黃土地區(qū)運營公路落水洞路基病害成因分析及處治措施

閆 鑫

（臨汾南高速公路管理有限公司，山西臨汾 041075）

0 引言

黃土作為第四紀(jì)形成的沉積物，在我國分布十分廣泛。山西省是黃土集中連續(xù)分布的主要地區(qū)之一，其中在西部呂梁山脈西麓地區(qū)分布有覆蓋于離石老黃土上部的馬蘭黃土，其具有分布厚度大，土質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)疏松、垂直節(jié)理發(fā)育，濕陷等級高、抗水蝕能力差的特點，受自然氣候條件的影響易形成黃土落水洞。公路在通過馬蘭黃土分布地區(qū)時，盡管在建設(shè)期針對公路影響范圍內(nèi)的黃土進行了一系列消除其濕陷性的工程措施保證了黃土地區(qū)的路基穩(wěn)定性，但在公路運營期間，受大氣降雨、公路沿線地形條件等影響，在公路影響外形成的落水洞匯集地表徑流后落水洞不斷延伸至公路路基影響范圍內(nèi)。公路影響范圍內(nèi)的落水洞往往隱蔽于地下，公路日常養(yǎng)護發(fā)現(xiàn)困難，當(dāng)落水洞規(guī)模不斷擴大后，易造成路面結(jié)構(gòu)沉陷，嚴(yán)重情況下造成路面突然坍落引發(fā)安全事故。

本文結(jié)合工程實例針對黃土地區(qū)運營公路落水洞的形成原因進行科學(xué)分析并結(jié)合分析結(jié)論針對性處治進行論述。

1 工程背景

某高速公路位于山西省呂梁山西麓地區(qū)，公路沿線地形地貌以黃土侵蝕地貌為主，大的地貌有黃土塬區(qū)和黃土覆蓋中低山區(qū)，黃土梁、峁、溝壑縱橫，主溝方向多以南西為主，次級溝谷多呈北東向，微地貌多為黃土沖溝、黃土斜坡、黃土梁峁組成，厚-巨厚黃土覆蓋，沖溝發(fā)育，溝深坡陡。受地形影響，公路通過該區(qū)域時以半填半挖路基形式通過，由于原地表橫坡較陡，導(dǎo)致該段公路多為挖方邊坡和填方邊坡，高度較大。路基典型斷面如圖1所示。

圖1 路基典型斷面圖

公路運營過程中出現(xiàn)路面持續(xù)沉降，個別路段甚至出現(xiàn)了路面結(jié)構(gòu)突然塌落的現(xiàn)象。

為探明路面持續(xù)沉降和突然塌落病害原因，管養(yǎng)單位采用地質(zhì)雷達、物探和地質(zhì)鉆探綜合勘察手段對病害段落進行了地下空洞探測。地質(zhì)勘察地質(zhì)鉆孔深度為地質(zhì)雷達、物探異常區(qū)以下不小于5 m 并進行地質(zhì)取樣室內(nèi)試驗。同時，養(yǎng)護人員對路基影響范圍以外的山體采用無人機巡察與人工徒步踏勘相結(jié)合的方式進行線外可見落水洞排查。

通過落水洞排查，發(fā)現(xiàn)位于公路上游占地線以外的山體沖溝內(nèi)存在地表水下滲形成的黃土碟型地、豎井狀落水洞或漏斗狀落水洞，局部可見串珠狀落水洞。其中，黃土碟型地多出現(xiàn)于沖溝內(nèi)陡坡變緩坡的區(qū)域，豎井狀落水洞出現(xiàn)于碟型地下游。具體分布形態(tài)如圖2所示。

圖2 落水洞分布典型斷面圖

通過對高速公路路面范圍內(nèi)地質(zhì)雷達掃描可知，在與上游沖溝大致對應(yīng)路面沉降區(qū)域，路面結(jié)構(gòu)層下存在局部脫空，脫空高度5 cm 至70 cm 不等，脫空區(qū)呈不連續(xù)分布。物探結(jié)論顯示，路基下部深層區(qū)域存在異常區(qū)。地質(zhì)鉆探如圖3所示。

圖3 路面沉降處地質(zhì)鉆孔柱狀圖

通過地質(zhì)鉆探得知，區(qū)內(nèi)揭露巖土體從新到老依次為：

a）第四系全新統(tǒng)（Q4ml）路基填土 路基填土主要為素填土和雜填土，素填土主要為粉土，褐黃色；雜填土主要為強風(fēng)化砂泥巖及黏性土，紅褐色為主。

b）第四系上更新統(tǒng)（Q3eol） 地層巖性為粉土，褐黃色，大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，具濕陷性，易發(fā)育落水洞。

c）第四系上更新統(tǒng)（Q3el+dl） 地層巖性為碎石土，雜色，母巖成分主要為砂巖和泥巖。

d）第四系中更新統(tǒng)（Q2al+pl） 地層巖性為粉質(zhì)黏土為主，褐紅色，多呈可塑，較密實，透水性差，局部含鈣質(zhì)結(jié)核夾層。

e）三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l） 地層巖性以砂巖、泥巖為主，褐紅色，層狀構(gòu)造，強風(fēng)化。

