淺談桂陽(yáng)高速公路隱伏土洞探測(cè)及處治

摘要:本文對(duì)桂陽(yáng)高速公路喀斯特地貌路基隱伏土洞的探測(cè)方法和處治進(jìn)行了細(xì)致的分析、闡述及探討

關(guān)鍵詞:高速公路 隱伏土洞 探測(cè)和處治

桂林至陽(yáng)朔高速公路穿過(guò)陽(yáng)朔喀斯特地貌的核心區(qū)，地下溶洞分布廣、數(shù)量多，地下河埋層淺，業(yè)主方就施工區(qū)已出現(xiàn)地表塌陷的隱伏土洞處治問(wèn)題組織國(guó)內(nèi)地質(zhì)專家進(jìn)行了研討，并形成共識(shí):采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，對(duì)已探測(cè)出的土洞使用開(kāi)挖或注漿的方法進(jìn)行處治，并埋設(shè)光纖設(shè)施跟蹤探測(cè)已處治路段的土顆粒和地下水運(yùn)動(dòng)情況。

隱伏土洞形成的水文地質(zhì)特征

桂林至陽(yáng)朔高速公路路線多處于典型巖溶峰林平原地貌，地勢(shì)平坦;屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛，年均降雨量1926mm，但降雨量分配不均，每年降雨集中在4、5、6、7月四個(gè)月，雨量近1000mm，約占全年降雨量的52%。巖溶地下水補(bǔ)給-徑流區(qū)，地下水位變化較大，在雨季，地下水位高出基巖面，而在枯季，則低于基巖面。這種地下水在基巖面上下波動(dòng)的水動(dòng)力模式，極易導(dǎo)致上覆土層發(fā)生滲透破壞和崩解，進(jìn)而形成土洞，且該地區(qū)土洞仍處于“活動(dòng)”狀態(tài)(圖 2)。在地下水長(zhǎng)期作用下，將會(huì)不斷的向上發(fā)展、擴(kuò)大，最后產(chǎn)生塌陷，危及公路安全。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隱伏土洞的條件

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，覆蓋土層的電阻率約為幾Ω·m～200Ω·m，淺層巖溶發(fā)育帶電阻率一般為200Ω·m～2000Ω·m，完整灰?guī)r的電阻率為2000Ω·m以上。覆蓋土層與淺層巖溶發(fā)育帶、完整基巖有明顯的電阻率差異，利用電阻率法探測(cè)基巖起伏和巖溶分布的地球物理?xiàng)l件成立。

粘土、土洞和巖石對(duì)高頻電磁波的反射不同，它們的介電常數(shù)差別很大，在他們的接觸界面對(duì)高頻電磁波的反射差異很大，接收到的電磁波的旅行時(shí)間、頻率等具有明顯的區(qū)別，因此，采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)土洞的地球物理?xiàng)l件成立。

地質(zhì)雷達(dá)采用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR—10A型探地雷達(dá)。天線采用100MHz低頻同體屏蔽天線，有效探測(cè)深度約10m，采用連續(xù)測(cè)量方式探測(cè)。其工作原理是利用土層、巖石和土洞等對(duì)探地電磁波反射的差異，通過(guò)分析地面接收到的反射信號(hào)的旅行時(shí)間、波形和反射波譜特征等差異來(lái)確定土洞等。在覆蓋層小于10m的場(chǎng)地，利用土層、土洞和巖石的這些特征，采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)土洞可收到良好的效果。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隱伏土洞的方法

桂陽(yáng)高速公路對(duì)出現(xiàn)土洞頻率比較高的四個(gè)填方及零填路段共長(zhǎng)18.5km進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，共探測(cè)出土洞100多個(gè)，埋深分布在2m~9m處，土洞體積大小不等。

探測(cè)測(cè)線的布設(shè):設(shè)定公路中軸線為0號(hào)測(cè)線，下行左邊為負(fù)測(cè)線，右邊為正測(cè)線。以里程樁號(hào)為控制點(diǎn)，皮尺量距。地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線間距3米。沿公路中心線布設(shè)6條測(cè)線:-9線、-6線、-3線、3線、6線、9線，連續(xù)測(cè)量。

路線中地質(zhì)雷達(dá)探明的異常有如下4類:

(1)空洞:土洞或溶洞解釋為空洞，在地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)反射彩色剖面上表現(xiàn)為雙曲線型強(qiáng)反射。

