韶贛高速公路K2段路面開裂及路基下沉成因機制研究

林正欽

（廣東省地質局第三地質大隊，廣東韶關512000）

韶贛高速公路是廣東的一條省級橫向高速公路（編號S10），也是中國國家高速公路網中京港澳高速公路和大廣高速公路的連接線；韶贛高速公路起于廣東省韶關市曲江區，止于廣東省南雄市，接上粵贛高速，是廣東省內具有十分重要的經濟和戰略意義的高速公路之一。

韶贛高速公路K2 段處于粵北韶關市曲江區南韶高速段，為高填路基，路堤回填高度約5～6m不等，路塹坡角約45°～50°[1]。2019年，因受連續臺風、強降雨等惡劣天氣及其本身地質條件和建設質量等多因素的影響，現高速道路原設計K2+000里程前后各約40m處的南行車道路面出現多條裂縫，路基下沉，北側路塹有變形滑移跡象[1]，路面開裂后高速公路南下車道已經部分封閉，僅剩單車道通行，嚴重影響了道路的通行質量，現急需對其成因機制進行深入研究分析，以便針對性的研究制訂相應的治理維護方案，排除其他路段有類似背景成因的隱患。

本文的研究從地質背景、工程地質、水文地質條件等方面出發，通過歸納總結、分析類比等研究方法，綜合研究分析了韶贛高速公路K2 段路面開裂及路基下沉的成因機制，研究成果表明：路面開裂及路基下沉的原因有其內在因素，也有外在觸發因素，其中基巖巖洞發育、覆蓋層含水率高、孔隙度大、壓塑性、流失性強等是主要的內在因素，車輛機械振動和附近基坑施工是主要的外在觸發因素。本文的研究成果可為高速公路的災后綜合治理維護和后期的監測預警等方面提供科學依據，也可為從事巖土工程工作的相關人員提供借鑒意義，對助力廣東省經濟發展和人民的出行便利等方面具有十分重要的意義。

1 研究區地質環境背景概況

研究區在區域位于亞熱帶季風氣候區，具有復雜多變的山區氣候特征，氣候溫暖、濕潤、多雨[1-2]。據韶關市氣象局資料本區多年降雨量1480～2200mm，多年平均降雨量1682mm，每年臺風帶來大量降雨，一般月降雨量200mm以上，最大日降雨量157.4mm。

研究區所處地貌單元屬于丘陵地貌，區內最高點（回龍山）高程約294.40m，勘查段路面高程約50.20m，路塹坡腳排水溝底面高程約44.30m，地形起伏較大，高差達250.10m[1-2]。正北面正在進行跨線橋梁基礎施工，坡面被分級開挖，形成5個土質和碎石臺階，原有地形和植被已經破壞。道路南側路塹坡腳比路面低約8～10m，正下方為施工場地，西南坡腳相距約50m 處為多棟1～3層居民樓（見圖1）。

通過對位于研究區段北面的跨線橋施工開挖的回龍山高邊坡巖性地層進行了調查研究，并參考《廣東省區域地質志》：回龍山體淺部出露巖層為石炭系測水組（C1c），整合接觸于石磴子組（C1s）之上，為一套含煤碎屑巖系，巖性為黃棕、灰紫色石英質礫巖、砂礫巖、含礫砂巖、砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖及泥巖，夾灰黑色炭質泥巖和煤層，局部夾灰白色灰巖、硅鐵質結核，厚度25～400m。深部巖層為石炭系下統大塘階石磴子組（C1s），整合接觸于其上，為淺海相碳酸鹽沉積，以灰黑色中厚—厚層致密灰巖為主，夾頁巖，含珊瑚、腕足類及瓣鰓類等化石，厚約160m。與下伏劉家塘組厚層狀白云巖整合接觸。裂縫段路基位于回龍山下緣坡谷較低處，上覆有第四系坡積層，土質以粉質粘土為主，含較多風化砂巖片狀碎屑顆粒，厚度約5～10m 不等[1-2]。

