岩溶区高速公路路基处治设计

郑亚强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

在我国华南、西南地区高速公路建设中，岩溶是一种比较常见的不良地质现象。针对岩溶区的溶洞处治，在高速公路桥梁施工时溶洞的处治技术相对于路基而言比较成熟，对于路基工程，由于其对地表变形的容许值大、变形周期长且处治范围通常比较大等缘故，在跨过溶洞时的岩溶处治一直未能形成一套完善的技术。国内学者李杨、彭瑞华在铁路工程中采用压力注浆技术进行处治[1]，陈青洪在渝怀铁路建设中采用开挖回填、注浆等技术对不同形态的溶洞进行处治[2]，均取得了良好的效果。但由于注浆工程量难以控制，往往造成工程造价难以控制。

本文将结合广东省汕湛高速公路建设中的路基路段溶洞处治设计，介绍压力灌注混凝土处治溶洞的设计方法，以期能够抛砖引玉，与业界同行共同探讨公路路基路段岩溶的处治技术。

1 工程概况

汕湛高速公路云浮至湛江段K26+100—K30+100路段跨越岩溶区，该地区地貌单元属岩溶溶蚀准平原区，地形平缓，地表多为第四系地层所覆盖，植被发育，稻田密集。地层岩性为第四系冲洪积（Q4al+pl）粉质黏土、砂土层和残坡积圆砾土层之下隐伏石炭系石灰岩。石灰岩层节理裂隙较发育，岩层多见方解石脉，溶洞、溶蚀沟槽等岩溶现象极发育，溶洞埋深4.7～33.6 m，溶洞高 5.5～23.7 m，溶洞多为半充填，且溶洞以串珠式溶洞形式存在，上下层溶洞间岩层顶板厚0.5～4 m不等，最上层溶洞岩层顶板厚度0～21.6 m。根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011），该地区岩溶按埋藏条件分类为浅-深覆盖型岩溶。岩溶发育等级综合评定为极发育。

该路段路基形式以填方路基为主，填土高度3～11 m，局部存在挖方路基。

2 岩溶区路基稳定性评定现状

我国现行《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）对路基稳定性有影响的最小溶洞埋深未做明确规定，仅提出了对于溶洞顶板岩层完整性较好时，采用厚跨比法确定路基的稳定性。规范规定当顶板的厚度与路基跨越溶洞的长度之比大于0.8时，溶洞可不作处理[3]。向贤礼、曾祥忠等经过研究认为，对于稳定围岩,可以用厚跨比法进行评价。当能够取得参数时，可以将洞体顶板视作结构自承重体系，用结构力学分析法进行评价，根据顶板形态、成拱条件及裂隙切割情况，分别将其作为梁板或拱受力计算或进行有限元数值分析；对于不稳定围岩，选择散体理论分析方法中诸如坍塌平衡法、坍塌填塞法、经验公式法以及稳定系数法等半定量、定量分析评价法[4]。但前提条件均是要求取得准确的勘察资料，而现实情况是由于溶洞处于地下，分布形态复杂，边界模糊，同时对于深埋溶洞，现有的地质勘察手段也较难确定顶板的岩层完整性，因此采用厚跨比法判定岩溶地区路基的稳定性尽管理论成熟，但工程实际操作性还有待于进一步提高，在目前溶洞区路基稳定性评价中应用较少。而对于采用坍塌填塞法确定的岩溶稳定性评定过于保守，势必造成工程浪费。

3 岩溶处治设计

3.1 处治设计方案

根据广东省高速公路岩溶处治经验，溶洞埋深小于15 m时且溶洞顶部岩层厚度小于5 m时，需对路基下的溶洞进行处治。当溶洞埋深小于3 m时，可采用直接开挖后回填、地表强夯处理或者钢筋混凝土板跨越的方法进行处治，该项技术已比较成熟，本文不再赘述。

溶洞埋深在3～15 m之间且溶洞顶板厚度小于5 m或者溶洞埋深小于5 m且岩溶顶板厚度大于等于1.5 m的串珠式溶洞，由于其埋深大、溶洞边界无法清晰判断和多层次的特征，传统的表层开挖后回填、钢筋混凝土板跨越等措施都不适用该类溶洞的处治。因此在方案确定时，进行了素混凝土桩与压力注浆、压力灌注小石子混凝土的处治方案比较，最终确定采用压力灌注小石子混凝土的处治措施。并结合广东省在桥梁桩基穿越岩溶区时的处治经验确定，对于充填率较低的溶洞如洞高度小于5 m，采用压注M5水泥砂浆的处治措施或者采用钻孔灌注素混凝土桩的处理措施，如果溶洞高度大于5 m，采用压注C10小石子混凝土的方法处治或者采用钻孔灌注素混凝土桩的处理措施。对于充填率较高且充填物多为固态物的溶洞，采用压力灌注水泥净浆的措施。本文着重介绍压力灌注水泥砂浆和小石子混凝土的处治方法。

