岩溶区高速公路路基强夯处治技术及稳定性分析

张加岐

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 引 言

随着我国交通建设的发展，高速公路不可避免的穿越岩溶区。岩溶是一种不良地质，对岩溶路基的处置影响了路基整体结构的稳定性及承载能力[1]。根据岩溶地质的分类，能够将岩溶类型分为溶洞、土洞等类型。岩溶是在地下水作用下，在路基土下存在的空洞或漏斗形状的缺陷[2]。针对岩溶路基的处置，通常采用换土回填，当岩溶区路基没有顶板时，形成路基下的空洞，通过换土回填的方法，对路基中的空洞进行分层填筑分层压实，增加岩溶区土体的强度及密实度[3]。但是岩溶区路基中存在较多岩溶类型，岩溶底部与路基顶部高度相差较大，填土高度较高，且填土体积过大，经过大型器械压实后，容易造成路基的不均匀沉降，从而导致路基出现变形及坍塌病害[4]。并且由于路基回填高度较高，采用施工器械很难将岩溶区路基进行压实，因此路基压实度不足，造成路基出现沉陷现象[5]。岩溶最常见的类型为溶洞及土洞，在实际工程中，针对该路基需要进行强夯处置，采用强夯法对岩溶区路基进行稳定性分析，当通过强夯使溶洞顶板击穿时，需要对击穿岩石进行搬运，再进行换土回填压实，保证岩溶区路基稳定性[6]。但有些岩溶区埋深较深，通过强夯法不能将溶洞顶部击穿，通常认为该种溶洞对路基的稳定性无影响。因此，强夯法在岩溶区路基中的处置尤为重要。本文以广西某岩溶区高速公路为例，通过工程物探勘察，得到该岩溶区存在3处溶洞。根据溶洞特征，采用强夯法对路基进行处置，处置后通过路基稳定性分析，得到该岩溶区路基稳定性。

2 岩溶路基病害分析

岩溶路基的处理是我国公路工程发展不可避免的问题。岩溶是一种不良地质情况，其发展影响了公路路基的稳定性，岩溶地质的存在形式较多，例如溶洞和土洞，这两种类型的岩溶严重影响了公路路基的稳定性，为高速公路的安全通行留下隐患。岩溶不仅影响路基的稳定性，而且岩溶的存在具有一定的隐蔽性，采用常用的地质勘察方法不能够完全掌握地下溶洞和土洞的分布情况，为路基的加固处置带来了困难。因此，岩溶地基处理的合理性影响了高速公路路基的稳定性，在对路基进行加固处置之前需要对岩溶路基的病害进行研究。

2.1 岩溶的形成及发展条件

岩溶的存在形式丰富且影响其发展的因素较多，根据调查研究得到岩溶形成及发展的因素主要包括存在可溶性岩层、地下水活动、潮湿气候、地质构造与地形等几个方面，其中可溶性岩层与活动的地下水是岩溶形成与发育的主要条件。

(1)存在可溶性岩层

可溶性岩层是岩溶形成用下不仅能够融入水，而且本身要存在裂隙并能透水，此时，受地下水的溶蚀作用才能形成岩溶地貌或地质构造。可溶性岩是决定岩溶发育的首要因素，其厚度的大小，所含碳酸钙多少，是否与非碳酸岩夹层、互层，以及它们所处的地质构造环境对岩石完整程度、裂隙力学性质、空间分布规律、地下水运动特征等的控制情况，大气降水酸性含量等都会改变可溶岩的被溶蚀程度。同是可溶岩，所处环境不同，岩溶的发育程度也不相同，有的地区是广泛分布但个体不大，有的是集中分布但个体也不大。

(2)地下水活动。

岩溶发育必须使可溶性岩层受具有可侵蚀性并不断流动的地下水作用，地下水溶解可溶性岩层的能力越强，岩溶发育的速度就越快。富含CO2的大气降水与地表水渗入地下后，不断替换原有地下水，使地下水保持较强的侵蚀力，则岩溶将保持较高的发育速度。

