龔德洹，左 珅

(中鐵十二局集團第七工程有限公司，山西太原 030025)

0 引言

隨著我國公路建設(shè)飛速發(fā)展，公路里程與密度大幅提升，各地區(qū)的通達率顯著提高。在我國西南地區(qū)廣泛存在巖溶病害，包括公路、鐵路、房建及水利等不同工程領(lǐng)域都受其危害。伴隨公路覆蓋區(qū)域的延伸，建設(shè)過程中遇到的不良地質(zhì)也越來越多。

工程領(lǐng)域的巖溶災(zāi)害問題早已十分突出，上世紀70年代以來，有關(guān)人員多次召開有關(guān)巖溶的國際學(xué)術(shù)會議:1973年國際工程地質(zhì)協(xié)會在德國首次舉行巖溶塌陷與沉陷問題國際討論會，專門討論歐洲地區(qū)巖溶塌陷分布、勘測技術(shù)與治理措施;1978年在美國賓夕法尼亞州召開巖溶地質(zhì)工程討論會，重點討論巖溶塌陷變化規(guī)律;1984年～2003年，在美國先后召開九屆有關(guān)巖溶塌陷治理的工程會議。巖溶問題復(fù)雜性與危害性日益引起國內(nèi)外學(xué)者及工程人員的重視。

巖溶洞穴是一種地表水和地下水對巖層經(jīng)過化學(xué)作用和機械破壞作用的地下溶蝕現(xiàn)象，簡稱為溶洞。溶洞大小、埋深不同，處治方法也不相同。注漿是整治巖溶塌陷的常用措施［1～3］，但治理效果與注漿材料及注漿工藝有直接關(guān)系。陳尉杰［1］針對基礎(chǔ)工程溶洞塌陷問題，介紹了注漿形成水泥帷幕的施工工藝。劉建濤［2］采用鉆進方法及注漿技術(shù)對電廠擴建地基進行了注漿加固處理。楊秀竹［4］探討了采用粘土固化漿液鉆孔注漿的方法，形成水平堵水帷幕，隔斷地下水的同時，可以起到提高地基承載力的作用。

此外，曹雙其［5］介紹了一種采用復(fù)合載體夯擴樁處理軟弱及溶洞地基的方法。鐘黨磊［6］針對樁基施工溶洞病害，介紹了沖孔樁施工技術(shù)。周希文［7］針對樁基施工中串珠狀溶洞復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象，探討了鉆孔樁施工方法。李士友［8］嘗試采用強夯法對淺層溶洞進行處理，并對試夯區(qū)確定施工參數(shù)。

巖溶地區(qū)工程地質(zhì)十分復(fù)雜，不同的地質(zhì)處理措施也各不相同，處治效果如何直接影響工程建設(shè)的質(zhì)量與安全，并關(guān)系到將來公路的運營，處理不當(dāng)可能造成經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。目前工程實踐中多采用填充或跨越的方法處理巖溶問題，但受限于工作環(huán)境多變性與復(fù)雜性，研究成果存在很大的局限性，尤其在公路工程領(lǐng)域，溶洞方面研究成果還相對較少，因此，針對這一問題開展研究具有重要的工程價值與實際意義。

1 工程概況

本文依托工程為某新建山區(qū)二級公路，設(shè)計時速60 km/h，雙向2車道，路寬12 m。沿線區(qū)域地形地貌多樣，巖體主要為灰?guī)r碳酸巖，巖溶狀態(tài)十分發(fā)育，巖溶多為裸露型。

在k5+060～k6+100段路基施工過程中，發(fā)現(xiàn)多處分布有隱伏溶洞及落水洞，路基下部巖層多為灰?guī)r，弱風(fēng)化，強溶蝕，基巖面埋深0.70～7.80 m，在k5+800～k5+920場地平均埋深2.7 m，巖溶發(fā)育強烈，對路基的穩(wěn)定性和運營安全性存在較大的影響。

勘察范圍內(nèi)地形地貌屬于巖溶洼地。工程重點處理位置處于洼地中部，常年處于積水狀態(tài)。勘察場地土層結(jié)構(gòu)依次為:人工填土、黏土、灰?guī)r，地質(zhì)特征具體如下:

