百丈泥漿坑的勘察方法及處治方案探討

呂慶強，王 軍，趙 虎

(1.四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041；2.四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041；3.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

廣西柳州至梧州高速公路百丈互通區(qū)，互通穿越重晶石礦區(qū)，采礦過程中形成采礦坑，后洗礦的泥漿堆積于坑內(nèi)，形成最大厚度20 m的泥漿坑，對路線方案影響較大，且由于泥漿的特殊性，其他勘察手段無法實施，通過采用淺水域電磁探測系統(tǒng)(飛魚)，利用淤泥坑內(nèi)巖土體的電阻率物性差異和泥漿土工試驗，基本查明施工區(qū)域內(nèi)淤泥層的厚度、土石分界面形態(tài)、泥漿的性質(zhì)特征，并針對性地進行處治方案和工程經(jīng)濟性比選論證，最終選擇以橋梁方式通過采礦泥漿坑。此勘察方法在泥漿物探勘察中取得了良好的應(yīng)用效果，以期對今后穿越該類工程勘察項目提供有益的參考價值。

1 洗礦泥漿坑地質(zhì)概況

1.1 洗礦泥漿坑概況

該互通位于丘陵緩坡區(qū)，上覆紅黏土層中富含重晶石礦，屬于重晶石礦區(qū)，礦產(chǎn)單位正在進行采礦、洗礦、堆渣作業(yè)，形成洗礦池，洗礦后的泥漿流入泥漿坑(見圖1)，路線主線約200 m位于泥漿坑內(nèi)[1]。

圖1 正在施工的洗礦作業(yè)區(qū)

自2015年9月起被當(dāng)?shù)氐V業(yè)公司開挖形成順路線長度約190 m，垂直路線寬度約95 m，深約20 m的礦坑，坑底標(biāo)高約為167.03 m，礦坑面積約13 670 m2，2015年12月底此處漫水成為塘壩，淤泥厚度最深處約17～25 m，現(xiàn)場調(diào)繪過程中，礦坑仍在生產(chǎn)，洗礦形成的泥漿仍排進該礦坑，形成如圖2所示地貌形態(tài)。

圖2 洗礦泥漿坑全貌

該路段路基設(shè)計標(biāo)高約為180.5 m，洗礦池泥漿地面標(biāo)高約184.50 m左右。礦坑范圍內(nèi)約50%面積為清水區(qū)，水深0.2～0.3 m，其余范圍內(nèi)均為泥漿覆蓋，洗礦泥漿由于洗礦池排水不暢，具有天然含水量大，多呈流體～流塑狀，排水困難，近地表脹縮特征明顯，泥漿池表面多見脫水龜裂縫，其承載力極低，且長期處于飽水狀態(tài)，脫、排水困難，不能作為路基和橋梁的基礎(chǔ)持力層，為互通區(qū)的處治對象。

1.2 場地土層及泥漿物理力學(xué)性質(zhì)對比分析

互通區(qū)原地表為坡殘積黏土，呈軟塑～可塑狀，工程性質(zhì)差，根據(jù)互通內(nèi)路塹工點的土工試驗成果表明，該層為紅黏土，具脹縮性、上硬下軟等特性，經(jīng)摻灰及加固處理滿足規(guī)范要求后可作為地基持力層，具體土工試驗成果如表1所示。

表1 (Q4dl+el)黏土物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

為進一步掌握泥漿坑內(nèi)泥漿的物理力學(xué)參數(shù)，在互通區(qū)泥漿坑壁附近，人可達到的最近位置采取了3組土樣，進行了室內(nèi)試驗，具體試驗結(jié)果見表2。

