黄土地区运营公路落水洞路基病害成因分析及处治措施

闫 鑫

（临汾南高速公路管理有限公司，山西临汾 041075）

0 引言

黄土作为第四纪形成的沉积物，在我国分布十分广泛。山西省是黄土集中连续分布的主要地区之一，其中在西部吕梁山脉西麓地区分布有覆盖于离石老黄土上部的马兰黄土，其具有分布厚度大，土质均匀、结构疏松、垂直节理发育，湿陷等级高、抗水蚀能力差的特点，受自然气候条件的影响易形成黄土落水洞。公路在通过马兰黄土分布地区时，尽管在建设期针对公路影响范围内的黄土进行了一系列消除其湿陷性的工程措施保证了黄土地区的路基稳定性，但在公路运营期间，受大气降雨、公路沿线地形条件等影响，在公路影响外形成的落水洞汇集地表径流后落水洞不断延伸至公路路基影响范围内。公路影响范围内的落水洞往往隐蔽于地下，公路日常养护发现困难，当落水洞规模不断扩大后，易造成路面结构沉陷，严重情况下造成路面突然坍落引发安全事故。

本文结合工程实例针对黄土地区运营公路落水洞的形成原因进行科学分析并结合分析结论针对性处治进行论述。

1 工程背景

某高速公路位于山西省吕梁山西麓地区，公路沿线地形地貌以黄土侵蚀地貌为主，大的地貌有黄土塬区和黄土覆盖中低山区，黄土梁、峁、沟壑纵横，主沟方向多以南西为主，次级沟谷多呈北东向，微地貌多为黄土冲沟、黄土斜坡、黄土梁峁组成，厚-巨厚黄土覆盖，冲沟发育，沟深坡陡。受地形影响，公路通过该区域时以半填半挖路基形式通过，由于原地表横坡较陡，导致该段公路多为挖方边坡和填方边坡，高度较大。路基典型断面如图1所示。

图1 路基典型断面图

公路运营过程中出现路面持续沉降，个别路段甚至出现了路面结构突然塌落的现象。

为探明路面持续沉降和突然塌落病害原因，管养单位采用地质雷达、物探和地质钻探综合勘察手段对病害段落进行了地下空洞探测。地质勘察地质钻孔深度为地质雷达、物探异常区以下不小于5 m 并进行地质取样室内试验。同时，养护人员对路基影响范围以外的山体采用无人机巡察与人工徒步踏勘相结合的方式进行线外可见落水洞排查。

通过落水洞排查，发现位于公路上游占地线以外的山体冲沟内存在地表水下渗形成的黄土碟型地、竖井状落水洞或漏斗状落水洞，局部可见串珠状落水洞。其中，黄土碟型地多出现于冲沟内陡坡变缓坡的区域，竖井状落水洞出现于碟型地下游。具体分布形态如图2所示。

图2 落水洞分布典型断面图

通过对高速公路路面范围内地质雷达扫描可知，在与上游冲沟大致对应路面沉降区域，路面结构层下存在局部脱空，脱空高度5 cm 至70 cm 不等，脱空区呈不连续分布。物探结论显示，路基下部深层区域存在异常区。地质钻探如图3所示。

