高速公路路基巖溶病害治理分析

陳海龍

(建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計(jì)院深圳研究院,廣東深圳 518057)

高速公路路基巖溶病害治理分析

陳海龍

(建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計(jì)院深圳研究院,廣東深圳 518057)

為了研究路基巖溶病害的治理,以某高速公路為例,綜合運(yùn)用多種調(diào)查方法了解場(chǎng)地路基的工程地質(zhì)情況.經(jīng)過分析,溶洞及巖溶水是影響路基穩(wěn)定性的主要因素,對(duì)此提出了具體的治理方案,該方案對(duì)實(shí)際類似工程有一定的借鑒作用.

路基;巖溶;穩(wěn)定性;治理

1 工程概況

某高速公路建設(shè)工程項(xiàng)目由于前期的勘察工作不盡詳細(xì),在其后的施工中出現(xiàn)了大量的巖溶現(xiàn)象,路面下、路塹中均發(fā)現(xiàn)大型的溶洞及地下暗河(見圖1),給施工帶來極大的難度,路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定也受到嚴(yán)重威脅.在這種情況下,快速、準(zhǔn)確地查明巖溶發(fā)育情況,提出并實(shí)施相應(yīng)的治理方案是非常必要的.

圖1 公路施工場(chǎng)區(qū)地質(zhì)情況簡(jiǎn)圖及A-A’剖面示意圖

2 巖溶調(diào)查

2.1 資料收集

本研究相關(guān)的資料主要來源于該段線路的詳細(xì)勘察報(bào)告,主要包括以下信息.

2.1.1 自然地理.

工程原始地貌單元屬溶蝕剝蝕丘陵及坡地.施工場(chǎng)地中部為一條140°～320°方向的山脊與山丘,南東與北西兩側(cè)為沖溝及丘坡,地形起伏較大,地面邊坡角為20°～40°.最高黃海高程為南側(cè)的山丘269.50 m,最低黃海高程為北側(cè)(K137+550北約100 m)的沖溝165.10 m,最大絕對(duì)高差100 m左右.山坡上植被發(fā)育一般,第四系殘坡積層覆蓋較薄,路基南東側(cè)為巖溶殘丘地貌,北西側(cè)為剝蝕丘陵地貌.

地內(nèi)巖溶發(fā)育狀況為,南東側(cè)可見大量的溶芽、溶洞、溶槽及落水洞組成溶蝕地貌,北西側(cè)山脊形成剝蝕丘陵地貌.

施工場(chǎng)地屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),氣候濕和,日照充足,雨量充沛,年降雨量1 100～1 400 mm,春夏之交多暴雨,4～6月約占全年降水量的40%.大氣降雨是地表水、地下水的主要補(bǔ)給來源.場(chǎng)地內(nèi)北東向與北西向沖溝發(fā)育,但地表水系不甚發(fā)育,7～10月地表干涸未見水流.雨季,地表水由溶溝、溶槽、落水洞滲入地下轉(zhuǎn)為地下水,地表水水流不多見.場(chǎng)地北東(K137+450)最大的溪流在旱季出現(xiàn)斷流.

2.1.2 區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造.

據(jù)施工圖階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告及該區(qū)域地質(zhì)報(bào)告(1∶200000)等資料表明,區(qū)域地層主要由寒武系、奧陶系、志留系組成.施工場(chǎng)地僅為奧陶系的硅化瘤狀灰?guī)r與寒武系板巖.區(qū)域構(gòu)造為武陵運(yùn)動(dòng)抬升的北麓,主要為北東向,屬于中國巖溶分區(qū)只鄂西、湘西亞熱帶侵蝕—溶蝕復(fù)合作用巖溶區(qū),其巖溶循北北動(dòng)向壓性構(gòu)造帶和與之相垂直的張性兼扭性的斷裂帶構(gòu)成的“多字型”構(gòu)造體系,巖溶化巖石受構(gòu)造線控制,巖溶地貌分布也都受構(gòu)造體系的約束.施工場(chǎng)地處于北東向馬鞍山背斜的北西翼,距馬鞍山背斜軸部約1 km.