表2 礦坑內(nèi)泥漿層主要物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

由于采樣位置和包裝原因，所采土樣相對含水量較低，有一定的失水特征，泥漿坑內(nèi)大部分泥漿物理力學(xué)性質(zhì)更差，更趨于飽和狀態(tài)。

2 洗礦泥漿坑勘察方法選擇

由于工作區(qū)為重晶石礦洗礦區(qū)，地面均為飽和泥漿或積水，人員、設(shè)備無法進入，也曾無法利用船只。常規(guī)的勘察方法中，鉆探是比較常見的而且勘察結(jié)果準(zhǔn)確，但其需要的機械設(shè)備過于沉重，根本無法進入該區(qū)域；也曾試圖采用搭設(shè)架管或者鋪設(shè)木板、竹板等漂浮設(shè)備的方式，使得人員和輕型的設(shè)備(動力觸探、靜力觸探、坑探、釬探等)能夠進入勘察場地，但這種方式無論是時間成本還是經(jīng)濟成本都不合適，尤其在安全上無法得到保證，只能放棄；物探也是勘察手段和方法之一，那么在現(xiàn)有條件下，應(yīng)選擇一種能夠滿足本工程需要的物探方法。在排除了高密電法、地震波法等常規(guī)方法后，后經(jīng)多方比較，采用湖南五維地質(zhì)科技有限公司、中南大學(xué)共同研發(fā)的“飛魚”型淺水域綜合物探系統(tǒng)(簡稱“飛魚”)對泥漿區(qū)域進行探測?！帮w魚”外觀如圖3所示。

圖3 “飛魚”外觀照片

2.1 “飛魚”的工作原理和優(yōu)勢

“飛魚”型淺水域電磁探測系統(tǒng)的工作基本原理是對脈沖源所感生的隨時間變化的二次場進行測量，625KSPS采樣率，24位分辨率，130 dB動態(tài)范圍高性能采集系統(tǒng)。工作方式為兩端固定，拖曳作業(yè)(本次可采用拖拉機牽引或卷揚機牽引)。

“飛魚”是一種新的水下物探裝備，其優(yōu)勢在于該裝備能夠在渾濁、激渦等復(fù)雜水體條件下探測滲漏、管涌、斷層、覆蓋層、管線、金屬炸彈等異常體，工作最大水深200 m，最大探測地層深度100 m，最長連續(xù)工作時間8小時，可搭載720P等攝像機進行近高清攝像作業(yè)，直接解決了本工程中人員和其他勘察設(shè)備無法進入工作現(xiàn)場的難題。該系統(tǒng)在海洋工程中應(yīng)用較多，例如在獅子洋過江隧道、廈漳過海隧道、大連地鐵5號線梭魚灣海底隧道等工程中發(fā)揮了重要作用，但在內(nèi)陸公路工程中的應(yīng)用尚屬首次。

2.2 現(xiàn)場探測測線布置

為詳細(xì)查明礦坑范圍內(nèi)泥漿深度，滿足路線方案設(shè)計的需要，在礦坑范圍內(nèi)根據(jù)擬設(shè)橋梁樁基位置及路基段按20 m一根橫剖面的密度布設(shè)橫剖面，共布置測線13條，由于淤泥坑中人員無法進入，坑邊界為人工壩，行車和施工難度大。探測中采用RTK對測線首尾端點進行放樣，將“飛魚”(淺水域拖曳式瞬變電磁系統(tǒng))放置測線一端，通過200 m的纜繩跨過淤泥坑連接到測線另外一端，并用鋼釘固定滑輪，利用牽引緩慢前進，每隔5 m進行定點數(shù)據(jù)測量，工作原理如圖4所示，工作照片如圖5所示。

圖4 工作原理圖

圖5 現(xiàn)場工作照片

3 洗礦泥漿坑勘察成果

根據(jù)野外實測數(shù)據(jù)，通過原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)濾波、一維反演[2]等數(shù)據(jù)處理，得到了物探探測解譯成果，斷面上部淺部電阻率橫向變化相對較緩，推測為表層水、淤泥，并推測了淤泥底部界面；部分?jǐn)嗝嫔畈侩娮杪蕶M向變化不均勻，成像低阻向下延伸，推測為基巖中溶蝕區(qū)或巖性軟弱帶，富含水，道路橋梁施工中應(yīng)予以驗證，電阻率縱、橫斷面圖及解釋成果[3]如圖6～7所示。