區域上受吳川—四會深斷裂帶和貴東大斷裂交匯斷裂影響[1-2]，區內巖層褶皺非常發育，巖體極破碎，區內淺部巖石風化和溶蝕作用強烈，巖體大部分被裂隙切割成5～25cm碎塊狀。經現場勘測，公路走向方位角為71°，公路北邊回龍山巖巖層傾向方位角為6°，巖層傾角約呈40°～45°，公路走向與巖層傾向成65°切角，對路基穩定性有不利影響，路基存在沿巖石層理面滑移的可能。

2 研究區工程條件分析

研究巖溶地表形變的形成機制，離不開對可溶巖上覆蓋層性質的研究。據現有的公開發表的資料，路面開裂及路基下沉與其下伏的巖土層的性狀有著密切的關系。根據研究區內鉆孔揭露及測試情況，場地地層種類較多，地質條件較復雜，按地層成因類型和巖土層性質，研究區內勘探孔揭露地層結構自上而下為：第四系填土層（Qml）（混凝土路面及墊層、素填土）、第四系坡積和殘積層（Qdl+el）（粉質粘土）、石炭系測水組灰巖（C1c）（中風化灰巖）[1]。

3 研究區水文地質條件分析

據相關研究，巖溶地表形變都直接或間接地與地下水動力條件的改變（即地下水水位的波動）有關[3-4]。自然因素和人類活動均會造成地下水水位波動。自然因素主要是大氣降水量和潮汐的變化。人為因素包括疏干排水、基坑降水、鉆探與基礎工程施工、人工地震等。

研究區內地表水系不發育，地表徑流主要為降雨期的坡面片流，通過坡面排泄至低洼處。區內場地為丘陵地貌，地勢北高南低，地形起伏較大。北面回龍山呈弧形，反包裂縫區路段，裂縫段路基位于回龍山下緣坡谷較低處，地勢較低，處于雨水匯集區，經初步測算，匯水面積約50000m2。路下排水溝不能瞬間排除積水，低洼地段路基下半段將被水浸泡。研究區內混合水位埋 深 為7.20～8.20m 之 間，平 均7.61m，標 高41.16～41.85m之間，平均41.45m。

研究區內地下水類型主要為潛水，按埋藏條件可分為松散層孔隙水和基巖巖溶裂隙水為兩類：

松散層孔隙水主要埋藏于殘積粉質粘土的孔隙中，該層孔隙較大，土芯非常濕軟，屬于降水滯留形成的含水層。其次，據鉆孔揭露，在路基素填土層底部揭露土芯較濕軟，富含孔隙水，有富水軟化現象。松散層孔隙水與大氣降雨關系密切，水位及水量隨降雨量變化明顯。地下水的補給源主要為大氣降水的垂直補給，以蒸發及向低洼處徑流排泄，水量不大，但水位和水量隨季節變化很大。

基巖巖溶裂隙水主要埋藏在碳酸鹽溶蝕區的巖溶裂隙內，巖溶裂隙的富水性主要受巖層構造、巖溶發育程度和充填物的控制，其水量及水位變幅隨著季節降水量變化而波動，具明顯的不均勻性。因場地下伏灰巖溶洞強烈發育，其中一個鉆孔鉆至16.20m 時隱約聽見有流水聲，故推測路基下方巖層內有巖溶通道分布的巖溶裂隙水潛流。

研究區的地下水動態變化具季節性，主要受降雨季節支配。由于降雨在年內分配不均，不同季節的蒸發度、濕度也不同，故滲入補給量亦隨季節而變化，雨季是地下水獲得補給最多的季節。孔隙潛水與大氣降雨關系密切，水位及水量隨降雨量變化明顯；孔隙潛水除了接受降雨補給外，同時還接受地表水入滲和周邊地帶的側向補給；基巖裂隙水主要為上部松散巖類孔隙水越流補給和區外側向補給。

4 路面開裂及路基下沉成因機制綜合研究分析

經研究區內的鉆孔揭露情況及地面綜合調查，可以初步判定研究區內的路面開裂和路基下沉的主因是巖溶所致，其實質上是可溶巖上覆土體變形后的地表反應[3-6]。覆蓋層的地層巖性、地質結構及其物理力學性質不同，其變形與破壞方式及其過程也不相同。研究巖溶地表形變的形成機制，離不開對可溶巖上覆蓋層性質的研究，當然，巖溶地表形變往往是多因素疊加的結果，本章節將從土體的地層巖性特征、水文地質條件及其物理力學性能等多方面的內因角度進行分析，同時梳理研究區地表形變的觸發因素（外因），并結合兩者進行綜合研究，從多維度綜合分析研究區內的路面開裂和路基下沉的原因。

