娄新高速k30+882.47～k31+380段岩溶塌陷处治方案设计

赵昌军，龙劭一

(湖南省娄新高速公路建设开发有限公司，湖南娄底 417000)

随着我国高速公路建设里程的增长，大量在建或规划中的高速公路不可避免穿越岩溶发育的地区。我国碳酸盐系分布面积占领土面积的20%以上，达到200万km2。这些地区几乎均存在岩溶地质发育现象。据统计，我国有22个省、自治区共发生岩溶塌陷865处以上，塌陷坑总数超过3万个，尤以广西、贵州、云南、四川、湖南等省区最为发育。随着“西部大开发”等国家战略的实施以及这些地区城市建设的发展，许多公路、铁路等交通都需要源于或穿越这些岩溶洞穴地区，随即面临因岩溶洞穴的塌陷所导致的路基失稳与破坏问题。目前，在岩溶地表进行高速公路建设方面，虽然国内外学者进行了一些研究［1－10］，但主要是工程经验介绍，尚未形成成熟的理论及工程设计体系。因此岩溶区路基稳定性分析与评价及处理成为高速公路建设成败的关键之一，也是目前国内外岩溶区高速公路建设的重大技术难题之一。

1 娄新高速公路 k30+882.47～k31+380段岩溶塌陷分布规律

1.1 岩溶分布

娄新高速公路k30+987～k31+380岩溶和塌陷地基场区属河流冲积平地，主要地层为第四系全新统冲积层、第四系更新统的坡积层，二叠系下统茅口组。场内主要地层中，淤泥质粘土为软土，强度低、压缩性高。灰岩虽强度较高，但顶面起伏巨大，岩溶发育，其上覆与下伏全风化硅质页岩中均见有与土洞性质接近的空隙及塌陷松散区、场地地基透水性好，灰岩中部分溶洞以及周边的塌陷区为地基稳定性的隐患，需要进行处理。

根据勘察报告，钻孔所揭露岩溶情况见表1。

1.2 塌陷分布

根据地质调绘，路线左右两侧地表发育有岩溶塌陷，分布在k30+450右91 m～k31+835左460 m段，这些塌陷从现状看为不连续的点状，点之间呈线状关系，每个塌陷点均呈不同的形状，地表塌陷面积小的为10～30 m2，大的为500～1 200 m2不等，其中距线路最近的一段为于k31+010左25 m～k31+150左80 m，该塌陷呈长条形，长约150 m，宽约30 m，深度为2 m。在本次勘察期间在此塌陷区的边缘又发现新的塌陷区，位于k31+010左18 m，呈椭圆形，直径约3 m，深约1 m，形成时间约为2008年6月，其位于路基范围内，对路基稳定有影响。

岩溶塌陷分布情况见图1。

表1 钻孔揭露岩溶一览表

图1 岩溶塌陷分布图

1.3 本路段工程地质评价

根据勘察报告及调查，场地不良地质非常发育，基岩受构造挤压影响，灰岩中碎裂岩化后重胶结良好情况推测，该断裂构造应为地质历史期古老的断裂，为非工程活动断裂，对场地稳定性影响可以不予考虑。但岩石破碎、岩溶发育，溶蚀现象规模大，由于溶蚀作用以及矿区抽降水作用形成的地基内土洞以及塌陷松散区以及地表塌陷较为发育，工程地质条件极为复杂。

场内主要地层中，淤泥质粘土为软土，强度低、压缩性高，厚度较小，不易作为路基持力层，宜清挖。灰岩虽强度较高，但顶面起伏巨大，岩溶发育，其上覆与下伏全风化硅质页岩中均见有与土洞性质接近的空隙及塌陷松散区、场地地基透水性好，灰岩中溶洞以及周边的塌陷区均为地基稳定性的隐患，需要进行处理。