圖6 縱2線電阻率斷面圖及解釋斷面

圖7 橫2線電阻率斷面及解釋圖

根據(jù)物探成果報告，對礦坑區(qū)布設(shè)的各條縱、橫剖面探測的泥漿厚度統(tǒng)計分析如表3所示。

表3 飛魚探測成果

根據(jù)表3探測情況，建議如下。

1)對于K0+550～K0+630路線左側(cè)至中線附近礦坑泥漿深度約18～22 m，厚度較大，清淤換填難度較大，故建議該段采用橋梁通過，同時，根據(jù)物探揭示，在K0+570～610段在巖土界面附近均有不同程度的巖溶發(fā)育，建議在橋梁基礎(chǔ)設(shè)計時引起重視，并加強樁基基底巖溶發(fā)育程度的探測和施工驗證。

2)對于K0+420～K0+550段，路線范圍內(nèi)泥漿深度約10～15 m不等，可以路基形式通過，但需要對路基基礎(chǔ)范圍內(nèi)的泥漿進行全部清淤換填，確保路基穩(wěn)定。

4 洗礦泥漿坑處治方案地質(zhì)比選論證

根據(jù)洗礦泥漿坑的地形、地質(zhì)條件，提出3個處治設(shè)計方案分述如下。

1)方案一(路基方案)：挖除洗礦池內(nèi)非適用性材料填筑土，路線左側(cè)賠路及路床范圍內(nèi)采用借石方填筑，其他部分采用原設(shè)計臨近棄土場中Ⅱ、Ⅲ類土填平，同時完善排水設(shè)施。為提高路堤強度、減小不均勻沉降，路堤范圍內(nèi)路面設(shè)計標(biāo)高以下，每隔4m設(shè)置一層強夯加固處理。泥漿坑填筑完成后，路基以外部分以及局部挖方邊坡，采用噴播植草恢復(fù)綠化。工程造價較高，但路基方案施工工藝簡單。設(shè)計采用泥漿處理設(shè)備對挖除的洗礦池沉積物泥漿進行處理，泥漿坑最大深度為22 m，開挖、填筑工程量大，泥漿處理周期長；施工過程中存在淤泥漫流、泥漿池邊坡垮塌的風(fēng)險。

2)方案二(橋梁方案)：K0+460～K0+640段落設(shè)置9孔跨徑20 m橋梁通過。挖除洗礦池內(nèi)非適用性材料填筑土至橋梁蓋梁底面標(biāo)高。工程造價最高，但橋梁方案減少了挖除泥漿量，減少了填方以及棄方處治的工程數(shù)量，泥漿處理施工周期相對較短，風(fēng)險可控。橋梁施工難度相對較大，需設(shè)置施工平臺、增加橋梁樁孔支護等工程措施，橫斷面如圖8所示。

圖8 典型橋梁橫斷面簡圖

3)方案三(預(yù)應(yīng)力管樁方案)：挖除洗礦池內(nèi)非適用性材料填筑土至路面設(shè)計標(biāo)高以下3.0 m，地基采用預(yù)應(yīng)力管樁處治。預(yù)應(yīng)力管樁樁徑40 cm，樁間距2.0 m,按正方形布設(shè)；C25混凝土板托尺寸1.2 m正方形，厚0.35 m；砂墊層厚0.35 m，碎石墊層0.65 m；回填片碎石至路基設(shè)計標(biāo)高。工程造價最低，但由于洗礦池內(nèi)泥漿過飽和、欠固結(jié)，力學(xué)指標(biāo)極低，受地下水波動、樁間土壓縮的影響，對管樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力，很難確保土拱的形成，差異沉降反射到路面，易出現(xiàn)蘑菇狀高低起伏的現(xiàn)象。

后召開多次專家評審會，與會專家普遍認(rèn)為勘察成果相對準(zhǔn)確，并結(jié)合項目實施進度、施工的可靠度等綜合比選，認(rèn)為采用橋梁方案較為合理，地質(zhì)風(fēng)險相對可控，綜合推薦橋梁方案作為實施方案，經(jīng)施工地質(zhì)驗證，本勘察成果基本準(zhǔn)確。

5 結(jié) 語

1)淺水域電磁探測法應(yīng)用于高速公路泥漿坑探坑，為國際上首次采用，為類似項目提供了重要經(jīng)驗，在工程項目建設(shè)中有重要意義[4]。

2)根據(jù)泥漿厚度，進行了路線處治方案的比選，通過工期、經(jīng)濟合理性和施工風(fēng)險等多方面綜合比較，最終推薦以橋梁方案跨越該泥漿坑，并對施工方案進行初步建議。

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