市政道路巖溶路基病害特點及處理方案

劉光禮 喬 陽

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著我國西部大開發戰略的實施和城鎮化建設的不斷推進，基礎設施建設規模不斷擴大，城鎮路網建設也逐步增多。我國西南地區地質情況復雜，巖溶地質分布廣泛、形態構造復雜，其成因、力學特征及發育規律千差萬別，增加了路基在設計和施工過程中的技術難度。此類問題處理不當將會造成路基結構失穩危及車輛通行安全，如何避免巖溶路基病害的發生和制定安全、經濟、合理的處理方案是巖溶路基實施過程中亟需解決的問題。本文依托項目實例，對區域巖溶發育特點、巖溶路基病害成因進行分析，探討不同類型的巖溶路基處理方案。

1 區域巖溶發育特點

昆明市空港經濟區受氣候、巖性、構造等因素控制，地貌類型復雜多樣，區域內以剝蝕溶蝕丘陵、剝蝕溶蝕平原為主，屬覆蓋型巖溶區的溶蝕緩坡丘陵地形，場區地形大部分地段起伏較小，局部地段地形起伏較大，地形呈西北低，東南高，局部地段形成溝谷地帶，其主要呈現巖溶地貌和構造剝蝕丘陵地貌。

1.1 巖溶地貌

以剝蝕溶蝕丘陵為主，形成于灰巖、白云巖、灰質白云巖和灰巖中，宏觀上表現為不規則形態的洼地和漏斗面積上大小不等，可大至數平方公里，小至數十平方米。

巖溶發育突出的主要為下伏二疊紀下統燈影組灰巖，巖溶作用較強烈，地表巖溶漏斗、落水洞及地下溶洞、溶隙發育，透水、富水性強，巖溶地下水埋藏較深，旱、雨季水位變幅較大，完整巖體力學強度高，穩定性好，而巖溶洞穴發育地段，在誘發條件（上部荷載、水位大幅下降等）可發生巖溶地面塌陷，危害極大[1]。

1.2 構造剝蝕丘陵地貌

碎屑巖分布地帶多呈現為正地形，與巖溶地貌相互交錯，許多情況下對巖溶地貌形成地理上的分割，受水熱條件的影響，碎屑巖風化強烈，土層厚度從2～20m不等，平均可達8m，顯現出低緯度高原特有的紅色山原地貌特征，如圖1所示。

圖1 典型構造剝蝕丘陵地貌

2 巖溶路基病害特點分析

結合片區已實施道路產生巖溶病害情況，分析其病害特點。

2.1 路基下伏巖溶頂板巖層失穩引發上部路基塌陷

路基在挖填過程中，部分完整巖層被挖除后，整個巖層頂板厚度降低（或原有巖層較薄），強度不足，在上部路面結構自重及車輛荷載作用下導致巖體失穩[2]；此外部分位于填方巖溶地基在大量路基填料的堆載下，下部巖層頂部承載力不足造成巖層結構破壞，上下層土體發生連鎖反應造成局部路基、路面凹陷，如圖2所示。

圖2 已建道路巖溶病害現狀

2.2 在水作用侵蝕下路基土體流失

巖溶地區巖溶作用強烈，透水性、富水性強，巖層頂部土層厚度分布不均，如路基低洼處長期受到地表水及地下水的潛蝕、沖蝕，造成土質填料逐步流失，底部脫空，引發路基整體位移變形或路基塌陷變形。

2.3 路基不均勻沉降、路面開裂

巖溶地區巖層發育差異較大，所形成的石筍、石柱、溶槽、溶溝、漏斗地質構造表面高低起伏，其中填充厚度不均勻土層，厚度范圍在幾米至十幾米，在自然環境及路基施工的影響下，巖層與土層的不同接觸面所產生的沉降變形不一致，最終導致路基發生不均勻的沉降變形，造成路面開裂、沉降等病害。

2.4 小結

以上病害形成機理周期較長，可能存在多重病害因素疊加，往往在道路建成數年后才會演變成可見病害，一旦出現病害所產生的危害是巨大的，嚴重影響路基結構、地下管線安全和車輛安全通行。

3 工程地質概況

擬建項目為片區開發的新建市政道路，道路紅線寬50m，長約898m，呈東西走向，道路沿線巖溶地質發育強烈。為進一步探明道路沿線溶洞、溶蝕現象及不良地質體分布情況，同步進行了詳細巖土工程勘察（特殊區域補充勘察）和高密度電阻率成像（高密度電法）物理探測（見表1所示），根據巖土勘察報告和物探勘測報告，分析地層巖性和地球物理探測特征。

