摘要：文章以桂林市第二水源工程引水管道頂管施工下穿桂興高速公路某段路基時(shí)引發(fā)的路面下沉開裂為例，根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際地質(zhì)情況，對(duì)巖溶區(qū)頂管施工時(shí)，管道沿土巖界面掘進(jìn)中發(fā)生的道路路面大幅下沉甚至地面塌陷問題進(jìn)行分析，得出其沉降變形機(jī)理主要為：（1）溶蝕裂隙發(fā)育導(dǎo)致土層損失率將遠(yuǎn)大于一般情況，根據(jù)Peck理論公式，頂管施工導(dǎo)致的地面快速沉降主要由于地層損失引起，且快速沉降量與土層損失率成正比；（2）原狀土擾動(dòng)軟化后力學(xué)強(qiáng)度下降導(dǎo)致其承載力不足；（3）擾動(dòng)軟化土在自重及外部荷載作用下固結(jié)沉降，沉降時(shí)間取決于擾動(dòng)土的滲透性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：溶蝕裂隙發(fā)育；土層損失；擾動(dòng)軟化；固結(jié)沉降

U416.1A130423

0 引言

隨著城市高速發(fā)展，城市人口急劇增加，城市地下空間不斷發(fā)展，頂管法已廣泛應(yīng)用于地下管道（引排水管道、電力管道等）的施工中。但頂管施工因其對(duì)原狀土層的掘取及擾動(dòng)，導(dǎo)致原有地層的土層損失，同時(shí)施工對(duì)原狀土的擾動(dòng)導(dǎo)致原狀土軟化，力學(xué)強(qiáng)度急劇下降。廣西桂林地區(qū)大部為巖溶發(fā)育區(qū)，因溶蝕裂隙發(fā)育，土巖界面地下水豐富導(dǎo)致土體易在人為條件干預(yù)下發(fā)生土體流失。巖溶區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，溶蝕裂隙發(fā)育，地下水豐富，在巖溶區(qū)進(jìn)行頂管施工時(shí)，可能誘發(fā)地面沉降甚至地面塌陷，其發(fā)生機(jī)理復(fù)雜。本文以桂林市第二水源工程引水管道頂管施工下穿桂興高速某段路基時(shí)引發(fā)的路面下沉開裂為例，分析了該類路基病害發(fā)生的成因機(jī)理，為巖溶區(qū)頂管施工導(dǎo)致的地面沉降提供參考，也為后期治理提供依據(jù)，可供相似工程參考、借鑒。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

桂林第二水源工程-引水工程下穿桂林至興安高速公路，采用泥水平衡法頂管施工穿越，頂管施工采用雙管下穿，管道凈間距為2.94 m，頂管中線高程為170.0 m，管道埋深約為13 m，混凝土管內(nèi)徑為2.4 m。2021年底完成左側(cè)管道掘進(jìn)施工后，發(fā)現(xiàn)距離高速公路右側(cè)路基15 m處管道上方有一處1.5 m、深1.0 m的小型塌陷坑。

2022-02-27出現(xiàn)泥漿大量流失，2022年3月初右側(cè)管道在掘進(jìn)過程路面出現(xiàn)開裂下沉，隨即停止掘進(jìn)施工。

2022-03-01上午9：00左右，發(fā)現(xiàn)往桂林方向（右幅）慢車道發(fā)育有微小裂縫，并開始逐步出現(xiàn)下沉變形，2022-03-01下午16：00，高速公路右幅路面已下沉達(dá)18 cm；路面裂縫沿左右管道外側(cè)至快車道逐步形成了斷續(xù)圈椅狀裂縫，裂縫寬度為5～10 mm，截止至2022-03-03 18：00沉降高差達(dá)280 mm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)往興安方向（左幅）慢車道最大沉降約100 mm，并發(fā)育有微小裂縫，同時(shí)兩側(cè)路面仍在緩慢下沉。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

勘察場(chǎng)地屬溶蝕剝蝕丘陵壟崗區(qū)，場(chǎng)地覆蓋層為殘坡積堆積物，有陡坎、高速公路、果地、林地。場(chǎng)地地面高程為181.29～184.53 m。勘察場(chǎng)地坡度相對(duì)較為平緩，人類改造較大。

