下伏溶洞山区公路路基处治技术与效果评价研究

龚德洹，左 珅

(中铁十二局集团第七工程有限公司，山西太原 030025)

0 引言

随着我国公路建设飞速发展，公路里程与密度大幅提升，各地区的通达率显著提高。在我国西南地区广泛存在岩溶病害，包括公路、铁路、房建及水利等不同工程领域都受其危害。伴随公路覆盖区域的延伸，建设过程中遇到的不良地质也越来越多。

工程领域的岩溶灾害问题早已十分突出，上世纪70年代以来，有关人员多次召开有关岩溶的国际学术会议:1973年国际工程地质协会在德国首次举行岩溶塌陷与沉陷问题国际讨论会，专门讨论欧洲地区岩溶塌陷分布、勘测技术与治理措施;1978年在美国宾夕法尼亚州召开岩溶地质工程讨论会，重点讨论岩溶塌陷变化规律;1984年～2003年，在美国先后召开九届有关岩溶塌陷治理的工程会议。岩溶问题复杂性与危害性日益引起国内外学者及工程人员的重视。

岩溶洞穴是一种地表水和地下水对岩层经过化学作用和机械破坏作用的地下溶蚀现象，简称为溶洞。溶洞大小、埋深不同，处治方法也不相同。注浆是整治岩溶塌陷的常用措施［1～3］，但治理效果与注浆材料及注浆工艺有直接关系。陈尉杰［1］针对基础工程溶洞塌陷问题，介绍了注浆形成水泥帷幕的施工工艺。刘建涛［2］采用钻进方法及注浆技术对电厂扩建地基进行了注浆加固处理。杨秀竹［4］探讨了采用粘土固化浆液钻孔注浆的方法，形成水平堵水帷幕，隔断地下水的同时，可以起到提高地基承载力的作用。

此外，曹双其［5］介绍了一种采用复合载体夯扩桩处理软弱及溶洞地基的方法。钟党磊［6］针对桩基施工溶洞病害，介绍了冲孔桩施工技术。周希文［7］针对桩基施工中串珠状溶洞复杂地质现象，探讨了钻孔桩施工方法。李士友［8］尝试采用强夯法对浅层溶洞进行处理，并对试夯区确定施工参数。

岩溶地区工程地质十分复杂，不同的地质处理措施也各不相同，处治效果如何直接影响工程建设的质量与安全，并关系到将来公路的运营，处理不当可能造成经济损失甚至人员伤亡。目前工程实践中多采用填充或跨越的方法处理岩溶问题，但受限于工作环境多变性与复杂性，研究成果存在很大的局限性，尤其在公路工程领域，溶洞方面研究成果还相对较少，因此，针对这一问题开展研究具有重要的工程价值与实际意义。

1 工程概况

本文依托工程为某新建山区二级公路，设计时速60 km/h，双向2车道，路宽12 m。沿线区域地形地貌多样，岩体主要为灰岩碳酸岩，岩溶状态十分发育，岩溶多为裸露型。

在k5+060～k6+100段路基施工过程中，发现多处分布有隐伏溶洞及落水洞，路基下部岩层多为灰岩，弱风化，强溶蚀，基岩面埋深0.70～7.80 m，在k5+800～k5+920场地平均埋深2.7 m，岩溶发育强烈，对路基的稳定性和运营安全性存在较大的影响。

勘察范围内地形地貌属于岩溶洼地。工程重点处理位置处于洼地中部，常年处于积水状态。勘察场地土层结构依次为:人工填土、黏土、灰岩，地质特征具体如下:

第一土层:人工填土，呈现深红色，结构比较松散，主要分布在3#地段;第二土层:黏土，呈灰褐色，3#段可塑状态，2#段硬塑状态，较为疏松，厚度2～7 m不等;第三土层:灰岩，呈灰白色，属弱风化强溶蚀，埋深约7 m。

通过勘察，探明治理标段路基存在16个溶洞，其中13个溶洞有充填物，充填物多为破碎的灰岩。没有充填物的3个溶洞，顶板厚度在1～4 m。两处岩溶水源与地下水存在直接联系，地下水位受季节及生活用水影响变化较为频繁。地下水对溶洞形成发育有直接的影响，进而危害路基稳定。

2 溶洞塌陷引起地面变形预测

一旦溶洞空区坍塌会引起地层移动造成地面拉裂、地面隆起、地面倾斜、扭曲、地面阶梯状、漏斗形塌陷坑等，影响公路的正常使用。是否对公路溶洞进行处理及怎样进行处理，需首先进行变形预测分析，依据科学的计算结果做出判别。

