淺談桂陽高速公路隱伏土洞探測及處治

摘要:本文對桂陽高速公路喀斯特地貌路基隱伏土洞的探測方法和處治進行了細致的分析、闡述及探討

關鍵詞:高速公路 隱伏土洞 探測和處治

桂林至陽朔高速公路穿過陽朔喀斯特地貌的核心區，地下溶洞分布廣、數量多，地下河埋層淺，業主方就施工區已出現地表塌陷的隱伏土洞處治問題組織國內地質專家進行了研討，并形成共識:采用地質雷達探測，對已探測出的土洞使用開挖或注漿的方法進行處治，并埋設光纖設施跟蹤探測已處治路段的土顆粒和地下水運動情況。

隱伏土洞形成的水文地質特征

桂林至陽朔高速公路路線多處于典型巖溶峰林平原地貌，地勢平坦;屬中亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，年均降雨量1926mm，但降雨量分配不均，每年降雨集中在4、5、6、7月四個月，雨量近1000mm，約占全年降雨量的52%。巖溶地下水補給-徑流區，地下水位變化較大，在雨季，地下水位高出基巖面，而在枯季，則低于基巖面。這種地下水在基巖面上下波動的水動力模式，極易導致上覆土層發生滲透破壞和崩解，進而形成土洞，且該地區土洞仍處于“活動”狀態(圖 2)。在地下水長期作用下，將會不斷的向上發展、擴大，最后產生塌陷，危及公路安全。

地質雷達探測隱伏土洞的條件

經現場測試，覆蓋土層的電阻率約為幾Ω·m～200Ω·m，淺層巖溶發育帶電阻率一般為200Ω·m～2000Ω·m，完整灰巖的電阻率為2000Ω·m以上。覆蓋土層與淺層巖溶發育帶、完整基巖有明顯的電阻率差異，利用電阻率法探測基巖起伏和巖溶分布的地球物理條件成立。

粘土、土洞和巖石對高頻電磁波的反射不同，它們的介電常數差別很大，在他們的接觸界面對高頻電磁波的反射差異很大，接收到的電磁波的旅行時間、頻率等具有明顯的區別，因此，采用地質雷達探測土洞的地球物理條件成立。

地質雷達采用美國GSSI公司生產的SIR—10A型探地雷達。天線采用100MHz低頻同體屏蔽天線，有效探測深度約10m，采用連續測量方式探測。其工作原理是利用土層、巖石和土洞等對探地電磁波反射的差異，通過分析地面接收到的反射信號的旅行時間、波形和反射波譜特征等差異來確定土洞等。在覆蓋層小于10m的場地，利用土層、土洞和巖石的這些特征，采用地質雷達探測土洞可收到良好的效果。

地質雷達探測隱伏土洞的方法

桂陽高速公路對出現土洞頻率比較高的四個填方及零填路段共長18.5km進行地質雷達探測，共探測出土洞100多個，埋深分布在2m~9m處，土洞體積大小不等。

探測測線的布設:設定公路中軸線為0號測線，下行左邊為負測線，右邊為正測線。以里程樁號為控制點，皮尺量距。地質雷達測線間距3米。沿公路中心線布設6條測線:-9線、-6線、-3線、3線、6線、9線，連續測量。

路線中地質雷達探明的異常有如下4類:

(1)空洞:土洞或溶洞解釋為空洞，在地質雷達連續反射彩色剖面上表現為雙曲線型強反射。

(2)擾動土:土體發生擾動、但還未形成洞穴的，解釋為擾動土，在地質雷達連續反射彩色剖面表現為雜亂無章強反射。

(3)人工埋設物(通道或涵洞等):在地質雷達連續反射彩色剖面上表現與空洞相同，空洞異常的差別是:異常在所有測線相同的位置、相近的深度出現。

(4)已處理土洞:填埋土洞的填充物質主要是碎石，孔隙大，反映為從地表開始、雜亂無章特強反射(圖 1)。

圖 1 土洞開挖回填處理后旁邊仍有土洞存在

探測顯示土洞異常的位置和已填石處理的土洞異常相連即反映出這一問題。

圖 2 開挖土洞很容易導致地下水涌出形成新土洞

地質雷達探測隱伏土洞體積的測算

對隱伏土洞異常的體積進行了推算，以便制訂下一步處治方法。 體積(V)計算方法:考慮到在第四系松散堆積體中，球狀空洞具有較好的穩定性，因此，采用球體體積來近似計算土洞體積，計算中，將土洞異常的跨度作為球體直徑Φ(圖 3):V=Φ3×π/6

體積測算的誤差:

1、由于土洞可能底部存在充填，使計算體積比實際的大;

2、土洞長軸與公路軸向斜交，會使實際體積比計算體積大;

3、土洞周圍裂隙、孔隙的存在，特別是土洞底部到基巖面之間的松散堆積土的存在，會使實際體積比計算體積大。

圖 3 土洞的體積計算圖示

隱伏土洞的處治方法

針對以上探測結果及推算土洞體積，經專家及相關人員研究決定，對桂陽高速公路隱伏土洞采用鉆孔壓漿充填固化法(圖 4)和開挖-反濾層+土工布法(圖 5)兩種方法進行處治。