第一土層:人工填土，呈現(xiàn)深紅色，結(jié)構(gòu)比較松散，主要分布在3#地段;第二土層:黏土，呈灰褐色，3#段可塑狀態(tài)，2#段硬塑狀態(tài)，較為疏松，厚度2～7 m不等;第三土層:灰?guī)r，呈灰白色，屬弱風(fēng)化強溶蝕，埋深約7 m。

通過勘察，探明治理標(biāo)段路基存在16個溶洞，其中13個溶洞有充填物，充填物多為破碎的灰?guī)r。沒有充填物的3個溶洞，頂板厚度在1～4 m。兩處巖溶水源與地下水存在直接聯(lián)系，地下水位受季節(jié)及生活用水影響變化較為頻繁。地下水對溶洞形成發(fā)育有直接的影響，進而危害路基穩(wěn)定。

2 溶洞塌陷引起地面變形預(yù)測

一旦溶洞空區(qū)坍塌會引起地層移動造成地面拉裂、地面隆起、地面傾斜、扭曲、地面階梯狀、漏斗形塌陷坑等，影響公路的正常使用。是否對公路溶洞進行處理及怎樣進行處理，需首先進行變形預(yù)測分析，依據(jù)科學(xué)的計算結(jié)果做出判別。

2.1 地面變形計算理論

溶洞區(qū)地面變形計算研究在國外開展較早，在19世紀末就已有相關(guān)方法誕生，這個領(lǐng)域計算方法可主要劃分為兩個方面:經(jīng)驗計算和理論計算［9，10］。盡管溶洞區(qū)地面變形計算研究開展的很早，但目前仍未能建立通用的計算模型［11～13］。劉寶琛院士等把隨機介質(zhì)理論應(yīng)用于到地下空區(qū)地面位移計算領(lǐng)域，該方法較好解決了空區(qū)地面變形計算問題。

隨機介質(zhì)理論起源于國外，經(jīng)我國劉寶琛等發(fā)展完善后，應(yīng)用于巖土開挖或垮塌導(dǎo)致的地表變形。在三維坐標(biāo)體系中，z為豎向軸，x1，x2為互相垂直的兩條水平軸，由隨機介質(zhì)理論，地表下沉盆地W可以表述為:

式中:W 為地表下沉盆地函數(shù);B11，B22，B33，A1，A2，A3，N為介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

對于傾斜成層介質(zhì)下沉盆地函數(shù)為:

式中:K11(z)，K22(z)分別為下沉盆地向巖體走向和傾向上移動時影響半徑的函數(shù)，推導(dǎo)中可設(shè)b1=K11(z)、b2=K22(z)，式中b1和b2表示為水平方向發(fā)生位移的系數(shù);M(z)為下沉盆地在巖層傾斜方向上發(fā)生位移的函數(shù);N(z)為巖層發(fā)生位移的過程中體積發(fā)生相應(yīng)變化的函數(shù)，實際情況下，可設(shè)體積保持不變。

由所使用的坐標(biāo)系的變換規(guī)律即可換算得到主要應(yīng)變方向上的各個應(yīng)變分量，其中包括主變形最大計算式、主變形最小計算式、傾斜變形最大計算式、主曲率最大計算式等。軸向水平變形分量:

剪切變形分量:

地表傾斜分量:

地表曲率分量:

假設(shè)公路工程所處地基為各向同性的半無限空間，由以上公式獲得單元開挖或者單元坍塌導(dǎo)致的變形計算結(jié)果之后，由積分就能得出整個開挖或坍塌空間Ω導(dǎo)致的地表變形表達式。圖1為溶洞空區(qū)地表位移計算模型。設(shè)地下空間為Ω，則該空間開挖導(dǎo)致的巖體地表變形為:

圖1 溶洞空區(qū)地表位移計算模型

式中:F 為地表變形矢量，F(xiàn) = {Ux，Uy，W，εx，εy，εxy};Fe為單元變形矢量，F(xiàn)e= {Uex，Uey，We，εex，εey，εexy};η 為下沉折減系數(shù);Ux，Uy，W為地表水平位移和下沉盆地;εx，εy，εxy為地表變形。

2.2 溶洞塌陷引起的地面變形預(yù)測

本項目為地下巖溶空區(qū)引起的地表變形，計算模型采用等效坍塌面積代替的平面模型計算參數(shù)采用工程類比法確定。

從線路k5+800～k5+920段的地質(zhì)勘察資料可知，實際溶洞的形狀很不規(guī)則，若按現(xiàn)場實際情況來建立其地表位移預(yù)測幾何計算模型，則不規(guī)則的幾何模型將給計算帶來相當(dāng)大的困難。為了方便計算，本預(yù)測模型將溶洞大小不一和形狀不規(guī)則的溶洞等效成面積相同的相對規(guī)則的橢圓溶洞模型。

