某高速公路巖溶路基處治方案研究

盧 波

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近幾年來，廣西高速公路發展高歌猛進，這些公路跨過江河大海，穿過山川平原等不同類型地質地貌單元。在高速公路建設不斷發展的同時，公路病害問題日益凸顯，喀斯特地貌區巖溶路基病害層出不窮，針對病害治理除傳統注漿措施外，微型樁處治方案應運而生，其處治效果滿足巖溶路基穩定性及強度與變形等力學參數的要求，施工難度較低，工程質量及工期可控[2]。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

某高速公路K194+257～K194+272段半填半挖路基發現兩處緊挨在一起的巖溶塌陷坑，均位于左側挖方路基一級邊坡坡腳區域。塌陷坑1長6.0 m、寬4.2 m、深3.8 m，塌陷坑2長5.0 m、寬3.5 m、深4.3 m，坑內未見地下水；同時右側填方路基伴隨發育有一處裂縫，長約60 m，寬約2～3 cm，已形成約1～2 cm錯臺，沿路基快車道與慢車道間縱向發育。

1.2 地質條件

1.2.1 地形地貌

場地屬巖溶剝蝕丘陵-洼地地貌，自然地面高程在84～130 m之間，相對高差約45 m。巖溶剝蝕丘陵主要分布在勘察區西側，洼地、沖溝主要分布于勘察區東側及西北側。高速公路以半填半挖的形式從丘陵與洼地結合部位通過，左側挖方邊坡最大坡高約28 m，右側填方邊坡最大填方高度約13 m。邊坡坡面多種植綠化植被，丘陵山體表層多種植桉樹，洼地及沖溝地段種植水稻等經濟作物。路段北側約200 m處有一河流，自西向東流，河寬約20 m，水深約0.5～1.5 m。

1.2.2 地層巖性

根據地質調查及鉆探揭示，場地內地層主要有第四系人工填土層(Qml)、沖洪積層(Qal+pl)和泥盆系上統榴江組基巖(D3l)。

素填土由路面結構層和路床素填土組成。路面結構層厚度為0.80～1.00 m；路床素填土主要成分為黏性土混碎石，含少量礫砂，經分層壓實，基本完成自重固結，厚度為1.80～17.00 m。

沖洪積層，硬塑狀黏土，土質不均勻，含少量礫砂，厚度為1.0～15.20 m。

中風化灰巖，隱晶質結構，中厚層狀構造，巖質堅硬，巖體較完整，巖芯呈短柱狀，巖體基本質量級別為Ⅲ級。

1.2.3 不良地質

場地不良地質主要為巖溶塌陷，病害路段發現2處巖溶塌陷坑，均位于左側挖方邊坡坡腳處。塌陷坑1位于里程K194+260處，呈橢圓形，長軸6 m，短軸4.2 m，深3.8 m，面積19.8 m2，溶洞底無積水。塌陷坑2位于里程K194+270處，呈橢圓形，長5 m，寬3.5 m，深4.3 m，面積13.7 m2，溶洞底無積水。據鉆探成果反映，鉆孔遇洞率為62.5%，線巖溶率為14.40%，溶洞垂直高度為1.10～6.40 m，以充填型溶洞為主，洞內充填物多為軟塑狀黏土，局部存在無充填型溶洞，判定本場地為巖溶強烈發育區。

1.2.4 物探成果

物探結果與鉆探結果基本吻合，K194+185～K194+235段及K194+250～K194+275段有兩條帶狀巖溶發育區，垂直貫穿高速公路兩側，其發育走向大體沿巖層走向一致。該區域為場地巖溶發育區，發育有多個規模較大的溶洞。

1.3 巖土力學參數取值

巖土層各力學參數根據原位測試成果、室內試驗成果，結合有關規范綜合確定，巖土層物理力學及巖土參數建議值如表1、表2所示。

表1 巖土層物理力學參數建議值表

表2 巖土層物理力學參數建議值表

2 巖溶路基病害機理分析

病害路段下伏巖溶多為淺表覆蓋型巖溶，溶洞頂板較薄，巖層產狀與高速路走向基本一致，為山體上地下水(巖溶水)產生橫向與縱向徑流創造了有利條件，加上高速路開挖修建，破壞了原有地表水和地下水徑流補給排泄系統，地表水直接沿高速開挖坡面巖溶入滲補給，并沿巖層傾向向下產生徑流至高速路填土路基底面，產生地下水動力徑流作用，進而造成土體變形累計和水土流失，導致高速路變形破壞。而在巖溶地下水快速漲落過程中，會形成虹吸管真空下拉效應，進一步促使巖溶頂板及周邊巖土體變形、流失累積，當發展至一定程度時，將發育成為巖溶塌陷，于路面形成塌陷坑及路面裂縫、沉降等病害。

3 巖溶穩定性分析

3.1 定性分析

勘察成果顯示，頂部溶洞的頂板厚度在0.70～2.10 m之間，溶洞底標高在56.35～92.46 m之間，溶洞內充填軟塑狀黏土?？辈炱陂g鉆孔控制深度范圍內測得地下穩定水位為85.35～91.67 m，水位年變化幅度約3～5 m，變化范圍基本位于頂部溶洞內。地下水的反復漲落及補給排泄，將溶洞內填充的軟塑狀黏土帶出，使頂部溶洞逐步被掏空。溶洞的薄層頂板在失去充填物支撐后，在路面車輛荷載的反復作用下，形成坍塌失穩，從而導致路面塌陷、出現條形裂縫。