物探異常區(qū)土體多為潮濕-飽和態(tài)，局部出現(xiàn)空洞。

2 公路黃土落水洞形成原因分析

病害區(qū)山體表層為第四系晚更新世馬蘭黃土（Q3），其顆粒組成以粉粒組為主，塑性指數(shù)為1～1.5，土中起骨架作用的難溶鹽碳酸鈣和中溶鹽硫酸鈣含量較低。對于干旱、半干旱條件下沉積的黃土，在粉粒組含量占優(yōu)勢的條件下，低含水量使黏膠顆粒難以發(fā)揮其黏聚能力，而粉粒的分子引力遠(yuǎn)小于黏膠顆粒分子引力，因而水分子與黏粒間的黏聚作用很不牢固，在增濕與外力作用下土體結(jié)構(gòu)容易破壞[1]，由此導(dǎo)致馬蘭黃土抗沖刷能力差。

山體溝谷內(nèi)直立性邊坡發(fā)育，雨季山坡地表徑流過程中匯水經(jīng)過山谷直立性邊坡時，在重力作用下易將直立邊坡坡腳處沖蝕成坑穴后匯集徑流水造成坑穴區(qū)黃土濕陷擴大了坑穴范圍，坑穴范圍擴大后又加劇黃土濕陷從而形成惡性循環(huán)而使地表徑流逐步演變?yōu)榈叵聺摿?。病害區(qū)多半填半挖路段，路基填土在原地表粉土層壓密的同時覆蓋了地下潛流水輸出通道，致使?jié)摿魉畬釉诼坊钔练秶盎追弁翆訙魧?dǎo)致粉土層處于濕軟狀態(tài)，同時遇黃土濕陷引起路面結(jié)構(gòu)層下路基填土發(fā)生垂直位移而引起路面脫空。當(dāng)滯留水不斷聚集后，在水壓力作用下，沿路基填土或下伏土層薄弱環(huán)節(jié)流出即形成落水洞。

3 落水洞埋深對路基穩(wěn)定性的影響

落水洞埋深對路基穩(wěn)定性的影響，主要由落水洞上覆土層厚度、落水洞跨徑、土體容重和土體的土工強度參數(shù)等因素綜合確定。當(dāng)落水洞的埋深與其空腔跨徑比值越大，其對路基的穩(wěn)定性影響越?。煌馏w強度越高，落水洞的頂板結(jié)構(gòu)強度越大，其承載上部荷載的能力越強，上覆路基穩(wěn)定性越好；當(dāng)土體的容重較小時，落水洞頂板自身自重較小也有利于路基的穩(wěn)定。

根據(jù)《公路設(shè)計手冊-路基》，當(dāng)落水洞埋深H大于式（1）[1]計算值時可不進行處理，確定深度時，需考慮1.2～1.5 安全系數(shù)。

4 運營公路落水洞處治措施

4.1 處治原則

由于落水洞位于地下土層，詳細(xì)探明其分布特征較為困難。因此針對落水洞處治堅持“以防排水與路基加固并重，堅持動態(tài)設(shè)計”的原則。

4.2 防排水設(shè)計

對路堤或路塹邊坡上游50 m，下側(cè)20 m 的黃土陷穴進行排查。對明陷穴采用回填夯實的處理措施，回填采用6%石灰土進行回填。同時對路側(cè)溝谷排水通道進行疏通并與路基防排水設(shè)施相結(jié)合形成完善的排水系統(tǒng)，確保山體匯水能夠通過地表徑流排泄。

4.3 路基加固設(shè)計

根據(jù)地勘成果，病害區(qū)路基填土及路基填土下粉土層分為松散、潮濕狀態(tài)和松散、飽和狀態(tài)兩種情況。同時路面結(jié)構(gòu)層下存在脫空現(xiàn)象。因此根據(jù)不同情況確定處治方案如下：

a）對于路面結(jié)構(gòu)層下土層呈松散-稍密狀態(tài)且為潮濕的情況，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)層下不存在脫空時，暫不進行路基加固處治；當(dāng)路面結(jié)構(gòu)層下存在脫空時，僅對路面結(jié)構(gòu)層底脫空區(qū)進行充填。

b）對于路面結(jié)構(gòu)層下土層呈松散且為飽和狀態(tài)時，對飽和土體進行加固，對土體內(nèi)的落水洞空腔進行有效充填。

c）路基土體加固方案比選。結(jié)合該項目為運營高速公路的特點，確定了4 個路基土體加固技術(shù)方案。

（a）高壓旋噴樁與小粒徑碎石結(jié)合路基加固方案高壓旋噴樁是以高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續(xù)搭接的水泥加固體。

