巖溶路基穩(wěn)定分析與處治技術(shù)

李慶賀

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國(guó)的公路建設(shè)里程大幅度增加，公路里程提升顯著提高了各地區(qū)的通達(dá)率。然而覆蓋區(qū)域拓展使得公路建設(shè)項(xiàng)目遭遇越來(lái)越多的不良地質(zhì)。其中在我國(guó)西南地區(qū)公路工程經(jīng)常面臨廣泛分布的巖溶地貌，巖溶病害給路基穩(wěn)定性帶來(lái)不容忽視的問(wèn)題。

相比而言，巖溶地區(qū)工程地質(zhì)更為復(fù)雜，對(duì)應(yīng)特殊的地質(zhì)條件，采用的地質(zhì)處理措施也要有針對(duì)性，處治效果好壞與否直接關(guān)系到工程質(zhì)量與安全，若處理不當(dāng)將可能造成嚴(yán)重后果，路基工程中有效處理巖溶問(wèn)題是亟待解決的難題。實(shí)踐中多采用跨越、充填來(lái)處理溶洞，但受限于不同地區(qū)多樣性復(fù)雜性，方法是否廣泛適用都還需要進(jìn)一步研究，因此針對(duì)巖溶路基的研究具有重要的工程價(jià)值[1]。

1 巖溶勘察技術(shù)

工程物探是目前巖溶勘察主要技術(shù)手段，其勘察結(jié)果是下一步工程建設(shè)的基礎(chǔ)，對(duì)隱伏于地下的溶洞而言，精確的勘察技術(shù)直接關(guān)系到工程處治合理與否，在此對(duì)不同的巖溶勘察技術(shù)進(jìn)一步分析，通過(guò)適用條件、可操作性等多方面比較，選取合適的勘察技術(shù)，從而為后面的評(píng)價(jià)分析與處治奠定基礎(chǔ)。巖溶勘察技術(shù)主要有電法、電磁、地震、微重力、射氣等幾類(lèi)方法，每類(lèi)方法通常又包含若干種技術(shù)。

上述幾類(lèi)勘察技術(shù)各有其適應(yīng)范圍，若能把其中幾類(lèi)組合在一起，將具有很好的互補(bǔ)性。從探測(cè)深度區(qū)分，地表下10～30 m主要靠地質(zhì)雷達(dá)；20～40 m主要靠面波；40～100 m則主要靠高密度電法；100 m以下則需高分辨淺層地震法。公路建設(shè)中對(duì)溶洞勘測(cè)要求標(biāo)準(zhǔn)化，信息能及時(shí)反饋以實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)施工，基于不同探測(cè)方法互補(bǔ)性可采用“綜合物探法”，即把多種手段勘察結(jié)果用來(lái)加以加權(quán)平均。

上述根據(jù)測(cè)試手段分類(lèi)，若根據(jù)測(cè)試目的分類(lèi)則可將勘察技術(shù)分為3類(lèi)：a)工程地質(zhì)測(cè)繪；b)工程物探；c)工程鉆探[2]。

其中測(cè)繪工作極為重要，建設(shè)需要地質(zhì)資料指導(dǎo)。物探作為一種技術(shù)手段尚不能完全替代鉆探，但它可反映出異常區(qū)用以判定是否存在空洞區(qū)。鉆探由于成本很高，不可能用極密網(wǎng)度查明所有分布空洞特征。因此，物探方法在空洞勘察中對(duì)鉆孔有很好的補(bǔ)充作用。首先通過(guò)地質(zhì)調(diào)查確定空洞大概位置，再根據(jù)物探確定其準(zhǔn)確位置與埋深。實(shí)踐證明物探成本低廉，效果良好，因此它已成為溶洞勘察技術(shù)生力軍。

每種方法各有優(yōu)勢(shì)與弊端，經(jīng)驗(yàn)表明單一勘察方法難以達(dá)到勘察目的，只有地質(zhì)、物探和鉆探三者有效恰當(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來(lái)，才能經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行空洞勘察工作。

2 巖溶路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 溶洞失穩(wěn)機(jī)理

溶洞可以分為敞開(kāi)型與封閉型兩種，其失穩(wěn)的機(jī)理也各不相同。

2.1.1 敞開(kāi)型

敞開(kāi)型溶洞失穩(wěn)形式主要表現(xiàn)為巖溶塌陷。目前研究巖溶塌陷機(jī)理主要理論包括液化論、潛蝕論、振動(dòng)論、真空吸蝕論等。

a)潛蝕成因即巖溶區(qū)地下水通過(guò)潛蝕沖蝕等作用，使周邊土體失去平衡，水位波動(dòng)過(guò)程加大了水力坡度，從而逐漸加速潛蝕沖蝕作用，最終導(dǎo)致巖溶塌陷。