2.1 地面变形计算理论

溶洞区地面变形计算研究在国外开展较早，在19世纪末就已有相关方法诞生，这个领域计算方法可主要划分为两个方面:经验计算和理论计算［9，10］。尽管溶洞区地面变形计算研究开展的很早，但目前仍未能建立通用的计算模型［11～13］。刘宝琛院士等把随机介质理论应用于到地下空区地面位移计算领域，该方法较好解决了空区地面变形计算问题。

随机介质理论起源于国外，经我国刘宝琛等发展完善后，应用于岩土开挖或垮塌导致的地表变形。在三维坐标体系中，z为竖向轴，x1，x2为互相垂直的两条水平轴，由随机介质理论，地表下沉盆地W可以表述为:

式中:W 为地表下沉盆地函数;B11，B22，B33，A1，A2，A3，N为介质结构参数。

对于倾斜成层介质下沉盆地函数为:

式中:K11(z)，K22(z)分别为下沉盆地向岩体走向和倾向上移动时影响半径的函数，推导中可设b1=K11(z)、b2=K22(z)，式中b1和b2表示为水平方向发生位移的系数;M(z)为下沉盆地在岩层倾斜方向上发生位移的函数;N(z)为岩层发生位移的过程中体积发生相应变化的函数，实际情况下，可设体积保持不变。

由所使用的坐标系的变换规律即可换算得到主要应变方向上的各个应变分量，其中包括主变形最大计算式、主变形最小计算式、倾斜变形最大计算式、主曲率最大计算式等。轴向水平变形分量:

剪切变形分量:

地表倾斜分量:

地表曲率分量:

假设公路工程所处地基为各向同性的半无限空间，由以上公式获得单元开挖或者单元坍塌导致的变形计算结果之后，由积分就能得出整个开挖或坍塌空间Ω导致的地表变形表达式。图1为溶洞空区地表位移计算模型。设地下空间为Ω，则该空间开挖导致的岩体地表变形为:

图1 溶洞空区地表位移计算模型

式中:F 为地表变形矢量，F = {Ux，Uy，W，εx，εy，εxy};Fe为单元变形矢量，Fe= {Uex，Uey，We，εex，εey，εexy};η 为下沉折减系数;Ux，Uy，W为地表水平位移和下沉盆地;εx，εy，εxy为地表变形。

2.2 溶洞塌陷引起的地面变形预测

本项目为地下岩溶空区引起的地表变形，计算模型采用等效坍塌面积代替的平面模型计算参数采用工程类比法确定。

从线路k5+800～k5+920段的地质勘察资料可知，实际溶洞的形状很不规则，若按现场实际情况来建立其地表位移预测几何计算模型，则不规则的几何模型将给计算带来相当大的困难。为了方便计算，本预测模型将溶洞大小不一和形状不规则的溶洞等效成面积相同的相对规则的椭圆溶洞模型。

在实际工程中溶洞发生病害往往是某一部分塌陷，因此本计算模型拟对溶洞模型按10%、20%、40%和80%等效面积塌陷量进行计算分析。

根据病害路段地质勘察得到的资料，选取了典型断面，建立的计算模型对溶洞等效坍塌量导致的地表变形进行了预测分析。见图2。

图2 k21+590断面溶洞分布与面积等效(单位:m)

当溶洞塌陷10%时造成的地表变形曲线如图3～图5所示。

依次类推，可分别计算得到溶洞塌陷40%，80%时的水平位移、下沉、曲率及倾斜等变形量。统计得到地面变形规律如图6～图8所示，可知，溶洞的坍塌量与变形量呈现较规律的正比增长关系;计算得到的地面各变形参量幅值如表1所示。

图3 溶洞10%塌陷量计算地面水平位移曲线

图4 溶洞10%塌陷量计算地面下沉曲线

图5 溶洞10%塌陷量计算地面曲率曲线

图6 地面水平、竖向位移变化规律

图7 地面水平变形、倾斜增量变化规律

图8 地面曲率变形规律

将计算值与规范规程安全要求范围进行对比，即可对溶洞危害性进行定量的判别。

在此将二级公路作为二级建筑物进行处理，地面变形控制指标可按表2选用。

典型断面溶洞空区地段由空区坍塌所造成的地表变形数值均超过了公路地表变形控制指标，因此均必须采取有效的工程处治措施。

表1 工程典型断面计算结果统计

表2 公路地面变形控制指标

3 溶洞路基处治

3.1 溶洞处理方案说明

根据钻探结论，建议对岩溶水进行惟幕止水，此段溶洞处理原则是消除水对溶岩继续溶蚀，将场地内的岩溶水与场地外的水源进行隔离，切断溶洞的水力联系，消除地下水活动对场地路基造成不良影响;改变水渗流条件的同时，在实现加固松散填充物洞体，采用注浆加固;对受力范围内路基承载要求高的局部位置加盖水泥强化盖板，确保路基稳定性。

