市政道路岩溶路基病害特点及处理方案

刘光礼 乔 阳

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

随着我国西部大开发战略的实施和城镇化建设的不断推进，基础设施建设规模不断扩大，城镇路网建设也逐步增多。我国西南地区地质情况复杂，岩溶地质分布广泛、形态构造复杂，其成因、力学特征及发育规律千差万别，增加了路基在设计和施工过程中的技术难度。此类问题处理不当将会造成路基结构失稳危及车辆通行安全，如何避免岩溶路基病害的发生和制定安全、经济、合理的处理方案是岩溶路基实施过程中亟需解决的问题。本文依托项目实例，对区域岩溶发育特点、岩溶路基病害成因进行分析，探讨不同类型的岩溶路基处理方案。

1 区域岩溶发育特点

昆明市空港经济区受气候、岩性、构造等因素控制，地貌类型复杂多样，区域内以剥蚀溶蚀丘陵、剥蚀溶蚀平原为主，属覆盖型岩溶区的溶蚀缓坡丘陵地形，场区地形大部分地段起伏较小，局部地段地形起伏较大，地形呈西北低，东南高，局部地段形成沟谷地带，其主要呈现岩溶地貌和构造剥蚀丘陵地貌。

1.1 岩溶地貌

以剥蚀溶蚀丘陵为主，形成于灰岩、白云岩、灰质白云岩和灰岩中，宏观上表现为不规则形态的洼地和漏斗面积上大小不等，可大至数平方公里，小至数十平方米。

岩溶发育突出的主要为下伏二叠纪下统灯影组灰岩，岩溶作用较强烈，地表岩溶漏斗、落水洞及地下溶洞、溶隙发育，透水、富水性强，岩溶地下水埋藏较深，旱、雨季水位变幅较大，完整岩体力学强度高，稳定性好，而岩溶洞穴发育地段，在诱发条件（上部荷载、水位大幅下降等）可发生岩溶地面塌陷，危害极大[1]。

1.2 构造剥蚀丘陵地貌

碎屑岩分布地带多呈现为正地形，与岩溶地貌相互交错，许多情况下对岩溶地貌形成地理上的分割，受水热条件的影响，碎屑岩风化强烈，土层厚度从2～20m不等，平均可达8m，显现出低纬度高原特有的红色山原地貌特征，如图1所示。

图1 典型构造剥蚀丘陵地貌

2 岩溶路基病害特点分析

结合片区已实施道路产生岩溶病害情况，分析其病害特点。

2.1 路基下伏岩溶顶板岩层失稳引发上部路基塌陷

路基在挖填过程中，部分完整岩层被挖除后，整个岩层顶板厚度降低（或原有岩层较薄），强度不足，在上部路面结构自重及车辆荷载作用下导致岩体失稳[2]；此外部分位于填方岩溶地基在大量路基填料的堆载下，下部岩层顶部承载力不足造成岩层结构破坏，上下层土体发生连锁反应造成局部路基、路面凹陷，如图2所示。

图2 已建道路岩溶病害现状

2.2 在水作用侵蚀下路基土体流失

岩溶地区岩溶作用强烈，透水性、富水性强，岩层顶部土层厚度分布不均，如路基低洼处长期受到地表水及地下水的潜蚀、冲蚀，造成土质填料逐步流失，底部脱空，引发路基整体位移变形或路基塌陷变形。

2.3 路基不均匀沉降、路面开裂

岩溶地区岩层发育差异较大，所形成的石笋、石柱、溶槽、溶沟、漏斗地质构造表面高低起伏，其中填充厚度不均匀土层，厚度范围在几米至十几米，在自然环境及路基施工的影响下，岩层与土层的不同接触面所产生的沉降变形不一致，最终导致路基发生不均匀的沉降变形，造成路面开裂、沉降等病害。

2.4 小结

以上病害形成机理周期较长，可能存在多重病害因素叠加，往往在道路建成数年后才会演变成可见病害，一旦出现病害所产生的危害是巨大的，严重影响路基结构、地下管线安全和车辆安全通行。

3 工程地质概况

拟建项目为片区开发的新建市政道路，道路红线宽50m，长约898m，呈东西走向，道路沿线岩溶地质发育强烈。为进一步探明道路沿线溶洞、溶蚀现象及不良地质体分布情况，同步进行了详细岩土工程勘察（特殊区域补充勘察）和高密度电阻率成像（高密度电法）物理探测（见表1所示），根据岩土勘察报告和物探勘测报告，分析地层岩性和地球物理探测特征。

表1 物探勘测异常成果表

（1）人工填土：钻探揭露埋深0.40～4.30m，平均厚1.33m，结构松散，不宜作基础持力层，其视电阻率值约为50～200Ω·m。

（2）耕植土：揭露到的耕植土分布在zk62～zk66，褐黄色，主要含植物根系，埋深0.40m，平均厚0.40m，结构松散、力学性质差异大。该层在该场地分布较少，不宜作基础持力层。