b)真空吸蝕即在承壓巖溶地下水中人為抽水使水位降低到蓋面以下，在巖溶空隙中形成真空吸盤(pán)、真空吸蝕、旋吸漏斗等對(duì)巖溶蓋層的破壞作用。

c)振動(dòng)論即當(dāng)?shù)叵滤驓鈮旱牟▌?dòng)頻率與巖溶蓋層自振頻率一致時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，共振產(chǎn)生的破壞力可能對(duì)松散蓋層產(chǎn)生較大破壞作用。

d)重力作用即當(dāng)溶洞頂板很薄時(shí)在重力作用下發(fā)生塌陷。

2.1.2 封閉型

地下溶洞的存在使基巖的承載力學(xué)不同于半無(wú)限介質(zhì)，基巖完整性受到破壞后其承載力大大降低。在附加荷載或振動(dòng)作用下頂板會(huì)發(fā)生坍塌甚至溶洞失穩(wěn)。

材料因強(qiáng)度不足而發(fā)生的失效現(xiàn)象原因有很多。這種失效現(xiàn)象十分復(fù)雜但主要還是屈服和斷裂兩種。利用強(qiáng)度理論可由簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)實(shí)驗(yàn)建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度條件。目前幾種常用的強(qiáng)度理論包括：最大拉應(yīng)力強(qiáng)度；最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變理論；最大剪應(yīng)力理論。

最大拉應(yīng)力理論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起斷裂的主要因素，只要最大拉應(yīng)力達(dá)到材料極限值，就會(huì)發(fā)生斷裂。一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)用σ1、σ2、σ3代表3個(gè)主應(yīng)力，以σ1代表最大主應(yīng)力，σ3代表最小主應(yīng)力。無(wú)論何種應(yīng)力狀態(tài)，只要σ1達(dá)到強(qiáng)度極限就導(dǎo)致斷裂。最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變理論認(rèn)為最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變是斷裂主要因素，即只要最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變達(dá)到材料極限值，即發(fā)生斷裂。最大剪應(yīng)力理論認(rèn)為最大剪應(yīng)力是屈服主要因素，即只要最大剪應(yīng)力達(dá)到材料極限值，材料即發(fā)生屈服[3]。

2.2 溶洞穩(wěn)定性半定量分析

影響巖溶地基穩(wěn)定的因素很多，如構(gòu)造發(fā)育、結(jié)構(gòu)面特征、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、溶洞幾何形態(tài)、地下水狀態(tài)、溶洞頂板荷載等，這些影響因素是溶洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)依據(jù)。在實(shí)際工程計(jì)算中，不可能把每個(gè)因素都考慮進(jìn)去，巖溶頂板穩(wěn)定性分析實(shí)質(zhì)上是采用各種簡(jiǎn)化方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。巖溶頂板穩(wěn)定性半定量分析方法多種多樣，其主要方法有頂板厚跨比法、荷載傳遞線(xiàn)交匯法、估算頂板安全厚度法等[4-5]。

2.2.1 整體破壞溶洞穩(wěn)定分析

a)頂板厚跨比法適用于穩(wěn)定圍巖。根據(jù)水平投影跨度L和頂部最薄位置厚度h，得到厚跨比h/L，以此數(shù)據(jù)作為安全厚度評(píng)價(jià)依據(jù)，頂板形態(tài)、荷載大小等因素不予考慮。由累積的工程經(jīng)驗(yàn)判斷當(dāng)h/L≥0.5時(shí)溶洞處于安全狀態(tài)，取h/L≥1.0作為安全閾值。

b)頂板塌陷堵塞法根據(jù)溶洞頂板坍塌后填塞洞體需要的厚度來(lái)計(jì)算，當(dāng)頂板坍塌后塌落體體積脹大，塌落發(fā)展至一定高度洞體被落體填滿(mǎn)，塌落高度H可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：H0為洞體最大高度；K為巖石的松散系數(shù)，石灰?guī)rK=1.2，黏土K=1.05.

c)結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法將溶洞圍巖視為結(jié)構(gòu)自承重體，基于洞體形態(tài)、完整程度、裂隙開(kāi)展內(nèi)力分析，得到初始厚度h后再乘以適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，即為溶洞頂板的安全厚度。

2.2.2 局部破壞溶洞穩(wěn)定分析

溶洞穩(wěn)定計(jì)算以溶洞地基產(chǎn)生整體破壞為前提，往往忽略溶洞形態(tài)影響。但實(shí)踐中許多巖溶地基破壞是先由局部破壞發(fā)展到整體破壞。因此應(yīng)先分析溶洞地基應(yīng)力狀態(tài)，后運(yùn)用巖體破壞準(zhǔn)則進(jìn)行穩(wěn)定性判別，此方法可以克服這種不足。