3.2 施工方法

3.2.1 注浆施工

钻孔注浆流程见图9。

图9 钻孔注浆流程图

1)定孔位。根据路基下方岩层情况初步判别地下水流方向，合理布置钻孔;在出水位置及其附近进行钻孔，按要求标出孔位，注浆孔布置采用梅花形。

2)钻机就位。移动钻机至标定孔位;钻机就位后需安装牢固，并调整角度;辅助设备应当就近安装，为防治注浆压力损失，注浆管线不宜拉的过长。

3)钻孔。沿纵轴线方向按后附溶岩处钻孔注浆位置图以梅花形排列，纵横向孔距均为1.5 m，共布灌浆钻孔295个。见图10。

图10 钻孔注浆布置示意图

钻孔分两序施工，在同一排中先钻灌第Ⅰ序孔，再钻灌第Ⅱ序孔。钻孔中先施工靠近地表岩溶水出露点处(左侧)，再施工另一侧(右侧)，最后施工中桩的一排。钻孔深度一般7 m，右侧中间3个孔为20 m，钻孔过程中如有特殊情况应根据实际情况决定，预计钻孔工作量为2 065 m。

4)钻孔成孔及钻孔冲洗。钻孔采用XU—100型地质钻机成孔，开孔采用φ110孔径，钻进至基岩面以下0.5 m后，下入 φ108孔口套管，基岩采用φ75口径钻进，达到设计深度后，将钻具提离孔底10 cm，采用较大泵量的清水冲洗，直至回水澄清为止。

5)注浆施工。注浆按以下顺序进行施工:试泵→清孔→注浆管安装→简易压水试验→浆液配制→注浆。注浆可以结束的标准包括以下几条:

①注浆压力保持在0.3 MPa，吸浆量≤40 L/min，持续时间不少于30 min;

②地面冒浆点超过了注浆范围，达3～6 m;

③ 单口注浆量是平均注浆量的1.5～2.0倍之间，并且注浆量出现明显变小的情况。

6)提管、回填。据统计，此次注浆加固工程共使用灌浆材料水泥1 200 t，水玻璃36 t。

3.2.2 浇筑盖板

路基底混凝土盖板加固施工与一般的混凝土施工基本相同。施工前，先平整场地，施工15 cm厚碎石找平层和20 cm的水泥稳定碎石基层，再进行C30混凝土盖板施工。

施工步骤如下:①15 cm厚碎石找平，分层摊铺碾压施工;②进行水泥稳定碎石模板施工;③20 cm的水泥稳定碎石基层摊铺、碾压施工;④制作钢筋;⑤钢筋绑扎;⑥验收隐蔽工程;⑦混凝土模板拼装;⑧混凝土浇筑捣实;⑨养护。

盖板施工安全后，应设置围栏及覆盖编织袋或草袋，防治人为或雨水对成品破坏;12 h后进行拆模养生，本工程采用了浇水、喷洒养生剂的方法。

溶洞处理因地制宜设计处治措施才能达到预期加固效果。通过对探明洞体的注浆充填，起到了加固土体与改善土体工程性质的作用，并可以形成止水帷幕切断地下水、孔隙水与岩溶体的联系，截止目前工程实践表明，路基没有出现不均匀沉降及塌陷，加固措施起到预期效果。

4 处理效果评价

4.1 计算模型建立

建立数值分析模型就溶洞处理前后对路基稳定性进行计算分析，并进行相关的效果评价。溶洞形态借鉴地面计算理论，等效面积为较规则的椭圆形。

分别计算了3种工况下溶洞段处理前、后路基变形情况、处理前、后洞周围岩的受力情况。计算过程共分为3个施工步，第一步:溶洞处治前路基及基础自重计算;第二步，溶洞处治后路基及基础自重计算;第三步，施加汽车荷载，荷载等级为公路—Ⅱ级。