在實際工程中溶洞發(fā)生病害往往是某一部分塌陷，因此本計算模型擬對溶洞模型按10%、20%、40%和80%等效面積塌陷量進行計算分析。

根據(jù)病害路段地質(zhì)勘察得到的資料，選取了典型斷面，建立的計算模型對溶洞等效坍塌量導(dǎo)致的地表變形進行了預(yù)測分析。見圖2。

圖2 k21+590斷面溶洞分布與面積等效(單位:m)

當(dāng)溶洞塌陷10%時造成的地表變形曲線如圖3～圖5所示。

依次類推，可分別計算得到溶洞塌陷40%，80%時的水平位移、下沉、曲率及傾斜等變形量。統(tǒng)計得到地面變形規(guī)律如圖6～圖8所示，可知，溶洞的坍塌量與變形量呈現(xiàn)較規(guī)律的正比增長關(guān)系;計算得到的地面各變形參量幅值如表1所示。

圖3 溶洞10%塌陷量計算地面水平位移曲線

圖4 溶洞10%塌陷量計算地面下沉曲線

圖5 溶洞10%塌陷量計算地面曲率曲線

圖6 地面水平、豎向位移變化規(guī)律

圖7 地面水平變形、傾斜增量變化規(guī)律

圖8 地面曲率變形規(guī)律

將計算值與規(guī)范規(guī)程安全要求范圍進行對比，即可對溶洞危害性進行定量的判別。

在此將二級公路作為二級建筑物進行處理，地面變形控制指標(biāo)可按表2選用。

典型斷面溶洞空區(qū)地段由空區(qū)坍塌所造成的地表變形數(shù)值均超過了公路地表變形控制指標(biāo)，因此均必須采取有效的工程處治措施。

表1 工程典型斷面計算結(jié)果統(tǒng)計

表2 公路地面變形控制指標(biāo)

3 溶洞路基處治

3.1 溶洞處理方案說明

根據(jù)鉆探結(jié)論，建議對巖溶水進行惟幕止水，此段溶洞處理原則是消除水對溶巖繼續(xù)溶蝕，將場地內(nèi)的巖溶水與場地外的水源進行隔離，切斷溶洞的水力聯(lián)系，消除地下水活動對場地路基造成不良影響;改變水滲流條件的同時，在實現(xiàn)加固松散填充物洞體，采用注漿加固;對受力范圍內(nèi)路基承載要求高的局部位置加蓋水泥強化蓋板，確保路基穩(wěn)定性。

3.2 施工方法

3.2.1 注漿施工

鉆孔注漿流程見圖9。

圖9 鉆孔注漿流程圖

1)定孔位。根據(jù)路基下方巖層情況初步判別地下水流方向，合理布置鉆孔;在出水位置及其附近進行鉆孔，按要求標(biāo)出孔位，注漿孔布置采用梅花形。

2)鉆機就位。移動鉆機至標(biāo)定孔位;鉆機就位后需安裝牢固，并調(diào)整角度;輔助設(shè)備應(yīng)當(dāng)就近安裝，為防治注漿壓力損失，注漿管線不宜拉的過長。

3)鉆孔。沿縱軸線方向按后附溶巖處鉆孔注漿位置圖以梅花形排列，縱橫向孔距均為1.5 m，共布灌漿鉆孔295個。見圖10。

圖10 鉆孔注漿布置示意圖

鉆孔分兩序施工，在同一排中先鉆灌第Ⅰ序孔，再鉆灌第Ⅱ序孔。鉆孔中先施工靠近地表巖溶水出露點處(左側(cè))，再施工另一側(cè)(右側(cè))，最后施工中樁的一排。鉆孔深度一般7 m，右側(cè)中間3個孔為20 m，鉆孔過程中如有特殊情況應(yīng)根據(jù)實際情況決定，預(yù)計鉆孔工作量為2 065 m。