設(shè)距基巖下方h處有半徑a的圓形溶洞，荷載作用為上部荷載p與側(cè)壓力q。假設(shè)基巖巖石均質(zhì)各向同性彈性體，因此圍巖應(yīng)力狀態(tài)為雙向受壓無(wú)限圓孔板。根據(jù)極坐標(biāo)解應(yīng)力公式為：

式中：σp為徑向應(yīng)力；σθ為切向應(yīng)力；τrθ為剪應(yīng)力。

圍巖洞壁會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，洞壁處即r=a的切向應(yīng)力最大，根據(jù)上式得到：

式中：στ為r=a處徑向應(yīng)力。

上述計(jì)算可以得到地基中溶洞周邊所產(chǎn)生的次生應(yīng)力，然后應(yīng)用格里菲斯破裂準(zhǔn)則對(duì)含溶洞巖石地基穩(wěn)定性進(jìn)行判別。格里菲斯準(zhǔn)則表達(dá)式為：

式中：Rt為最大切向拉應(yīng)力；σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力。

半定量分析方法是對(duì)巖溶頂板穩(wěn)定性影響因素加以概化，采用近似的方法估算頂板的穩(wěn)定性。這類(lèi)方法使用簡(jiǎn)便，但由于得出的計(jì)算結(jié)果離散性大，計(jì)算結(jié)果的可靠性有待提高，需要通過(guò)工程實(shí)踐累積數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

3 路基溶洞處治技術(shù)

3.1 常用處理技術(shù)

公路路基施工技術(shù)規(guī)范中對(duì)溶洞處理方法有：a)路塹邊坡上干溶洞可用干砌片石、漿砌片石堵塞；b)路基基底溶洞盡量采用橋涵通過(guò)，當(dāng)溶洞不大無(wú)水時(shí)可用砂礫石、碎石等回填；c)基底溶洞頂板太薄或較破碎時(shí)可對(duì)頂板進(jìn)行加固，或清除頂板用橋涵跨越；d)路基邊溝存在溶洞，可用鋼筋混凝土板封閉；e)溶洞沉陷處理與防治巖溶水可視具體情況采用樁基、襯砌、蓋板、錨噴等技術(shù)。

3.2 工程實(shí)踐

廣靈至渾源高速公路途徑山西北部地區(qū)，沿線(xiàn)分布一定量大小不一的溶洞，為此工程主要采取了蓋板跨越、注漿、強(qiáng)夯3種技術(shù)處理路基下伏溶洞。

3.2.1 蓋板跨越

當(dāng)巖溶裂隙有窄而深的特點(diǎn)（裂隙寬度0.5～0.8 m），且大部分裂隙都是延伸至路基以外，宜采用蓋板跨越處治。采用鋼筋混凝土蓋板跨越巖溶裂隙，是較安全可靠的處治措施。根據(jù)裂隙寬度選用預(yù)制好的混凝土板，再沿裂隙中線(xiàn)方向挖除60 cm深預(yù)制板寬度的基巖，清理整平基巖，放置混凝土預(yù)制板，要求板中心對(duì)中裂隙中心，相鄰板塊拼湊緊密。采用混凝土板跨越所有裂隙后，在其上鋪筑路面。

圖1 蓋板處理示意圖

蓋板跨越的優(yōu)缺點(diǎn)分別包括：

a）優(yōu)點(diǎn) (a)采用蓋板跨越巖溶裂隙，可以保障處理效果；（b)此方案可以在設(shè)計(jì)階段較精準(zhǔn)地控制經(jīng)費(fèi)。

b）缺點(diǎn) 施工周期較長(zhǎng)。根據(jù)各路面層養(yǎng)生期，預(yù)計(jì)工期為5個(gè)月。

3.2.2 注漿

依據(jù)“安全性高、技術(shù)成熟、最大限度保證交通”的原則，選擇采用地面打鉆灌注水泥粉煤灰漿的辦法，以滲透注漿和壓密注漿的方案處治巖溶裂隙。水泥粉煤灰漿液具有固結(jié)后強(qiáng)度較高、凝固速度快、流動(dòng)性較好等優(yōu)點(diǎn)。由于巖溶裂隙內(nèi)部分充填，漿液在巖溶裂隙內(nèi)的流動(dòng)會(huì)受到淤塞物的阻滯，故不能采用靜壓注漿法。擬采用加壓注漿，擴(kuò)大單孔注漿的影響半徑，沖開(kāi)或劈開(kāi)阻滯物。