4.1 研究區巖土覆蓋層結構特征分析

研究區內巖土層的覆蓋次序依次為：混凝土路面及墊層—素填土—粉質粘土—中風化灰巖。混凝土路面由瀝青面層和混凝土組成，質堅硬，側表面光滑，整體性好的特點，隔水性強，墊層由碎石土壓實而成，密實度高，質地堅硬，兩者組合在一起形成表層隔水層；素填土為路基填土層，由人工回填機械推平后分層壓實而成，稍密狀為主，成分以粉質粘土為主，含強風化礫石約10%～20%，雨水易崩解、平均厚度4.30m、含水量高、孔隙比高、中等壓縮性，透水性強，是形變主體層；粉質粘土由坡殘積組成，可塑狀為主，主要成分為粉粒和粘粒，土芯呈較濕軟柱狀，平均厚度2.70m，含水量高、孔隙比高、中等壓縮性、透水性強，也是形變主體層；中風化灰巖呈層狀構造，風化裂隙和溶蝕裂隙強發育，巖體被構造裂隙分割成棱角塊狀，大部分鉆孔揭露有溶洞，洞內有軟塑狀粉質粘土夾細砂半充填或未充填，個別鉆孔鉆至該層時隱約聽見有流水聲，該巖層內存有巖溶管道分布的巖溶裂隙水潛流，該溶蝕管道系統為上覆土體中土顆粒提供轉移通道，給后續土顆粒喪失騰出空間，溶洞直接為上覆土體中土顆粒喪失提供儲藏空間。

綜上，研究區內覆蓋層的結構特征為隔—透—透—巖溶型，該類型覆蓋層序特征因其具有透水性強、可變形量大的特點，又因覆蓋層總厚度較薄（＜10m），土層的形變量可直接反映在地表。

4.2 研究區水動力條件分析

據相關研究，巖溶地表形變都直接或間接地與地下水動力條件的改變有關[3-6]，研究區內地表水系不發育，地表徑流主要為降雨期的北面坡面片流，通過坡面排泄至低洼處。北面回龍山呈弧形，反包裂縫區路段，裂縫段路基位于回龍山下緣坡谷較低處，地勢較低，處于雨水匯集區，路下排水溝不能瞬間排除積水，低洼地段路基下半段將被水浸泡。因區內殘積層孔隙比大，巖體褶皺裂隙和風化裂隙非常發育，巖石破碎，部分雨水沿土層孔隙和巖石裂隙下滲，形成脈狀地下水潛流，自北向南流向位于低處的路基下方，形成地下水補給（見圖2），研究區內巖土層結構具備良好的地下水滲流條件。

在圖2中，可溶巖及其上方松散的砂性土層為兩個不同的含水層，當可溶巖層中地下水位下降（如大規模抽取巖溶水、溶洞及地下暗河中水體突然漏失）或砂性土層水位升高（如汛期洪水高水位運行、集中暴雨等）時，兩個含水層出現水頭差，上部砂性土層中的地下水向下伏可溶巖中滲流，從而產生向下的垂直滲流作用。在滲流壓力作用下，一方面，地下水將可溶巖中已經堵塞的溶隙、落水洞等通道疏通，為砂性土的漏失創造條件；另一方面，砂性土發生滲流破壞，形成流砂，加速土體破壞，縮短地面形變的時間。另外，地下水位在土/巖界面處頻繁波動對巖面附近土體的狀態有重大影響，崩解性土、膨脹土等表現得更為明顯，即產生脹縮—崩解效應。地下水位上升時，地下水浸泡土體，降低土體強度，同時使土體發生崩解；地下水位下降，土體失水，產生干裂，為下次水位上升時土體破壞創造條件。已經脫離母體的土顆粒隨地下水的運移而被帶走，在巖面附近形成土洞或流失漏斗，地下水位的頻繁升降為土層流失、地面變形開裂的形成與發展提供了動力條件。

