富阳市万市镇十字街岩溶塌陷路基稳定性评价与治理设计探讨

何元才

(浙江省有色金属地质勘查局，绍兴　312000)



富阳市万市镇十字街岩溶塌陷路基稳定性评价与治理设计探讨

何元才

(浙江省有色金属地质勘查局，绍兴312000)

摘要：浙江富阳市万市镇十字街位于岩溶塌陷区内，周围环境要求高。经过地质调查、地基稳定性分析和治理方案比选，采用高压喷射注浆法对岩溶塌陷路基进行治理，取得了良好效果。

关键词：岩溶；路基；高压喷射注浆

2013年6月25日，富阳市万市镇十字街路口(万市路与西门路)北侧道路边人行道发生地面塌陷，塌陷面积约9 m2，塌陷最大深度达5～6 m，塌陷导致邻近建筑不同程度的地基下沉、房屋倾斜和墙体开裂。为确保人民生命财产的安全，当地政府决定对塌陷区进行地质灾害治理。

1岩溶塌陷区地质环境特征

治理工程位于富阳市万市镇镇中心万市路与西门路交叉口，周围为商业用房和住宅，作业面狭窄，周边环境对治理工程要求高。

岩溶塌陷区属构造剥蚀丘陵地貌，微地貌为山前斜地。根据区域地质资料，区内地层主要有第四系上更新统坡洪积(dl-pl Q3)含砾粉质粘土、寒武系西阳山组(∈3x)饼条状灰岩夹含碳泥质灰岩及震旦系灯影组(Z2dn)白云岩夹灰白色石英砂岩、黑色含碳硅质页岩。治理区北东侧分布一北西向断裂，断裂及两侧岩石较为破碎[1]。地下水位埋深较浅，一般在0.70～1.50 m。地表水表现为降水产生的面流，地下水为第四系松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙、构造裂隙水和岩溶水4种类型[2]。塌陷区分布的主要岩土体可分为2大类：①第四系松散土层，岩性为含砾粉质粘土，可塑，工程性质一般；②硬质岩，以碳酸盐岩为主，岩溶发育，含水量中等，岩石强度高，稳定性好。另外区内还分布有溶洞充填物，岩性为粉质粘土，流塑为主，局部软塑，工程性质差(表1)[3]。

表1　岩土物理力学指标设计参数表

2岩溶发育分布特征

根据地质调绘和物探工作，场地共推测岩溶异常13个。经9个钻孔验证岩溶12个，见洞率为77.7%，垂向岩溶率8.4%～41.2%，溶洞高度1.0～3.2 m，顶板埋深4.5～20.6 m,基本为全充填溶洞，个别为半充填溶洞，充填物多为流塑状粉质粘土(图1、图2)[3]。

图1　岩溶分布区图(据勘查报告有修改)

3岩溶塌陷地基稳定性分析

3.1覆盖层朝天开口型溶洞对场地稳定性影响分析

对覆盖层朝天开口型溶洞稳定性的评价，需要同时考虑上部建筑物和土洞的共同作用。对于特定的建筑物荷载，处于极限状态的上覆土层厚度Hk(图3)：

Hk=h+z+D

图2　典型岩溶剖面图(据勘查报告有修改)

图3　覆盖型岩溶地基稳定性计算模型

式中，h为土洞的高度；D为基础砌置深度；z为基础底板以下建筑荷载的有效影响深度。

当土层实际厚度H>Hk时，即使有土洞发育，地基仍然稳定；H

首先通过计算确定场区内上部附加荷载对地基的影响深度。采用的方法是：当地基中附加应力/自重应力小于或等于0.1时，对应的深度可作为地基受压层深度。深度大小与上部附加应力大小、基础长宽以及下覆土体分布情况有关[4]。

场地附加荷载主要来自于道路，荷载大小取公路Ⅰ级为17.628 kPa，基础长宽取10 m×10 m，土体分布情况按ZK2钻孔(该孔土体厚度最大)。经计算，附加应力影响深度z为9.00 m。