图3 路面沉降处地质钻孔柱状图

通过地质钻探得知，区内揭露岩土体从新到老依次为：

a）第四系全新统（Q4ml）路基填土 路基填土主要为素填土和杂填土，素填土主要为粉土，褐黄色；杂填土主要为强风化砂泥岩及黏性土，红褐色为主。

b）第四系上更新统（Q3eol） 地层岩性为粉土，褐黄色，大孔隙，垂直节理发育，具湿陷性，易发育落水洞。

c）第四系上更新统（Q3el+dl） 地层岩性为碎石土，杂色，母岩成分主要为砂岩和泥岩。

d）第四系中更新统（Q2al+pl） 地层岩性为粉质黏土为主，褐红色，多呈可塑，较密实，透水性差，局部含钙质结核夹层。

e）三叠系下统刘家沟组（T1l） 地层岩性以砂岩、泥岩为主，褐红色，层状构造，强风化。

物探异常区土体多为潮湿-饱和态，局部出现空洞。

2 公路黄土落水洞形成原因分析

病害区山体表层为第四系晚更新世马兰黄土（Q3），其颗粒组成以粉粒组为主，塑性指数为1～1.5，土中起骨架作用的难溶盐碳酸钙和中溶盐硫酸钙含量较低。对于干旱、半干旱条件下沉积的黄土，在粉粒组含量占优势的条件下，低含水量使黏胶颗粒难以发挥其黏聚能力，而粉粒的分子引力远小于黏胶颗粒分子引力，因而水分子与黏粒间的黏聚作用很不牢固，在增湿与外力作用下土体结构容易破坏[1]，由此导致马兰黄土抗冲刷能力差。

山体沟谷内直立性边坡发育，雨季山坡地表径流过程中汇水经过山谷直立性边坡时，在重力作用下易将直立边坡坡脚处冲蚀成坑穴后汇集径流水造成坑穴区黄土湿陷扩大了坑穴范围，坑穴范围扩大后又加剧黄土湿陷从而形成恶性循环而使地表径流逐步演变为地下潜流。病害区多半填半挖路段，路基填土在原地表粉土层压密的同时覆盖了地下潜流水输出通道，致使潜流水层在路基填土范围及基底粉土层滞留导致粉土层处于湿软状态，同时遇黄土湿陷引起路面结构层下路基填土发生垂直位移而引起路面脱空。当滞留水不断聚集后，在水压力作用下，沿路基填土或下伏土层薄弱环节流出即形成落水洞。

3 落水洞埋深对路基稳定性的影响

落水洞埋深对路基稳定性的影响，主要由落水洞上覆土层厚度、落水洞跨径、土体容重和土体的土工强度参数等因素综合确定。当落水洞的埋深与其空腔跨径比值越大，其对路基的稳定性影响越小；土体强度越高，落水洞的顶板结构强度越大，其承载上部荷载的能力越强，上覆路基稳定性越好；当土体的容重较小时，落水洞顶板自身自重较小也有利于路基的稳定。

根据《公路设计手册-路基》，当落水洞埋深H大于式（1）[1]计算值时可不进行处理，确定深度时，需考虑1.2～1.5 安全系数。

4 运营公路落水洞处治措施

4.1 处治原则

由于落水洞位于地下土层，详细探明其分布特征较为困难。因此针对落水洞处治坚持“以防排水与路基加固并重，坚持动态设计”的原则。

4.2 防排水设计

对路堤或路堑边坡上游50 m，下侧20 m 的黄土陷穴进行排查。对明陷穴采用回填夯实的处理措施，回填采用6%石灰土进行回填。同时对路侧沟谷排水通道进行疏通并与路基防排水设施相结合形成完善的排水系统，确保山体汇水能够通过地表径流排泄。

4.3 路基加固设计

根据地勘成果，病害区路基填土及路基填土下粉土层分为松散、潮湿状态和松散、饱和状态两种情况。同时路面结构层下存在脱空现象。因此根据不同情况确定处治方案如下：

a）对于路面结构层下土层呈松散-稍密状态且为潮湿的情况，当路面结构层下不存在脱空时，暂不进行路基加固处治；当路面结构层下存在脱空时，仅对路面结构层底脱空区进行充填。

b）对于路面结构层下土层呈松散且为饱和状态时，对饱和土体进行加固，对土体内的落水洞空腔进行有效充填。

c）路基土体加固方案比选。结合该项目为运营高速公路的特点，确定了4 个路基土体加固技术方案。

（a）高压旋喷桩与小粒径碎石结合路基加固方案高压旋喷桩是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合，形成连续搭接的水泥加固体。

将病害区范围内湿软土层采用高压旋喷桩进行固结加固，高压旋喷桩采用桩径0.6 m，桩间距2 m×2 m，加固深度为路面结构层底至湿软土层以下2 m 范围。当高压旋喷桩施工过程中遇到落水洞空腔而无法翻浆时，通过钻孔填塞5～10 mm 小粒径碎石后再进行高压旋喷桩施工直至孔口翻浆。高压旋喷桩布置图见图4。