3.2 定量分析

依據鉆探及物探成果顯示，各鉆孔溶洞厚跨比驗算見表3，根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)第7.6.2條規定，厚跨比>0.8，認為溶洞頂板穩定，可不作處理。計算結果表明，病害路基段多數溶洞厚跨比<0.8，可認為溶洞頂板不穩定。在地下水徑流動力作用下，溶洞充填物易軟化及被帶走，極易造成巖溶失穩、坍塌，路基變形破壞。

表3 溶洞厚跨比驗算一覽表

4 處治方案

4.1 注漿方案與檢測

4.1.1 注漿加固方案

為了驗證傳統注漿加固方案是否可行，在實施微型樁方案之前，分別選擇ZK2和ZK9鉆孔所揭示的巖溶發育區作為試驗性注漿1區和2區，注漿孔間距為2.0 m×2.0 m，各區注漿孔布置如圖1所示。

圖1 試驗性注漿布孔示意圖(cm)

采用純水泥漿進行靜壓式注漿，注漿配比及注漿壓力如表4和表5所示，可根據實際情況進行細部調整。

表4 注漿材料配比表

表5 注漿壓力參考表

4.1.2 注漿效果檢測

上述注漿方案實施后進行效果檢測，檢測主要采用鉆孔抽芯、原位測試和物探前后對比等手段進行。

4.1.2.1 物探高密度電法

注漿試驗1區，注漿后電法觀測結果與注漿前基本一致，說明注漿前后物探測線段地層結構并無大的變化。

注漿試驗2區，注漿后電法觀測結果較注漿前有較明顯提高(注漿前電阻率約在10～50 Ωm，注漿后電阻率約在50～100 Ωm)，推測注漿區有注漿凝固塊體，使得電阻率整體上有所提高，但電阻率仍存在不均勻分布、相對低阻異常的情況，如表6所示。

表6 高密度電法巖溶注漿效果定性評價表

4.1.2.2 鉆孔抽芯

根據檢測規范要求，分別對注漿試驗1區進行3孔抽芯，對2區進行4孔抽芯，抽芯情況如表7所示。

表7 抽芯鉆孔一覽表

4.1.2.3 原位測試分析

根據現場原位測試標準貫入試驗，覆蓋層標準貫入測試擊數有不同程度的提高，均>10擊，前后均滿足要求，有一定的加固效果。溶洞充填物前后對比變化不大，共進行了4次標準貫入試驗，平均擊數為5.3擊，<10擊，達不到注漿效果要求，成果對比分析如表8所示。

表8 標準貫入測試成果統計表

通過上述3種方法檢測結果對比分析和相互佐證，溶洞充填物性狀無明顯改變，標準貫入擊數<10擊，基本未見有水泥結石礫，注漿穿透性差，擴散半徑小，注漿效果不理想。

4.2 微型樁方案

4.2.1 微型樁(鋼管樁)方案

微型樁方案直接支承巖石上，有跨越溶洞作用，根據巖面起伏及巖溶發育情況，按樁長、樁徑及分布里程段將微型樁鋼管樁分為3個區。Ⅰa區和Ⅰc區采用φ108 mm的無縫鋼管，鋼管壁厚為6 mm，樁長15 m；Ⅰb區采用φ130 mm的無縫鋼管，鋼管壁厚為6 mm，樁長22.50 m。樁長控制原則為：當覆蓋層厚度<10 m時，最小樁長≥10 m且嵌入灰巖≥2 m，當遇溶洞時，穿越溶洞進入灰巖底板≥2 m，最大樁長一般不宜超過25 m。樁頂設置高強度鋼筋混凝土面板連接，板厚35 cm。完成樁面板施工后，按瀝青路面鋪設要求進行路面恢復，同時在填方邊坡側布置泄水孔，便于地下水的排泄，如圖2和圖3所示。

圖2 微型樁布置平面圖

圖3 微型樁立面圖(mm)

4.2.2 微型樁方案驗算

4.2.2.1 整體穩定性驗算

利用GEO5 2019版中土質邊坡穩定性分析模塊，計算典型斷面可能產生滑移的情況，按搜索最危險滑面來計算微型樁抵抗土體側向變形的能力。計算模型和計算結果如圖4和表9所示。

圖4 微型樁整體穩定性計算模型圖

表9 各工況條件下邊坡安全系數計算結果表

通過計算可知，在外側土體滑移后產生臨空面時，失去被動土壓力作用下，微型樁支撐能抵抗土體側向變形的能力，在最不利滑動面作用下，穩定性系數能滿足規范正常工況≥1.30、非正常工況≥1.15的要求。

4.2.2.2 微型樁承載力驗算

當病害路段產生變形及地下水排泄后，微型樁支撐應能滿足承載力要求，利用GEO5 2019版中微型樁模塊，根據地層剖面計算微型樁內力及變形情況，計算結果如表10～12所示，可見在土體流失過程中，能滿足豎向承載力及變形控制要求。

表10 壓屈穩定性驗算表

表11 受壓微型樁驗算表

表12 耦合截面承載力驗算表

5 結語

本文以某高速公路K194+180～K194+350段半填半挖巖溶路基處治工程為例，在研究了工程的地質條件和水文條件后，根據當地實際情況，先采用傳統的注漿加固方案進行試驗性注漿，經檢測發現注漿加固處治后效果不理想，而后采用微型樁治理方案，加固效果良好，經濟效益明顯，值得推廣應用，同時也總結了以下幾點結論：

(1)傳統注漿工藝在溶洞充填物為黏性土時運用，注漿穿透性差，擴散半徑小，對充填物性狀改變不大，處治效果差，達不到提高巖溶處治的要求。

(2)微型樁具備跨越巖溶發育區的優勢，支承作用大，協調變形能力強，適用巖溶地質變化范圍廣，可靠度高。

(3)與傳統注漿工藝相比，微型樁具備施工質量、工期及工程造價可控等優勢，且有利于生態環境保護。