述。

溶洞埋深在3～15 m之間且溶洞頂板厚度小于5 m或者溶洞埋深小于5 m且巖溶頂板厚度大于等于1.5 m的串珠式溶洞，由于其埋深大、溶洞邊界無法清晰判斷和多層次的特征，傳統的表層開挖后回填、鋼筋混凝土板跨越等措施都不適用該類溶洞的處治。因此在方案確定時，進行了素混凝土樁與壓力注漿、壓力灌注小石子混凝土的處治方案比較，最終確定采用壓力灌注小石子混凝土的處治措施。并結合廣東省在橋梁樁基穿越巖溶區時的處治經驗確定，對于充填率較低的溶洞如洞高度小于5 m，采用壓注M5水泥砂漿的處治措施或者采用鉆孔灌注素混凝土樁的處理措施，如果溶洞高度大于5 m，采用壓注C10小石子混凝土的方法處治或者采用鉆孔灌注素混凝土樁的處理措施。對于充填率較高且充填物多為固態物的溶洞，采用壓力灌注水泥凈漿的措施。本文著重介紹壓力灌注水泥砂漿和小石子混凝土的處治方法。

表1 素混凝土樁與壓力注漿、壓力灌注砂漿或小石子混凝土工法比較

3.2 巖溶處治范圍

溶洞位于路基占地范圍時，對整個溶洞進行處治；當溶洞范圍大于路基占地范圍時，僅對路基占地范圍內的溶洞進行處治。

3.3 壓力灌注混凝土設計

壓力注漿根據溶洞高度分別采用壓力灌注水泥砂漿、壓力灌注小石子混凝土。當溶洞高度小于5 m時采用壓力灌注水泥砂漿，當溶洞高度大于等于5 m時，采用壓力灌注小石子混凝土。

3.3.1 注漿孔設計

壓力注漿灌漿孔分帷幕孔和注漿孔。帷幕孔孔距為1 m，注漿孔孔距為3 m。灌漿孔的設計深度為地表至溶洞底板以上0.5 m。注漿采用套管法，套管直徑為127 mm。壓漿采用泵送分段灌注，泵送壓力約為 13～15 MPa。

3.3.2 漿液配合比設計

圖1 巖溶處治設計圖（比例：1∶200）

灌注砂漿時，砂漿配合比宜為：32.5級水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶減水劑=300∶130∶1 580∶270∶8.5[5]。帷幕孔可根據實際需要添加水玻璃速凝劑。

灌注小石子混凝土時，小石子混凝土配合比宜為：32.5級水泥∶粉煤灰∶水∶砂∶碎石∶減水劑=180∶200∶220∶840∶990∶6.86[5]。帷幕孔可根據實際需要添加水玻璃速凝劑。

3.3.3 灌注量計算

灌注量可參考采空區注漿處治時注漿量的估算方法進行初步估算，實際灌注量應以施工現場實際發生量為準。

式中：A為漿液損耗系數，取值1.2；ΔV為巖溶區剩余空隙體積，m3，本次計算按根據巖溶的充填情況取值，對于半充填取值為溶洞體積的60%，未充填取值為溶洞體積的100%；η為漿液充填率，取值0.9；C為漿液結石率，取值90%。

3.3.4 灌注壓力設計

根據《巖溶地區公路橋梁樁基設計與施工技術》，灌注小石子混凝土時，灌漿孔泵送壓力達到13～15 MPa，可終止壓漿。當灌注砂漿時，泵送壓力可控制在13～15 MPa，并孔口返漿可終止壓漿。

4 動態設計

由于巖溶處于地下隱伏狀態，盡管勘察設計階段做了大量的鉆孔、物探等地質勘察工作，但受目前國內勘察技術所限，仍無法將巖溶的分布特征十分清晰地探明。因此巖溶處治工作必須堅持動態設計的原則。

采用壓力灌注砂漿或小石子混凝土的處治方法，在進行灌注施工過程中，可將鉆孔作為地質補鉆的一種手段進行地質驗證，根據實際地質情況適時地調整注漿孔深度、位置以及灌注量。

在進行溶洞注漿施工前必須進行工前試驗段，確定灌注壓力、帷幕孔和注漿孔的砂漿或小石子混凝土的合理配合比，并根據溶洞的充填情況確定灌注砂漿或小石子混凝土的壓力，當充填物較豐滿且主要為粉砂時，灌注砂漿或小石子混凝土施工困難時，可調整為靜力灌注水泥漿，靜力灌注水泥漿的工藝目前比較成熟，本文不再贅述。

在進行溶洞注漿施工過程中，需根據實際情況嚴格控制灌注的砂漿和小石子混凝土的數量。出現注漿量異常偏大時，應及時停止灌注。

5 施工注意事項

a）巖溶處治必須堅持動態設計的原則，施工過程中須根據具體地質情況，調整巖溶處治具體施工參數。

b）壓力灌注施工時，應先施工帷幕孔，后施工中間注漿孔，形成有效的止漿帷幕，防止漿液外流。

c）灌注應間隔式分序次進行，一序次孔漿可能擴散范圍較大，二、三序次注漿孔將使前序次未充填空洞得到充填。同時，一序次孔對巖溶區起到補充勘探的作用，根據實際地層及巖溶分布情況對后序孔的孔位、孔距、孔數進行適當調整，彌補均勻布孔設計的不足。

d）盡管前述說明給定灌注壓力參考值，但實際施工時灌注壓力必須通過現場灌注試驗確定。

e）灌注漿液配合比宜配合注漿泵的類型通過試驗確定。

f）施工時，不得在附近200 m范圍內抽取地下水，以防因地下水的變化而引起地表下沉、塌陷等不良地質反應。

g）注漿結束后，需對注漿孔以及地質鉆孔進行封孔，封孔采用與注漿同材料即可。

6 工程質量檢測

工程質量檢測主要是針對深層的壓力注漿的注漿效果檢測，可采用物探對注漿區域進行檢驗，也可通過地質鉆孔對注漿區域的注漿效果進行檢驗。

7 結語

采用壓力灌注小石子混凝土或水泥砂漿處治巖溶地基的方法對于處治覆蓋層較厚而溶洞內充填物較少的串珠式溶洞效果理想且設計、施工可操作性較強，同時對施工工點的周邊環境影響比較小。該處治方法施工簡單、經濟合理，且處治效果良好，可為今后高速公路巖溶地區路基處治提供借鑒。