巖溶區(qū)高速公路路基處治設(shè)計(jì)

鄭亞強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

在我國華南、西南地區(qū)高速公路建設(shè)中，巖溶是一種比較常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象。針對(duì)巖溶區(qū)的溶洞處治，在高速公路橋梁施工時(shí)溶洞的處治技術(shù)相對(duì)于路基而言比較成熟，對(duì)于路基工程，由于其對(duì)地表變形的容許值大、變形周期長且處治范圍通常比較大等緣故，在跨過溶洞時(shí)的巖溶處治一直未能形成一套完善的技術(shù)。國內(nèi)學(xué)者李楊、彭瑞華在鐵路工程中采用壓力注漿技術(shù)進(jìn)行處治[1]，陳青洪在渝懷鐵路建設(shè)中采用開挖回填、注漿等技術(shù)對(duì)不同形態(tài)的溶洞進(jìn)行處治[2]，均取得了良好的效果。但由于注漿工程量難以控制，往往造成工程造價(jià)難以控制。

本文將結(jié)合廣東省汕湛高速公路建設(shè)中的路基路段溶洞處治設(shè)計(jì)，介紹壓力灌注混凝土處治溶洞的設(shè)計(jì)方法，以期能夠拋磚引玉，與業(yè)界同行共同探討公路路基路段巖溶的處治技術(shù)。

1 工程概況

汕湛高速公路云浮至湛江段K26+100—K30+100路段跨越巖溶區(qū)，該地區(qū)地貌單元屬巖溶溶蝕準(zhǔn)平原區(qū)，地形平緩，地表多為第四系地層所覆蓋，植被發(fā)育，稻田密集。地層巖性為第四系沖洪積（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土、砂土層和殘坡積圓礫土層之下隱伏石炭系石灰?guī)r。石灰?guī)r層節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層多見方解石脈，溶洞、溶蝕溝槽等巖溶現(xiàn)象極發(fā)育，溶洞埋深4.7～33.6 m，溶洞高 5.5～23.7 m，溶洞多為半充填，且溶洞以串珠式溶洞形式存在，上下層溶洞間巖層頂板厚0.5～4 m不等，最上層溶洞巖層頂板厚度0～21.6 m。根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011），該地區(qū)巖溶按埋藏條件分類為淺-深覆蓋型巖溶。巖溶發(fā)育等級(jí)綜合評(píng)定為極發(fā)育。

該路段路基形式以填方路基為主，填土高度3～11 m，局部存在挖方路基。

2 巖溶區(qū)路基穩(wěn)定性評(píng)定現(xiàn)狀

我國現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）對(duì)路基穩(wěn)定性有影響的最小溶洞埋深未做明確規(guī)定，僅提出了對(duì)于溶洞頂板巖層完整性較好時(shí)，采用厚跨比法確定路基的穩(wěn)定性。規(guī)范規(guī)定當(dāng)頂板的厚度與路基跨越溶洞的長度之比大于0.8時(shí)，溶洞可不作處理[3]。向賢禮、曾祥忠等經(jīng)過研究認(rèn)為，對(duì)于穩(wěn)定圍巖,可以用厚跨比法進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)能夠取得參數(shù)時(shí)，可以將洞體頂板視作結(jié)構(gòu)自承重體系，用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)頂板形態(tài)、成拱條件及裂隙切割情況，分別將其作為梁板或拱受力計(jì)算或進(jìn)行有限元數(shù)值分析；對(duì)于不穩(wěn)定圍巖，選擇散體理論分析方法中諸如坍塌平衡法、坍塌填塞法、經(jīng)驗(yàn)公式法以及穩(wěn)定系數(shù)法等半定量、定量分析評(píng)價(jià)法[4]。但前提條件均是要求取得準(zhǔn)確的勘察資料，而現(xiàn)實(shí)情況是由于溶洞處于地下，分布形態(tài)復(fù)雜，邊界模糊，同時(shí)對(duì)于深埋溶洞，現(xiàn)有的地質(zhì)勘察手段也較難確定頂板的巖層完整性，因此采用厚跨比法判定巖溶地區(qū)路基的穩(wěn)定性盡管理論成熟，但工程實(shí)際操作性還有待于進(jìn)一步提高，在目前溶洞區(qū)路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中應(yīng)用較少。而對(duì)于采用坍塌填塞法確定的巖溶穩(wěn)定性評(píng)定過于保守，勢必造成工程浪費(fèi)。