4.3 觸發因素分析

巖溶塌陷及地表形變的觸發因素有多種多樣，既有人為因素也有自然因素，其中重力塌陷、潛蝕塌陷、沖爆塌陷、真空吸蝕塌陷、振動塌陷、荷載塌陷、溶蝕塌陷和根蝕塌陷等8種是最為常見的觸發因素[3-6]。

經本文作者在研究區段的勘查項目實施過程中的綜合調查研究發現，研究區內主要的觸發因素為車輛機械振動、荷載增加土層固結沉降、附近基坑施工（研究區北側有曲江大道回龍山跨線橋擬從該處橫跨韶贛高速公路，正在進行樁基礎和橋墩施工等）3 個方面。

因研究區位于高速公路路面，區內車輛振動經常性的發生，是研究區內地面變形的最主要的觸發因素之一。振動會使巖土體產生破裂位移、土體液化等效應，使巖土體強度降低，導致塌陷及地表形變的形成，稱為振動塌陷，這種塌陷常常是由于地震、施工動荷載、爆破和車輛震動荷載的振動引起的，其中重要的是要有破裂位移或振動液化效應出現，造成巖土體強度降低并使之陷落。另外，強烈的振動不僅產生破壞作用，導致薄弱的基巖頂面斷裂，形成滲漏通道，而且可疏通原來已經存在的巖溶通道，同時使上覆飽和砂土發生液化，可迅速產生巖溶地面塌陷，更可能直接將土洞頂板破壞而產生地面塌陷或形變。

研究區內的施工動荷載，如爆破、沖孔樁、靜壓樁、沖擊鉆孔施工以及施工設備的震動等，既可使淺部溶洞頂板破裂、失穩，將已存并堵塞的溶蝕裂隙導通，為上覆松散砂顆粒提供滲漏通道，同時也可使飽和松散砂土、粉土產生液化，從而導致巖溶地面塌陷，其觸發巖溶地面塌陷的案例時有發生[3-6]。此外，研究區內下伏土層含水率高，孔隙度高，含水土層較厚，分布廣，水平方向上水力聯系強是產生地面變形的主要原因，如果超量抽吸地下水，使得承壓含水層水頭降低，上部高壓縮軟土層中孔隙壓力下降，土體內有效應力增加，從而產生壓密固結效應，地表開裂及沉降則是水和土相互作用的、內部應力發生變化的外在表現。研究區附近的樁孔在施工過程中往往存在抽吸地下水的情況，如果地下水的超量抽吸則加劇了地面沉降變形的速度。

研究區高速公路在建設施工時，在原有土層的基礎上增加了墊層和面層，大大增加了原有土層的上覆載荷，外加附近跨線橋施工時在道路兩側的大面積填土，在外加荷載的影響下，軟土受外力作用，破壞了原先的應力平衡狀態，人為地加速了軟土的排水固結—壓縮沉降過程。此類型的地面沉降過程一般要經歷初期大幅沉降—降幅減小—趨于穩定三個階段，研究區內的外加載荷地面沉降過程屬于初期快速沉降期。該類型因素所致的災害表現形式主要有建筑物“吊腳樓”、地面地板下陷、路面波狀起伏、地面開裂、地裂縫、接觸錯位等現象，其形成破壞程度往往較嚴重。

5 結論

（1）研究區下伏基巖巖性為石炭系測水灰巖，受吳川—四會深斷裂帶和貴東大斷裂交匯斷裂影響，區內巖層褶皺非常發育，巖體極破碎，淺部巖石風化和溶蝕作用強烈，屬巖溶強發育區，是研究區產生路面開裂及路基沉降的主要內在因素。

（2）研究區內覆蓋層的隔—透—透—巖溶型結構及土層的高含水量、高孔隙比、中等壓縮性、強透水性、易流失性、總厚度薄（＜10m）、可變形量大等特點，是其產生路面開裂及路基沉降的直接內在物質基礎。

（3）研究區內路面開裂及路基沉降的主要觸發因素有車輛機械振動、荷載增加土層固結沉降、附近基坑施工（研究區北側有曲江大道回龍山跨線橋擬從該處橫跨韶贛高速公路，正在進行樁基礎和橋墩施工等）3個方面，其中車輛機械振動和附近基坑施工是主因。