路基段溶洞處理方案研究
——以S271省道睢寧段為例

李滿意

(江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

巖溶[1]是指可溶性巖層，例如石灰石在流水的長(zhǎng)期溶解和侵蝕下會(huì)產(chǎn)生特殊的地貌和水文地質(zhì)現(xiàn)象。我國(guó)的巖溶地區(qū)分布廣泛，工程建設(shè)中必然會(huì)遇到地下巖溶洞穴。巖溶類型萬(wàn)千，溶洞的頂部很容易不穩(wěn)定，溶洞中的水位將影響地基的穩(wěn)定性和工程的安全性。因此，如何正確處理巖溶洞穴已成為工程建設(shè)的關(guān)鍵因素。

1 項(xiàng)目概述

省道S271鐵寺山段(K3+260-K3+772)位于睢寧縣姚集鎮(zhèn)張圩村，屬低山丘陵區(qū)，地面高程現(xiàn)狀是40～62 m。根據(jù)道路設(shè)計(jì)方案，該段路長(zhǎng)度為512 m，路基寬度12 m。

路線里程K3+340-K3+700段地下具有比較發(fā)育的巖溶洞穴，埋藏深度3.5-13.2 m，厚度0.4～0.6 m，洞穴呈半填充或未填充的狀態(tài)，填充物有軟塑性黏土等，經(jīng)勘探的鉆孔柱狀圖如圖1所示。在K3+500處，有一個(gè)較大的巖溶洞穴斜穿擬改造道路。根據(jù)深入調(diào)查了解，這個(gè)溶洞是解放初期當(dāng)?shù)孛癖娫谔烊蝗芏吹幕A(chǔ)上，通過(guò)人工擴(kuò)孔開(kāi)挖而形成的過(guò)水通道。該溶洞埋置深度約20 m，洞深高約4 m，根據(jù)觀察孔GC1孔(K3+674.9左52.8 m)揭示，溶洞頂板高程為41.17 m，溶洞頂板有起伏。

圖1 巖溶分布剖面圖

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，擬建路段有27處異常點(diǎn)，巖溶類型為淺覆蓋型，發(fā)育程度較弱。道路兩側(cè)裸露的巖層主要為白云巖和中風(fēng)化的石灰?guī)r，巖溶相對(duì)較為發(fā)育，主要發(fā)育為溶蝕槽和溶蝕溝，寬度30～60 cm，部分充滿黏性土。

2 溶洞特征與災(zāi)害的形成

巖溶地表塌陷是指由于地下水活動(dòng)而在巖溶巖分布區(qū)形成的巖溶洞和土壤溶洞。洞穴逐漸塌陷并向上移動(dòng)，最終移至地面，導(dǎo)致地面塌陷，地面結(jié)構(gòu)下沉并塌陷至地下[2]。

巖溶地面塌陷的地質(zhì)災(zāi)害主要引起地表結(jié)構(gòu)的塌陷、道路的沉降和基礎(chǔ)設(shè)施的破壞。從其形成機(jī)制可以看出，巖溶地表塌陷與巖溶發(fā)育程度、土壤結(jié)構(gòu)、孔隙水和巖溶水之間的水力聯(lián)系以及巖溶水的過(guò)度開(kāi)發(fā)密切相關(guān)。

巖溶地表塌陷的條件有3個(gè)：①地下水存在，基巖表面附近水位頻繁上下移動(dòng)，會(huì)引起可溶性巖石和土壤的持續(xù)溶解和塌陷，巖石和土壤洞穴繼續(xù)擴(kuò)大并向上移動(dòng)，形成溶洞；②地層結(jié)構(gòu)為蓋層～可溶性巖的雙層結(jié)構(gòu)；③可溶性巖石和蓋層巖石必須具有一定的厚度，足以形成一定規(guī)模的溶洞。

巖溶地表塌陷的機(jī)制是，塌陷區(qū)巖溶水的過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致基巖表面附近水位的頻繁起伏，在潛蝕和真空負(fù)壓的作用下，形成了一個(gè)土壤溶洞，該溶洞逐漸膨脹并向上移動(dòng)[2]，最終形成地面塌陷，沉陷是巖溶地面塌陷的3個(gè)要素共同作用的結(jié)果(圖2)。

