火山巖熔空洞地區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)現(xiàn)狀與展望

姚永勝，朱洪洲，唐伯明，肖巧林

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004)

火山巖熔空洞地區(qū)是由于火山爆發(fā)時(shí)，熔巖巖漿在流動(dòng)過(guò)程中，巖漿的逐步冷凝并伴隨著氣體的逸出和巖漿的補(bǔ)給中斷而形成的一種特殊的工程地質(zhì)體?；鹕綆r熔空洞地區(qū)分布廣泛，在日本、澳大利亞、阿拉伯地區(qū)及我國(guó)的海南省瓊北地區(qū)、浙江紹興、四川峨眉山、吉林長(zhǎng)白山、新疆阿爾泰等地區(qū)都有大量分布［1-6］。

火山巖熔空洞地區(qū)在我國(guó)常用的行業(yè)規(guī)范中并未提及，在以往的公路建設(shè)中，遇到該類地區(qū)時(shí)，一般采用繞避的方式或依靠工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行修筑，但隨著公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，路網(wǎng)密度的加大，尤其是近年來(lái)高等級(jí)公路建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的高等級(jí)公路將不可避免地穿越火山巖熔空洞地區(qū)。高等級(jí)公路在穿越該地區(qū)時(shí)，如沒有對(duì)地基、路基進(jìn)行相應(yīng)處治，在公路的建設(shè)或運(yùn)營(yíng)階段，可能會(huì)出現(xiàn)公路的塌陷、不均勻沉降等病害。

1 火山巖空洞的形成及特點(diǎn)

火山噴發(fā)的類型有兩種，即裂隙式噴發(fā)和中心式噴發(fā)。早期火山活動(dòng)以裂隙式噴發(fā)為主，晚期則以中心式噴發(fā)為主，至第四紀(jì)時(shí)以裂隙式噴發(fā)為主，兼有少量的中心式噴發(fā)，形成了大規(guī)模的盾形熔巖、熔巖流及熔巖臺(tái)地上的碎屑錐和復(fù)合錐［7］?；鹕絿姲l(fā)形成的高溫巖熔漿，主要為玄武巖巖漿，在沿地表流動(dòng)的過(guò)程中，由于熔漿表面散熱較快，溫度很快下降，使露在表面的熔漿開始冷凝、固結(jié)，形成堅(jiān)硬的熔巖外殼;而熔巖外殼下部的熔漿冷凝較慢，仍為流動(dòng)態(tài)，繼續(xù)向前流動(dòng)，隨著熔漿補(bǔ)給量的減少和中斷而最終形成的空洞便是火山巖熔洞穴。同時(shí)，由于熔巖巖漿含有大量氣體，熔漿在流動(dòng)和凝結(jié)過(guò)程中，所含氣體不斷逸散和聚集，形成了氣泡和氣洞。因此，在火山巖巖體內(nèi)部又形成了大量的巖熔隧道、節(jié)理或裂縫(圖1)。

圖1 火山巖熔空洞地區(qū)的典型節(jié)理、裂隙Fig.1 The typical joints and fissure at the cavity lava area

火山的噴發(fā)還具有階段性。當(dāng)火山爆發(fā)后，大量的巖漿溢出，形成玄武巖臺(tái)地，這些玄武巖臺(tái)地在若干年間，經(jīng)歷物理化學(xué)及風(fēng)化、雨水侵蝕、搬運(yùn)等作用，在玄武巖的表面逐漸形成了一定厚度的土壤，并長(zhǎng)有植被;當(dāng)下一次火山爆發(fā)時(shí)，巖漿再次沿著玄武巖臺(tái)地，隨著地勢(shì)從高到低流動(dòng)，再一次覆蓋地表，并以此類推，當(dāng)同一地方經(jīng)過(guò)多次間斷的火山爆發(fā)后，在地層垂直方向上便會(huì)形成呈層狀分布的玄武巖地貌，再加上巖體中大量的氣孔、洞穴、節(jié)理和裂隙等，最終形成了一種特殊的，不同于其他巖石類的火山巖熔空洞地區(qū)的地貌特征?；鹕綆r熔空洞地區(qū)的地質(zhì)條件區(qū)別于其他地區(qū)，是因?yàn)榛鹕綆r為火山噴發(fā)出地表的巖漿巖所形成，屬于火成巖，是原生構(gòu)造;而我們所熟知的石灰?guī)r溶則是屬于次生構(gòu)造。

2 火山巖的物理力學(xué)性質(zhì)及工程特性

火山巖包括玄武巖、安山巖、花崗巖等，而火山爆發(fā)后的噴出巖，一般稱之為玄武巖。在公路建設(shè)中，主要涉及的是玄武巖。因此，筆者主要討論玄武巖的化學(xué)成分、物理力學(xué)性質(zhì)和工程特性等。