2.2 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭示及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合前期鉆探資料，場(chǎng)地內(nèi)地層主要由第四系堆積層（Qml）、第四系殘坡積層（Qel+dl）、石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階（C1y）地層組成。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，各地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及鉆探揭示，勘察區(qū)存在的區(qū)域性斷裂為靈川大斷層，呈北東－南西向，長(zhǎng)度gt;30 km，規(guī)模大，最大斷距約為1 000 m，控制了中泥盆統(tǒng)至下石炭統(tǒng)不同巖石類型的分布，在地貌上呈北東－南西向的狹長(zhǎng)谷地，構(gòu)成“湘桂走廊”的一部分。靈川大斷層形成于距今約4億年的中泥盆世晚期（東崗嶺期），在距今約2億年的印支運(yùn)動(dòng)期間再次強(qiáng)烈活動(dòng)，切穿了泥盆系上統(tǒng)和石炭系地層，以后的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)（距今約200萬年）及第四紀(jì)以來未留下活動(dòng)痕跡，可以認(rèn)為自距今約200萬年的第三紀(jì)后該斷裂構(gòu)造基本上趨于穩(wěn)定。場(chǎng)地附近未見基巖露頭，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖，巖層產(chǎn)狀為：353°/NE∠30°。

3 水文地質(zhì)條件

3.1 地表水

路基兩側(cè)均有排水邊溝，雨季有水，旱季無水。場(chǎng)地地表水體主要屬大氣降水形成的地表面流，且地處巖溶洼地，較易匯集上體地表水體形成地表面流，一部分向低洼區(qū)域排泄，另一部分入滲補(bǔ)給地下水。

3.2 地下水

地下水主要為賦存于第四系地層中的孔隙水及溶蝕裂隙中的巖溶裂隙水，均屬潛水。均受大氣降水或地表水補(bǔ)給，接受補(bǔ)給后，潛水一部分向下徑流或側(cè)向補(bǔ)給其他類型地下水，一部分以滲流等形式分散排泄于低洼部位，一部分以蒸發(fā)形式排泄。潛水水位受季節(jié)影響變化較大，本次勘察期間于鉆孔內(nèi)測(cè)得穩(wěn)定地下水位為170.81～172.83 m。

3.3 巖土體的滲透性及固結(jié)系數(shù)

第四系人工堆積層（Qml）素填土屬?gòu)?qiáng)透水層，第四系殘坡積層第一、二層（Qel+dl-1、Qel+dl-2）黏土屬微透水層，第四系殘坡積層第一層（Qel+dl-1）及第三層（Qel+dl-3）含角礫（碎石）粉質(zhì)黏土屬弱透水層，石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階（C1y）強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r屬?gòu)?qiáng)透水層，中風(fēng)化泥灰?guī)r、灰?guī)r的透水性因溶蝕裂隙發(fā)育程度等情況不同而差異較大。

受施工擾動(dòng)影響，擾動(dòng)土層將會(huì)發(fā)生固結(jié)沉降，沉降時(shí)間取決于其滲透性質(zhì)。根據(jù)勘察資料取流塑黏土滲透系數(shù)為1.92×10-6 cm/s，固結(jié)系數(shù)Cv為8.294 4×10-2 m2/d；軟塑狀含角礫粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)為1×10-5 cm/s，固結(jié)系數(shù)Cv為1.728 m2/d。

4 擾動(dòng)土層承載力和沉降變形驗(yàn)算

4.1 路基軟弱下臥層承載力驗(yàn)算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］（JTG 3363-2019）5.2.6軟弱下臥層承載力驗(yàn)算公式得，計(jì)算參數(shù)按表1選??；

Pz=γ1（h+z）+α（P-γ2h）≤γRfa（1）

右側(cè)路基軟弱下臥層（流塑狀黏土）修正后的地基承載力特征值為：

fa=20+（19.8×5+19.2×6.2）/（5+6.2）×（5+6.2-3）=179.64 kPa；

在不考慮附加應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力作用下，軟弱下臥層頂部自重應(yīng)力為：

Pcz=γ1（h+z）=19.8×5+19.2×6.2=218.04 kPa＞γRfa=1×179.64=179.64 kPa；

左側(cè)路基軟弱下臥層（軟塑狀含角礫粉質(zhì)黏土）fa=40+（19.8×6+19.2×4.7）/（6+4.7）×（6+4.7-3）=190.43 kPa；

在不考慮附加應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力作用下，軟弱下臥層頂部自重應(yīng)力為：