一、鉆孔壓漿充填固化法

通過直接向土洞及其下的擾動土中灌注水泥粉煤灰漿液，充填土洞空洞和擾動土形成水泥土固結，來加固已有土洞和防止新的土洞的形成，提高路基整體承載力;該方法適用于土洞埋藏深度大于3 m。

技術要求:

1、按每個土洞布孔3～5個(依據土洞大小定)，孔距1.5m，孔深以揭穿土洞進入洞底2 m為準(如提前遇基巖，則孔深至巖面);

2、土洞填充物采用水泥粉煤灰漿液填充;

3、水泥粉煤灰漿液的配合比為水:水泥:粉煤灰:水玻璃=1:0.8:0.4:0.01;土洞底部的灌漿段宜加大水玻璃的用量(2%～5%)，加快凝結時間;

4、漿液試塊抗壓強度為5MPa;

5、土洞充填物及周邊土體的承載力達到180kPa;

6、采用自下而上的灌注方法，灌漿時應遵循逐漸加密的原則;

7、灌注結束標準:鉆孔整孔冒漿或分段灌注壓力達到0.2～0.5MPa;

8、質量檢驗:施工結束28天或時間更長點，按灌漿孔總數的2%～5%進行檢測，檢測采用透孔檢測及原位測試。

設備要求:勘察鉆機4臺，灌漿設備4套。

在施工中應注意的問題:

1、處理前必須按已探測的土洞的位置嚴格放樁，準確定位，并根據土洞的大小計算準備的注漿材料。

2、通過試驗來確定灌漿壓力。

3、需要達到兩個條件:一是土洞及周邊縫隙必須填充滿，掌握漿液凝固時間，通過二次或三次注漿，保證空洞填充滿;二是充填物強度和周圍土層相比不能過高，以避免因出現不均勻沉陷問題。

質量保證措施

1、嚴格按照《建筑地基處理技術規范》JGJ79-91 有關規范、規定及設計要求進行施工。質量檢驗應貫穿于施工的全過程，隨時檢查施工記錄并進行質量評定，壓力泵、發電機組派專人負責操作和記錄，及時觀察和記錄各灌漿壓力、灌漿量及竄、冒、返漿情況，一旦發生異常情況，及時通知工地技術負責人予以解決。

2、施工前，做好土洞位置的確認工作，避免漏灌、錯灌事故。

3、每個土洞處理前后均需仔細清洗灌漿泵、漿管，避免因漿液堵管而導致漏灌。

4、嚴格按要求進行漿液主劑(水泥)及添加劑的送檢工作，確保施工材料合格。

5、施工過程中必須嚴格按該指標施工，對漿液配置和對灌漿壓力、灌漿量的控制需嚴格按施工方案執行。

6、漿液攪拌站需盡可能靠近施工孔位。

質量檢測手段與方法

采用透孔鉆芯取樣及原位測試方法進行檢測，檢測頻率要求每個土洞不少于1個檢測點。檢測合格標準:(1)土洞部位:土洞充填飽滿、密實，鉆取的巖芯中應見水泥漿體，重型動力觸探試驗擊數≥4擊;(2)土洞底部軟土強度應有明顯提高，標準貫入試驗擊數≥4擊。

圖 4 采用鉆孔注漿方法處置土洞

二、開挖-反濾層+土工布法

當巖溶水位低于基巖面或土洞埋藏深度小于3 m時，可采用本方法，施工中應注意:

1、應清土至基巖面，并將溶槽、裂縫中的充填物也清理干凈;

2、應根據溶槽、裂縫等的規模選擇適當大小的底部填石，底部填石不應含有粘土和其它細粒物;

3、填石反濾層粒徑過渡應適中，一般相鄰兩級濾層的相差粒徑不應超過3～4倍;

圖 5 開挖-反濾層填石+土工布處置土洞方案

4、反濾層頂部及四周都應覆蓋土工布，防止上部及四周填土的流失。

這種方法一方面沒有考慮地下水對填石體細料的沖刷和通過填石體對周圍土體的側向作用有可能使周圍土體產生破壞;另一方面，開挖過程中，會局部改變水動力條件，使地下水涌出，破壞坑周土體穩定性;兩種原因都會形成新的土洞。

建議:

1、建議處理完成后，采用地質雷達進行灌漿處理效果的檢驗。

2、考慮到土洞的發育具有時間性，而且高速公路修建后，將會改變地下水動力條件，有可能在局部地段促進土洞的形成和發展，為此，建議開展路基隱伏土洞監測預報工作，以便及時發現土洞隱患，采取處置措施，避免最終形成地面塌陷，給公路運輸造成重大影響。

結束語:

目前桂陽高速公路通車兩年多來，對已處理100多個土洞路段的路基路面回訪檢查，未發現下沉變形的情況，并通過埋設光纖設施跟蹤探測等方法觀測，路基路面處于穩定狀態。初步判斷以上隱伏土洞的處治方法是有效可行的。