將病害區(qū)范圍內(nèi)濕軟土層采用高壓旋噴樁進行固結(jié)加固，高壓旋噴樁采用樁徑0.6 m，樁間距2 m×2 m，加固深度為路面結(jié)構(gòu)層底至濕軟土層以下2 m 范圍。當(dāng)高壓旋噴樁施工過程中遇到落水洞空腔而無法翻漿時，通過鉆孔填塞5～10 mm 小粒徑碎石后再進行高壓旋噴樁施工直至孔口翻漿。高壓旋噴樁布置圖見圖4。

圖4 高壓旋噴樁布置圖（單位：cm）

（b）高分子聚合物注漿方案 高分子聚合物注漿工藝原理較簡單，施工人員通過合理確定路面鉆孔位置，進行鉆孔施工，快速找到病害所在位置，之后在鉆孔內(nèi)部注入一定量的高分子聚合物材料，經(jīng)過一系列反應(yīng)之后，體積快速增大，混合料會在短時間內(nèi)流向路基當(dāng)中最為軟弱的地方，起到良好的膨脹效果[3]。其具有輕質(zhì)、高膨脹性、早強、防水、快速、微創(chuàng)的特點。

高聚物注漿主要材料為非水反應(yīng)自膨脹閉孔高聚物材料，原材料為雙組份液態(tài)預(yù)聚體，混合后會迅速反應(yīng)，體積膨脹，固化為高聚物發(fā)泡體。高聚物材料屬水不敏感型材料，防水性能優(yōu)良。材料反應(yīng)十分迅速，反應(yīng)時間從幾秒鐘到幾十秒鐘，可以調(diào)控，并且在15 min內(nèi)即形成90%的強度。材料具有良好的彈性和強度，特別是具有較好的抗拉強度。材料具有高膨脹性，體積膨脹可達液體體積的10～20 倍，自重輕。高聚物材料呈中性、惰性性質(zhì)，不污染土壤和水。

參考類似工程處治經(jīng)驗，高分子聚合物注漿采用對路面結(jié)構(gòu)層進行直徑16 mm 鉆孔后，對路基體和路面結(jié)構(gòu)物注射充填高分子聚合物，鉆孔間距為1.5 m，鉆孔深度為路面結(jié)構(gòu)厚度。高分子聚合物布置圖見圖5。

圖5 高分子聚合物注漿布置圖（單位：cm）

（c）夯實水泥土樁方案 夯實水泥土樁是用人工或機械成孔，選用相對單一的土質(zhì)材料，與水泥按一定配比，在孔外充分拌和均勻制成水泥土，分層向孔內(nèi)回填并強力夯實，制成均勻的水泥土樁。將病害區(qū)范圍內(nèi)濕軟土層采用夯實水泥土樁進行擠密加固，夯實水泥土樁采用樁徑0.4 m，樁間距1.5 m×1.5 m，加固深度為路面結(jié)構(gòu)層底至濕軟土層以下2 m 范圍。水泥夯土樁布置圖見圖6。

圖6 夯實水泥土樁布置圖（單位：cm）

（d）高壓鋁粉水泥漿注漿方案 高壓鋁粉水泥漿注漿是在傳統(tǒng)水泥注漿的基礎(chǔ)上改進而來，采用水灰比0.5 的水泥漿液中加入2%～3%的鋁粉作為膨脹劑，鋁粉的加入先與水反應(yīng)，再注入地層過程中，水分也有所減少，從而減小了漿液對黃土填土濕陷性的影響，改良土體的效果更為明顯。同時，高壓鋁粉注漿，注漿壓力為3 MPa～5 MPa，高壓可使地層產(chǎn)生裂隙，增加滲透性，加固面積也將增大。

高壓鋁粉水泥漿注漿處治布置樁間距3 m，排距2.6 m，注漿深度為路面結(jié)構(gòu)層底至松散土層以下2 m范圍。高壓鋁粉注漿布置圖見圖7。

圖7 高壓鋁粉注漿布置圖（單位：cm）

4 個方案對比情況見表1。方案比選結(jié)論：對于路基填土以及路基體下的深層落水洞空腔和濕軟粉土層采用高壓旋噴樁與小粒徑碎石配合方案進行加固處理。對于路面結(jié)構(gòu)層下淺層落水洞采用高分子聚合物注漿充填處理。

表1 運營公路路基落水洞方案比選表

5 結(jié)語

采用高壓旋噴樁與小粒徑碎石配合的方案和高分子注漿方案分別對黃土區(qū)內(nèi)運營公路路基體下黃土落水洞進行充填加固保證了路基的穩(wěn)定，在工程中取得了良好的效果。但是，黃土落水洞作為新黃土的一種常見病害，發(fā)生機率較大，對公路沿線范圍內(nèi)的落水洞進行縝密排查并進行及時填充，同時，加強沿線地表排水通道的疏通，確保地表徑流能夠順利排離路基影響范圍，才是黃土地區(qū)公路落水洞處治的根本。因此，在公路養(yǎng)護過程中，針對黃土地區(qū)的落水洞病害應(yīng)加強日常養(yǎng)護落水洞排查和排水設(shè)施的病害修復(fù)，在落水洞形成初期對其進行及時處理。