火山岩熔空洞地区高等级公路建设现状与展望

姚永胜，朱洪洲，唐伯明，肖巧林

(1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆400074;2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004)

火山岩熔空洞地区是由于火山爆发时，熔岩岩浆在流动过程中，岩浆的逐步冷凝并伴随着气体的逸出和岩浆的补给中断而形成的一种特殊的工程地质体。火山岩熔空洞地区分布广泛，在日本、澳大利亚、阿拉伯地区及我国的海南省琼北地区、浙江绍兴、四川峨眉山、吉林长白山、新疆阿尔泰等地区都有大量分布［1-6］。

火山岩熔空洞地区在我国常用的行业规范中并未提及，在以往的公路建设中，遇到该类地区时，一般采用绕避的方式或依靠工程经验来进行修筑，但随着公路建设事业的发展，路网密度的加大，尤其是近年来高等级公路建设的快速发展，越来越多的高等级公路将不可避免地穿越火山岩熔空洞地区。高等级公路在穿越该地区时，如没有对地基、路基进行相应处治，在公路的建设或运营阶段，可能会出现公路的塌陷、不均匀沉降等病害。

1 火山岩空洞的形成及特点

火山喷发的类型有两种，即裂隙式喷发和中心式喷发。早期火山活动以裂隙式喷发为主，晚期则以中心式喷发为主，至第四纪时以裂隙式喷发为主，兼有少量的中心式喷发，形成了大规模的盾形熔岩、熔岩流及熔岩台地上的碎屑锥和复合锥［7］。火山喷发形成的高温岩熔浆，主要为玄武岩岩浆，在沿地表流动的过程中，由于熔浆表面散热较快，温度很快下降，使露在表面的熔浆开始冷凝、固结，形成坚硬的熔岩外壳;而熔岩外壳下部的熔浆冷凝较慢，仍为流动态，继续向前流动，随着熔浆补给量的减少和中断而最终形成的空洞便是火山岩熔洞穴。同时，由于熔岩岩浆含有大量气体，熔浆在流动和凝结过程中，所含气体不断逸散和聚集，形成了气泡和气洞。因此，在火山岩岩体内部又形成了大量的岩熔隧道、节理或裂缝(图1)。

图1 火山岩熔空洞地区的典型节理、裂隙Fig.1 The typical joints and fissure at the cavity lava area

火山的喷发还具有阶段性。当火山爆发后，大量的岩浆溢出，形成玄武岩台地，这些玄武岩台地在若干年间，经历物理化学及风化、雨水侵蚀、搬运等作用，在玄武岩的表面逐渐形成了一定厚度的土壤，并长有植被;当下一次火山爆发时，岩浆再次沿着玄武岩台地，随着地势从高到低流动，再一次覆盖地表，并以此类推，当同一地方经过多次间断的火山爆发后，在地层垂直方向上便会形成呈层状分布的玄武岩地貌，再加上岩体中大量的气孔、洞穴、节理和裂隙等，最终形成了一种特殊的，不同于其他岩石类的火山岩熔空洞地区的地貌特征。火山岩熔空洞地区的地质条件区别于其他地区，是因为火山岩为火山喷发出地表的岩浆岩所形成，属于火成岩，是原生构造;而我们所熟知的石灰岩溶则是属于次生构造。

2 火山岩的物理力学性质及工程特性

火山岩包括玄武岩、安山岩、花岗岩等，而火山爆发后的喷出岩，一般称之为玄武岩。在公路建设中，主要涉及的是玄武岩。因此，笔者主要讨论玄武岩的化学成分、物理力学性质和工程特性等。

2.1 化学成分

玄武岩的主要成分是 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO(还有少量的K2O、Na2O)，其中SiO2含量最多，约占成分总量的1/2左右。全新世玄武岩岩石化学成分见表 1［7］。

表1 全新世玄武岩岩石化学成分Table 1 Chemical compositions of Holocene basaltic rock /%

2.2 物理力学性质

玄武岩耐久性甚高，节理多，且节理面多成六边形，新鲜完整的玄武岩为高强度、高模量、具有脆弹性特征的各向同性岩体。玄武岩岩石致密、坚硬、性脆，上部多风化呈碎块状或球状，其容重一般为28～33 kN/m3［8-9］。玄武岩单轴饱和抗压强度 Rc为21.2 ～78.8 MPa，平均 50.8 MPa，属于硬岩［10］。

2.3 工程特性

火山岩熔空洞地区中的玄武岩柱状节理较发育，且存在各种原生结构面，在物理风化及重力作用下，崩塌落石十分发育。在路基修筑之前，首先需对地基进行勘察和分析，对不满足地基承载力的路段，应采取处治措施，以满足地基的承载力要求和稳定性等。在路堑段时，下面的山坡上经常分布着大量的玄武岩崩塌岩块，且崩塌岩块由于岩性组合及产状的不同，玄武岩发生崩塌落石的概率也将不一样。在路基填方段，由于洞穴、裂隙、节理发育，在公路的建设和运营阶段可能出现塌陷、不均匀沉降等病害。因此，在路基填筑时，对施工工艺和施工质量要求更高，同时也要注意路基及边坡的防护和防水，避免冲刷。

