某采空區上部高速公路路基病害綜合勘察分析

楊欽富 王章云

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

山高路陡，貴州省內多是復雜的山地和丘陵地貌，高速公路修建過程中無可避免地存在大規模地填方挖方地段。在高速公路的后期運營中，路基滑移沉陷等病害時常發生，多數受單純地路基滑移或采空塌陷影響，有時處于多重因素交錯造成的路基病害，其病害原因分析勘察就更為復雜。

本文以貴州省某運營高速發生的病害處治綜合勘察過程為例，對于滑坡和采空影響分別進行分析論證明確病害真正成因，并針對性地提出處治建議，為相關工程處治勘察設計提供工程實例借鑒。

1 工程概況

貴州省某高速運營過程中，其中一段路基為半挖半填段，2017 年6 月27 日，受持續強降雨作用，該段路面出現裂縫，6 月29 日至30 日路面裂縫持續擴展，路基發生路面沉降，下沉最大約0.6m，裂縫寬度最大約0.3m。

2 工程地質條件

2.1 自然地理條件

項目場區地處于貴州黔北高原，交通方便，區內地勢起伏大，為侵蝕型低山地貌。場區附近海拔835.0～875.0m，相對高差最大可達40.0m，路基位于緩斜坡上。路基軸線高程在853.0～854.0m 之間，相對高差1.0m。場區內覆蓋層厚度較大，地表局部基巖出露。

2.2 巖土體組成

場區巖土體主要為上部人工填筑土（Qme）及第四系殘坡積層（Qel+dl）粘土組成的覆蓋層，基巖主要為二迭系上統龍潭組（P2l）薄至中厚層狀泥質粉砂巖夾泥巖、泥質灰巖、煤層。

2.3 水文地質及地下水

場區屬長江流域烏江水系，路基北側分布一河流(大燕塘)，河流寬約40m，高程比路基低約17.9m，為場區地表水排泄通道，場區地下水主要有基巖裂隙水、巖溶裂隙水及第四系土層裂隙孔隙水三種類型，地下水補給主要是靠大氣降雨沿巖層層面及裂隙滲透。

3 項目區不良地質及特殊性巖土

根據項目區既有勘察設計資料、現場地質調繪、物探及鉆探成果，路基場區不良地質主要有滑坡、采空區及巖溶。

3.1 滑坡

3.1.1 滑坡區環境特征

場區原始地貌為一平緩單斜坡，公路路基整體半挖半填的形式通過該段，滑坡區主要位于路基填方區，總體地勢南高北低，坡體下端為一水域（大燕塘），自西南往東北流向。

3.1.2 滑坡形態、邊界及規模

滑坡體的主滑方向為325°，近似于垂直于路基的走向，其平面形態為“圈椅型”。滑坡后緣以滑坡壁為界，位于K23+847～K23+940 段路面，自右幅路邊線向左幅路面擴展至超過路面中線6m；滑坡體的前緣即為路基右側坡體鼓脹處。滑坡體平面尺寸約90m×50m，平均厚度約6m，面積為4500m2，體積約27000m3。

3.1.3 滑坡物質組成及滑帶特征

填筑土及粘土是該滑坡體的主要組成物質，其中填筑土主要為碎石土，其下為殘坡積層粘土。路基區地下水位較高，主要位于巖土分界面以上，粘土下部分布有黑褐色全風化層，其形成隔水層，強降雨作用下大量地表水下滲易于全風化層上部富集形成上層滯水，使土體長期處于軟化過程中，進而形成軟弱滑帶。

3.1.4 滑坡變形破壞特征

滑坡坡體變形破壞特征：2017 年6 月27 日受持續強降雨作用，K23+847～K23+940 段路面出現裂縫。6 月29 日至30 日路面裂縫持續擴展，路基發生路面沉降，裂縫寬度最大約0.3m，路面下沉最大約0.6m，路基中央分隔帶縱向排水溝、右幅路基邊溝等結構破壞。現場明顯可見滑坡后緣存在裂縫整體呈弧形貫通的情況，形成0.5～1.5m 錯臺。

滑坡右邊界形成裂縫長約25m，寬約0.1～0.2m，左邊界裂縫不連續，共4 條，長約4m，寬約0.1-0.2m。中前部形成3 條鼓脹裂縫，長約15-30m，同時K23+900 右45m可見一明顯前緣鼓脹，坡體上既有樹木傾倒。坡體裂縫位移方向呈垂直于路基方向發展。

3.2 采空區

根據項目區既有勘察設計資料及調訪，K23+800～K24+140 段路基以下分布多處采空區，本次路基病害范圍內采空區深度位于路基以下60～70m，該沿線均已采空，高約2m 左右，經20 多年的沉降后目前高度不到2m。約30 年前為公社煤礦，開采時保留有煤柱，后為當地居民私人開采，煤柱多已挖掘，使用塊石、樹木臨時支撐。現已停采二十年以上，在K24+050～K24+210（運營樁號K28+000～K28+260 段）發生過小型塌陷、地面開裂等，鉆孔揭露洞室因沉降后高度變小。依據《采空區公路設計與施工技術細則》（JTGT D31-03-2011），對該采空區分析如下：

