張加岐

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 引 言

隨著我國交通建設(shè)的發(fā)展，高速公路不可避免的穿越巖溶區(qū)。巖溶是一種不良地質(zhì)，對巖溶路基的處置影響了路基整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及承載能力[1]。根據(jù)巖溶地質(zhì)的分類，能夠?qū)r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(dāng)巖溶區(qū)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(jìn)行分層填筑分層壓實，增加巖溶區(qū)土體的強(qiáng)度及密實度[3]。但是巖溶區(qū)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(jīng)過大型器械壓實后，容易造成路基的不均勻沉降，從而導(dǎo)致路基出現(xiàn)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(qū)路基進(jìn)行壓實，因此路基壓實度不足，造成路基出現(xiàn)沉陷現(xiàn)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(jìn)行強(qiáng)夯處置，采用強(qiáng)夯法對巖溶區(qū)路基進(jìn)行穩(wěn)定性分析，當(dāng)通過強(qiáng)夯使溶洞頂板擊穿時，需要對擊穿巖石進(jìn)行搬運，再進(jìn)行換土回填壓實，保證巖溶區(qū)路基穩(wěn)定性[6]。但有些巖溶區(qū)埋深較深，通過強(qiáng)夯法不能將溶洞頂部擊穿，通常認(rèn)為該種溶洞對路基的穩(wěn)定性無影響。因此，強(qiáng)夯法在巖溶區(qū)路基中的處置尤為重要。本文以廣西某巖溶區(qū)高速公路為例，通過工程物探勘察，得到該巖溶區(qū)存在3處溶洞。根據(jù)溶洞特征，采用強(qiáng)夯法對路基進(jìn)行處置，處置后通過路基穩(wěn)定性分析，得到該巖溶區(qū)路基穩(wěn)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(fā)展不可避免的問題。巖溶是一種不良地質(zhì)情況，其發(fā)展影響了公路路基的穩(wěn)定性，巖溶地質(zhì)的存在形式較多，例如溶洞和土洞，這兩種類型的巖溶嚴(yán)重影響了公路路基的穩(wěn)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(wěn)定性，而且?guī)r溶的存在具有一定的隱蔽性，采用常用的地質(zhì)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(wěn)定性，在對路基進(jìn)行加固處置之前需要對巖溶路基的病害進(jìn)行研究。

2.1 巖溶的形成及發(fā)展條件

巖溶的存在形式豐富且影響其發(fā)展的因素較多，根據(jù)調(diào)查研究得到巖溶形成及發(fā)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(zhì)構(gòu)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(fā)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(zhì)構(gòu)造。可溶性巖是決定巖溶發(fā)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(zhì)構(gòu)造環(huán)境對巖石完整程度、裂隙力學(xué)性質(zhì)、空間分布規(guī)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(huán)境不同，巖溶的發(fā)育程度也不相同，有的地區(qū)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(fā)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(qiáng)，巖溶發(fā)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(qiáng)的侵蝕力，則巖溶將保持較高的發(fā)育速度。

(3)地形

地下水的補(bǔ)給量和補(bǔ)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(bǔ)給量相對較少，使得地表巖溶形態(tài)較小。平緩地帶地表水的徑流量較小，而地下水流速緩且補(bǔ)給量較多，但由于強(qiáng)烈的侵蝕作用，導(dǎo)致巖溶較大。

2.2 常見巖溶形態(tài)

(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(zhì)斷裂形成的巖層塌陷共同作用下產(chǎn)生的巖溶。其發(fā)展方向為水平發(fā)展，作為地下水的早期排水通道。大的溶洞系統(tǒng)是在巖溶水的水平循環(huán)帶中產(chǎn)生的。由于巖層分布的無序性導(dǎo)致溶洞內(nèi)部的復(fù)雜，洞室的大小與形態(tài)具有很大差別。通常溶洞形狀不規(guī)則，高低起伏，洞內(nèi)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(qū)，在工程施工及日常生活中，由于對土質(zhì)進(jìn)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(yán)重影響了路基的穩(wěn)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(dǎo)致路面沉陷，平整度下降，當(dāng)車輛荷載行駛時，增加了路基的不均勻沉降，導(dǎo)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(jìn)行高速公路路基施工時需要對路基進(jìn)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(shè)備不易進(jìn)行壓實施工，導(dǎo)致壓實度不足，在車輛荷載行駛過程中，造成路基產(chǎn)生不均勻沉降，嚴(yán)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(dǎo)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(wěn)引起路基塌陷

巖溶路基出現(xiàn)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(shù)不能精確得到其內(nèi)部情況。巖溶路基下部的地下空洞具有一定的復(fù)雜性，主要體現(xiàn)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(zhì)復(fù)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(wěn)引起路基坍塌。巖溶路基的坍塌分為兩種類型，一種為土質(zhì)坍塌，一種為巖質(zhì)坍塌。土質(zhì)坍塌是由于表層土基開挖，使路基結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)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(wěn)，導(dǎo)致路基整體坍塌。