2.1.3 地層巖性.

根據(jù)本次勘察所獲資料及收集的區(qū)域地質(zhì)資料,可將場(chǎng)地內(nèi)地層劃分為第四系植物層(QPd)、殘坡積層(Qdl+el)及基巖三大單元層.

(1)第四系植物層(QPd).種植土為土黃色、灰褐色,濕,結(jié)構(gòu)松散,成份由粘粒、粉粒為主,含植物根須,為稻田、菜地的耕表土,層厚0.20～0.50 m.該層分布于山坡與沖溝內(nèi).

(2)第四系坡殘積層(Qdl+el).低液限粘土為褐紅色、土黃色、灰褐色,干—濕,可塑—硬塑狀,溶溝、溶槽內(nèi)為軟塑狀.其厚度分布不均勻,沖溝內(nèi)厚度一般為1～5 m,最大厚度大于5 m,山坡上厚度一般為0～3 m,溶溝、溶槽中厚度為0.5～3 m.該層分布較廣泛.

(3)奧陶系(O).弱風(fēng)化硅化瘤狀灰?guī)r(層序號(hào)3 -2)為灰色、紫紅色、醬色,隱晶—細(xì)晶結(jié)構(gòu),中—厚層狀構(gòu)造,局部塊狀構(gòu)造,硅、鈣質(zhì)膠結(jié),局部鐵泥質(zhì)膠結(jié),節(jié)理裂隙發(fā)育,結(jié)構(gòu)面呈褐紅色,溶溝、溶槽、溶洞較發(fā)育,且以垂直發(fā)育為主,部分充填—無充填,充填物為粘土與巖石碎塊.該層分布于路基與東南部,傾覆于西北部.

(4)寒武系板巖(∈).灰黃色、灰黑色、灰色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄—中厚層狀構(gòu)造,巖層產(chǎn)狀,傾向290°～330°,傾角35°～45°,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖石較破碎,抗風(fēng)化能力弱,浸水易軟化,強(qiáng)風(fēng)化巖呈土黃色,灰色巖石呈碎渣狀,山坡上厚度為0～10 m,變化較大,沖溝內(nèi)厚度較小,厚度0～5 m.弱風(fēng)化巖巖石較硬,巖石大部分呈碎塊狀—大塊狀,該層分布于場(chǎng)地的北西部.

2.2 地表測(cè)繪及洞穴調(diào)查

地表測(cè)繪主要完成了以下任務(wù)：地下水出露點(diǎn)的位置及其水量季節(jié)變化調(diào)查;場(chǎng)區(qū)內(nèi)所出露的兩種巖石的產(chǎn)狀、裂隙發(fā)育情況以及接觸關(guān)系.

洞穴調(diào)查主要工作包括：溶洞的位置、形態(tài)、深度,地下暗河測(cè)繪(延伸方向、頂板穩(wěn)定性、裂隙).

將上述信息綜合在一起,就得到一張場(chǎng)區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖,據(jù)此可初步推斷得出,巖溶的發(fā)育方向與巖層的走向基本一致.

2.3 物探工作布置

根據(jù)工程施工場(chǎng)地的實(shí)際情況,物探工作采用高密度電阻率法[1],探測(cè)剖面與巖層走向大致垂直,間隔20～30 m.

2.3.1 物探工作方法.

物探工作采用MNB三極裝置,其工作程序是：測(cè)量時(shí)測(cè)量極不動(dòng),供電極逐點(diǎn)向右移動(dòng),得到一條滾動(dòng)線;然后,測(cè)量極和供電極同時(shí)向右移動(dòng)一個(gè)電極,測(cè)量極不動(dòng),供電極向右移動(dòng),得到另一條滾動(dòng)線.這樣不斷滾動(dòng)測(cè)量下去,可得到參數(shù)ρs的矩形斷面,再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得到反映該測(cè)線下面一定深度范圍內(nèi)巖土電性變化的視電阻率剖面圖.