Pcz=γ1（h+z）=19.8×6+19.2×4.7=209.04 kPa＞γRfa=1×190.43=190.43 kPa；

可見，軟弱下臥層承載力在自重應(yīng)力作用下不能滿足要求，再加上車輛荷載作用，會(huì)更進(jìn)一步加劇路基的變形破壞。

4.2 路基沉降變形驗(yàn)算

路基沉降由兩部分組成，一部分為土層損失導(dǎo)致的快速沉降，另一部分為擾動(dòng)土體后期的固結(jié)沉降。

4.2.1 快速沉降階段

土層損失［2］導(dǎo)致的快速沉降理論依據(jù)主要是根據(jù)Peck理論［3-4］，理論公式如下：

S（x）=Smaxexp-x22i2（2）

Smax=Vl2πi（3）

i=Rh2Rn（4）

式中：Sx——地面沉降值（m）；

x——距隧道軸線的水平距離（m）；

Smax——地面最大沉降值（m）；

i——沉降槽寬度系數(shù)（m）；

Vl——土體損失率（m3/m）；

R——隧道半徑（m）；

h——覆土厚度（m）；

n——指數(shù)參數(shù)，通常n=0.8～1.0，土質(zhì)越軟n取值越大。

其后的研究者根據(jù)實(shí)際情況不斷對(duì)公式進(jìn)行修正后，理論公式大致相同，該理論公式為經(jīng)驗(yàn)公式，跟統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有較大關(guān)系，且會(huì)根據(jù)地質(zhì)情況的不同導(dǎo)致結(jié)論有較大出入。因此，本文僅對(duì)快速沉降階段作定性分析，可以看到地面最大沉降量與土層損失率成正比，這與本項(xiàng)目左右兩側(cè)路基實(shí)際的快速沉降量相符。右側(cè)路基的土層損失主要是巖溶區(qū)裂隙發(fā)育導(dǎo)致土層隨泥漿大量流失，因此土層損失較大，快速沉降量較大，實(shí)測(cè)最大沉降量為280 mm；左側(cè)路基土層損失則主要為掘進(jìn)出土過程中的損失，損失量相對(duì)較小，快速沉降量較小，實(shí)測(cè)沉降量為100 mm。

4.2.2 固結(jié)沉降階段

固結(jié)沉降主要由擾動(dòng)土層自重及車輛荷載引起［5］，固結(jié)沉降所需時(shí)間取決于地層的滲透性質(zhì)。項(xiàng)目勘察階段固結(jié)沉降尚未完成。本文利用GEO5軟件2022版中的地基固結(jié)沉降分析模塊，采用壓縮模量法計(jì)算路基固結(jié)沉降變形情況，計(jì)算參數(shù)按表1選取，根據(jù)擾動(dòng)土層最大厚度分別選取橫斷面5-5’及6-6’，車輛荷載取20 kPa進(jìn)行沉降計(jì)算分析，計(jì)算模型及結(jié)果見圖1、圖2。

通過上述的定性分析及定量計(jì)算分析，路基下伏軟弱擾動(dòng)土層未能滿足承載力和沉降變形要求，路面已出現(xiàn)塌陷破壞。右側(cè)路基快速沉降量為280 mm，最大固結(jié)沉降變形量達(dá)225.5 mm，根據(jù)一維固結(jié)理論，固結(jié)度達(dá)到95%所需時(shí)間約72 d；左側(cè)路基快速沉降量為100 mm，最大固結(jié)沉降變形量達(dá)151.4 mm，固結(jié)度達(dá)到95%所需時(shí)間約10 d。由此可見兩側(cè)均需要及時(shí)進(jìn)行處治施工，可根據(jù)高速公路的實(shí)際交通情況進(jìn)行分期處治，右側(cè)路基處治施工可在左側(cè)路基之后。

5 路基塌陷機(jī)理分析

綜上所述，場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜，路基下伏基巖面附近溶蝕裂縫發(fā)育，地下水的補(bǔ)給排泄通道較多。右側(cè)路基頂管下穿高速公路右幅路基段屬半巖半土區(qū)域，即位于土巖界面溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)掘進(jìn)，且?guī)r面附近黏土具有較強(qiáng)水敏性，在頂管泥水平衡法施工過程中［6］，存在上軟下硬的地質(zhì)條件，在鉆頭掘進(jìn)時(shí)，上半部分土體切削快于下半部分巖石，但為維持掘進(jìn)平衡及內(nèi)部泥漿壓力平衡，上半部土體會(huì)被不斷軟化、擾動(dòng)形成泥漿充填，且范圍擾動(dòng)范圍會(huì)不斷增大。因該段溶蝕裂縫發(fā)育，地下水補(bǔ)給排泄通道較多，使得頂管鉆進(jìn)過程中會(huì)消耗更多的泥漿水來維持泥漿壓力平衡。左側(cè)路基主要發(fā)生了頂管掘進(jìn)過程中的一般土體損失，土層損失量相對(duì)較小，同時(shí)施工擾動(dòng)使擾動(dòng)影響范圍內(nèi)土體軟化。因此，路基塌陷的機(jī)理主要有以下幾點(diǎn)：

（1）右側(cè)路基下頂管施工中泥漿流失帶走大量軟化后的黏土，使土層損失較正常情況急劇增大。根據(jù)Peck理論及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，土層損失是頂管施工過程中路基快速變形的主要原因，且快速沉降量與土層損失量成正比，左側(cè)路基下土層損失相對(duì)較小，屬正常情況，因此快速沉降量也相對(duì)較小。