4)鉆孔成孔及鉆孔沖洗。鉆孔采用XU—100型地質(zhì)鉆機成孔，開孔采用φ110孔徑，鉆進至基巖面以下0.5 m后，下入 φ108孔口套管，基巖采用φ75口徑鉆進，達到設(shè)計深度后，將鉆具提離孔底10 cm，采用較大泵量的清水沖洗，直至回水澄清為止。

5)注漿施工。注漿按以下順序進行施工:試泵→清孔→注漿管安裝→簡易壓水試驗→漿液配制→注漿。注漿可以結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾條:

①注漿壓力保持在0.3 MPa，吸漿量≤40 L/min，持續(xù)時間不少于30 min;

②地面冒漿點超過了注漿范圍，達3～6 m;

③ 單口注漿量是平均注漿量的1.5～2.0倍之間，并且注漿量出現(xiàn)明顯變小的情況。

6)提管、回填。據(jù)統(tǒng)計，此次注漿加固工程共使用灌漿材料水泥1 200 t，水玻璃36 t。

3.2.2 澆筑蓋板

路基底混凝土蓋板加固施工與一般的混凝土施工基本相同。施工前，先平整場地，施工15 cm厚碎石找平層和20 cm的水泥穩(wěn)定碎石基層，再進行C30混凝土蓋板施工。

施工步驟如下:①15 cm厚碎石找平，分層攤鋪碾壓施工;②進行水泥穩(wěn)定碎石模板施工;③20 cm的水泥穩(wěn)定碎石基層攤鋪、碾壓施工;④制作鋼筋;⑤鋼筋綁扎;⑥驗收隱蔽工程;⑦混凝土模板拼裝;⑧混凝土澆筑搗實;⑨養(yǎng)護。

蓋板施工安全后，應(yīng)設(shè)置圍欄及覆蓋編織袋或草袋，防治人為或雨水對成品破壞;12 h后進行拆模養(yǎng)生，本工程采用了澆水、噴灑養(yǎng)生劑的方法。

溶洞處理因地制宜設(shè)計處治措施才能達到預(yù)期加固效果。通過對探明洞體的注漿充填，起到了加固土體與改善土體工程性質(zhì)的作用，并可以形成止水帷幕切斷地下水、孔隙水與巖溶體的聯(lián)系，截止目前工程實踐表明，路基沒有出現(xiàn)不均勻沉降及塌陷，加固措施起到預(yù)期效果。

4 處理效果評價

4.1 計算模型建立

建立數(shù)值分析模型就溶洞處理前后對路基穩(wěn)定性進行計算分析，并進行相關(guān)的效果評價。溶洞形態(tài)借鑒地面計算理論，等效面積為較規(guī)則的橢圓形。

分別計算了3種工況下溶洞段處理前、后路基變形情況、處理前、后洞周圍巖的受力情況。計算過程共分為3個施工步，第一步:溶洞處治前路基及基礎(chǔ)自重計算;第二步，溶洞處治后路基及基礎(chǔ)自重計算;第三步，施加汽車荷載，荷載等級為公路—Ⅱ級。

3種計算模型的邊界條件上部均為自由邊界，底部為X、Y方向均受到約束，溶洞均存在于中間部位。各計算工況模型材料參數(shù)選取見表3。

表3 工況二材料物理力學(xué)參數(shù)

4.2 計算結(jié)果分析

4.2.1 路基沉降變形分析

1)溶洞處理前。

當(dāng)溶洞不進行任何處理，進行路基施工，即第一加載步的路基穩(wěn)定性計算，由計算結(jié)果可知，計算沒有收斂，整個模型失穩(wěn)破壞，最大值豎向位移為21.23 cm，發(fā)生在溶洞中央的上部。

由于幾何計算模型和溶洞形狀均成基本對稱形態(tài)，路基荷載以及汽車荷載均對稱分布，所以路基基底位移曲線也成基本對稱形狀(如圖11所示)。

圖11 溶洞處理前路基基底豎向位移

2)溶洞處理后。

本工況下溶洞采用路基基底加鋪0.6 m厚的C30混凝土蓋板及灌注水泥砂漿的雙重處理方法。溶洞處理后，第二加載步后路基基底位移如圖12所示，路基基底最大豎向位移為4.13 cm，與處理前計算結(jié)果相比，溶洞對路基變形的影響大大減小，路基位移滿足規(guī)范要求。

圖12 路基基底豎向位移曲線(處理后)