2.3.2 工作參數(shù).

探測(cè)工作開始之前,需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn),即在已知鉆孔位置或其他已知地下目標(biāo)體位置進(jìn)行多參數(shù)測(cè)試,確定地表覆蓋層及基巖、巖溶發(fā)育區(qū)的物探結(jié)果的電性特征,定出最優(yōu)探測(cè)參數(shù),以便獲得滿意的探測(cè)圖像和數(shù)據(jù)結(jié)果.通過多參數(shù)的對(duì)比探測(cè)、試驗(yàn),選定工作參數(shù)如下：探測(cè)方式為MNB裝置;最小極距為1 m、2 m;剖面總數(shù)為30;供電電壓為180～360 V.

2.3.3 探測(cè)質(zhì)量檢查.

為確保探測(cè)質(zhì)量,在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí),按各儀器操作手冊(cè)、技術(shù)規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行,改善激發(fā)、接收、接地條件,克服現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)干擾.對(duì)此,本研究采用了同位置重復(fù)檢測(cè)的自檢以及選擇有代表性的工點(diǎn)采用不同的儀器和操作人員重復(fù)觀測(cè).經(jīng)過工程實(shí)踐,為確保探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量,每10條測(cè)線進(jìn)行一條測(cè)線的重復(fù)觀測(cè),進(jìn)行數(shù)據(jù)采集檢查,在分析解釋工作中,采用多種軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計(jì)算機(jī)成圖,同一測(cè)線二次觀測(cè)的結(jié)果位置絕對(duì)誤差不超過0.2 m.

2.4 鉆探工作布置

鉆探工作的主要目的是對(duì)測(cè)繪與物探成果的證實(shí),同時(shí)根據(jù)其所揭露溶洞的情況,對(duì)溶洞頂板的厚度有一定的把握.如圖1中ZK11鉆孔位置就是物探剖面反應(yīng)有溶洞的存在,經(jīng)鉆探證實(shí)確實(shí)存在溶洞.

2.5 綜合分析及評(píng)價(jià)

對(duì)上述工作進(jìn)行分析總結(jié),可以得出：

(1)施工場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育主要受兩組裂隙控制：一組屬縱張性,為主導(dǎo)裂隙,控制暗河的走向,其特征為走向基本與巖層走向一致,傾向130°～150°,傾角65°～80°,一般垂直巖層傾向切割,且深度大,呈閉合型,裂隙面粗糙,一般為紫紅色,粘土充填與方解石脈充填.另一組呈張扭性,與第一組裂隙呈垂直關(guān)系,其特征為一般垂直巖層傾向切割巖體,具等距性,傾向40°～60°,傾角80°～88°,裂隙面為上寬下窄,在灰色瘤狀灰?guī)r中多形成溶溝、溶槽,局部形成落水洞與溶洞,地表被粘土全充填.在紫紅色瘤狀灰?guī)r中,溶蝕現(xiàn)象不突出,節(jié)理裂隙都被粘土充填.該組裂隙是接受大氣降水補(bǔ)給,滲入巖體中形成地下水的重要通道.巖溶通道分布總體呈齒狀,另外在地下水長(zhǎng)期作用下層面間泥化夾層發(fā)育.

(2)根據(jù)測(cè)繪、物探、鉆探資料確定溶洞頂板標(biāo)高距路面設(shè)計(jì)標(biāo)高1.8 m～3.0 m.洞穴調(diào)查表明,頂板裂隙發(fā)育,在開挖震動(dòng)過程中時(shí)有發(fā)生大量的大塊巖石從洞頂墜落現(xiàn)象;洞寬約為3.0～6.0 m,洞高約為1.5～5.5 m,頂板穩(wěn)定性總體上差,需采取有效的處理措施.