3 火山岩熔空洞地区公路病害分析

火山岩熔空洞地区属于一种特殊的地质体，在工程建设时需依据其特点而特殊对待。在以往的铁路和水坝修建过程中，已遇到过类似的地质，并有一些研究。比如，在内蒙古的张集铁路中，于国新，等［11］从地貌特征、地层特点、力学性质、路基工程、边坡、隧道等方面，详细分析了该地区的玄武岩分布及其工程特性。此外，在贵州、浙江、江苏等地，也有一些关于玄武岩地区的地质灾害研究，主要涉及的是边坡和边坡稳定性方面的探讨［10-11］。但在火山岩熔空洞地区修建高等级公路方面的研究成果还很少。该地区修建公路时，会遇到开挖坚硬岩石难度大、岩体裂隙发育及开挖薄层软质岩石后，施工场地受到限制等诸多不利因素［12］，需要公路建设者进一步研究和总结。

火山喷发的岩浆随着地表流动时，在不同的内外部因素(如岩浆的矿物组成、地形、地貌、温度、湿度等条件)共同作用下，最终形成了火山岩熔空洞地区的不良地质体。这对公路工程的建设和后期运营存在着极大的安全隐患，而地质体中的地下空洞、岩熔隧道、塌陷坑、沟槽等对公路建设的影响更为突出(图2)。

图2 岩熔隧道及岩熔陷坑Fig.2 Lava tunnel＆ lava collapse

3.1 火山岩熔地下空洞对公路工程的危害

裸露型熔洞由于几何尺寸的差异在地基表面形成了高低不平的基岩面，且熔洞内填充着大量的风化沉积物(主要为高液限土)，这将可能导致修筑在其上的路基产生沉降不均或结构物的地基承载力不能满足规范要求等;覆盖型熔洞则可能因顶板太薄或强度不够，从而导致熔洞顶板的突然塌陷;大面积的蜂窝状熔洞群则可能会引起路堑边坡的坍塌或路基填方段的不均匀沉降。

3.2 岩熔隧道对公路路基危害

岩熔隧道顶板中的岩体裂隙发育且在长期的地质风化及外荷载作用的影响下，使得顶板岩体产生松动或岩石强度降低，进而影响其稳定性，而当顶板承载力不能满足规范要求时，则会使修筑在其上面的路基产生突然性塌陷或边坡失稳等病害［12-13］。

3.3 岩熔陷坑对公路路基危害

在坑底、坑边、坑顶四周发育着环状裂隙且陷坑内充填有大量的风化沉积物;而在坑侧壁及坑边角可能有残留的小熔洞，以及在坑底杂乱堆积大小不等的棱角状块石或形状大小各异的岩堆等;它们都将对公路路基的填筑、压实和稳定性产生较大影响［14-15］。

3.4 熔沟、熔槽及柱状节理对公路路基的危害

沟槽、基岩的凹凸不平及其岩性差异，使得路基或结构物基础产生不均匀受力，从而引起不均匀沉降或开裂;而柱状节理则影响岩体的完整性和强度，进而可能导致路基的变形不均或沉陷等病害。

4 火山岩熔空洞地区高等级公路建设展望

尽管在火山岩熔空洞地区修建高等级公路会遇到很多困难，但随着我国经济的发展和公路的建设水平、科研水平不断提升，公路科研人员和建设者已积累了一定的工程经验。但为了保证公路的设计、施工和后期运营阶段的安全性，在以下几个方面还需进一步的发展和完善［16］。

4.1 勘察技术

由于火山岩熔空洞地区属于不良地质体，那么如何运用物探、钻探、声波检测等勘探方法，查明地质情况，以便更好地指导公路建设的设计和施工等显得尤为重要。同时，对路基挖填方、构造物、桥涵隧道等中的一些重点和关键部位需要进行更为详细的勘察。

4.2 公路设计

在前期工作和地质勘探结束后，结合火山岩熔空洞地区的实际情况，如何对修筑其上的公路进行设计，以保证公路修建及后期运营时的安全，仍是一项重要任务。同时，在保证安全性的前提下，也要注重公路设计时的经济性和适用性等，也是公路设计工作者的重要任务之一。

4.3 地基处治

在对火山岩熔空洞地区的地基在进行处治时，选取什么样的技术手段和方法进行处治，亦相当重要。常用的处治方法有注浆法、强夯法、冲击压实法、桥跨法、板跨法、揭开洞顶回填法等，对各种方法进行理论分析并通过试验路段验证后，选取一种或几种方法作为主要的处治手段。同时，地基处治时的施工工艺流程、技术指标和控制指标等需制定专门的实施方案。施工过程中，施工单位和监理单位对重点和关键部位需进行重点控制，以保证地基处治的工程质量及后期公路运营阶段的安全性。

4.4 路基修筑

在火山岩熔空洞地区路堤和路堑的修筑时，需重点考虑选用什么样的试验路段、选取何种填筑材料、采用何种施工工艺、注意哪些控制要点，以及修筑过程和后期的检测、效果评价等方面。同时，依据室内外试验、现场试验，因地制宜，综合分析和验证后，进而制定出一套完整、详细、适用的实施方案。

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