根据溶洞最低高度h为1 m，基础埋深D取0.5 m，则朝天型溶洞的上覆土体稳定厚度为10.5 m。

对比区内已揭露朝天开口型溶洞埋藏深度，除ZK2揭露的朝天开口型溶洞(覆盖层厚度10.6 m)在影响深度范围外，其余均在影响深度范围内。影响深度范围内朝天开口型溶洞在荷载作用下，上覆土体可能逐渐塌落或跨塌，从而引发地面塌陷地质灾害。且土洞已经形成，然后在其上进行建筑，土洞处于建筑物的有效影响深度范围内，这样将使处于平衡状态的土洞发生新的坍塌，从而影响地基稳定。

3.2岩石内第一层溶洞对场地稳定性影响分析

岩体内第一层溶洞对场地稳定性主要受溶洞顶板的稳定性影响。采用抗弯验算公式计算顶板安全厚度[5]：

当计算出的溶洞顶板安全厚度(乘上安全系数，安全系数取1.2)小于实际的溶洞顶板厚度，即认为该溶洞顶板稳定，否则不稳定。

本项目估算附加荷载取公路Ⅰ级17.628 kPa，土体重度18 kN/m3，石灰岩重度26 kN/m3，石灰岩抗弯强度35 kPa，按简支梁计算弯矩M=1/8PL2；梁板宽度1 m，溶洞跨度6 m。经估算，顶板安全厚度为3.40 m。

经上述分析评价，认为治理区第四系覆盖层厚度薄且存在浅层的溶洞和朝天开口型溶洞，不稳定因素仍然存在。特别是ZK3、ZK5、ZK8钻孔部位，溶洞埋藏较浅，在未来发生塌陷的可能性仍然存在,需要进行治理。岩石内第一层溶洞的顶板岩石厚度都在安全厚度以上，对场地稳定性影响不大，可以不做治理。

表2　治理区朝天开口型溶洞和灰岩内第一层溶洞稳定性分析表

4治理设计方案

4.1方案比选

目前岩溶地基的处理措施主要有：挖填、跨越、桩基和注浆等[6]。

4.1.1挖填法

一般用于塌陷坑较小时的处理。本场地浅部覆盖层下部溶洞顶部埋深一般在4.5～10.6 m，且溶洞分布较广，受勘查程度限制，平面分布形态尚未准确确定，具体开挖范围难以确定。同时场地位于镇中，周围建筑密布，需开挖深度在5 m以上，大规模开挖势必影响周边场地的稳定性，需要对坑壁进行加固，施工难度大，治理费用较大。

4.1.2跨越法

一般用于塌陷坑较深大，而回填又困难的塌陷坑的处理。根据场地溶洞发育分布特征，采用跨越法需采用桩基础和钢筋混凝土跨越结构，加上场地需治理的范围大，工程造价高，工时长，经济合理性差。

4.1.3注浆法

该方法是通过钻孔把灌注材料注入岩土体内，其目的是提高土体(土层或洞穴充填物)强度，充填岩石洞隙，拦截地下水流。它具有施工方便、占地小、对周围环境破坏少、经济等优点。

通过上述分析论证，注浆法优于其余两种方法。同时根据本工程覆盖层土体性质及治理岩溶的特点，采用高压喷射注浆法，可使溶洞充填密实，提高覆盖层土体整体强度，切断溶洞与土层及地下水的联系，防止溶洞的发展。因此，本工程选用单管高压喷射注浆法[7]。

4.2设计方案

4.2.1治理范围与治理深度

本工程治理范围仅限于道路区域，暂不考虑房屋建筑区。对于道路区，其南北两侧根据物探及钻探结果，朝天开口型溶洞不发育，目前处于基本稳定状态，也不考虑对其进行治理。因此，本次治理范围依据勘查建议，主要针对ZK3、ZK5、ZK8钻孔附近及已有地表塌陷、下沉地段。

根据岩溶地面塌陷稳定性分析结果，场地第四系覆盖层地基影响深度为9.00 m，覆盖层大部分在附加应力影响范围内，确定注浆深度为基岩面顶部。同时考虑到灰岩内浅层溶洞顶板安全厚度为3.4 m及溶洞分布情况尚未完全摸清楚的实际情况，设计按“探注结合”的原则，施工时先按6 m间距实施探测孔。当基岩中溶洞的顶板厚度小于安全厚度4 m时，则需注浆至溶洞底板以下2 m。

