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計研究院有限公司，四川 成都 610041；2.四川公路工程咨詢監理有限公司，四川 成都 610041；3.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

廣西柳州至梧州高速公路百丈互通區，互通穿越重晶石礦區，采礦過程中形成采礦坑，后洗礦的泥漿堆積于坑內，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(飛魚)，利用淤泥坑內巖土體的電阻率物性差異和泥漿土工試驗，基本查明施工區域內淤泥層的厚度、土石分界面形態、泥漿的性質特征，并針對性地進行處治方案和工程經濟性比選論證，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 洗礦泥漿坑地質概況

1.1 洗礦泥漿坑概況

該互通位于丘陵緩坡區，上覆紅黏土層中富含重晶石礦，屬于重晶石礦區，礦產單位正在進行采礦、洗礦、堆渣作業，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[1]。

圖1 正在施工的洗礦作業區

自2015年9月起被當地礦業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，現場調繪過程中，礦坑仍在生產，洗礦形成的泥漿仍排進該礦坑，形成如圖2所示地貌形態。

圖2 洗礦泥漿坑全貌

該路段路基設計標高約為180.5 m，洗礦池泥漿地面標高約184.50 m左右。礦坑范圍內約50%面積為清水區，水深0.2～0.3 m，其余范圍內均為泥漿覆蓋，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，脫、排水困難，不能作為路基和橋梁的基礎持力層，為互通區的處治對象。

1.2 場地土層及泥漿物理力學性質對比分析

互通區原地表為坡殘積黏土，呈軟塑～可塑狀，工程性質差，根據互通內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，經摻灰及加固處理滿足規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)黏土物理力學參數統計表

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

表2 礦坑內泥漿層主要物理力學參數統計表

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，泥漿坑內大部分泥漿物理力學性質更差，更趨于飽和狀態。

2 洗礦泥漿坑勘察方法選擇

由于工作區為重晶石礦洗礦區，地面均為飽和泥漿或積水，人員、設備無法進入，也曾無法利用船只。常規的勘察方法中，鉆探是比較常見的而且勘察結果準確，但其需要的機械設備過于沉重，根本無法進入該區域；也曾試圖采用搭設架管或者鋪設木板、竹板等漂浮設備的方式，使得人員和輕型的設備(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，那么在現有條件下，應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、地震波法等常規方法后，后經多方比較，采用湖南五維地質科技有限公司、中南大學共同研發的“飛魚”型淺水域綜合物探系統(簡稱“飛魚”)對泥漿區域進行探測。“飛魚”外觀如圖3所示。

圖3 “飛魚”外觀照片

2.1 “飛魚”的工作原理和優勢

“飛魚”型淺水域電磁探測系統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動態范圍高性能采集系統。工作方式為兩端固定，拖曳作業(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，其優勢在于該裝備能夠在渾濁、激渦等復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，最長連續工作時間8小時，可搭載720P等攝像機進行近高清攝像作業，直接解決了本工程中人員和其他勘察設備無法進入工作現場的難題。該系統在海洋工程中應用較多，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揮了重要作用，但在內陸公路工程中的應用尚屬首次。

2.2 現場探測測線布置

為詳細查明礦坑范圍內泥漿深度，滿足路線方案設計的需要，在礦坑范圍內根據擬設橋梁樁基位置及路基段按20 m一根橫剖面的密度布設橫剖面，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)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進行定點數據測量，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 現場工作照片

3 洗礦泥漿坑勘察成果

根據野外實測數據，通過原始數據導入、數據濾波、一維反演[2]等數據處理，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；部分斷面深部電阻率橫向變化不均勻，成像低阻向下延伸，推測為基巖中溶蝕區或巖性軟弱帶，富含水，道路橋梁施工中應予以驗證，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

根據物探成果報告，對礦坑區布設的各條縱、橫剖面探測的泥漿厚度統計分析如表3所示。

表3 飛魚探測成果

根據表3探測情況，建議如下。

1)對于K0+550～K0+630路線左側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育，建議在橋梁基礎設計時引起重視，并加強樁基基底巖溶發育程度的探測和施工驗證。

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

4 洗礦泥漿坑處治方案地質比選論證

根據洗礦泥漿坑的地形、地質條件，提出3個處治設計方案分述如下。

1)方案一(路基方案)：挖除洗礦池內非適用性材料填筑土，路線左側賠路及路床范圍內采用借石方填筑，其他部分采用原設計臨近棄土場中Ⅱ、Ⅲ類土填平，同時完善排水設施。為提高路堤強度、減小不均勻沉降，路堤范圍內路面設計標高以下，每隔4m設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，采用噴播植草恢復綠化。工程造價較高，但路基方案施工工藝簡單。設計采用泥漿處理設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險。

2)方案二(橋梁方案)：K0+460～K0+640段落設置9孔跨徑20 m橋梁通過。挖除洗礦池內非適用性材料填筑土至橋梁蓋梁底面標高。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量，泥漿處理施工周期相對較短，風險可控。橋梁施工難度相對較大，需設置施工平臺、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(預應力管樁方案)：挖除洗礦池內非適用性材料填筑土至路面設計標高以下3.0 m，地基采用預應力管樁處治。預應力管樁樁徑40 cm，樁間距2.0 m,按正方形布設；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計標高。工程造價最低，但由于洗礦池內泥漿過飽和、欠固結，力學指標極低，受地下水波動、樁間土壓縮的影響，對管樁產生負摩阻力，很難確保土拱的形成，差異沉降反射到路面，易出現蘑菇狀高低起伏的現象。

后召開多次專家評審會，與會專家普遍認為勘察成果相對準確，并結合項目實施進度、施工的可靠度等綜合比選，認為采用橋梁方案較為合理，地質風險相對可控，綜合推薦橋梁方案作為實施方案，經施工地質驗證，本勘察成果基本準確。

5 結 語

1)淺水域電磁探測法應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驗，在工程項目建設中有重要意義[4]。

2)根據泥漿厚度，進行了路線處治方案的比選，通過工期、經濟合理性和施工風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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