玉石高速公路巖溶路段治理技術研究

侯信， 王柳

(長沙市華南土木工程監(jiān)理有限公司， 湖南 長沙 410076)

貴州省玉石(玉屏—石阡)高速公路所在地區(qū)屬于典型的喀斯特地貌，主要地貌形態(tài)有石林、石芽、峰林等喀斯特正地形，還有盲谷、落水洞、溶溝、漏斗等喀斯特負地形及溶洞、地下湖、暗河、與地表和地下相連的豎井等巖溶地貌特征。巖溶常易引起路基承載力不足、地表塌陷、地基不均勻沉降、樁基穩(wěn)定性偏低等病害，且具有復雜性、隱蔽性、突發(fā)性等特點，給路基穩(wěn)定性帶來不容忽視的問題。該文以玉石高速公路K53—K65巖溶地質路段為例探究不同巖溶形態(tài)的治理方法。

1 工程地質調查與評價

玉石高速公路沿線出露的地層有青白口系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系和第四系，其中以寒武系、二疊系和奧陶系地層發(fā)育較完全。沿線巖性主要為石灰?guī)r、白云巖、白云質灰?guī)r、泥質灰?guī)r、燧石灰?guī)r等碳酸鹽巖，其次為石英砂巖、細砂巖、粉砂巖、板巖、頁巖等碎屑巖及黏性土、碎石土等第四系松散土。整個地層在垂直和水平方向均復雜多樣，以碳酸鹽巖分布最廣。

K54—K65段為構造溶蝕峰叢低山地貌，標高600～1 000 m，切割相對較淺，山頂多為平緩圓丘，地表以侵蝕為主，下部以溶蝕為主。各種巖溶形態(tài)齊全，垂直形態(tài)有溶溝、溶槽、漏斗、落水洞等，水平方向上在河岸地帶有溶洞、暗河、坡立谷、洼地。溶丘、洼地發(fā)育，如在坪地村、李家屯及天馬白巖坪，早期的落水洞多已堵塞，洪水期易形成洪澇災害。

沿線工程地質區(qū)主要巖性為寒武系高臺組和清虛洞組灰?guī)r和白云巖，上覆第四系殘坡積黏性土，厚度較小，強風化層發(fā)育，區(qū)內構造發(fā)育，多與線路大角度相交，對線路影響較小。區(qū)內不良地質現(xiàn)象主要為巖溶，工程削坡或開挖可能產(chǎn)生巖崩、墜落、滑坡、崩塌等隱患。

該高速公路沿線巖溶發(fā)育，且具有可溶性。但未發(fā)現(xiàn)崩塌、泥石流、地面沉降、采空區(qū)和潛在滑坡等地質災害，也未發(fā)現(xiàn)砂土液化、軟土震陷等不良地質作用。該區(qū)域場地整體穩(wěn)定，適宜于工程建設。

2 沿線巖溶勘查

2.1 巖溶危害性分析

位于巖溶發(fā)育處的巖石通常表現(xiàn)為很強的富水性和透水性，在巖溶作用下巖體結構發(fā)生變化，巖石強度降低。發(fā)育的巖溶對公路工程的主要危害為：

(1) 水浸入可溶巖層后，在其溶蝕作用下巖石產(chǎn)生許多溶孔和微型孔隙，巖體結構變得松散，巖石強度嚴重降低。

(2) 因石芽、溶溝溶槽的存在，造成地表基巖面參差不齊、起伏不均勻。如利用石芽或溶溝發(fā)育的地層作為基礎，需進行平整處理，會增加工程造價。

(3) 地基中若有巖溶洞穴，將大大降低地基巖體的承載力，容易引起洞穴頂部塌陷，導致結構物破壞、路基坍塌。

(4) 在基坑開挖和隧道施工中，巖溶水可能突然大量涌出，給施工帶來困難。

2.2 巖溶發(fā)育情況調查

采用以鉆探、測試為主，調繪、物探、簡易勘探等為輔的綜合勘察方法對全線巖溶分布與發(fā)育情況進行調查。結果顯示：所在區(qū)域巖溶的埋深與規(guī)模變化較大，場地巖溶發(fā)育程度差異較大，較多為強發(fā)育甚至極強發(fā)育。部分發(fā)育成落水洞敞開型巖溶，大多呈球狀，洞徑一般為30～80 mm，洞深5～10 m(見圖1)。全線共有10余個落水洞巖溶。對另一類封閉型巖溶，在物探、簡易勘探等調查的基礎上，通過鉆探探明其巖溶具體位置及發(fā)育情況。鉆探揭露沿線地下巖溶共有20多處，最淺埋深僅1 m，最大埋深超過20 m，洞內高度1～10 m，洞內以無填充和半充填為主，也有少量為全填充，充填物主要為粉質黏土夾少量基巖碎塊(見圖2、圖3)。

圖1 敞開型巖溶

圖2 巖溶物探圖

圖3 巖溶鉆探圖(單位：m)

3 巖溶路基處治技術

3.1 距離和厚度驗算

根據(jù)巖溶地質的形態(tài)特征，巖溶路基的處理可采取堵塞、跨越、加固等措施，同時加強對巖溶水的疏導。巖溶處理前，應驗算和確定溶洞與路基間距離是否滿足安全距離要求及路基下溶洞頂板厚度是否滿足安全厚度要求。