3)交通荷載作用工況。

為驗證溶洞注漿+基底混凝土蓋板加強處理后，在車輛荷載的作用下，沉降是否滿足規(guī)范要求，對施加車輛荷載(公路二級)的作用下路基的變形和穩(wěn)定性影響進行了計算分析。計算路基基底最大豎向位移為6.15 cm，與第二加載步計算結(jié)果相比，路基豎向位移略有增加，但增加幅度較小，且位移總量滿足設(shè)計要求，路基基底豎向位移較為均勻。見圖13。

圖13 路基基底豎向位移曲線(交通荷載)

4.2.2 圍巖應(yīng)力應(yīng)變分布

1)溶洞處理前。

在溶洞不處理的情況下，填筑路基后剪應(yīng)力如圖14所示，最大主應(yīng)力集中在左右兩側(cè)，剪應(yīng)變較大區(qū)域豎直向地表發(fā)展，形成左右兩條坍陷滑動帶，致使計算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，數(shù)值計算停止，此時溶洞周圍最大主應(yīng)力為512 kN/m2，最大剪應(yīng)變?yōu)?.0%。

圖14 溶洞處理前最大主應(yīng)力云圖

2)溶洞處理后。

溶洞處理后，第二加載步下最大主應(yīng)力如圖15所示，可以看出應(yīng)力應(yīng)變均比較均勻，無明顯的應(yīng)力、應(yīng)變集中，溶洞周圍最大主應(yīng)力值分別為89 kN/m2，且溶洞周圍的應(yīng)力較為均勻，說明注漿處理后溶洞及周圍巖體受力較為均勻，處理后的溶洞區(qū)域較好的承擔(dān)了上部荷載，并均勻地傳遞給周圍巖體。

圖15 有效最大主應(yīng)力云圖

3)交通荷載作用工況。

第三加載步下最大主應(yīng)力如圖16所示，可以看出無明顯的應(yīng)力集中，溶洞周圍最大主應(yīng)力為121 kN/m2，與第二加載步計算結(jié)果相比，圍巖應(yīng)力和應(yīng)變值略有增加，但增加幅度較小，說明溶洞處理后，在正常的車輛行駛下，路基趨于穩(wěn)定，溶洞影響已消除，處理后的溶洞區(qū)域較好的承擔(dān)了上部荷載，并均勻地傳遞給周圍巖體。

圖16 荷載作用下剪應(yīng)變云圖

對比分析3個加載步的數(shù)值計算結(jié)果可知，路基溶洞采用注漿及路基底加鋪混凝土蓋板措施后，路基基底豎向位移及洞周應(yīng)力均有較大幅度的減小，滿足設(shè)計及規(guī)范要求，且位移、應(yīng)變和應(yīng)力均趨于均勻，無明顯的集中現(xiàn)象，說明綜合加固方法有效。

5 結(jié)論

巖溶地區(qū)修建公路常會遇到下伏溶洞、地下河、巖溶洼地等不良地質(zhì)，給工程及公路運營帶來很大的安全隱患。本文依托于湖南某公路工程典型治理段，開展相關(guān)試驗與理論研究，主要結(jié)論如下:

1)調(diào)查項目工程沿線包含巖溶形態(tài)分布，主要包括了漏斗、溶洞、落水洞、巖溶洼地等;采用勘測手段獲取巖性及溶洞分布位置，據(jù)此確定路基的溶洞病害程度。

2)采用隨機介質(zhì)理論，對選取的典型斷面進行相應(yīng)等效坍塌量地表變形預(yù)測分析，分析得到斷面溶洞坍塌引起的地面變形量，預(yù)測結(jié)果顯示空區(qū)坍塌所造成的地表變形均超過了公路的保護要求，必須采取有效的工程治理措施。

3)針對工程環(huán)境，因地制宜設(shè)計實施注漿形成止水帷幕，并加強蓋板的措施。對洞體的注漿充填，起到了改善土體工程性質(zhì)的作用，并可以形成止水帷幕切斷地下水與巖溶體的聯(lián)系，實踐表明加固措施效果良好。

4)對溶洞處理前后3種工況進行了數(shù)值計算分析。分析得到:巖溶充填、基底加固后，基底最大變形量大幅度減小;溶洞處理前后圍巖應(yīng)力有較大變化，局部消除了應(yīng)力集中，改善了整體受力性能，有利于路基穩(wěn)定;計算說明注漿及路基基底混凝土蓋板加強的綜合處治效果良好。

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