表1 素混凝土桩与压力注浆、压力灌注砂浆或小石子混凝土工法比较

3.2 岩溶处治范围

溶洞位于路基占地范围时，对整个溶洞进行处治；当溶洞范围大于路基占地范围时，仅对路基占地范围内的溶洞进行处治。

3.3 压力灌注混凝土设计

压力注浆根据溶洞高度分别采用压力灌注水泥砂浆、压力灌注小石子混凝土。当溶洞高度小于5 m时采用压力灌注水泥砂浆，当溶洞高度大于等于5 m时，采用压力灌注小石子混凝土。

3.3.1 注浆孔设计

压力注浆灌浆孔分帷幕孔和注浆孔。帷幕孔孔距为1 m，注浆孔孔距为3 m。灌浆孔的设计深度为地表至溶洞底板以上0.5 m。注浆采用套管法，套管直径为127 mm。压浆采用泵送分段灌注，泵送压力约为 13～15 MPa。

3.3.2 浆液配合比设计

图1 岩溶处治设计图（比例：1∶200）

灌注砂浆时，砂浆配合比宜为：32.5级水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶减水剂=300∶130∶1 580∶270∶8.5[5]。帷幕孔可根据实际需要添加水玻璃速凝剂。

灌注小石子混凝土时，小石子混凝土配合比宜为：32.5级水泥∶粉煤灰∶水∶砂∶碎石∶减水剂=180∶200∶220∶840∶990∶6.86[5]。帷幕孔可根据实际需要添加水玻璃速凝剂。

3.3.3 灌注量计算

灌注量可参考采空区注浆处治时注浆量的估算方法进行初步估算，实际灌注量应以施工现场实际发生量为准。

式中：A为浆液损耗系数，取值1.2；ΔV为岩溶区剩余空隙体积，m3，本次计算按根据岩溶的充填情况取值，对于半充填取值为溶洞体积的60%，未充填取值为溶洞体积的100%；η为浆液充填率，取值0.9；C为浆液结石率，取值90%。

3.3.4 灌注压力设计

根据《岩溶地区公路桥梁桩基设计与施工技术》，灌注小石子混凝土时，灌浆孔泵送压力达到13～15 MPa，可终止压浆。当灌注砂浆时，泵送压力可控制在13～15 MPa，并孔口返浆可终止压浆。

4 动态设计

由于岩溶处于地下隐伏状态，尽管勘察设计阶段做了大量的钻孔、物探等地质勘察工作，但受目前国内勘察技术所限，仍无法将岩溶的分布特征十分清晰地探明。因此岩溶处治工作必须坚持动态设计的原则。

采用压力灌注砂浆或小石子混凝土的处治方法，在进行灌注施工过程中，可将钻孔作为地质补钻的一种手段进行地质验证，根据实际地质情况适时地调整注浆孔深度、位置以及灌注量。

在进行溶洞注浆施工前必须进行工前试验段，确定灌注压力、帷幕孔和注浆孔的砂浆或小石子混凝土的合理配合比，并根据溶洞的充填情况确定灌注砂浆或小石子混凝土的压力，当充填物较丰满且主要为粉砂时，灌注砂浆或小石子混凝土施工困难时，可调整为静力灌注水泥浆，静力灌注水泥浆的工艺目前比较成熟，本文不再赘述。

在进行溶洞注浆施工过程中，需根据实际情况严格控制灌注的砂浆和小石子混凝土的数量。出现注浆量异常偏大时，应及时停止灌注。

5 施工注意事项

a）岩溶处治必须坚持动态设计的原则，施工过程中须根据具体地质情况，调整岩溶处治具体施工参数。

b）压力灌注施工时，应先施工帷幕孔，后施工中间注浆孔，形成有效的止浆帷幕，防止浆液外流。

c）灌注应间隔式分序次进行，一序次孔浆可能扩散范围较大，二、三序次注浆孔将使前序次未充填空洞得到充填。同时，一序次孔对岩溶区起到补充勘探的作用，根据实际地层及岩溶分布情况对后序孔的孔位、孔距、孔数进行适当调整，弥补均匀布孔设计的不足。

d）尽管前述说明给定灌注压力参考值，但实际施工时灌注压力必须通过现场灌注试验确定。

e）灌注浆液配合比宜配合注浆泵的类型通过试验确定。

f）施工时，不得在附近200 m范围内抽取地下水，以防因地下水的变化而引起地表下沉、塌陷等不良地质反应。

g）注浆结束后，需对注浆孔以及地质钻孔进行封孔，封孔采用与注浆同材料即可。

6 工程质量检测

工程质量检测主要是针对深层的压力注浆的注浆效果检测，可采用物探对注浆区域进行检验，也可通过地质钻孔对注浆区域的注浆效果进行检验。

7 结语

采用压力灌注小石子混凝土或水泥砂浆处治岩溶地基的方法对于处治覆盖层较厚而溶洞内充填物较少的串珠式溶洞效果理想且设计、施工可操作性较强，同时对施工工点的周边环境影响比较小。该处治方法施工简单、经济合理，且处治效果良好，可为今后高速公路岩溶地区路基处治提供借鉴。