百丈泥浆坑的勘察方法及处治方案探讨

2022-05-25吕庆强

四川建材 2022年5期

吕庆强，王军，赵虎

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041；2.四川公路工程咨询监理有限公司，四川成都 610041；3.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041)

0 前言

广西柳州至梧州高速公路百丈互通区，互通穿越重晶石矿区，采矿过程中形成采矿坑，后洗矿的泥浆堆积于坑内，形成最大厚度20 m的泥浆坑，对路线方案影响较大，且由于泥浆的特殊性，其他勘察手段无法实施，通过采用浅水域电磁探测系统(飞鱼)，利用淤泥坑内岩土体的电阻率物性差异和泥浆土工试验，基本查明施工区域内淤泥层的厚度、土石分界面形态、泥浆的性质特征，并针对性地进行处治方案和工程经济性比选论证，最终选择以桥梁方式通过采矿泥浆坑。此勘察方法在泥浆物探勘察中取得了良好的应用效果，以期对今后穿越该类工程勘察项目提供有益的参考价值。

1 洗矿泥浆坑地质概况

1.1 洗矿泥浆坑概况

该互通位于丘陵缓坡区，上覆红黏土层中富含重晶石矿，属于重晶石矿区，矿产单位正在进行采矿、洗矿、堆渣作业，形成洗矿池，洗矿后的泥浆流入泥浆坑(见图1)，路线主线约200 m位于泥浆坑内[1]。

图1 正在施工的洗矿作业区

自2015年9月起被当地矿业公司开挖形成顺路线长度约190 m，垂直路线宽度约95 m，深约20 m的矿坑，坑底标高约为167.03 m，矿坑面积约13 670 m2，2015年12月底此处漫水成为塘坝，淤泥厚度最深处约17～25 m，现场调绘过程中，矿坑仍在生产，洗矿形成的泥浆仍排进该矿坑，形成如图2所示地貌形态。

图2 洗矿泥浆坑全貌

该路段路基设计标高约为180.5 m，洗矿池泥浆地面标高约184.50 m左右。矿坑范围内约50%面积为清水区，水深0.2～0.3 m，其余范围内均为泥浆覆盖，洗矿泥浆由于洗矿池排水不畅，具有天然含水量大，多呈流体～流塑状，排水困难，近地表胀缩特征明显，泥浆池表面多见脱水龟裂缝，其承载力极低，且长期处于饱水状态，脱、排水困难，不能作为路基和桥梁的基础持力层，为互通区的处治对象。

1.2 场地土层及泥浆物理力学性质对比分析

互通区原地表为坡残积黏土，呈软塑～可塑状，工程性质差，根据互通内路堑工点的土工试验成果表明，该层为红黏土，具胀缩性、上硬下软等特性，经掺灰及加固处理满足规范要求后可作为地基持力层，具体土工试验成果如表1所示。

表1 (Q4dl+el)黏土物理力学参数统计表

为进一步掌握泥浆坑内泥浆的物理力学参数，在互通区泥浆坑壁附近，人可达到的最近位置采取了3组土样，进行了室内试验，具体试验结果见表2。

表2 矿坑内泥浆层主要物理力学参数统计表

由于采样位置和包装原因，所采土样相对含水量较低，有一定的失水特征，泥浆坑内大部分泥浆物理力学性质更差，更趋于饱和状态。

2 洗矿泥浆坑勘察方法选择

由于工作区为重晶石矿洗矿区，地面均为饱和泥浆或积水，人员、设备无法进入，也曾无法利用船只。常规的勘察方法中，钻探是比较常见的而且勘察结果准确，但其需要的机械设备过于沉重，根本无法进入该区域；也曾试图采用搭设架管或者铺设木板、竹板等漂浮设备的方式，使得人员和轻型的设备(动力触探、静力触探、坑探、钎探等)能够进入勘察场地，但这种方式无论是时间成本还是经济成本都不合适，尤其在安全上无法得到保证，只能放弃；物探也是勘察手段和方法之一，那么在现有条件下，应选择一种能够满足本工程需要的物探方法。在排除了高密电法、地震波法等常规方法后，后经多方比较，采用湖南五维地质科技有限公司、中南大学共同研发的“飞鱼”型浅水域综合物探系统(简称“飞鱼”)对泥浆区域进行探测。“飞鱼”外观如图3所示。

图3 “飞鱼”外观照片

2.1 “飞鱼”的工作原理和优势

“飞鱼”型浅水域电磁探测系统的工作基本原理是对脉冲源所感生的随时间变化的二次场进行测量，625KSPS采样率，24位分辨率，130 dB动态范围高性能采集系统。工作方式为两端固定，拖曳作业(本次可采用拖拉机牵引或卷扬机牵引)。