3 巖溶路基處置方法及穩(wěn)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(qū)，根據(jù)對該公路路基進(jìn)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(qū)，高速公路路面寬為27 m，根據(jù)工程物探調(diào)查，得到巖溶區(qū)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(wěn)定性，對交通出現(xiàn)造成安全隱患。

3.2 強(qiáng)夯處置技術(shù)應(yīng)用

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

表1 巖溶區(qū)路基工程事故發(fā)生概率分級

該巖溶區(qū)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(qiáng)夯法對公路路基進(jìn)行加固主要目的分為4個。

(1)采用強(qiáng)夯法，利用夯擊錘的沖擊力及產(chǎn)生的沖擊波將溶洞頂板擊透，將巖溶區(qū)頂板擊穿。能夠便于擊穿后對路基空洞進(jìn)行回填，經(jīng)過填土壓實避免巖溶區(qū)路基出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

(2)強(qiáng)夯法能夠檢驗路基頂面承載能力，由于強(qiáng)夯法使用的夯擊錘產(chǎn)生的夯擊能遠(yuǎn)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(qū)路基承載能力滿足高速公路路基使用要求。

(3)強(qiáng)夯法對巖溶區(qū)路基處理后，由于強(qiáng)夯產(chǎn)生的沖擊力及沖擊能使路基土質(zhì)進(jìn)行壓縮，減小土體的孔隙，增大巖溶區(qū)路基的壓實度。土基自身的密實度及強(qiáng)度極大提高，相當(dāng)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(fā)展。

(4)大范圍的強(qiáng)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(bǔ)充作用，能較為全面的處理淺層溶洞、土洞，有利于路基穩(wěn)定，保證行車安全。

3.3 強(qiáng)夯法施工過程

(1)平整場地

該巖溶區(qū)路基進(jìn)行強(qiáng)夯法處置之前，首先對施工場地進(jìn)行平整。打掃施工區(qū)域內(nèi)的土基表面，保證土基表面平整，無堅硬物質(zhì)導(dǎo)致強(qiáng)夯錘損壞。

(2)確定強(qiáng)夯點

根據(jù)工程物探結(jié)果確定強(qiáng)夯點，將強(qiáng)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(qiáng)夯點，使用白石灰進(jìn)行點位標(biāo)注。強(qiáng)夯范圍為強(qiáng)夯點周圍5 m內(nèi)。

(3)強(qiáng)夯施工

確定夯擊錘的夯擊能，根據(jù)該巖溶區(qū)設(shè)計地基承載力，選用200×20 kN·m的夯擊錘。在進(jìn)行夯擊時，確保夯擊點周圍無雜物，適合進(jìn)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(jìn)行搬運，采用回填材料對溶洞進(jìn)行回填，回填后再次進(jìn)行兩次強(qiáng)夯，保證路基的整體穩(wěn)定。該巖溶區(qū)路基經(jīng)過強(qiáng)夯處理，1#、2#溶洞頂板被擊穿，只有3#溶洞頂板完好。

3.4 強(qiáng)夯處置后巖溶區(qū)路基穩(wěn)定性分析

該巖溶區(qū)路基存在3處溶洞，通過對溶洞的強(qiáng)夯處置，1#、2#溶洞頂部被擊穿，將擊碎巖石進(jìn)行搬運后，對擊穿溶洞進(jìn)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(qiáng)度?；靥詈笤龠M(jìn)行兩次強(qiáng)夯，保證路基整體承載能力，能夠認(rèn)為1#、2#溶洞區(qū)已經(jīng)強(qiáng)夯處置完畢，路基承載能力及穩(wěn)定性符合要求。但是3#溶洞，經(jīng)過兩次強(qiáng)夯并未將溶洞頂部擊穿，按照強(qiáng)夯法處置目的，可以認(rèn)為兩處溶洞由于埋深較深，強(qiáng)夯產(chǎn)生的沖擊力及沖擊能不會對地基承載能力及穩(wěn)定性造成影響。

4 結(jié) 論

綜上所述，巖溶區(qū)路基的處理影響了高速公路路基的整體穩(wěn)定性及強(qiáng)度。以廣西某高速公路路基工程為例，經(jīng)過工程物探調(diào)查得到該公路路基下伏存在3處溶洞。根據(jù)巖溶區(qū)路基病害的類型及產(chǎn)生機(jī)理，采用強(qiáng)夯法對該巖溶區(qū)路基進(jìn)行施工。通過強(qiáng)夯施工，2處巖溶區(qū)頂部巖層被擊穿，對擊穿溶洞進(jìn)行回填處理，另外1處巖溶區(qū)頂部未被擊穿。通過對處置后巖溶區(qū)路基進(jìn)行分析，得到該巖溶區(qū)路基穩(wěn)定性滿足要求。