2.1 化學(xué)成分

玄武巖的主要成分是 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO(還有少量的K2O、Na2O)，其中SiO2含量最多，約占成分總量的1/2左右。全新世玄武巖巖石化學(xué)成分見表 1［7］。

表1 全新世玄武巖巖石化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of Holocene basaltic rock /%

2.2 物理力學(xué)性質(zhì)

玄武巖耐久性甚高，節(jié)理多，且節(jié)理面多成六邊形，新鮮完整的玄武巖為高強(qiáng)度、高模量、具有脆彈性特征的各向同性巖體。玄武巖巖石致密、堅(jiān)硬、性脆，上部多風(fēng)化呈碎塊狀或球狀，其容重一般為28～33 kN/m3［8-9］。玄武巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度 Rc為21.2 ～78.8 MPa，平均 50.8 MPa，屬于硬巖［10］。

2.3 工程特性

火山巖熔空洞地區(qū)中的玄武巖柱狀節(jié)理較發(fā)育，且存在各種原生結(jié)構(gòu)面，在物理風(fēng)化及重力作用下，崩塌落石十分發(fā)育。在路基修筑之前，首先需對(duì)地基進(jìn)行勘察和分析，對(duì)不滿足地基承載力的路段，應(yīng)采取處治措施，以滿足地基的承載力要求和穩(wěn)定性等。在路塹段時(shí)，下面的山坡上經(jīng)常分布著大量的玄武巖崩塌巖塊，且崩塌巖塊由于巖性組合及產(chǎn)狀的不同，玄武巖發(fā)生崩塌落石的概率也將不一樣。在路基填方段，由于洞穴、裂隙、節(jié)理發(fā)育，在公路的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段可能出現(xiàn)塌陷、不均勻沉降等病害。因此，在路基填筑時(shí)，對(duì)施工工藝和施工質(zhì)量要求更高，同時(shí)也要注意路基及邊坡的防護(hù)和防水，避免沖刷。

3 火山巖熔空洞地區(qū)公路病害分析

火山巖熔空洞地區(qū)屬于一種特殊的地質(zhì)體，在工程建設(shè)時(shí)需依據(jù)其特點(diǎn)而特殊對(duì)待。在以往的鐵路和水壩修建過(guò)程中，已遇到過(guò)類似的地質(zhì)，并有一些研究。比如，在內(nèi)蒙古的張集鐵路中，于國(guó)新，等［11］從地貌特征、地層特點(diǎn)、力學(xué)性質(zhì)、路基工程、邊坡、隧道等方面，詳細(xì)分析了該地區(qū)的玄武巖分布及其工程特性。此外，在貴州、浙江、江蘇等地，也有一些關(guān)于玄武巖地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害研究，主要涉及的是邊坡和邊坡穩(wěn)定性方面的探討［10-11］。但在火山巖熔空洞地區(qū)修建高等級(jí)公路方面的研究成果還很少。該地區(qū)修建公路時(shí)，會(huì)遇到開挖堅(jiān)硬巖石難度大、巖體裂隙發(fā)育及開挖薄層軟質(zhì)巖石后，施工場(chǎng)地受到限制等諸多不利因素［12］，需要公路建設(shè)者進(jìn)一步研究和總結(jié)。

火山噴發(fā)的巖漿隨著地表流動(dòng)時(shí)，在不同的內(nèi)外部因素(如巖漿的礦物組成、地形、地貌、溫度、濕度等條件)共同作用下，最終形成了火山巖熔空洞地區(qū)的不良地質(zhì)體。這對(duì)公路工程的建設(shè)和后期運(yùn)營(yíng)存在著極大的安全隱患，而地質(zhì)體中的地下空洞、巖熔隧道、塌陷坑、溝槽等對(duì)公路建設(shè)的影響更為突出(圖2)。

圖2 巖熔隧道及巖熔陷坑Fig.2 Lava tunnel＆ lava collapse

3.1 火山巖熔地下空洞對(duì)公路工程的危害

裸露型熔洞由于幾何尺寸的差異在地基表面形成了高低不平的基巖面，且熔洞內(nèi)填充著大量的風(fēng)化沉積物(主要為高液限土)，這將可能導(dǎo)致修筑在其上的路基產(chǎn)生沉降不均或結(jié)構(gòu)物的地基承載力不能滿足規(guī)范要求等;覆蓋型熔洞則可能因頂板太薄或強(qiáng)度不夠，從而導(dǎo)致熔洞頂板的突然塌陷;大面積的蜂窩狀熔洞群則可能會(huì)引起路塹邊坡的坍塌或路基填方段的不均勻沉降。