该区大规模的塌陷发生于20世纪80年代，近年来基本未见有发展扩大的趋势，且地下水位在100 m以下，可见由于斗笠山煤矿严重抽水引起的塌陷及塌陷引起的地表沉陷历史上已完成，且大多全充填，故地下水上侵潜蚀发生新塌陷的可能性基本消除。但由于场区下伏土层中存在深部塌陷形成的松散岩土体，其孔隙较大，连通性能好，地表水多从松散体中下渗，逐步把土层中的细颗粒带起，致使土层中孔隙比不断增大，从而降低土层的结构力。所以地表水下渗仍可能形成新的地表塌陷。因此宜注意地表水下渗防备工作。

针对娄新高速k30+882.47～k31+380段岩溶塌陷处理初步建议:先清除表层全新统冲洪积层至强风化硅质页岩层(前期勘察定为坡残积层“角砾”)顶部，对强风化硅质页岩层进行强夯并整平。为防止该路段某些不明溶洞等给今后路基带来的不均匀沉降等，对全路段在强夯整平后的硅质页岩上设置双层配筋混凝土连续板跨越，在连续板上再填筑路基。

2 按规范设计跨越直径为5.2 m塌陷区盖板配筋

2.1 设计资料

假设路基下存在塌陷区，直径为5.2 m，路基治理方案采用连续板跨越方式通过。路基填土为8 m，对6 m长度的连续板进行设计。

汽车荷载等级:公路—Ⅰ级;环境类别:Ⅰ类环境;

净跨径:L0=2.6 m;计算跨径:L=3 m;填土高:H=8.5 m;

混凝土强度等级为C30;轴心抗压强度fcd=13.8 MPa;轴心抗拉强度 ftd=1.39 MPa;

主拉钢筋等级为HRB335;抗拉强度设计值fsd=280 MPa;

主筋直径为22 mm，外径为24 mm，共30根，选用钢筋总面积As=0.011 403 m2;

连续板容重 γ1=25 kN/m3;土容重 γ2=18 kN/m3。

根据《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61—2005)中7.0.6关于涵洞结构的计算假定:盖板按两端简支的板计算，可不考虑涵台传来的水平力。

2.2 外力计算

2.2.1 永久作用

1)竖向土压力:

2)盖板自重:

2.2.2 由车辆荷载引起的垂直压力(可变作用)

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)中 4.3.4 的规定:

计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下做30°角分布。当几个车轮的压力扩散线相重叠时，扩散面积以最外面的扩散线为准。

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60－2004)中4.3.1关于车辆荷载的规定:

车辆荷载顺板跨长:

车辆荷载垂直板跨长:

车轮重:P=1 100 kN;

车轮重压强L:

2.3 内力计算及荷载组合

2.3.1 由永久作用引起的内力

跨中弯矩:

边墙内侧边缘处剪力:

2.3.2 由车辆荷载引起的内力

跨中弯矩:

边墙内侧边缘处剪力:

2.3.3 作用效应组合

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)中4.1.6关于作用效应组合的规定:

跨中弯矩:

边墙内侧边缘处剪力:

由于实际计算的盖板四周都有支承，所以对跨中弯矩及边墙内侧边缘处剪力进行折减20%，则跨中弯矩变为:

边墙内侧边缘处剪力:

2.4 持久状况承载能力极限状态计算

截面有效高度:

2.4.1 混凝土受压区高度

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)中 5.2.1 关于相对界限受压区高度ξb的规定:

HRB335钢筋的相对界限受压区高度 ξb=0.56。混凝土受压区高度满足规范要求。

2.4.2 最小配筋率

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)中9.1.12 关于受弯构件最小配筋百分率的规定:0.22，同时不小于0.2，主筋配筋率满足规范要求。

2.4.3 正截面抗弯承载力验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)中 5.2.2 关于受弯构件正截面抗弯承载力计算的规定:

正截面抗弯承载力满足规范要求。

3 路基荷载作用下混凝土连续板受力有限元分析

3.1 计算模型

选取有限元计算模型见图2。

图2 有限元分析计算模型边界条件

计算范围为路基面为25 m，路基填高为8 m，路基边坡坡率为1∶1.5，横断面取90 m，行车方向取30 m。计算模型结构层次自下而上为:粉质粘土为3 m，碎石为3 m，硅质页岩为12 m，灰岩22.5 m，路基下连续板全铺，厚为0.5 m。假设路基下有塌陷，塌陷形状分别为3 m×3 m;自重荷载取值见表2，计算荷载包括自重荷载以及行车荷载，见表3。由于本次计算主要计算板的受力情况的，所以计算的材料模型取弹性模型进行计算。

表2 有限元分析计算材料物理力学参数

行车荷载按照根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)中4.3.4 的规定，见表3，取车重为550 kN，作用面积为15 m ×2.5 m。

模型的边界条件为地基的四周为各面的垂直方向约束，路基的行车方向进行约束，如图2所示，其中黄色箭头表示模型的所受的重力，红色区域作用车辆荷载。

表3 《规范》规定车辆荷载取值

3.2 计算工况的设定

为了更好的模拟路基的填筑过程、车辆荷载及路基下塌陷对连续板的影响，计算工况如下。

3.2.1 初始地应力计算

为了模拟地基的初始应力状态，需先计算地层在重力作用下的初始应力状态，并将所求得的初始应力导入到模型中，以使初始位移场为0。

3.2.2 路基填筑对连续板的影响

路基填筑共分4步进行，第一步填筑2 m。采用生死单元法进行模拟。首先在初始步把整个路基的单元“杀死”，然后分4步进行“激活”，以模拟路基填筑对连续板的影响。

3.2.3 车辆荷载对连续板的影响

路基填筑完成后，在模型的路基面中心部位15 m×2.5 m的区域上施加车辆荷载。

3.2.4 路基下塌陷对连续板的影响

最后采用“杀死”单元法，将可能发生的塌陷区域进行模拟。假定塌陷形状分别为3 m×3 m。

3.3 数值计算结果与分析

由图3所示路基应力分布情况，由于连续板的设置，将路基荷载向地基深处传递，路基的中心线下受力较大。

图3 路基及地基应力分布情况

由于连续板的设置，将路基荷载向地基深处传递，路基的中心线下受力较大。图4～图7塌陷形状为3 m×3 m，路基下连续板的应力分布情况，可为连续板跨越处理路基下塌陷处治方案设计提供依据。

图4 连续板上表面受力情况

由图4～图7表明连续板上表面的中间受力较大，而由于路基下岩溶塌陷的存在，在连续板的中间竖向应力较小，在板的边界部位却出现较大的竖向应力，向两侧逐渐变小。连续板上沿路基横向的正应力，在板的中间最大，向两侧逐渐变小。

图5 连续板上表面沿路基横断面方向力分布

图6 连续板上表面沿路基纵断面方向力分布

图7 连续板上表面竖受力分布

4 结论

1)对娄新高速公路路基场区岩溶塌陷分布发展规律及产生的原因进行了研究，由于地下水位较深(100 m以下)，地下水上侵潜蚀发生新塌陷的可能性基本消除，但地表水下渗仍可能形成新的地表塌陷，尤其在河边地带，更是地表水与地下水交换频繁地带，容易形成地表塌陷。

2)娄新高速k30+882.47～k31+380段岩溶塌陷处理初步建议:先清除表层全新统冲洪积层至强风化硅质页岩层(前期勘察定为坡残积层“角砾”)顶部，对强风化硅质页岩层进行强夯并整平。为防止该路段某些不明溶洞等给今后路基带来的不均匀沉降等，对全路段在强夯整平后的硅质页岩上设置双层配筋混凝土连续板跨越，在连续板上再填筑路基。

3)按规范对直径为5.2 m塌陷区上覆盖板配筋进行了计算分析，并采用有限元法对岩溶塌陷地基在路基荷载作用下的应力分布及采用连续配筋混凝土板跨越路基下伏塌陷时板的应力分布情况，为连续板的配筋设计提供参考。

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