(3)地形

地下水的补给量和补给速度受地形起伏程度的影响。地表水径流量在陡峻坡地比较大，而地下水补给量相对较少，使得地表岩溶形态较小。平缓地带地表水的径流量较小，而地下水流速缓且补给量较多，但由于强烈的侵蚀作用，导致岩溶较大。

2.2 常见岩溶形态

(1)溶洞

溶洞是岩溶常见的类型之一，是在地下水的长期作用下和地质断裂形成的岩层塌陷共同作用下产生的岩溶。其发展方向为水平发展，作为地下水的早期排水通道。大的溶洞系统是在岩溶水的水平循环带中产生的。由于岩层分布的无序性导致溶洞内部的复杂，洞室的大小与形态具有很大差别。通常溶洞形状不规则，高低起伏，洞内存在岩溶水及其他填充物。

(2)土洞

土洞的形成是由于在土基上覆盖有岩溶地区，在工程施工及日常生活中，由于对土质进行排水及抽水造成岩溶下部地下水位的变化，形成了土洞。土洞的存在严重影响了路基的稳定性以及高速公路车辆行车安全。

2.3 路基变形、开裂

路基的变形与开裂是由于路基土的不均匀沉降造成的，路基的不均匀沉降导致路面沉陷，平整度下降，当车辆荷载行驶时，增加了路基的不均匀沉降，导致路面开裂。岩溶路基的不均匀沉降主要由两方面原因造成。一方面因为岩溶的类型较多，如溶洞、土洞等，在进行高速公路路基施工时需要对路基进行处理，由于有些岩溶较深，路基顶面距岩溶底部距离过大，如图1所示。路基土的填土高度较高，且填土底部由于过深，碾压设备不易进行压实施工，导致压实度不足，在车辆荷载行驶过程中，造成路基产生不均匀沉降，严重的造成路基变形与开裂。另一方面，由于岩溶处存在大量的地下水，地下水的流动导致路基地面土软化，使路基回填材料逐步丢失，加剧路基的不均匀沉降，从而引起路基变形及开裂。

图1 岩溶路基变形、开裂原理

2.4 溶洞失稳引起路基塌陷

岩溶路基出现坍塌的主要原因是在地下水的作用下，岩溶路基下伏分布由溶洞和土洞，由于溶洞与土洞具有隐蔽性，一般的勘察技术不能精确得到其内部情况。岩溶路基下部的地下空洞具有一定的复杂性，主要体现在空的深度、宽度与长度未知，并且地下水通道与路基连通，提高了路基的含水率。由于岩溶路基地质复杂，下部空洞不易被勘察，在岩溶地基上修筑公路路基时，大型器械施工增加了地基自重荷载，器械开挖造成空洞顶面厚度减小，从而造成溶洞失稳引起路基坍塌。岩溶路基的坍塌分为两种类型，一种为土质坍塌，一种为岩质坍塌。土质坍塌是由于表层土基开挖，使路基结构整体失稳造成坍塌。岩制坍塌是由于大型器械施工破坏岩层，造成围岩失稳，导致路基整体坍塌。

3 岩溶路基处置方法及稳定性分析

3.1 工程概况

广西某高速公路路基下伏跨越岩溶区，根据对该公路路基进行工程物探，得到下部岩溶分布。该段公路K27+650段至K27+800段路基下部存在岩溶区，高速公路路面宽为27 m，根据工程物探调查，得到岩溶区路基下部存在3处空洞，分别位于红黏土土层与基岩层，1#溶洞高9.4 m，沿跨境18 m范围，埋深2.0～4.8 m，2#溶洞高9.0 m，沿跨境32 m范围，埋深2.0～4.8 m；3#溶洞高13.6 m，沿跨境40 m范围，埋深9.6 m。路基以低填浅挖方式通过，相对于一般填方段，汽车动载对于路基基底影更高，潜伏岩溶与土洞对行车安全影响更大，溶洞的存在影响了高速公路路基的稳定性，对交通出现造成安全隐患。