3 巖溶處治設(shè)計(jì)

3.1 處治設(shè)計(jì)方案

根據(jù)廣東省高速公路巖溶處治經(jīng)驗(yàn)，溶洞埋深小于15 m時(shí)且溶洞頂部巖層厚度小于5 m時(shí)，需對(duì)路基下的溶洞進(jìn)行處治。當(dāng)溶洞埋深小于3 m時(shí)，可采用直接開挖后回填、地表強(qiáng)夯處理或者鋼筋混凝土板跨越的方法進(jìn)行處治，該項(xiàng)技術(shù)已比較成熟，本文不再贅述。

溶洞埋深在3～15 m之間且溶洞頂板厚度小于5 m或者溶洞埋深小于5 m且?guī)r溶頂板厚度大于等于1.5 m的串珠式溶洞，由于其埋深大、溶洞邊界無法清晰判斷和多層次的特征，傳統(tǒng)的表層開挖后回填、鋼筋混凝土板跨越等措施都不適用該類溶洞的處治。因此在方案確定時(shí)，進(jìn)行了素混凝土樁與壓力注漿、壓力灌注小石子混凝土的處治方案比較，最終確定采用壓力灌注小石子混凝土的處治措施。并結(jié)合廣東省在橋梁樁基穿越巖溶區(qū)時(shí)的處治經(jīng)驗(yàn)確定，對(duì)于充填率較低的溶洞如洞高度小于5 m，采用壓注M5水泥砂漿的處治措施或者采用鉆孔灌注素混凝土樁的處理措施，如果溶洞高度大于5 m，采用壓注C10小石子混凝土的方法處治或者采用鉆孔灌注素混凝土樁的處理措施。對(duì)于充填率較高且充填物多為固態(tài)物的溶洞，采用壓力灌注水泥凈漿的措施。本文著重介紹壓力灌注水泥砂漿和小石子混凝土的處治方法。

表1 素混凝土樁與壓力注漿、壓力灌注砂漿或小石子混凝土工法比較

3.2 巖溶處治范圍

溶洞位于路基占地范圍時(shí)，對(duì)整個(gè)溶洞進(jìn)行處治；當(dāng)溶洞范圍大于路基占地范圍時(shí)，僅對(duì)路基占地范圍內(nèi)的溶洞進(jìn)行處治。

3.3 壓力灌注混凝土設(shè)計(jì)

壓力注漿根據(jù)溶洞高度分別采用壓力灌注水泥砂漿、壓力灌注小石子混凝土。當(dāng)溶洞高度小于5 m時(shí)采用壓力灌注水泥砂漿，當(dāng)溶洞高度大于等于5 m時(shí)，采用壓力灌注小石子混凝土。

3.3.1 注漿孔設(shè)計(jì)

壓力注漿灌漿孔分帷幕孔和注漿孔。帷幕孔孔距為1 m，注漿孔孔距為3 m。灌漿孔的設(shè)計(jì)深度為地表至溶洞底板以上0.5 m。注漿采用套管法，套管直徑為127 mm。壓漿采用泵送分段灌注，泵送壓力約為 13～15 MPa。

3.3.2 漿液配合比設(shè)計(jì)

圖1 巖溶處治設(shè)計(jì)圖（比例：1∶200）

灌注砂漿時(shí)，砂漿配合比宜為：32.5級(jí)水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶減水劑=300∶130∶1 580∶270∶8.5[5]。帷幕孔可根據(jù)實(shí)際需要添加水玻璃速凝劑。

灌注小石子混凝土?xí)r，小石子混凝土配合比宜為：32.5級(jí)水泥∶粉煤灰∶水∶砂∶碎石∶減水劑=180∶200∶220∶840∶990∶6.86[5]。帷幕孔可根據(jù)實(shí)際需要添加水玻璃速凝劑。

3.3.3 灌注量計(jì)算

灌注量可參考采空區(qū)注漿處治時(shí)注漿量的估算方法進(jìn)行初步估算，實(shí)際灌注量應(yīng)以施工現(xiàn)場實(shí)際發(fā)生量為準(zhǔn)。