表1 物探勘測異常成果表

（1）人工填土：鉆探揭露埋深0.40～4.30m，平均厚1.33m，結構松散，不宜作基礎持力層，其視電阻率值約為50～200Ω·m。

（2）耕植土：揭露到的耕植土分布在zk62～zk66，褐黃色，主要含植物根系，埋深0.40m，平均厚0.40m，結構松散、力學性質差異大。該層在該場地分布較少，不宜作基礎持力層。

（3）紅黏土：層頂埋深0.00～4.30m，平均埋深0.29m；鉆探揭露厚度1.70～24.7m，平均厚6.90m，該層在所有鉆孔均有出露，為勘探深度范圍內的主要地層。天然密度較小(1.65g∕cm3),可塑～硬塑狀態，局部呈堅硬狀態，其視電阻率值約為50～100Ω·m。

（4）強風化灰巖：層頂埋深2.30～10.60m,平均埋深5.15m；鉆探揭露厚度0.7～2.70m，平均厚1.53m,該層在13個鉆孔出露，為勘探深度范圍內的局部出露地層。其視電阻率值約為100～2000Ω·m。

（5）中風化灰巖：層頂埋深 3.50～13.50m，平均埋深7.22m；鉆探揭露厚度2.40～44.90m，平均厚24.55m，為勘探深度范圍內的主要地層。其視電阻率值約為100～2000Ω·m，局部完整性較好的可達2000Ω·m以上。

（6）破碎層：由于裂隙發育，裂隙間多存在泥質充填現象，且裂隙含水較高，其視電阻率一般在30～150Ω·m，且形態一般呈條帶狀。

（7）溶蝕發育區：溶蝕區多存在孔洞，多數孔洞具泥質充填物，賦水較好，其視電阻率值一般為10～50Ω·m；其異常形態一般呈透鏡狀及串珠狀；未充填的孔洞異常形態多為透鏡狀，其視電阻率表現為極高阻。

根據物探勘測方案，場地內共布置9條高密度電法斷面，本次物探勘測共圈定6個異常斷面，其中裂隙充填異常3個，溶蝕發育異常3個。

4 巖溶路基處理原則和方案

4.1 巖溶路基處理原則

巖溶路基處理過程中應遵循“安全可靠、經濟合理、技術可行、施工方便”的原則，同時結合地區巖溶發育特點，還需結合以下原則[3]：

（1）做好詳細工程勘察，為設計方案決策提供基礎依據；

（2）做好病害的有效預估，采取預防為主，防治結合的原則；

（3）盡可能保持巖溶原有水系的自然補給與排泄環境，避免對地下水源造成污染；

（4）合理利用巖溶頂板、巖溶石柱、巖溶坡面巖石承載能力；

（5）在大面積復雜溶巖路段，宜采用橋式跨越或路線避讓的方法；

（6）在落水洞分布較多的地段，應盡量避免降水施工。因水力梯度的突變，可能造成地面沉陷，威脅地面建筑物安全。

4.2 巖溶路基處理方案

結合地質巖土勘察報告和物探勘測成果，根據道路平面位置及道路設計高程，制定以下巖溶路基處理方案：

（1）剖面1、剖面4位于道路k0+310、k0+500右幅緊鄰道路紅線，為填方段，推測其為裂隙破碎或溶溝、溶槽填充泥質導致的異常。該異常延深至14.4m未封閉，且規模較大，溶溝發育走向為南北走線，斷面兩側巖層結構較為完整，結合片區地表水匯流和地下水流方向推斷，該范圍巖層下方可能為地下水通道，該巖溶發育對路基穩定性影響較大，自現狀地面清除4m軟弱松散土層，對揭露溶洞區域采用M7.5漿砌片石填實封堵，區域設置0.6m厚鋼筋混凝土蓋板整體跨越溶洞區域，蓋板邊緣置于穩定基巖上，蓋板上部按照一般路基填筑施工，路基坡腳設置排水溝收集引流坡面周邊雨水。

（2）剖面5、剖面6位于道路k0+220、k0+250右幅，為挖方段，推斷為局部空洞，下端封閉，處于路基挖方段，埋置深度相對較淺，采用破碎洞體頂板巖層，洞內填入C20素混凝土密實封口處理。

（3）剖面8位于道路k0+140左幅，為挖方段，推測其為裂隙破碎或溶溝、溶槽填充泥質，現狀挖開至設計標高后為可見裸露土洞，采用洞內填入C20素混凝土密實封口處理。

（4）剖面9位于道路k0+030右幅（道路起點與現狀道路平交區域附近），為挖填交接路段，現狀經歷雨季之后形成地面塌陷，塌陷半徑約4m，地面塌陷造成現狀雨水管、污水管、電信管線破損斷裂，燃氣管、給水管擠壓脫空，如巖溶病害持續發展將嚴重影響現有管線和道路的運行安全。根據補充勘察資料顯示，該區域溶洞頂板覆土厚度深淺不一，最大覆土厚度約8m，溶洞貫穿深度1.5～4m，考慮溶洞深淺不一、發育范圍及基巖承載力無法明確判定，溶洞之間存在局部聯通，且現場已出現明顯路基塌陷病害特征，既有管線對施工工藝選擇有影響，現狀施工條件較為復雜，為避免處理不當造成二次病害的發生和對現狀管線的保護，采用鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土頂板處理方案。

