巖溶區高速公路路基強夯處治技術及穩定性分析

張加岐

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 引 言

隨著我國交通建設的發展，高速公路不可避免的穿越巖溶區。巖溶是一種不良地質，對巖溶路基的處置影響了路基整體結構的穩定性及承載能力[1]。根據巖溶地質的分類，能夠將巖溶類型分為溶洞、土洞等類型。巖溶是在地下水作用下，在路基土下存在的空洞或漏斗形狀的缺陷[2]。針對巖溶路基的處置，通常采用換土回填，當巖溶區路基沒有頂板時，形成路基下的空洞，通過換土回填的方法，對路基中的空洞進行分層填筑分層壓實，增加巖溶區土體的強度及密實度[3]。但是巖溶區路基中存在較多巖溶類型，巖溶底部與路基頂部高度相差較大，填土高度較高，且填土體積過大，經過大型器械壓實后，容易造成路基的不均勻沉降，從而導致路基出現變形及坍塌病害[4]。并且由于路基回填高度較高，采用施工器械很難將巖溶區路基進行壓實，因此路基壓實度不足，造成路基出現沉陷現象[5]。巖溶最常見的類型為溶洞及土洞，在實際工程中，針對該路基需要進行強夯處置，采用強夯法對巖溶區路基進行穩定性分析，當通過強夯使溶洞頂板擊穿時，需要對擊穿巖石進行搬運，再進行換土回填壓實，保證巖溶區路基穩定性[6]。但有些巖溶區埋深較深，通過強夯法不能將溶洞頂部擊穿，通常認為該種溶洞對路基的穩定性無影響。因此，強夯法在巖溶區路基中的處置尤為重要。本文以廣西某巖溶區高速公路為例，通過工程物探勘察，得到該巖溶區存在3處溶洞。根據溶洞特征，采用強夯法對路基進行處置，處置后通過路基穩定性分析，得到該巖溶區路基穩定性。

2 巖溶路基病害分析

巖溶路基的處理是我國公路工程發展不可避免的問題。巖溶是一種不良地質情況，其發展影響了公路路基的穩定性，巖溶地質的存在形式較多，例如溶洞和土洞，這兩種類型的巖溶嚴重影響了公路路基的穩定性，為高速公路的安全通行留下隱患。巖溶不僅影響路基的穩定性，而且巖溶的存在具有一定的隱蔽性，采用常用的地質勘察方法不能夠完全掌握地下溶洞和土洞的分布情況，為路基的加固處置帶來了困難。因此，巖溶地基處理的合理性影響了高速公路路基的穩定性，在對路基進行加固處置之前需要對巖溶路基的病害進行研究。

2.1 巖溶的形成及發展條件

巖溶的存在形式豐富且影響其發展的因素較多，根據調查研究得到巖溶形成及發展的因素主要包括存在可溶性巖層、地下水活動、潮濕氣候、地質構造與地形等幾個方面，其中可溶性巖層與活動的地下水是巖溶形成與發育的主要條件。

(1)存在可溶性巖層

可溶性巖層是巖溶形成用下不僅能夠融入水，而且本身要存在裂隙并能透水，此時，受地下水的溶蝕作用才能形成巖溶地貌或地質構造。可溶性巖是決定巖溶發育的首要因素，其厚度的大小，所含碳酸鈣多少，是否與非碳酸巖夾層、互層，以及它們所處的地質構造環境對巖石完整程度、裂隙力學性質、空間分布規律、地下水運動特征等的控制情況，大氣降水酸性含量等都會改變可溶巖的被溶蝕程度。同是可溶巖，所處環境不同，巖溶的發育程度也不相同，有的地區是廣泛分布但個體不大，有的是集中分布但個體也不大。

(2)地下水活動。

巖溶發育必須使可溶性巖層受具有可侵蝕性并不斷流動的地下水作用，地下水溶解可溶性巖層的能力越強，巖溶發育的速度就越快。富含CO2的大氣降水與地表水滲入地下后，不斷替換原有地下水，使地下水保持較強的侵蝕力，則巖溶將保持較高的發育速度。