式中：A為漿液損耗系數(shù)，取值1.2；ΔV為巖溶區(qū)剩余空隙體積，m3，本次計(jì)算按根據(jù)巖溶的充填情況取值，對(duì)于半充填取值為溶洞體積的60%，未充填取值為溶洞體積的100%；η為漿液充填率，取值0.9；C為漿液結(jié)石率，取值90%。

3.3.4 灌注壓力設(shè)計(jì)

根據(jù)《巖溶地區(qū)公路橋梁樁基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)》，灌注小石子混凝土?xí)r，灌漿孔泵送壓力達(dá)到13～15 MPa，可終止壓漿。當(dāng)灌注砂漿時(shí)，泵送壓力可控制在13～15 MPa，并孔口返漿可終止壓漿。

4 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

由于巖溶處于地下隱伏狀態(tài)，盡管勘察設(shè)計(jì)階段做了大量的鉆孔、物探等地質(zhì)勘察工作，但受目前國內(nèi)勘察技術(shù)所限，仍無法將巖溶的分布特征十分清晰地探明。因此巖溶處治工作必須堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則。

采用壓力灌注砂漿或小石子混凝土的處治方法，在進(jìn)行灌注施工過程中，可將鉆孔作為地質(zhì)補(bǔ)鉆的一種手段進(jìn)行地質(zhì)驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況適時(shí)地調(diào)整注漿孔深度、位置以及灌注量。

在進(jìn)行溶洞注漿施工前必須進(jìn)行工前試驗(yàn)段，確定灌注壓力、帷幕孔和注漿孔的砂漿或小石子混凝土的合理配合比，并根據(jù)溶洞的充填情況確定灌注砂漿或小石子混凝土的壓力，當(dāng)充填物較豐滿且主要為粉砂時(shí)，灌注砂漿或小石子混凝土施工困難時(shí)，可調(diào)整為靜力灌注水泥漿，靜力灌注水泥漿的工藝目前比較成熟，本文不再贅述。

在進(jìn)行溶洞注漿施工過程中，需根據(jù)實(shí)際情況嚴(yán)格控制灌注的砂漿和小石子混凝土的數(shù)量。出現(xiàn)注漿量異常偏大時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止灌注。

5 施工注意事項(xiàng)

a）巖溶處治必須堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則，施工過程中須根據(jù)具體地質(zhì)情況，調(diào)整巖溶處治具體施工參數(shù)。

b）壓力灌注施工時(shí)，應(yīng)先施工帷幕孔，后施工中間注漿孔，形成有效的止?jié){帷幕，防止?jié){液外流。

c）灌注應(yīng)間隔式分序次進(jìn)行，一序次孔漿可能擴(kuò)散范圍較大，二、三序次注漿孔將使前序次未充填空洞得到充填。同時(shí)，一序次孔對(duì)巖溶區(qū)起到補(bǔ)充勘探的作用，根據(jù)實(shí)際地層及巖溶分布情況對(duì)后序孔的孔位、孔距、孔數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，彌補(bǔ)均勻布孔設(shè)計(jì)的不足。

d）盡管前述說明給定灌注壓力參考值，但實(shí)際施工時(shí)灌注壓力必須通過現(xiàn)場灌注試驗(yàn)確定。

e）灌注漿液配合比宜配合注漿泵的類型通過試驗(yàn)確定。

f）施工時(shí)，不得在附近200 m范圍內(nèi)抽取地下水，以防因地下水的變化而引起地表下沉、塌陷等不良地質(zhì)反應(yīng)。

g）注漿結(jié)束后，需對(duì)注漿孔以及地質(zhì)鉆孔進(jìn)行封孔，封孔采用與注漿同材料即可。

6 工程質(zhì)量檢測

工程質(zhì)量檢測主要是針對(duì)深層的壓力注漿的注漿效果檢測，可采用物探對(duì)注漿區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)，也可通過地質(zhì)鉆孔對(duì)注漿區(qū)域的注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

7 結(jié)語

采用壓力灌注小石子混凝土或水泥砂漿處治巖溶地基的方法對(duì)于處治覆蓋層較厚而溶洞內(nèi)充填物較少的串珠式溶洞效果理想且設(shè)計(jì)、施工可操作性較強(qiáng)，同時(shí)對(duì)施工工點(diǎn)的周邊環(huán)境影響比較小。該處治方法施工簡單、經(jīng)濟(jì)合理，且處治效果良好，可為今后高速公路巖溶地區(qū)路基處治提供借鑒。