3.2 巖熔隧道對(duì)公路路基危害

巖熔隧道頂板中的巖體裂隙發(fā)育且在長(zhǎng)期的地質(zhì)風(fēng)化及外荷載作用的影響下，使得頂板巖體產(chǎn)生松動(dòng)或巖石強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響其穩(wěn)定性，而當(dāng)頂板承載力不能滿足規(guī)范要求時(shí)，則會(huì)使修筑在其上面的路基產(chǎn)生突然性塌陷或邊坡失穩(wěn)等病害［12-13］。

3.3 巖熔陷坑對(duì)公路路基危害

在坑底、坑邊、坑頂四周發(fā)育著環(huán)狀裂隙且陷坑內(nèi)充填有大量的風(fēng)化沉積物;而在坑側(cè)壁及坑邊角可能有殘留的小熔洞，以及在坑底雜亂堆積大小不等的棱角狀塊石或形狀大小各異的巖堆等;它們都將對(duì)公路路基的填筑、壓實(shí)和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響［14-15］。

3.4 熔溝、熔槽及柱狀節(jié)理對(duì)公路路基的危害

溝槽、基巖的凹凸不平及其巖性差異，使得路基或結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻受力，從而引起不均勻沉降或開裂;而柱狀節(jié)理則影響巖體的完整性和強(qiáng)度，進(jìn)而可能導(dǎo)致路基的變形不均或沉陷等病害。

4 火山巖熔空洞地區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)展望

盡管在火山巖熔空洞地區(qū)修建高等級(jí)公路會(huì)遇到很多困難，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和公路的建設(shè)水平、科研水平不斷提升，公路科研人員和建設(shè)者已積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)。但為了保證公路的設(shè)計(jì)、施工和后期運(yùn)營(yíng)階段的安全性，在以下幾個(gè)方面還需進(jìn)一步的發(fā)展和完善［16］。

4.1 勘察技術(shù)

由于火山巖熔空洞地區(qū)屬于不良地質(zhì)體，那么如何運(yùn)用物探、鉆探、聲波檢測(cè)等勘探方法，查明地質(zhì)情況，以便更好地指導(dǎo)公路建設(shè)的設(shè)計(jì)和施工等顯得尤為重要。同時(shí)，對(duì)路基挖填方、構(gòu)造物、橋涵隧道等中的一些重點(diǎn)和關(guān)鍵部位需要進(jìn)行更為詳細(xì)的勘察。

4.2 公路設(shè)計(jì)

在前期工作和地質(zhì)勘探結(jié)束后，結(jié)合火山巖熔空洞地區(qū)的實(shí)際情況，如何對(duì)修筑其上的公路進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證公路修建及后期運(yùn)營(yíng)時(shí)的安全，仍是一項(xiàng)重要任務(wù)。同時(shí)，在保證安全性的前提下，也要注重公路設(shè)計(jì)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和適用性等，也是公路設(shè)計(jì)工作者的重要任務(wù)之一。

4.3 地基處治

在對(duì)火山巖熔空洞地區(qū)的地基在進(jìn)行處治時(shí)，選取什么樣的技術(shù)手段和方法進(jìn)行處治，亦相當(dāng)重要。常用的處治方法有注漿法、強(qiáng)夯法、沖擊壓實(shí)法、橋跨法、板跨法、揭開洞頂回填法等，對(duì)各種方法進(jìn)行理論分析并通過(guò)試驗(yàn)路段驗(yàn)證后，選取一種或幾種方法作為主要的處治手段。同時(shí)，地基處治時(shí)的施工工藝流程、技術(shù)指標(biāo)和控制指標(biāo)等需制定專門的實(shí)施方案。施工過(guò)程中，施工單位和監(jiān)理單位對(duì)重點(diǎn)和關(guān)鍵部位需進(jìn)行重點(diǎn)控制，以保證地基處治的工程質(zhì)量及后期公路運(yùn)營(yíng)階段的安全性。

4.4 路基修筑

在火山巖熔空洞地區(qū)路堤和路塹的修筑時(shí)，需重點(diǎn)考慮選用什么樣的試驗(yàn)路段、選取何種填筑材料、采用何種施工工藝、注意哪些控制要點(diǎn)，以及修筑過(guò)程和后期的檢測(cè)、效果評(píng)價(jià)等方面。同時(shí)，依據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，因地制宜，綜合分析和驗(yàn)證后，進(jìn)而制定出一套完整、詳細(xì)、適用的實(shí)施方案。

［1］ 李新娥.玄武巖纖維和織物的研究進(jìn)展［J］.紡織學(xué)報(bào)，2010，31(1):145-152.