路基距巖溶的安全距離采用坍塌時的擴散角法確定，按式(1)計算。巖石頂板上存在覆蓋層時，覆蓋層按45°角向上擴散至地面后，其交點距離路基坡腳不小于5 m。

La=Hcotβ

(1)

式中：La為安全距離(m)；H為溶洞頂面厚度(m)；β為巖溶坍塌時的擴散角(°)，β=(45°+φ/2)/k；k為安全系數(shù)，通常取1.25；φ為巖石內摩擦角(°)。

路基下溶洞頂板的安全厚度Ha采用較成熟的兩端固定的彎曲梁進行驗算：

(2)

式中：Q為溶洞頂板總線荷載，包括自重和附加荷載(kN/m)；b為溶洞順線路長度(m)；B為路堤底寬度(m)；[δ]為巖石的允許彎曲應力(MPa)；k為安全系數(shù)，石灰?guī)r取1.2。

如果坡腳離溶洞的距離或路基下溶洞頂板厚度不滿足安全距離或安全厚度要求，則需根據(jù)實際情況采取安全、經(jīng)濟、合理的方法對溶洞進行處治。

3.2 處治方法

3.2.1 路基內溶洞回填、注漿加固和泉眼處理

在路塹范圍內如溶洞的埋深小于安全深度，洞頂板較薄且溶洞不大時，采取鉆孔注漿對溶洞進行注漿加固(見圖4)。為減少漿液過多而流失，采用低壓間歇定量灌注，間歇時間以漿液初凝固為宜；對路基范圍及路塹邊坡上的敞開型可見溶洞，先將洞內松散自然填充物清除，然后用塊片石填筑密實，在洞口用漿砌片石或砂漿抹面進行封閉；對于洞徑小、頂板薄或巖層破碎的溶洞，采取爆破頂板用片石回填加固；路基范圍內有涌水泉眼時，將涌水引入邊溝、排水溝或截水溝。

圖4 路基內溶洞回填、注漿加固和泉眼處理(單位：m)

3.2.2 路基內巖溶裂隙發(fā)育區(qū)加固與巖溶水處理

如圖5所示，對于路塹邊坡上的巖溶水、泉眼流水通道，采用漿砌片石封堵表面并在其表面預留排水管，將水引入截水溝或邊溝；對于路塹邊坡上的裂隙發(fā)育，為避免地表水進入巖體溶蝕巖體，采用噴漿護坡或M10砂漿抹面，阻斷地表水進入巖體；對于路基內可見的巖溶裂隙發(fā)育，由于巖體強度較低，通過灌注M5砂漿提高其承載能力，表面用M10砂漿抹面封閉，阻斷表面水進入巖體溶蝕巖體；對于路基范圍內的落水洞和大的溶洞，其下部還有地下暗河流動，在上部加蓋鋼筋砼蓋板或架橋通過。

圖5 路基內巖溶裂隙發(fā)育區(qū)加固與巖溶水處理

3.2.3 易崩塌邊坡與漏斗巖溶的處理

對于路基范圍內的溶蝕洼地、溶溝、漏斗等巖溶負地形，采用片石填實，并對表面作封閉處理，再加設土工格柵。若邊坡完整巖層下夾有巖溶軟弱層或破碎帶，則采用仰斜式擋土墻進行加固，必要時采用錨桿、錨索進行防護加固(見圖6)。

圖6 易崩塌邊坡與漏斗巖溶的處理

3.2.4 路堤范圍內巖溶豎井的處理

路堤范圍內的巖溶豎井采用碎塊片石回填，為防止地基不均勻沉降，頂部加土工格柵；附近地表水改經(jīng)地表排水系統(tǒng)排出(見圖7)。

圖7 路堤范圍內巖溶豎井的處理

3.2.5 路床內有頂板巖溶時的鋼筋砼板加固

當溶洞頂面距路床頂面的厚度不滿足安全厚度要求，且溶洞單個發(fā)育時，為避免因洞頂承載力不足造成路面塌陷，在上部加蓋鋼筋砼板。跨度L≤6 m時，采用30 cm厚鋼筋砼板；6 m≤L≤10 m時，采用45 cm厚鋼筋砼板；10 m≤L≤13 m時，采用60 cm厚鋼筋砼板(見圖8)。

圖8 路床內有頂板巖溶時的鋼筋砼板加固

3.2.6 可溶巖與不可溶巖沉積結合部的處理

對于可溶巖與不可溶巖沉積結合部，構造帶位置如具備巖溶發(fā)育條件，則先用夯擊能為10 000 kN·m的強夯機進行強夯處理，強夯后根據(jù)巖溶情況按上述方法進行處理。

4 結語

巖溶是巖溶地區(qū)路基最常見的不良地質現(xiàn)象。結合貴州玉石高速公路，通過調查分析其巖溶區(qū)工程地質條件及巖溶的危害與發(fā)育分布特點，有針對性地提出不同巖溶地質條件下的處治措施。跟蹤表明該工程巖溶處理措施的實施效果良好，未發(fā)生較大面積的變形或地質災害。該工程對巖溶地區(qū)路基溶洞、巖溶水等的處理技術可供同類地質條件的處治提供參考。