圖2 巖溶塌陷過(guò)程圖

本次勘查路段主要為第四系覆蓋區(qū)，覆蓋厚度為1.1～5.6 m，疏松層主要為黏土和殘積黏土。根據(jù)覆蓋層的巖性和厚度并依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011)，判別巖溶類別為淺層。根據(jù)調(diào)查結(jié)果(表1)，在擬建的路段中發(fā)現(xiàn)了27個(gè)異常點(diǎn)，巖溶洞穴的發(fā)育深度為5.5～17.0 m，溶洞中充滿了軟塑性黏土等，半充填和無(wú)充填狀態(tài)。

表1 鉆孔巖溶特征表

3 溶洞的處理方案

該項(xiàng)目的巖溶溶洞段是處在一個(gè)路基開(kāi)挖段。處理的目的是防止路基因巖溶而坍塌，以免對(duì)高速公路造成損害和不利的社會(huì)影響。

根據(jù)巖溶發(fā)育特征和地質(zhì)勘察確定的巖溶塌陷特征，參見(jiàn)《路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)：當(dāng)頂板的厚度與路基跨越溶洞的長(zhǎng)度之比大于0.8時(shí)，溶洞頂板的巖溶可不做處理[1]。該項(xiàng)目建議采取以下措施。

3.1 巖溶洞穴注漿+鋼筋混凝土蓋板的處理

對(duì)于巖溶洞體積小，埋藏深度深，頂板支護(hù)層厚度不足的巖溶洞，采用壓力為0.3～0.4 MPa的M10砂漿進(jìn)行低壓注漿。路基基底巖溶裂隙發(fā)育區(qū)應(yīng)先灌注M10砂漿，然后再用M10砂漿處理表面。路塹邊緣的干溶洞應(yīng)清除危石、碎石和散落土，并用M10漿砌塊石填滿，處理方案如圖3所示。

圖3 溶洞處理橫斷面示意圖

3.2 巖溶洞穴開(kāi)挖與回填處理

可以直接開(kāi)挖路基范圍內(nèi)的一些淺層巖溶洞穴，然后再進(jìn)行回填。對(duì)于直徑較大的巖溶洞穴，可以使用塊石回填。對(duì)于直徑較小且無(wú)法回填的巖溶溶洞，可以使用M10砂漿回填來(lái)封閉巖溶溶洞，塊狀填充，每層厚度40 cm，最大粒徑不大于25 cm，石材的飽和抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，孔隙率≤22%；頂部40 cm厚度以內(nèi)的石材最大粒徑應(yīng)小于15 cm，粒徑小于5 mm的細(xì)料含量應(yīng)大于30%，且鋪裝層表面應(yīng)該沒(méi)有明顯的孔和空隙；不得使用膨脹巖、可溶性巖和鹽巖進(jìn)行回填。處理方案如圖4所示，對(duì)于超開(kāi)挖的路段也可以采用這種處理方法。

圖4 巖溶開(kāi)挖回填處理設(shè)計(jì)圖

3.3 巖溶洞穴地下水處理

巖溶洞穴中水的動(dòng)態(tài)變化會(huì)影響地基的強(qiáng)度，因此處理巖溶洞穴中的地下水非常重要。

為了防止裂隙水的不斷滲漏，在路塹邊坡坡腳上方1 m處設(shè)置仰斜式排水孔一排,如圖5所示。排水孔長(zhǎng)度約為10 m，每6 m設(shè)置1個(gè)，根據(jù)施工中地下水裸露情況，調(diào)整排水孔的數(shù)量、深度和位置。排水管是直徑為10 cm的柔軟的可滲透管，內(nèi)部包裹了2層可滲透土工布。

圖5 仰斜排水孔結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)工程遇到的溶洞展開(kāi)研究，調(diào)查分析巖溶的位置和特征。

(2)根據(jù)勘測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出適當(dāng)?shù)奶幚矸桨?，取得良好效果?/p>

(3)為其他相似工程提供案例和經(jīng)驗(yàn)。