(3)地形

地下水的補給量和補給速度受地形起伏程度的影響。地表水徑流量在陡峻坡地比較大，而地下水補給量相對較少，使得地表巖溶形態較小。平緩地帶地表水的徑流量較小，而地下水流速緩且補給量較多，但由于強烈的侵蝕作用，導致巖溶較大。

2.2 常見巖溶形態

(1)溶洞

溶洞是巖溶常見的類型之一，是在地下水的長期作用下和地質斷裂形成的巖層塌陷共同作用下產生的巖溶。其發展方向為水平發展，作為地下水的早期排水通道。大的溶洞系統是在巖溶水的水平循環帶中產生的。由于巖層分布的無序性導致溶洞內部的復雜，洞室的大小與形態具有很大差別。通常溶洞形狀不規則，高低起伏，洞內存在巖溶水及其他填充物。

(2)土洞

土洞的形成是由于在土基上覆蓋有巖溶地區，在工程施工及日常生活中，由于對土質進行排水及抽水造成巖溶下部地下水位的變化，形成了土洞。土洞的存在嚴重影響了路基的穩定性以及高速公路車輛行車安全。

2.3 路基變形、開裂

路基的變形與開裂是由于路基土的不均勻沉降造成的，路基的不均勻沉降導致路面沉陷，平整度下降，當車輛荷載行駛時，增加了路基的不均勻沉降，導致路面開裂。巖溶路基的不均勻沉降主要由兩方面原因造成。一方面因為巖溶的類型較多，如溶洞、土洞等，在進行高速公路路基施工時需要對路基進行處理，由于有些巖溶較深，路基頂面距巖溶底部距離過大，如圖1所示。路基土的填土高度較高，且填土底部由于過深，碾壓設備不易進行壓實施工，導致壓實度不足，在車輛荷載行駛過程中，造成路基產生不均勻沉降，嚴重的造成路基變形與開裂。另一方面，由于巖溶處存在大量的地下水，地下水的流動導致路基地面土軟化，使路基回填材料逐步丟失，加劇路基的不均勻沉降，從而引起路基變形及開裂。

圖1 巖溶路基變形、開裂原理

2.4 溶洞失穩引起路基塌陷

巖溶路基出現坍塌的主要原因是在地下水的作用下，巖溶路基下伏分布由溶洞和土洞，由于溶洞與土洞具有隱蔽性，一般的勘察技術不能精確得到其內部情況。巖溶路基下部的地下空洞具有一定的復雜性，主要體現在空的深度、寬度與長度未知，并且地下水通道與路基連通，提高了路基的含水率。由于巖溶路基地質復雜，下部空洞不易被勘察，在巖溶地基上修筑公路路基時，大型器械施工增加了地基自重荷載，器械開挖造成空洞頂面厚度減小，從而造成溶洞失穩引起路基坍塌。巖溶路基的坍塌分為兩種類型，一種為土質坍塌，一種為巖質坍塌。土質坍塌是由于表層土基開挖，使路基結構整體失穩造成坍塌。巖制坍塌是由于大型器械施工破壞巖層，造成圍巖失穩，導致路基整體坍塌。

3 巖溶路基處置方法及穩定性分析

3.1 工程概況

廣西某高速公路路基下伏跨越巖溶區，根據對該公路路基進行工程物探，得到下部巖溶分布。該段公路K27+650段至K27+800段路基下部存在巖溶區，高速公路路面寬為27 m，根據工程物探調查，得到巖溶區路基下部存在3處空洞，分別位于紅黏土土層與基巖層，1#溶洞高9.4 m，沿跨境18 m范圍，埋深2.0～4.8 m，2#溶洞高9.0 m，沿跨境32 m范圍，埋深2.0～4.8 m；3#溶洞高13.6 m，沿跨境40 m范圍，埋深9.6 m。路基以低填淺挖方式通過，相對于一般填方段，汽車動載對于路基基底影更高，潛伏巖溶與土洞對行車安全影響更大，溶洞的存在影響了高速公路路基的穩定性，對交通出現造成安全隱患。