從時間上：該采空區停采超過20 年，屬于老采空區。

從結構上，該采空區為南方小窯采空區，屬于單一巷道式采空區。

從深度上，該采空區距路基距離60-70m，屬于中深層采空區。

從上覆巖層性質上，該采空區上覆巖石飽和抗壓強度為16.7-34.6MPa，屬于軟弱覆層- 中硬覆層。

采用極限平衡分析方法對維持巷道頂板穩定的臨界深度Hcr進行計算：

當覆蓋層為非松散巖體時，Hcr為：

式中，B 指的是采空區巷道寬度（m）；p0為公路路基基底壓力（kPa）；γ、φ 和μ 分別是上覆巖層的加權平均重度（kN/m3）和加權平均內摩擦角（°）以及加權平均泊松比。

結合地質調繪及巖土力學實驗，確定各計算參數并計算：B=3m，p0=60kPa，γ=25kN/m3，φ=30°，μ=0.3，計算得Hcr=14.18m。

按附錄式D.0.5-3 求得采空區頂板的穩定系數Fs后按表4.2.1-5 評價小窯采空區場地的穩定性。

式中，H 為巷道頂板的實際深度（m），取H=60m；取Hcr=14.18m，計算得Fs=4.23>2，故該采空區頂板穩定。

圖1 滑坡形成機理分析圖

根據路基設計資料，該段路基采空區已于2010 年對采空區進行相關處治施工。同時坡體裂縫擴展方向呈垂直于路基方向，坡體前緣鼓脹推移明顯，坡體變形破壞特征中無明顯的凹陷特征，綜合評價既有采空區對此次路基病害無影響。

3.3 巖溶

據鉆探和地表調查所知: 項目區地層巖性主要為泥質粉砂巖夾泥巖，為非可溶巖，僅局部含泥質灰巖本次鉆探未揭露溶洞。綜合確定為項目區為巖溶微發育場地。

4 滑坡穩定性分析及計算

4.1 滑坡形成機理分析

綜合分析影響路基穩定性的主要外在因素為降雨，滑坡區自上而下巖土組成為路基填筑土、粘土、全風化層、強風化層及中風化層，項目區地下水水位較高（項目區地下水水位標高多位于滑面上部），其中全風化層為隔水層，持續強降雨作用下大量地表水下滲，地下水于全風化層上部富集致使粘土層飽水，呈軟塑～流塑狀，抗剪強度參數降低、穩定性下降、下滑力不斷增大，同時高速公路運營產生的車輛荷載增大了坡體的下滑力，坡體整體沿巖土界面發生沉降、滑移破壞，該滑坡屬推移式滑坡。

4.2 滑帶巖土物理力學指標反演分析

選取典型主滑方向斷面，綜合考慮路面車輛荷載30kPa，恢復到原始地面線后，取穩定系數Fs=0.98 進行反演分析以確定暴雨工況下各計算斷面的滑動面抗剪強度指標，如表1 所示。

表1 典型斷面滑動面參數反算表

綜合各斷面反算結果，并結合試驗資料及工程類比，確定暴雨工況下滑動面綜合抗剪強度參數取值為c=12.6kPa、φ=3.5°。

4.3 巖土物理力學參數及滑坡推力計算

4.3.1 巖土物理力學參數

通過工程地質類比、反算及室內試驗等方法綜合分析得到場區巖土參數如表2。

表2 巖土體物理力學參數取值表

4.3.2 滑坡推力計算

以滑坡主滑方向上典型斷面計算滑坡推力。考慮高速公路路基的重要性，滑坡危害程度嚴重，滑坡穩定安全系數取規范規定大值，正常工況、暴雨工況下分別取安全系數K=1.30、K=1.20。計算得到各典型斷面在正常工況及暴雨工況下的剩余下滑力水平分力如表3 所示。

表3 典型斷面滑坡推力計算表

4.4 推薦處治措施

根據滑坡變形破壞特征，結合現場地形及工期要求等情況，建議采用以下措施對該滑坡進行處治。

4.4.1 于路基右側設置抗滑樁對路基進行抗滑支擋，對變形破壞路基進行開挖換填后修復。

4.4.2 恢復路基排水系統，加強滑坡區截排水措施。

4.4.3 建議加強坡體變形監測，包括路面位移監測、路面裂縫監測、深部位移監測、地下水動態監測等，建議對路基右側下部坡體進行深部位移監測。

5 結論

本段路基位于采空區上部，路基病害可能受采空區，也可能受滑坡影響，也可能受采空區和滑坡等因為共同影響，地質情況復雜，重難點在于如何定量確定采空區對路基穩定性的影響。結合規范通過勘察分析，計算明確了采空區對路基無影響，確定了滑坡形成機理、反算了巖土體物理力學參數指標和不同工況下的滑坡推力，為工程處治設計服務。