3.2 强夯处置技术应用

根据高速公路岩溶区路基工程事故发生概率分级如表1所示，该高速公路岩溶区路基按照区间概论分布，其路基工程事故发生概率在0.05%～0.5%，属于很少发生，事故等级为二级。根据事故概率分级，采用强夯法对该岩溶区路基进行加固处置，但是由于该路基溶洞埋深较深，需要结合其他处置方法进行综合处置。

表1 岩溶区路基工程事故发生概率分级

该岩溶区路基下伏溶洞高度、宽度较低，体积较小，但是埋深较大。采用强夯法对公路路基进行加固主要目的分为4个。

(1)采用强夯法，利用夯击锤的冲击力及产生的冲击波将溶洞顶板击透，将岩溶区顶板击穿。能够便于击穿后对路基空洞进行回填，经过填土压实避免岩溶区路基出现坍塌现象。

(2)强夯法能够检验路基顶面承载能力，由于强夯法使用的夯击锤产生的夯击能远大于路基的承载能力，若在夯击锤冲击力及冲击波的作用下，溶洞顶面仍未击穿，则表明该岩溶区路基承载能力满足高速公路路基使用要求。

(3)强夯法对岩溶区路基处理后，由于强夯产生的冲击力及冲击能使路基土质进行压缩，减小土体的孔隙，增大岩溶区路基的压实度。土基自身的密实度及强度极大提高，相当于为岩溶路基形成了一层良好的防水层，能够有效控制溶洞的发展。

(4)大范围的强夯对于物探等勘探手段未能探出的溶洞、土洞具有一定的检验、补充作用，能较为全面的处理浅层溶洞、土洞，有利于路基稳定，保证行车安全。

3.3 强夯法施工过程

(1)平整场地

该岩溶区路基进行强夯法处置之前，首先对施工场地进行平整。打扫施工区域内的土基表面，保证土基表面平整，无坚硬物质导致强夯锤损坏。

(2)确定强夯点

根据工程物探结果确定强夯点，将强夯点定位溶洞正上方。由于溶洞的宽度交宽，以溶洞中心处为强夯点，使用白石灰进行点位标注。强夯范围为强夯点周围5 m内。

(3)强夯施工

确定夯击锤的夯击能，根据该岩溶区设计地基承载力，选用200×20 kN·m的夯击锤。在进行夯击时，确保夯击点周围无杂物，适合进行夯击施工。以200×20 kN·m的夯击能，单次夯击两次，若该溶洞顶面击穿，需对溶洞岩石进行搬运，采用回填材料对溶洞进行回填，回填后再次进行两次强夯，保证路基的整体稳定。该岩溶区路基经过强夯处理，1#、2#溶洞顶板被击穿，只有3#溶洞顶板完好。

3.4 强夯处置后岩溶区路基稳定性分析

该岩溶区路基存在3处溶洞，通过对溶洞的强夯处置，1#、2#溶洞顶部被击穿，将击碎岩石进行搬运后，对击穿溶洞进行土体回填，回填方式采用分层回填法，增加土体的密实度与强度。回填后再进行两次强夯，保证路基整体承载能力，能够认为1#、2#溶洞区已经强夯处置完毕，路基承载能力及稳定性符合要求。但是3#溶洞，经过两次强夯并未将溶洞顶部击穿，按照强夯法处置目的，可以认为两处溶洞由于埋深较深，强夯产生的冲击力及冲击能不会对地基承载能力及稳定性造成影响。

4 结 论

综上所述，岩溶区路基的处理影响了高速公路路基的整体稳定性及强度。以广西某高速公路路基工程为例，经过工程物探调查得到该公路路基下伏存在3处溶洞。根据岩溶区路基病害的类型及产生机理，采用强夯法对该岩溶区路基进行施工。通过强夯施工，2处岩溶区顶部岩层被击穿，对击穿溶洞进行回填处理，另外1处岩溶区顶部未被击穿。通过对处置后岩溶区路基进行分析，得到该岩溶区路基稳定性满足要求。