3.2 強夯處置技術應用

根據高速公路巖溶區路基工程事故發生概率分級如表1所示，該高速公路巖溶區路基按照區間概論分布，其路基工程事故發生概率在0.05%～0.5%，屬于很少發生，事故等級為二級。根據事故概率分級，采用強夯法對該巖溶區路基進行加固處置，但是由于該路基溶洞埋深較深，需要結合其他處置方法進行綜合處置。

表1 巖溶區路基工程事故發生概率分級

該巖溶區路基下伏溶洞高度、寬度較低，體積較小，但是埋深較大。采用強夯法對公路路基進行加固主要目的分為4個。

(1)采用強夯法，利用夯擊錘的沖擊力及產生的沖擊波將溶洞頂板擊透，將巖溶區頂板擊穿。能夠便于擊穿后對路基空洞進行回填，經過填土壓實避免巖溶區路基出現坍塌現象。

(2)強夯法能夠檢驗路基頂面承載能力，由于強夯法使用的夯擊錘產生的夯擊能遠大于路基的承載能力，若在夯擊錘沖擊力及沖擊波的作用下，溶洞頂面仍未擊穿，則表明該巖溶區路基承載能力滿足高速公路路基使用要求。

(3)強夯法對巖溶區路基處理后，由于強夯產生的沖擊力及沖擊能使路基土質進行壓縮，減小土體的孔隙，增大巖溶區路基的壓實度。土基自身的密實度及強度極大提高，相當于為巖溶路基形成了一層良好的防水層，能夠有效控制溶洞的發展。

(4)大范圍的強夯對于物探等勘探手段未能探出的溶洞、土洞具有一定的檢驗、補充作用，能較為全面的處理淺層溶洞、土洞，有利于路基穩定，保證行車安全。

3.3 強夯法施工過程

(1)平整場地

該巖溶區路基進行強夯法處置之前，首先對施工場地進行平整。打掃施工區域內的土基表面，保證土基表面平整，無堅硬物質導致強夯錘損壞。

(2)確定強夯點

根據工程物探結果確定強夯點，將強夯點定位溶洞正上方。由于溶洞的寬度交寬，以溶洞中心處為強夯點，使用白石灰進行點位標注。強夯范圍為強夯點周圍5 m內。

(3)強夯施工

確定夯擊錘的夯擊能，根據該巖溶區設計地基承載力，選用200×20 kN·m的夯擊錘。在進行夯擊時，確保夯擊點周圍無雜物，適合進行夯擊施工。以200×20 kN·m的夯擊能，單次夯擊兩次，若該溶洞頂面擊穿，需對溶洞巖石進行搬運，采用回填材料對溶洞進行回填，回填后再次進行兩次強夯，保證路基的整體穩定。該巖溶區路基經過強夯處理，1#、2#溶洞頂板被擊穿，只有3#溶洞頂板完好。

3.4 強夯處置后巖溶區路基穩定性分析

該巖溶區路基存在3處溶洞，通過對溶洞的強夯處置，1#、2#溶洞頂部被擊穿，將擊碎巖石進行搬運后，對擊穿溶洞進行土體回填，回填方式采用分層回填法，增加土體的密實度與強度。回填后再進行兩次強夯，保證路基整體承載能力，能夠認為1#、2#溶洞區已經強夯處置完畢，路基承載能力及穩定性符合要求。但是3#溶洞，經過兩次強夯并未將溶洞頂部擊穿，按照強夯法處置目的，可以認為兩處溶洞由于埋深較深，強夯產生的沖擊力及沖擊能不會對地基承載能力及穩定性造成影響。

4 結 論

綜上所述，巖溶區路基的處理影響了高速公路路基的整體穩定性及強度。以廣西某高速公路路基工程為例，經過工程物探調查得到該公路路基下伏存在3處溶洞。根據巖溶區路基病害的類型及產生機理，采用強夯法對該巖溶區路基進行施工。通過強夯施工，2處巖溶區頂部巖層被擊穿，對擊穿溶洞進行回填處理，另外1處巖溶區頂部未被擊穿。通過對處置后巖溶區路基進行分析，得到該巖溶區路基穩定性滿足要求。