3.2.2.1 注漿壓力步驟

a)對(duì)注漿孔安設(shè)孔口加壓套管并在孔口設(shè)置阻塞器，注漿時(shí)將輸漿鉆桿下入到裂隙底部。b)分組注漿。施工好2個(gè)以上有相互聯(lián)系的注漿孔，安設(shè)好孔口加壓套管后，再進(jìn)行注漿，這就保證了每個(gè)注漿孔都有1個(gè)以上的排水觀測(cè)孔，一方面可以排出裂隙內(nèi)積水，減小注漿阻力，另一方面可以觀測(cè)注漿效果。c)對(duì)注漿孔的灌注漿應(yīng)盡量做到連續(xù)并實(shí)現(xiàn)加壓。因?yàn)榱严秲?nèi)有部分淤塞，如果不連續(xù)灌注，恐漿液被淤塞物阻滯初凝后，難以再壓進(jìn)漿。d)對(duì)于吸漿量特別大的裂隙，注滿(mǎn)終凝后，要將孔內(nèi)混凝土鉆掉，再對(duì)該孔進(jìn)行高壓水試驗(yàn)，如果吸水較大，則可能未灌滿(mǎn)，須進(jìn)行復(fù)灌。e)為了保證路基范圍內(nèi)裂隙注滿(mǎn)，而不浪費(fèi)較多漿液，在左側(cè)路基側(cè)（靠近澧水河側(cè)）注漿孔漿液需加入速凝劑，控制漿液流幅，實(shí)施間歇注漿法以控制漿液不流出路基外面。

3.2.2.2 注漿方案的優(yōu)缺點(diǎn)分別包括

a)優(yōu)點(diǎn) (a)由于施工可以在路基邊緣進(jìn)行，故對(duì)交通影響較小，同時(shí)對(duì)原路面的破壞也可以減少到最小。(b)如果能很好地控制施工質(zhì)量，則可以取得較好的處治措施。(c)如果能很好地控制施工質(zhì)量，則可以在較短工期內(nèi)完成處治。

b)缺點(diǎn) (a)巖溶裂隙位置須在地質(zhì)勘探人員協(xié)同下確定，且可能存在誤差。(b)裂隙填充阻滯物可能難以沖開(kāi)或劈開(kāi)，裂隙垂直方向偏角較大或存在折角，使得輸漿鉆孔難以達(dá)到裂隙底部，這都將影響施工質(zhì)量，使得處治難以達(dá)到效果。(c)由于勘探受條件制約，部分裂隙深度無(wú)法精確探明，以及左側(cè)路基外側(cè)就是澧水河，不排除部分裂隙出口存在于河底，這都導(dǎo)致注漿量無(wú)法得以控制，使得經(jīng)費(fèi)難以控制。

3.2.3 強(qiáng)夯

強(qiáng)夯法處理路基溶洞適用于頂板厚度不安全的狀態(tài)，通過(guò)對(duì)溶洞進(jìn)行夯擊，夯錘和夯擊能擊破溶洞頂板，再向洞內(nèi)充填透水材料，后按非飽和土地基再進(jìn)行一次夯實(shí)處理。

圖2 強(qiáng)夯示意圖

根據(jù)公路工程路基施工要求及本工程特征，強(qiáng)夯后地基須達(dá)到以下要求：a)動(dòng)力擊穿溶洞，并回填材料再壓實(shí)，改變土層力學(xué)性能，加速下臥軟土排水固結(jié)，提高地基強(qiáng)度，減少路基沉降量；b)提高土層均勻密實(shí)性，盡量消除路基沉降差異；c)加固后黏土形成良好的隔水層，阻礙地下水進(jìn)入灰?guī)r，控制溶洞發(fā)育；d)加固后灰?guī)r與上部土體形成硬殼基底，滿(mǎn)足交通荷載要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在巖溶地區(qū)建造公路常會(huì)遇到溶洞、地下河等不良地質(zhì)，給工程建設(shè)及通車(chē)營(yíng)運(yùn)造成安全隱患。由于溶洞分布狀態(tài)差異大、影響因素復(fù)雜，治理措施也難以形成統(tǒng)一規(guī)范。針對(duì)這一問(wèn)題本文討論路基施工溶洞處治技術(shù)，得到的主要結(jié)論如下：

a）精確的巖溶勘察是巖溶路基工程建設(shè)的基礎(chǔ)，總結(jié)國(guó)內(nèi)外常用的巖溶勘察技術(shù)，并分析其適用范圍與條件；建議針對(duì)項(xiàng)目自身要求比選勘探方法。

b）將溶洞與路基的穩(wěn)定性作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。對(duì)溶洞劃分為敞開(kāi)型、封閉型溶洞，分析失穩(wěn)機(jī)理，并歸納溶洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)半定量分析方法。

c）對(duì)高速公路溶洞一般治理措施進(jìn)行說(shuō)明，依托工程項(xiàng)目詳細(xì)介紹蓋板跨越、注漿、強(qiáng)夯3種方案的特點(diǎn)、施工技術(shù)要點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)，為高速公路溶洞處治選擇提供依據(jù)。