Li Xin’e.Research progress of basalt fiber and fabric［J］.Journal of Textile，2010，31(1):145-152.

［2］ 海南省地質(zhì)局.海南省區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京:地質(zhì)出版社，1995.

［3］ Shuto K，邱永泉.東北日本弧上新世火山巖主要元素和微量元素的橫向變化［J］.國(guó)外火山地質(zhì)，1992(1):78-84.

Shuto K，Qiu Yongquan.Northeast Japan arc pliocene volcano rock of major and race elements on transverse variation ［J］.International Volcanology，1992(1):78-84.

［4］ 季春海，羅艷楊.日本新近系火山巖油氣藏儲(chǔ)層特征［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010(4):108-109.

Ji Chunhai，Luo Yanyang.The characteristics of Japanese Neogene volcanic reservoirs［J］.Inner Mongolia Petrochemical Industry，2010(4):108-109.

［5］ Al-Harthi A A，Al-Amri R M.The porosity and engineering properties of vesicular basalt in Saudi Arabia［J］.Engineering Geology，1999，54:313-320.

［6］ Ramsey N，Tamblyn W.Effect of Weathering on Strength and Modulus of Basalt and Siltstone［C］.San Francisco:American Rock Mechanics Association，2008.

［7］ 張玉芳.中國(guó)東部第四紀(jì)玄武巖空隙特征及其水文地質(zhì)意義［J］.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所所刊，1992(8):101-113.

Zhang Yufang.Void characteristics of quaternary basalt in eastern China and its hydro geological significance［J］.Bulletin of the Institute of Hydrogeology and Engineering Geology Chinese Academy of Geological Sciences，1992(8):101-113.

［8］ 王毅，楊建宏.玄武巖的巖體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性狀研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9):1307-1310.

Wang Yi，Yang Jianhong.Study on rock mass structure and mechanic property of basalt［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(9):1307-1310.

［9］ 趙文.玄武巖分布特征及工程性狀［J］.鐵道勘察，2009，35(5):60-64.

Zhao Wen.Consideration on distribution characteristics of basalt and engineering properties［J］.Railway Investigation and Surveying，2009，35(5):60-64.

［10］楊磊，樊耀武.第四紀(jì)多次噴發(fā)玄武巖地區(qū)橋基勘察［J］.鐵道勘察，2010，36(3):63-67.

Yang Lei，F(xiàn)an Yaowu.Investigation of foundation for bridges at repetitious eruption basalt zone in quaternary period ［J］.Railway Investigation and Surveying，2010，36(3):63-67.

［11］于國(guó)新，周安荔.張集鐵路玄武巖分布特征及工程影響研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2008，5(5):9-13.

Yu Guoxin，Zhou Anli.Study on basalt distribution and its influencing on construction of Zhangdian-Jining Railway［J］.Journal of Railway Engineering，2008，5(5):9-13.

［12］唐小明，游省易，尚岳全.浙江省玄武巖臺(tái)地地貌及地質(zhì)災(zāi)害［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2009，36(2):231-236.

Tang Xiaoming，You Shengyi，Shang Yuequan.Geomorphic features of basalt platform and geological disaster in Zhejiang Province［J］.Journal of Zhejiang University:Natural Science，2009，36(2):231-236.

［13］鄧文琴.貴州高等級(jí)公路玄武巖類土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性探討［J］.公路交通科技，2010，27(7):126-128.

Deng Wenqin.Basalt and soil high slope stability study of Guizhou highway［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2010，27(7):126-128.

［14］劉國(guó)恩.蘇北玄武巖分布區(qū)滑坡研究與防治［J］.江蘇地質(zhì)，1999，23(2):112-114.

Liu Guoen.Study and control of landslide in the basalt distribution region of north Jiangsu ［J］.Geology of Jiangsu，1999，23(2):112-114.

［15］沈強(qiáng)，陳從新.云南玄武巖滑坡滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)分析［J］.巖土力學(xué)，2006，27(12):2309-2323.

Shen Qiang，Chen Congxin.Analysis of mechanical parameters of slip surface for basalt landslide in Yunnan［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27(12):2309-2323.

［16］關(guān)鵬，孫建民，楊國(guó)忠.玄武巖臺(tái)地公路設(shè)計(jì)要點(diǎn)芻議［J］.中國(guó)工程咨詢，2005(12):53-59.

Guan Peng，Sun Jianming，Yang Guozhong.Design points of basalt highway［J］.Chinese Consulting Engineers，2005(12):53-59.