某高速公路岩溶路基处治方案研究

卢 波

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

近几年来，广西高速公路发展高歌猛进，这些公路跨过江河大海，穿过山川平原等不同类型地质地貌单元。在高速公路建设不断发展的同时，公路病害问题日益凸显，喀斯特地貌区岩溶路基病害层出不穷，针对病害治理除传统注浆措施外，微型桩处治方案应运而生，其处治效果满足岩溶路基稳定性及强度与变形等力学参数的要求，施工难度较低，工程质量及工期可控[2]。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

某高速公路K194+257～K194+272段半填半挖路基发现两处紧挨在一起的岩溶塌陷坑，均位于左侧挖方路基一级边坡坡脚区域。塌陷坑1长6.0 m、宽4.2 m、深3.8 m，塌陷坑2长5.0 m、宽3.5 m、深4.3 m，坑内未见地下水；同时右侧填方路基伴随发育有一处裂缝，长约60 m，宽约2～3 cm，已形成约1～2 cm错台，沿路基快车道与慢车道间纵向发育。

1.2 地质条件

1.2.1 地形地貌

场地属岩溶剥蚀丘陵-洼地地貌，自然地面高程在84～130 m之间，相对高差约45 m。岩溶剥蚀丘陵主要分布在勘察区西侧，洼地、冲沟主要分布于勘察区东侧及西北侧。高速公路以半填半挖的形式从丘陵与洼地结合部位通过，左侧挖方边坡最大坡高约28 m，右侧填方边坡最大填方高度约13 m。边坡坡面多种植绿化植被，丘陵山体表层多种植桉树，洼地及冲沟地段种植水稻等经济作物。路段北侧约200 m处有一河流，自西向东流，河宽约20 m，水深约0.5～1.5 m。

1.2.2 地层岩性

根据地质调查及钻探揭示，场地内地层主要有第四系人工填土层(Qml)、冲洪积层(Qal+pl)和泥盆系上统榴江组基岩(D3l)。

素填土由路面结构层和路床素填土组成。路面结构层厚度为0.80～1.00 m；路床素填土主要成分为黏性土混碎石，含少量砾砂，经分层压实，基本完成自重固结，厚度为1.80～17.00 m。

冲洪积层，硬塑状黏土，土质不均匀，含少量砾砂，厚度为1.0～15.20 m。

中风化灰岩，隐晶质结构，中厚层状构造，岩质坚硬，岩体较完整，岩芯呈短柱状，岩体基本质量级别为Ⅲ级。

1.2.3 不良地质

场地不良地质主要为岩溶塌陷，病害路段发现2处岩溶塌陷坑，均位于左侧挖方边坡坡脚处。塌陷坑1位于里程K194+260处，呈椭圆形，长轴6 m，短轴4.2 m，深3.8 m，面积19.8 m2，溶洞底无积水。塌陷坑2位于里程K194+270处，呈椭圆形，长5 m，宽3.5 m，深4.3 m，面积13.7 m2，溶洞底无积水。据钻探成果反映，钻孔遇洞率为62.5%，线岩溶率为14.40%，溶洞垂直高度为1.10～6.40 m，以充填型溶洞为主，洞内充填物多为软塑状黏土，局部存在无充填型溶洞，判定本场地为岩溶强烈发育区。

1.2.4 物探成果

物探结果与钻探结果基本吻合，K194+185～K194+235段及K194+250～K194+275段有两条带状岩溶发育区，垂直贯穿高速公路两侧，其发育走向大体沿岩层走向一致。该区域为场地岩溶发育区，发育有多个规模较大的溶洞。

1.3 岩土力学参数取值

岩土层各力学参数根据原位测试成果、室内试验成果，结合有关规范综合确定，岩土层物理力学及岩土参数建议值如表1、表2所示。

表1 岩土层物理力学参数建议值表

表2 岩土层物理力学参数建议值表

2 岩溶路基病害机理分析

病害路段下伏岩溶多为浅表覆盖型岩溶，溶洞顶板较薄，岩层产状与高速路走向基本一致，为山体上地下水(岩溶水)产生横向与纵向径流创造了有利条件，加上高速路开挖修建，破坏了原有地表水和地下水径流补给排泄系统，地表水直接沿高速开挖坡面岩溶入渗补给，并沿岩层倾向向下产生径流至高速路填土路基底面，产生地下水动力径流作用，进而造成土体变形累计和水土流失，导致高速路变形破坏。而在岩溶地下水快速涨落过程中，会形成虹吸管真空下拉效应，进一步促使岩溶顶板及周边岩土体变形、流失累积，当发展至一定程度时，将发育成为岩溶塌陷，于路面形成塌陷坑及路面裂缝、沉降等病害。

3 岩溶稳定性分析

3.1 定性分析

勘察成果显示，顶部溶洞的顶板厚度在0.70～2.10 m之间，溶洞底标高在56.35～92.46 m之间，溶洞内充填软塑状黏土。勘察期间钻孔控制深度范围内测得地下稳定水位为85.35～91.67 m，水位年变化幅度约3～5 m，变化范围基本位于顶部溶洞内。地下水的反复涨落及补给排泄，将溶洞内填充的软塑状黏土带出，使顶部溶洞逐步被掏空。溶洞的薄层顶板在失去充填物支撑后，在路面车辆荷载的反复作用下，形成坍塌失稳，从而导致路面塌陷、出现条形裂缝。