4.2.2注浆孔及注浆参数设计

桩间(排)距2.00 m，旋喷体直径Ф1 200 mm，平均桩长10.00 m(具体长度需根据实际情况来确定)。项目共设计注浆孔170个，其中探测注浆孔21个(图4)。

浆液采用强度等级为P.O.42.5普通硅酸盐水泥拌制而成的水泥浆，水灰比为1∶1，单根旋喷桩每延米水泥用量不小于300 kg。注浆用水不得采用pH值小于4 的酸性水和工业废水。可采用水玻璃(或三乙醇胺、食盐)作为速凝剂，水玻璃模数宜为2.4～3.4，水玻璃浓度宜为40°Be。施工参数见表3。

图4　注浆孔布置图

项目压缩空气压力/MPa风量m3/min水泥浆液水泥掺入量/%水灰比比重压力/MPa流量L/min提升速度旋喷转速上喷cm/minr/min参数0.5～0.76171.01.60>25.01001615～20

5结论

(1) 用高压喷射注浆法处理岩溶塌陷路基，具有施工方便、占地小、对周围环境破坏少、经济等优点，尤其是对覆盖层下开口充填型溶洞治理效果更佳。工程竣工一年来，道路运行良好，路基塌陷灾害得到了控制。

(2) 采用物探与钻孔验证相结合的方法对于探测覆盖型溶洞无疑是经济有效的，但难以确定溶洞形态及溶洞之间的连通性。针对溶洞进行注浆治理，工程量大，经济上欠合理。按“探注结合”的原则进行治理设计既经济又能满足结构安全。

(3) 岩溶地基处理前需要对地基的稳定性进行半定量-定量评价。本工程经过地基稳定性评价后认为：第四系覆盖层厚度薄且存在浅层的溶洞和朝天开口型溶洞，存在不稳定因素，需要进行治理；而岩石内第一层溶洞的顶板岩石厚度都在安全厚度以上，对场地稳定性影响不大，可以不做治理。

(4) 集市区开展治理工程需考虑施工对周边环境的影响，设计方案必须具有可操作性。

参考文献

[1]浙江省区调大队．临安幅区域地质调查报告(1/20万)[R].1963.

[2]浙江省水文地质工程地质大队．临安幅区域水文地质普查报告(1/20万)[R].1983.

[3]浙江省地矿勘察院．富阳市万市镇十字街路口地面塌陷勘查报告[R].2013.11.

[4]曾玉，杨帧贤，张娜.覆盖型岩溶对工程建设的影响[J].重庆交通大学(自然科学版)，2011,30(增刊1)：697-699.

[5]常士骠，张苏民.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[6]谢钦.谈岩溶地区的地基处理方法[J].山西建筑，2008,34(28)：116-117.

[7]水利水电工程高压喷射注浆技术规范(DL/T5200-2004)[S].中华人民共和国国家发展和改革委员会发布,2004.10.

E-mail:582308691@qq.com

KARST COLLAPSE ROADBED STABILITY EVALUATION AND TREATMENT DESIGN OF CROSS STREET WAN-SHI TOWNN, FUYANG CITY

HE Yuan-cai

(Non-ferrous Metals Geological Exploration Bureau of Zhejiang Province， Shaoxing312000,China)

Abstract:Cross street wan-shi town, Fuyang City is located on the karst subsidence area, the environment demand is high. After geological survey, foundation stability analysis and Treatment plan optimization, By the method of high-pressure jet grouting, Good governance effect is obtained.

Key words：Karst； Subgrade； jet grouting

作者简介：何元才(1965-)，男，高级地质、岩土工程师，主要从事地质矿产、岩土工程及地质灾害防治工作，发表论文10余篇。

中图分类号：P642.25;P642.26

文献标识码：A

收稿日期：2015-12-04改回日期：2016-01-16

文章编号：1006-4362(2016)01-0032-05