（2）后期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)路基仍在緩慢變形，是由于土體軟化后，在自重及附加荷載作用下發(fā)生的固結(jié)變形時(shí)間受土體的滲透性質(zhì)決定。

（3）右側(cè)路基下頂管施工中泥漿流失會(huì)出現(xiàn)泥漿壓力失衡的情況，從而使土體發(fā)生主動(dòng)破壞，為路基塌陷創(chuàng)造了有利條件。

（4）兩側(cè)路基隨著頂管施工的不斷觸發(fā)，泥漿不斷循環(huán)置換，管道附近區(qū)域土體軟化范圍不斷增大，形成了結(jié)構(gòu)性破壞土體（施工擾動(dòng)土層），失去了原有土體結(jié)構(gòu)的受力平衡，當(dāng)達(dá)到路基及其下土層自重和車輛荷載作用極限時(shí)，且在土層損失導(dǎo)致路基快速沉降條件下，發(fā)生路面塌陷變形破壞。

6 建議處治措施

根據(jù)病害路段場(chǎng)地工程地質(zhì)條件和路基塌陷變形發(fā)展特點(diǎn)，結(jié)合場(chǎng)地條件，本病害路段治理主要解決路基下部巖土體加固的問題：

（1）右幅道路采用復(fù)合地基對(duì)病害路基及下部土體進(jìn)行加固，避免路基路面出現(xiàn)進(jìn)一步下沉；左幅道路亦可采用復(fù)合地基或其他地基加固措施處治。

（2）對(duì)地表塌陷坑進(jìn)行回填及封閉，避免雨水下滲導(dǎo)致塌陷范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，影響路基穩(wěn)定。

（3）及時(shí)做好供水管道上方場(chǎng)地的截排水，避免大氣降水淤積于塌陷區(qū)域低洼處；施工后完善道路截排水系統(tǒng)。

7 結(jié)語

（1）路基病害區(qū)域?qū)賻r溶發(fā)育區(qū)，溶蝕裂隙發(fā)育，地下水主要為賦存于第四系地層中的孔隙水及溶蝕裂隙中的巖溶裂隙水，均屬潛水。

（2）受頂管施工擾動(dòng)于路基下部形成施工擾動(dòng)軟化土層，主要為流程黏土及軟塑狀含角礫粉質(zhì)黏土：軟塑狀含角礫粉質(zhì)黏土主要分布于道路左側(cè)；流程黏土主要分布于右側(cè)路面下頂管管道頂部及兩側(cè)，由流塑狀黏土及頂管施工置換的泥漿組成。擾動(dòng)土層具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、承載力低、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。

（3）路基塌陷的內(nèi)因?yàn)閳?chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜，誘因?yàn)楣┧芫W(wǎng)頂管施工使泥漿不斷循環(huán)置換，管道附近區(qū)域土體受施工擾動(dòng)軟化范圍不斷增大，形成了結(jié)構(gòu)性破壞土體即路基軟弱下臥層，失去了原有土體結(jié)構(gòu)的受力平衡，當(dāng)達(dá)到路基及其下土層自重和車輛荷載作用極限時(shí)，且在土層損失導(dǎo)致路基快速沉降條件下，發(fā)生路面塌陷變形破壞。因施工擾動(dòng)軟化后的土層在土體自重及車輛荷載作用下，路基進(jìn)一步發(fā)生固結(jié)沉降，固結(jié)沉降時(shí)間取決于土體的滲透性質(zhì)。

（4）建議對(duì)路基病害及時(shí)進(jìn)行搶險(xiǎn)處治施工，避免病害進(jìn)一步擴(kuò)大，造成高速公路斷路等風(fēng)險(xiǎn)；建議采用復(fù)合地基對(duì)病害路基及下部土體進(jìn)行加固，避免路基路面出現(xiàn)進(jìn)一步下沉；同時(shí)完善路基區(qū)域截排水系統(tǒng)，并對(duì)地表塌陷區(qū)域進(jìn)行及時(shí)回填封閉處治。

（5）及時(shí)做好供水管道上方場(chǎng)地的截排水，避免大氣降水淤積于塌陷區(qū)域低洼處；對(duì)塌陷坑進(jìn)行回填及封閉，避免雨水下滲導(dǎo)致塌陷范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

（6）頂管施工擾動(dòng)導(dǎo)致的地面沉降已有較多研究成果，但巖溶區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，且在溶蝕裂隙或溶洞出現(xiàn)的地層損失量難以量測(cè)，本文對(duì)該類情況的沉降變形機(jī)理僅作定性分析，定量尚需進(jìn)一步研究。

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