3种计算模型的边界条件上部均为自由边界，底部为X、Y方向均受到约束，溶洞均存在于中间部位。各计算工况模型材料参数选取见表3。

表3 工况二材料物理力学参数

4.2 计算结果分析

4.2.1 路基沉降变形分析

1)溶洞处理前。

当溶洞不进行任何处理，进行路基施工，即第一加载步的路基稳定性计算，由计算结果可知，计算没有收敛，整个模型失稳破坏，最大值竖向位移为21.23 cm，发生在溶洞中央的上部。

由于几何计算模型和溶洞形状均成基本对称形态，路基荷载以及汽车荷载均对称分布，所以路基基底位移曲线也成基本对称形状(如图11所示)。

图11 溶洞处理前路基基底竖向位移

2)溶洞处理后。

本工况下溶洞采用路基基底加铺0.6 m厚的C30混凝土盖板及灌注水泥砂浆的双重处理方法。溶洞处理后，第二加载步后路基基底位移如图12所示，路基基底最大竖向位移为4.13 cm，与处理前计算结果相比，溶洞对路基变形的影响大大减小，路基位移满足规范要求。

图12 路基基底竖向位移曲线(处理后)

3)交通荷载作用工况。

为验证溶洞注浆+基底混凝土盖板加强处理后，在车辆荷载的作用下，沉降是否满足规范要求，对施加车辆荷载(公路二级)的作用下路基的变形和稳定性影响进行了计算分析。计算路基基底最大竖向位移为6.15 cm，与第二加载步计算结果相比，路基竖向位移略有增加，但增加幅度较小，且位移总量满足设计要求，路基基底竖向位移较为均匀。见图13。

图13 路基基底竖向位移曲线(交通荷载)

4.2.2 围岩应力应变分布

1)溶洞处理前。

在溶洞不处理的情况下，填筑路基后剪应力如图14所示，最大主应力集中在左右两侧，剪应变较大区域竖直向地表发展，形成左右两条坍陷滑动带，致使计算结构失稳破坏，数值计算停止，此时溶洞周围最大主应力为512 kN/m2，最大剪应变为9.0%。

图14 溶洞处理前最大主应力云图

2)溶洞处理后。

溶洞处理后，第二加载步下最大主应力如图15所示，可以看出应力应变均比较均匀，无明显的应力、应变集中，溶洞周围最大主应力值分别为89 kN/m2，且溶洞周围的应力较为均匀，说明注浆处理后溶洞及周围岩体受力较为均匀，处理后的溶洞区域较好的承担了上部荷载，并均匀地传递给周围岩体。

图15 有效最大主应力云图

3)交通荷载作用工况。

第三加载步下最大主应力如图16所示，可以看出无明显的应力集中，溶洞周围最大主应力为121 kN/m2，与第二加载步计算结果相比，围岩应力和应变值略有增加，但增加幅度较小，说明溶洞处理后，在正常的车辆行驶下，路基趋于稳定，溶洞影响已消除，处理后的溶洞区域较好的承担了上部荷载，并均匀地传递给周围岩体。

图16 荷载作用下剪应变云图

对比分析3个加载步的数值计算结果可知，路基溶洞采用注浆及路基底加铺混凝土盖板措施后，路基基底竖向位移及洞周应力均有较大幅度的减小，满足设计及规范要求，且位移、应变和应力均趋于均匀，无明显的集中现象，说明综合加固方法有效。

5 结论

岩溶地区修建公路常会遇到下伏溶洞、地下河、岩溶洼地等不良地质，给工程及公路运营带来很大的安全隐患。本文依托于湖南某公路工程典型治理段，开展相关试验与理论研究，主要结论如下:

1)调查项目工程沿线包含岩溶形态分布，主要包括了漏斗、溶洞、落水洞、岩溶洼地等;采用勘测手段获取岩性及溶洞分布位置，据此确定路基的溶洞病害程度。

2)采用随机介质理论，对选取的典型断面进行相应等效坍塌量地表变形预测分析，分析得到断面溶洞坍塌引起的地面变形量，预测结果显示空区坍塌所造成的地表变形均超过了公路的保护要求，必须采取有效的工程治理措施。

3)针对工程环境，因地制宜设计实施注浆形成止水帷幕，并加强盖板的措施。对洞体的注浆充填，起到了改善土体工程性质的作用，并可以形成止水帷幕切断地下水与岩溶体的联系，实践表明加固措施效果良好。

4)对溶洞处理前后3种工况进行了数值计算分析。分析得到:岩溶充填、基底加固后，基底最大变形量大幅度减小;溶洞处理前后围岩应力有较大变化，局部消除了应力集中，改善了整体受力性能，有利于路基稳定;计算说明注浆及路基基底混凝土盖板加强的综合处治效果良好。

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