(2)擾動(dòng)土:土體發(fā)生擾動(dòng)、但還未形成洞穴的，解釋為擾動(dòng)土，在地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)反射彩色剖面表現(xiàn)為雜亂無(wú)章強(qiáng)反射。

(3)人工埋設(shè)物(通道或涵洞等):在地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)反射彩色剖面上表現(xiàn)與空洞相同，空洞異常的差別是:異常在所有測(cè)線相同的位置、相近的深度出現(xiàn)。

(4)已處理土洞:填埋土洞的填充物質(zhì)主要是碎石，孔隙大，反映為從地表開(kāi)始、雜亂無(wú)章特強(qiáng)反射(圖 1)。

圖 1 土洞開(kāi)挖回填處理后旁邊仍有土洞存在

探測(cè)顯示土洞異常的位置和已填石處理的土洞異常相連即反映出這一問(wèn)題。

圖 2 開(kāi)挖土洞很容易導(dǎo)致地下水涌出形成新土洞

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隱伏土洞體積的測(cè)算

對(duì)隱伏土洞異常的體積進(jìn)行了推算，以便制訂下一步處治方法。 體積(V)計(jì)算方法:考慮到在第四系松散堆積體中，球狀空洞具有較好的穩(wěn)定性，因此，采用球體體積來(lái)近似計(jì)算土洞體積，計(jì)算中，將土洞異常的跨度作為球體直徑Φ(圖 3):V=Φ3×π/6

體積測(cè)算的誤差:

1、由于土洞可能底部存在充填，使計(jì)算體積比實(shí)際的大;

2、土洞長(zhǎng)軸與公路軸向斜交，會(huì)使實(shí)際體積比計(jì)算體積大;

3、土洞周圍裂隙、孔隙的存在，特別是土洞底部到基巖面之間的松散堆積土的存在，會(huì)使實(shí)際體積比計(jì)算體積大。

圖 3 土洞的體積計(jì)算圖示

隱伏土洞的處治方法

針對(duì)以上探測(cè)結(jié)果及推算土洞體積，經(jīng)專家及相關(guān)人員研究決定，對(duì)桂陽(yáng)高速公路隱伏土洞采用鉆孔壓漿充填固化法(圖 4)和開(kāi)挖-反濾層+土工布法(圖 5)兩種方法進(jìn)行處治。

一、鉆孔壓漿充填固化法

通過(guò)直接向土洞及其下的擾動(dòng)土中灌注水泥粉煤灰漿液，充填土洞空洞和擾動(dòng)土形成水泥土固結(jié)，來(lái)加固已有土洞和防止新的土洞的形成，提高路基整體承載力;該方法適用于土洞埋藏深度大于3 m。

技術(shù)要求:

1、按每個(gè)土洞布孔3～5個(gè)(依據(jù)土洞大小定)，孔距1.5m，孔深以揭穿土洞進(jìn)入洞底2 m為準(zhǔn)(如提前遇基巖，則孔深至巖面);

2、土洞填充物采用水泥粉煤灰漿液填充;

3、水泥粉煤灰漿液的配合比為水:水泥:粉煤灰:水玻璃=1:0.8:0.4:0.01;土洞底部的灌漿段宜加大水玻璃的用量(2%～5%)，加快凝結(jié)時(shí)間;

4、漿液試塊抗壓強(qiáng)度為5MPa;

5、土洞充填物及周邊土體的承載力達(dá)到180kPa;

6、采用自下而上的灌注方法，灌漿時(shí)應(yīng)遵循逐漸加密的原則;

7、灌注結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):鉆孔整孔冒漿或分段灌注壓力達(dá)到0.2～0.5MPa;

8、質(zhì)量檢驗(yàn):施工結(jié)束28天或時(shí)間更長(zhǎng)點(diǎn)，按灌漿孔總數(shù)的2%～5%進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)采用透孔檢測(cè)及原位測(cè)試。

設(shè)備要求:勘察鉆機(jī)4臺(tái)，灌漿設(shè)備4套。

在施工中應(yīng)注意的問(wèn)題:

1、處理前必須按已探測(cè)的土洞的位置嚴(yán)格放樁，準(zhǔn)確定位，并根據(jù)土洞的大小計(jì)算準(zhǔn)備的注漿材料。

2、通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定灌漿壓力。

3、需要達(dá)到兩個(gè)條件:一是土洞及周邊縫隙必須填充滿，掌握漿液凝固時(shí)間，通過(guò)二次或三次注漿，保證空洞填充滿;二是充填物強(qiáng)度和周圍土層相比不能過(guò)高，以避免因出現(xiàn)不均勻沉陷問(wèn)題。

質(zhì)量保證措施

1、嚴(yán)格按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-91 有關(guān)規(guī)范、規(guī)定及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工。質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)貫穿于施工的全過(guò)程，隨時(shí)檢查施工記錄并進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，壓力泵、發(fā)電機(jī)組派專人負(fù)責(zé)操作和記錄，及時(shí)觀察和記錄各灌漿壓力、灌漿量及竄、冒、返漿情況，一旦發(fā)生異常情況，及時(shí)通知工地技術(shù)負(fù)責(zé)人予以解決。

2、施工前，做好土洞位置的確認(rèn)工作，避免漏灌、錯(cuò)灌事故。

3、每個(gè)土洞處理前后均需仔細(xì)清洗灌漿泵、漿管，避免因漿液堵管而導(dǎo)致漏灌。

4、嚴(yán)格按要求進(jìn)行漿液主劑(水泥)及添加劑的送檢工作，確保施工材料合格。

5、施工過(guò)程中必須嚴(yán)格按該指標(biāo)施工，對(duì)漿液配置和對(duì)灌漿壓力、灌漿量的控制需嚴(yán)格按施工方案執(zhí)行。

6、漿液攪拌站需盡可能靠近施工孔位。

質(zhì)量檢測(cè)手段與方法

采用透孔鉆芯取樣及原位測(cè)試方法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)頻率要求每個(gè)土洞不少于1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)合格標(biāo)準(zhǔn):(1)土洞部位:土洞充填飽滿、密實(shí)，鉆取的巖芯中應(yīng)見(jiàn)水泥漿體，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)≥4擊;(2)土洞底部軟土強(qiáng)度應(yīng)有明顯提高，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)≥4擊。

圖 4 采用鉆孔注漿方法處置土洞

二、開(kāi)挖-反濾層+土工布法

當(dāng)巖溶水位低于基巖面或土洞埋藏深度小于3 m時(shí)，可采用本方法，施工中應(yīng)注意:

1、應(yīng)清土至基巖面，并將溶槽、裂縫中的充填物也清理干凈;

2、應(yīng)根據(jù)溶槽、裂縫等的規(guī)模選擇適當(dāng)大小的底部填石，底部填石不應(yīng)含有粘土和其它細(xì)粒物;

3、填石反濾層粒徑過(guò)渡應(yīng)適中，一般相鄰兩級(jí)濾層的相差粒徑不應(yīng)超過(guò)3～4倍;

圖 5 開(kāi)挖-反濾層填石+土工布處置土洞方案

4、反濾層頂部及四周都應(yīng)覆蓋土工布，防止上部及四周填土的流失。

這種方法一方面沒(méi)有考慮地下水對(duì)填石體細(xì)料的沖刷和通過(guò)填石體對(duì)周圍土體的側(cè)向作用有可能使周圍土體產(chǎn)生破壞;另一方面，開(kāi)挖過(guò)程中，會(huì)局部改變水動(dòng)力條件，使地下水涌出，破壞坑周土體穩(wěn)定性;兩種原因都會(huì)形成新的土洞。

建議:

1、建議處理完成后，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行灌漿處理效果的檢驗(yàn)。

2、考慮到土洞的發(fā)育具有時(shí)間性，而且高速公路修建后，將會(huì)改變地下水動(dòng)力條件，有可能在局部地段促進(jìn)土洞的形成和發(fā)展，為此，建議開(kāi)展路基隱伏土洞監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)土洞隱患，采取處置措施，避免最終形成地面塌陷，給公路運(yùn)輸造成重大影響。

結(jié)束語(yǔ):

目前桂陽(yáng)高速公路通車兩年多來(lái)，對(duì)已處理100多個(gè)土洞路段的路基路面回訪檢查，未發(fā)現(xiàn)下沉變形的情況，并通過(guò)埋設(shè)光纖設(shè)施跟蹤探測(cè)等方法觀測(cè)，路基路面處于穩(wěn)定狀態(tài)。初步判斷以上隱伏土洞的處治方法是有效可行的。