图4 高压旋喷桩布置图（单位：cm）

（b）高分子聚合物注浆方案 高分子聚合物注浆工艺原理较简单，施工人员通过合理确定路面钻孔位置，进行钻孔施工，快速找到病害所在位置，之后在钻孔内部注入一定量的高分子聚合物材料，经过一系列反应之后，体积快速增大，混合料会在短时间内流向路基当中最为软弱的地方，起到良好的膨胀效果[3]。其具有轻质、高膨胀性、早强、防水、快速、微创的特点。

高聚物注浆主要材料为非水反应自膨胀闭孔高聚物材料，原材料为双组份液态预聚体，混合后会迅速反应，体积膨胀，固化为高聚物发泡体。高聚物材料属水不敏感型材料，防水性能优良。材料反应十分迅速，反应时间从几秒钟到几十秒钟，可以调控，并且在15 min内即形成90%的强度。材料具有良好的弹性和强度，特别是具有较好的抗拉强度。材料具有高膨胀性，体积膨胀可达液体体积的10～20 倍，自重轻。高聚物材料呈中性、惰性性质，不污染土壤和水。

参考类似工程处治经验，高分子聚合物注浆采用对路面结构层进行直径16 mm 钻孔后，对路基体和路面结构物注射充填高分子聚合物，钻孔间距为1.5 m，钻孔深度为路面结构厚度。高分子聚合物布置图见图5。

图5 高分子聚合物注浆布置图（单位：cm）

（c）夯实水泥土桩方案 夯实水泥土桩是用人工或机械成孔，选用相对单一的土质材料，与水泥按一定配比，在孔外充分拌和均匀制成水泥土，分层向孔内回填并强力夯实，制成均匀的水泥土桩。将病害区范围内湿软土层采用夯实水泥土桩进行挤密加固，夯实水泥土桩采用桩径0.4 m，桩间距1.5 m×1.5 m，加固深度为路面结构层底至湿软土层以下2 m 范围。水泥夯土桩布置图见图6。

图6 夯实水泥土桩布置图（单位：cm）

（d）高压铝粉水泥浆注浆方案 高压铝粉水泥浆注浆是在传统水泥注浆的基础上改进而来，采用水灰比0.5 的水泥浆液中加入2%～3%的铝粉作为膨胀剂，铝粉的加入先与水反应，再注入地层过程中，水分也有所减少，从而减小了浆液对黄土填土湿陷性的影响，改良土体的效果更为明显。同时，高压铝粉注浆，注浆压力为3 MPa～5 MPa，高压可使地层产生裂隙，增加渗透性，加固面积也将增大。

高压铝粉水泥浆注浆处治布置桩间距3 m，排距2.6 m，注浆深度为路面结构层底至松散土层以下2 m范围。高压铝粉注浆布置图见图7。

图7 高压铝粉注浆布置图（单位：cm）

4 个方案对比情况见表1。方案比选结论：对于路基填土以及路基体下的深层落水洞空腔和湿软粉土层采用高压旋喷桩与小粒径碎石配合方案进行加固处理。对于路面结构层下浅层落水洞采用高分子聚合物注浆充填处理。

表1 运营公路路基落水洞方案比选表

5 结语

采用高压旋喷桩与小粒径碎石配合的方案和高分子注浆方案分别对黄土区内运营公路路基体下黄土落水洞进行充填加固保证了路基的稳定，在工程中取得了良好的效果。但是，黄土落水洞作为新黄土的一种常见病害，发生机率较大，对公路沿线范围内的落水洞进行缜密排查并进行及时填充，同时，加强沿线地表排水通道的疏通，确保地表径流能够顺利排离路基影响范围，才是黄土地区公路落水洞处治的根本。因此，在公路养护过程中，针对黄土地区的落水洞病害应加强日常养护落水洞排查和排水设施的病害修复，在落水洞形成初期对其进行及时处理。