3.2 定量分析

依据钻探及物探成果显示，各钻孔溶洞厚跨比验算见表3，根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)第7.6.2条规定，厚跨比>0.8，认为溶洞顶板稳定，可不作处理。计算结果表明，病害路基段多数溶洞厚跨比<0.8，可认为溶洞顶板不稳定。在地下水径流动力作用下，溶洞充填物易软化及被带走，极易造成岩溶失稳、坍塌，路基变形破坏。

表3 溶洞厚跨比验算一览表

4 处治方案

4.1 注浆方案与检测

4.1.1 注浆加固方案

为了验证传统注浆加固方案是否可行，在实施微型桩方案之前，分别选择ZK2和ZK9钻孔所揭示的岩溶发育区作为试验性注浆1区和2区，注浆孔间距为2.0 m×2.0 m，各区注浆孔布置如图1所示。

图1 试验性注浆布孔示意图(cm)

采用纯水泥浆进行静压式注浆，注浆配比及注浆压力如表4和表5所示，可根据实际情况进行细部调整。

表4 注浆材料配比表

表5 注浆压力参考表

4.1.2 注浆效果检测

上述注浆方案实施后进行效果检测，检测主要采用钻孔抽芯、原位测试和物探前后对比等手段进行。

4.1.2.1 物探高密度电法

注浆试验1区，注浆后电法观测结果与注浆前基本一致，说明注浆前后物探测线段地层结构并无大的变化。

注浆试验2区，注浆后电法观测结果较注浆前有较明显提高(注浆前电阻率约在10～50 Ωm，注浆后电阻率约在50～100 Ωm)，推测注浆区有注浆凝固块体，使得电阻率整体上有所提高，但电阻率仍存在不均匀分布、相对低阻异常的情况，如表6所示。

表6 高密度电法岩溶注浆效果定性评价表

4.1.2.2 钻孔抽芯

根据检测规范要求，分别对注浆试验1区进行3孔抽芯，对2区进行4孔抽芯，抽芯情况如表7所示。

表7 抽芯钻孔一览表

4.1.2.3 原位测试分析

根据现场原位测试标准贯入试验，覆盖层标准贯入测试击数有不同程度的提高，均>10击，前后均满足要求，有一定的加固效果。溶洞充填物前后对比变化不大，共进行了4次标准贯入试验，平均击数为5.3击，<10击，达不到注浆效果要求，成果对比分析如表8所示。

表8 标准贯入测试成果统计表

通过上述3种方法检测结果对比分析和相互佐证，溶洞充填物性状无明显改变，标准贯入击数<10击，基本未见有水泥结石砾，注浆穿透性差，扩散半径小，注浆效果不理想。

4.2 微型桩方案

4.2.1 微型桩(钢管桩)方案

微型桩方案直接支承岩石上，有跨越溶洞作用，根据岩面起伏及岩溶发育情况，按桩长、桩径及分布里程段将微型桩钢管桩分为3个区。Ⅰa区和Ⅰc区采用φ108 mm的无缝钢管，钢管壁厚为6 mm，桩长15 m；Ⅰb区采用φ130 mm的无缝钢管，钢管壁厚为6 mm，桩长22.50 m。桩长控制原则为：当覆盖层厚度<10 m时，最小桩长≥10 m且嵌入灰岩≥2 m，当遇溶洞时，穿越溶洞进入灰岩底板≥2 m，最大桩长一般不宜超过25 m。桩顶设置高强度钢筋混凝土面板连接，板厚35 cm。完成桩面板施工后，按沥青路面铺设要求进行路面恢复，同时在填方边坡侧布置泄水孔，便于地下水的排泄，如图2和图3所示。

图2 微型桩布置平面图

图3 微型桩立面图(mm)

4.2.2 微型桩方案验算

4.2.2.1 整体稳定性验算

利用GEO5 2019版中土质边坡稳定性分析模块，计算典型断面可能产生滑移的情况，按搜索最危险滑面来计算微型桩抵抗土体侧向变形的能力。计算模型和计算结果如图4和表9所示。

图4 微型桩整体稳定性计算模型图

表9 各工况条件下边坡安全系数计算结果表

通过计算可知，在外侧土体滑移后产生临空面时，失去被动土压力作用下，微型桩支撑能抵抗土体侧向变形的能力，在最不利滑动面作用下，稳定性系数能满足规范正常工况≥1.30、非正常工况≥1.15的要求。

4.2.2.2 微型桩承载力验算

当病害路段产生变形及地下水排泄后，微型桩支撑应能满足承载力要求，利用GEO5 2019版中微型桩模块，根据地层剖面计算微型桩内力及变形情况，计算结果如表10～12所示，可见在土体流失过程中，能满足竖向承载力及变形控制要求。

表10 压屈稳定性验算表

表11 受压微型桩验算表

表12 耦合截面承载力验算表

5 结语

本文以某高速公路K194+180～K194+350段半填半挖岩溶路基处治工程为例，在研究了工程的地质条件和水文条件后，根据当地实际情况，先采用传统的注浆加固方案进行试验性注浆，经检测发现注浆加固处治后效果不理想，而后采用微型桩治理方案，加固效果良好，经济效益明显，值得推广应用，同时也总结了以下几点结论：

(1)传统注浆工艺在溶洞充填物为黏性土时运用，注浆穿透性差，扩散半径小，对充填物性状改变不大，处治效果差，达不到提高岩溶处治的要求。

(2)微型桩具备跨越岩溶发育区的优势，支承作用大，协调变形能力强，适用岩溶地质变化范围广，可靠度高。

(3)与传统注浆工艺相比，微型桩具备施工质量、工期及工程造价可控等优势，且有利于生态环境保护。