路基段溶洞處理方案研究
——以S271省道睢寧段為例

2020-06-05 07:39:22李滿意

工程與建設 2020年5期

李滿意

(江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇南京 210000)

0 引言

巖溶[1]是指可溶性巖層，例如石灰石在流水的長期溶解和侵蝕下會產生特殊的地貌和水文地質現象。我國的巖溶地區分布廣泛，工程建設中必然會遇到地下巖溶洞穴。巖溶類型萬千，溶洞的頂部很容易不穩定，溶洞中的水位將影響地基的穩定性和工程的安全性。因此，如何正確處理巖溶洞穴已成為工程建設的關鍵因素。

1 項目概述

省道S271鐵寺山段(K3+260-K3+772)位于睢寧縣姚集鎮張圩村，屬低山丘陵區，地面高程現狀是40～62 m。根據道路設計方案，該段路長度為512 m，路基寬度12 m。

路線里程K3+340-K3+700段地下具有比較發育的巖溶洞穴，埋藏深度3.5-13.2 m，厚度0.4～0.6 m，洞穴呈半填充或未填充的狀態，填充物有軟塑性黏土等，經勘探的鉆孔柱狀圖如圖1所示。在K3+500處，有一個較大的巖溶洞穴斜穿擬改造道路。根據深入調查了解，這個溶洞是解放初期當地民眾在天然溶洞的基礎上，通過人工擴孔開挖而形成的過水通道。該溶洞埋置深度約20 m，洞深高約4 m，根據觀察孔GC1孔(K3+674.9左52.8 m)揭示，溶洞頂板高程為41.17 m，溶洞頂板有起伏。

圖1 巖溶分布剖面圖

根據地質調查結果，擬建路段有27處異常點，巖溶類型為淺覆蓋型，發育程度較弱。道路兩側裸露的巖層主要為白云巖和中風化的石灰巖，巖溶相對較為發育，主要發育為溶蝕槽和溶蝕溝，寬度30～60 cm，部分充滿黏性土。

2 溶洞特征與災害的形成

巖溶地表塌陷是指由于地下水活動而在巖溶巖分布區形成的巖溶洞和土壤溶洞。洞穴逐漸塌陷并向上移動，最終移至地面，導致地面塌陷，地面結構下沉并塌陷至地下[2]。

巖溶地面塌陷的地質災害主要引起地表結構的塌陷、道路的沉降和基礎設施的破壞。從其形成機制可以看出，巖溶地表塌陷與巖溶發育程度、土壤結構、孔隙水和巖溶水之間的水力聯系以及巖溶水的過度開發密切相關。

巖溶地表塌陷的條件有3個：①地下水存在，基巖表面附近水位頻繁上下移動，會引起可溶性巖石和土壤的持續溶解和塌陷，巖石和土壤洞穴繼續擴大并向上移動，形成溶洞；②地層結構為蓋層～可溶性巖的雙層結構；③可溶性巖石和蓋層巖石必須具有一定的厚度，足以形成一定規模的溶洞。

巖溶地表塌陷的機制是，塌陷區巖溶水的過度開采導致基巖表面附近水位的頻繁起伏，在潛蝕和真空負壓的作用下，形成了一個土壤溶洞，該溶洞逐漸膨脹并向上移動[2]，最終形成地面塌陷，沉陷是巖溶地面塌陷的3個要素共同作用的結果(圖2)。

圖2 巖溶塌陷過程圖

本次勘查路段主要為第四系覆蓋區，覆蓋厚度為1.1～5.6 m，疏松層主要為黏土和殘積黏土。根據覆蓋層的巖性和厚度并依據《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011)，判別巖溶類別為淺層。根據調查結果(表1)，在擬建的路段中發現了27個異常點，巖溶洞穴的發育深度為5.5～17.0 m，溶洞中充滿了軟塑性黏土等，半充填和無充填狀態。

表1 鉆孔巖溶特征表

3 溶洞的處理方案

該項目的巖溶溶洞段是處在一個路基開挖段。處理的目的是防止路基因巖溶而坍塌，以免對高速公路造成損害和不利的社會影響。

根據巖溶發育特征和地質勘察確定的巖溶塌陷特征，參見《路基設計規范》(JTG D30-2015)：當頂板的厚度與路基跨越溶洞的長度之比大于0.8時，溶洞頂板的巖溶可不做處理[1]。該項目建議采取以下措施。

3.1 巖溶洞穴注漿+鋼筋混凝土蓋板的處理

對于巖溶洞體積小，埋藏深度深，頂板支護層厚度不足的巖溶洞，采用壓力為0.3～0.4 MPa的M10砂漿進行低壓注漿。路基基底巖溶裂隙發育區應先灌注M10砂漿，然后再用M10砂漿處理表面。路塹邊緣的干溶洞應清除危石、碎石和散落土，并用M10漿砌塊石填滿，處理方案如圖3所示。

圖3 溶洞處理橫斷面示意圖

3.2 巖溶洞穴開挖與回填處理

可以直接開挖路基范圍內的一些淺層巖溶洞穴，然后再進行回填。對于直徑較大的巖溶洞穴，可以使用塊石回填。對于直徑較小且無法回填的巖溶溶洞，可以使用M10砂漿回填來封閉巖溶溶洞，塊狀填充，每層厚度40 cm，最大粒徑不大于25 cm，石材的飽和抗壓強度大于30 MPa，孔隙率≤22%；頂部40 cm厚度以內的石材最大粒徑應小于15 cm，粒徑小于5 mm的細料含量應大于30%，且鋪裝層表面應該沒有明顯的孔和空隙；不得使用膨脹巖、可溶性巖和鹽巖進行回填。處理方案如圖4所示，對于超開挖的路段也可以采用這種處理方法。