“飞鱼”是一种新的水下物探装备，其优势在于该装备能够在浑浊、激涡等复杂水体条件下探测渗漏、管涌、断层、覆盖层、管线、金属炸弹等异常体，工作最大水深200 m，最大探测地层深度100 m，最长连续工作时间8小时，可搭载720P等摄像机进行近高清摄像作业，直接解决了本工程中人员和其他勘察设备无法进入工作现场的难题。该系统在海洋工程中应用较多，例如在狮子洋过江隧道、厦漳过海隧道、大连地铁5号线梭鱼湾海底隧道等工程中发挥了重要作用，但在内陆公路工程中的应用尚属首次。

2.2 现场探测测线布置

为详细查明矿坑范围内泥浆深度，满足路线方案设计的需要，在矿坑范围内根据拟设桥梁桩基位置及路基段按20 m一根横剖面的密度布设横剖面，共布置测线13条，由于淤泥坑中人员无法进入，坑边界为人工坝，行车和施工难度大。探测中采用RTK对测线首尾端点进行放样，将“飞鱼”(浅水域拖曳式瞬变电磁系统)放置测线一端，通过200 m的缆绳跨过淤泥坑连接到测线另外一端，并用钢钉固定滑轮，利用牵引缓慢前进，每隔5 m进行定点数据测量，工作原理如图4所示，工作照片如图5所示。

图4 工作原理图

图5 现场工作照片

3 洗矿泥浆坑勘察成果

根据野外实测数据，通过原始数据导入、数据滤波、一维反演[2]等数据处理，得到了物探探测解译成果，断面上部浅部电阻率横向变化相对较缓，推测为表层水、淤泥，并推测了淤泥底部界面；部分断面深部电阻率横向变化不均匀，成像低阻向下延伸，推测为基岩中溶蚀区或岩性软弱带，富含水，道路桥梁施工中应予以验证，电阻率纵、横断面图及解释成果[3]如图6～7所示。

图6 纵2线电阻率断面图及解释断面

图7 横2线电阻率断面及解释图

根据物探成果报告，对矿坑区布设的各条纵、横剖面探测的泥浆厚度统计分析如表3所示。

表3 飞鱼探测成果

根据表3探测情况，建议如下。

1)对于K0+550～K0+630路线左侧至中线附近矿坑泥浆深度约18～22 m，厚度较大，清淤换填难度较大，故建议该段采用桥梁通过，同时，根据物探揭示，在K0+570～610段在岩土界面附近均有不同程度的岩溶发育，建议在桥梁基础设计时引起重视，并加强桩基基底岩溶发育程度的探测和施工验证。

2)对于K0+420～K0+550段，路线范围内泥浆深度约10～15 m不等，可以路基形式通过，但需要对路基基础范围内的泥浆进行全部清淤换填，确保路基稳定。

4 洗矿泥浆坑处治方案地质比选论证

根据洗矿泥浆坑的地形、地质条件，提出3个处治设计方案分述如下。

1)方案一(路基方案)：挖除洗矿池内非适用性材料填筑土，路线左侧赔路及路床范围内采用借石方填筑，其他部分采用原设计临近弃土场中Ⅱ、Ⅲ类土填平，同时完善排水设施。为提高路堤强度、减小不均匀沉降，路堤范围内路面设计标高以下，每隔4m设置一层强夯加固处理。泥浆坑填筑完成后，路基以外部分以及局部挖方边坡，采用喷播植草恢复绿化。工程造价较高，但路基方案施工工艺简单。设计采用泥浆处理设备对挖除的洗矿池沉积物泥浆进行处理，泥浆坑最大深度为22 m，开挖、填筑工程量大，泥浆处理周期长；施工过程中存在淤泥漫流、泥浆池边坡垮塌的风险。

2)方案二(桥梁方案)：K0+460～K0+640段落设置9孔跨径20 m桥梁通过。挖除洗矿池内非适用性材料填筑土至桥梁盖梁底面标高。工程造价最高，但桥梁方案减少了挖除泥浆量，减少了填方以及弃方处治的工程数量，泥浆处理施工周期相对较短，风险可控。桥梁施工难度相对较大，需设置施工平台、增加桥梁桩孔支护等工程措施，横断面如图8所示。

图8 典型桥梁横断面简图

3)方案三(预应力管桩方案)：挖除洗矿池内非适用性材料填筑土至路面设计标高以下3.0 m，地基采用预应力管桩处治。预应力管桩桩径40 cm，桩间距2.0 m,按正方形布设；C25混凝土板托尺寸1.2 m正方形，厚0.35 m；砂垫层厚0.35 m，碎石垫层0.65 m；回填片碎石至路基设计标高。工程造价最低，但由于洗矿池内泥浆过饱和、欠固结，力学指标极低，受地下水波动、桩间土压缩的影响，对管桩产生负摩阻力，很难确保土拱的形成，差异沉降反射到路面，易出现蘑菇状高低起伏的现象。

后召开多次专家评审会，与会专家普遍认为勘察成果相对准确，并结合项目实施进度、施工的可靠度等综合比选，认为采用桥梁方案较为合理，地质风险相对可控，综合推荐桥梁方案作为实施方案，经施工地质验证，本勘察成果基本准确。