自地面向下開挖2.5～3.2m（給水管道底標高下0.7m）土體形成基礎作業面,采用旋挖鉆孔灌注樁進行樁基施工，樁徑800mm，標準樁距為6m，樁長以鉆穿溶洞后入巖2m為控制標準，暫定樁長15m。樁基施工完成后樁頂澆筑0.7m厚的鋼筋混凝土頂板與樁基形成剛性的基礎,頂板范圍根據補勘范圍外延2m（道路右幅延伸至道路紅線范圍）。

由于現狀管道為南北走向與道路垂直，管道自西向東分別為雨水管道、電信管、污水管、燃氣管、給水管，水平跨度約7m，埋設深度深淺不一。按照標準樁距施工樁基位置沖突，樁距調整為9m避讓既有管線，同時考慮到管線區域土體開挖對管道穩定性有影響，土體開挖深度不宜過深，土體開挖深度以現狀給水管以下0.7m作為控制標高，土體開挖按照2m一段分幅跳槽機械配合人工開挖。管道區域單獨設置頂板結構，雨水管、污水管、燃氣管通過在頂板設置混凝土支墩進行保護，給水管道置于頂板上部。該區域頂板置于兩側樁基頂板結構之上，形成搭臺，整體形成三塊鋼筋混凝土板結構，結構布置形式如圖3所示，樁基頂板施工完成后以上部分按照路基要求分層填筑路基填料。

圖3 樁基頂板結構剖面圖（單位：mm）

項目實施過程中嚴格對照勘察成果進行現場勘驗，并根據實際情況動態化設計，最大限度保證處理方案與現場工況相吻合，目前該項目已建成通車3年，巖溶路基處理區域無二次病害的發生，上述處理方案取得了良好的實施效果。

4.3 巖溶處理方案探討

鑒于本項目地質情況的局限性，巖溶路基方案的選擇應以工程地質勘查成果為依托，結合巖溶路基穩定性分析，在保證安全、經濟、合理、環保、易于施工的條件下確定最優的方案。根據不同的巖溶地質情況常用的處理方案為充填法、跨越法、注漿法、樁基法[4]，主要包括以下幾類：

（1）巖溶發育范圍較淺的溶溝、溶槽、溶縫及溶洞口清除附著的土層采用漿砌片石、素混凝土回填；

（2）路塹開挖后暴露的空溶洞、落水洞，需對巖溶形態、充填情況、地下水流情況進行勘探驗證，對于深度較大、寬度較小時，一般宜設置鋼筋混凝土蓋板；

（3）開挖后探明埋藏較淺的小型封閉溶洞且頂板厚度較小，采用破除頂板巖層后，采用漿砌片石、砂漿、片石混凝土等進行封閉，必要時可增設鋼筋混凝土蓋板；

（4）探明的一般溶洞，埋層較深，頂板厚度較大，洞內無水，下部呈封閉態勢，采用溶洞注漿加固方式；如洞徑較大、有水或為地下水通道，則不宜采用注漿方式處理，宜采用鋼筋混凝土板、梁處理；

（5）開挖路塹邊坡存在巖溶泉、出水洞，設置排水溝截流至路基范圍外，對于干溶洞、溶隙采用漿砌片石進行封閉、填塞，必要時在坡頂設置截水溝；

（6）對于填方溝谷低洼地帶，應查明有無裸露溶洞及地下水排泄通道，必要時設置相應的排水盲溝保證排水通道的暢通或將周邊地表水匯集引入路基范圍外；

（7）對于溶洞、漏斗規模較大、且下部未封閉的大型巖溶地段，在采用上述幾種處理方式仍不保證路基安全穩定性的，需增加工程投資的，采用橋跨、拱跨、樁基方式進行處理，如巖溶處理范圍較大，經技術經濟論證后難以保證路基質量安全的，應通過調整道路線形采取避讓措施，避開巖溶發育危害較大的區域。

5 結束語

本文通過對區域巖溶發育、形態、特點的分析，探討巖溶路基病害形成的主要原因，總結不同巖溶形態下路基處理思路以供參考。針對路基巖溶分布、形態及發育規律錯綜復雜性，在今后工程實際中應充分發揮地質勘探、物探等技術優勢，全面掌握地質情況，注重巖溶路基穩定性的分析和處理方案的安全性、經濟性和適宜性論證，并及時跟進方案施工過程進行動態化設計。