3 治 理

根據(jù)以上調(diào)查分析,對(duì)路基穩(wěn)定存在威脅因素主要是溶洞及巖溶水.因此,必須對(duì)路基下洞室頂板的穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)并進(jìn)行針對(duì)性治理.

3.1 穩(wěn)定性分析

對(duì)所掌握的資料進(jìn)行分析,決定采用定性法之綜合分析法與半定量法中的頂板厚跨比法(h/L)對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)洞室頂板進(jìn)行穩(wěn)定性分析[6].

(1)對(duì)頂板穩(wěn)定性有不利影響的諸多因素中,會(huì)造成路基下洞室頂板失穩(wěn)的主要因素有：①構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)育的裂隙(特別是上文中提到兩組控制裂隙);②地下水作用下巖層間發(fā)育的泥化夾層;③巖層厚度(中厚層)對(duì)洞徑的比值小;④洞室埋藏深度相對(duì)路面設(shè)計(jì)標(biāo)高而言較淺;⑤地下水對(duì)洞室的作用仍然存在.另外,開挖施工也會(huì)造成洞室的整體穩(wěn)定性的減弱.因此,初步判定場(chǎng)區(qū)路基下洞室頂板穩(wěn)定性差,難以滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求.

(2)根據(jù)頂板厚跨比法,對(duì)照上文中的相關(guān)數(shù)據(jù),得h/L值在0.3～0.5 m之間.因此,按照h/L≥1.0為安全界限,洞室頂板達(dá)不到穩(wěn)定性安全要求.

3.2 洞室的處理

根據(jù)路基下洞室頂板強(qiáng)度穩(wěn)定性分析的結(jié)果,需要對(duì)洞室采取相應(yīng)的處理措施,以確保路面的長(zhǎng)期穩(wěn)定.經(jīng)過對(duì)場(chǎng)地諸多影響因素的考慮,決定先將路基下洞室的頂板鑿開,然后將洞室中的泥及塊石清掉,最后用卵石填實(shí).這樣,既可以承受上部的荷載,又能保證地下水的暢通.洞室處理前后典型剖面圖如圖2所示.

圖2 洞室處理前后典型剖面示意圖

4 結(jié) 語

針對(duì)路基巖溶病害調(diào)查的特點(diǎn),在研究各種常用調(diào)查方法之后,結(jié)合實(shí)際工程實(shí)踐,提出了一套綜合調(diào)查方法,即：由資料收集→地質(zhì)測(cè)繪→工程物探→工程鉆探→綜合分析及評(píng)價(jià),同時(shí),再根據(jù)分析成果提出合理的治理方案.該工作方法在實(shí)際的某高速公路建設(shè)路基巖溶病害治理中取得了良好的效果.

[1]張致付,程志平.物探方法在探測(cè)巖溶構(gòu)造中的應(yīng)用[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2003,23(1)：75-78.

[2]李彥軍.巖溶地質(zhì)綜合勘察方法[J].鐵道建筑,2000,40 (5)：25-29.

[3]吳治生.巖溶病害路基注漿機(jī)理及設(shè)計(jì)[J].路基工程, 2003,21(5)：46-50.

[4]陳國亮.巖溶地區(qū)地面塌陷的評(píng)價(jià)與處理[J].工程勘察, 1983,31(1)：25-30.

[5]周建普,李獻(xiàn)民.巖溶地基穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法[J].礦業(yè)工程,2003,23(1)：4-8.

Analysis on Disease Treatment for Roadbed K arst of Highway

CHEN Hailong

(Shenzhen Branch,China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying,Shenzhen 518057,China)

In order to analyze disease treatment for roadbed karst,a highway was taken as an example.Several survey methods were comprehensively used to learn the spot engineering geology.It was found that water-eroded cave and the water were critical factors influencing the stability of roadbed and a specific treatment plan was proposed,which can be references for some similar engineering projects.

roadbed;karst;stability;treatment

TU478

：A

1004-5422(2012)03-0287-03

2012-06-15.

陳海龍(1979—),男,工程師,從事巖土工程施工技術(shù)研究.