（3）红黏土：层顶埋深0.00～4.30m，平均埋深0.29m；钻探揭露厚度1.70～24.7m，平均厚6.90m，该层在所有钻孔均有出露，为勘探深度范围内的主要地层。天然密度较小(1.65g∕cm3),可塑～硬塑状态，局部呈坚硬状态，其视电阻率值约为50～100Ω·m。

（4）强风化灰岩：层顶埋深2.30～10.60m,平均埋深5.15m；钻探揭露厚度0.7～2.70m，平均厚1.53m,该层在13个钻孔出露，为勘探深度范围内的局部出露地层。其视电阻率值约为100～2000Ω·m。

（5）中风化灰岩：层顶埋深 3.50～13.50m，平均埋深7.22m；钻探揭露厚度2.40～44.90m，平均厚24.55m，为勘探深度范围内的主要地层。其视电阻率值约为100～2000Ω·m，局部完整性较好的可达2000Ω·m以上。

（6）破碎层：由于裂隙发育，裂隙间多存在泥质充填现象，且裂隙含水较高，其视电阻率一般在30～150Ω·m，且形态一般呈条带状。

（7）溶蚀发育区：溶蚀区多存在孔洞，多数孔洞具泥质充填物，赋水较好，其视电阻率值一般为10～50Ω·m；其异常形态一般呈透镜状及串珠状；未充填的孔洞异常形态多为透镜状，其视电阻率表现为极高阻。

根据物探勘测方案，场地内共布置9条高密度电法断面，本次物探勘测共圈定6个异常断面，其中裂隙充填异常3个，溶蚀发育异常3个。

4 岩溶路基处理原则和方案

4.1 岩溶路基处理原则

岩溶路基处理过程中应遵循“安全可靠、经济合理、技术可行、施工方便”的原则，同时结合地区岩溶发育特点，还需结合以下原则[3]：

（1）做好详细工程勘察，为设计方案决策提供基础依据；

（2）做好病害的有效预估，采取预防为主，防治结合的原则；

（3）尽可能保持岩溶原有水系的自然补给与排泄环境，避免对地下水源造成污染；

（4）合理利用岩溶顶板、岩溶石柱、岩溶坡面岩石承载能力；

（5）在大面积复杂溶岩路段，宜采用桥式跨越或路线避让的方法；

（6）在落水洞分布较多的地段，应尽量避免降水施工。因水力梯度的突变，可能造成地面沉陷，威胁地面建筑物安全。

4.2 岩溶路基处理方案

结合地质岩土勘察报告和物探勘测成果，根据道路平面位置及道路设计高程，制定以下岩溶路基处理方案：

（1）剖面1、剖面4位于道路k0+310、k0+500右幅紧邻道路红线，为填方段，推测其为裂隙破碎或溶沟、溶槽填充泥质导致的异常。该异常延深至14.4m未封闭，且规模较大，溶沟发育走向为南北走线，断面两侧岩层结构较为完整，结合片区地表水汇流和地下水流方向推断，该范围岩层下方可能为地下水通道，该岩溶发育对路基稳定性影响较大，自现状地面清除4m软弱松散土层，对揭露溶洞区域采用M7.5浆砌片石填实封堵，区域设置0.6m厚钢筋混凝土盖板整体跨越溶洞区域，盖板边缘置于稳定基岩上，盖板上部按照一般路基填筑施工，路基坡脚设置排水沟收集引流坡面周边雨水。

（2）剖面5、剖面6位于道路k0+220、k0+250右幅，为挖方段，推断为局部空洞，下端封闭，处于路基挖方段，埋置深度相对较浅，采用破碎洞体顶板岩层，洞内填入C20素混凝土密实封口处理。

（3）剖面8位于道路k0+140左幅，为挖方段，推测其为裂隙破碎或溶沟、溶槽填充泥质，现状挖开至设计标高后为可见裸露土洞，采用洞内填入C20素混凝土密实封口处理。

（4）剖面9位于道路k0+030右幅（道路起点与现状道路平交区域附近），为挖填交接路段，现状经历雨季之后形成地面塌陷，塌陷半径约4m，地面塌陷造成现状雨水管、污水管、电信管线破损断裂，燃气管、给水管挤压脱空，如岩溶病害持续发展将严重影响现有管线和道路的运行安全。根据补充勘察资料显示，该区域溶洞顶板覆土厚度深浅不一，最大覆土厚度约8m，溶洞贯穿深度1.5～4m，考虑溶洞深浅不一、发育范围及基岩承载力无法明确判定，溶洞之间存在局部联通，且现场已出现明显路基塌陷病害特征，既有管线对施工工艺选择有影响，现状施工条件较为复杂，为避免处理不当造成二次病害的发生和对现状管线的保护，采用钻孔灌注桩+钢筋混凝土顶板处理方案。

自地面向下开挖2.5～3.2m（给水管道底标高下0.7m）土体形成基础作业面,采用旋挖钻孔灌注桩进行桩基施工，桩径800mm，标准桩距为6m，桩长以钻穿溶洞后入岩2m为控制标准，暂定桩长15m。桩基施工完成后桩顶浇筑0.7m厚的钢筋混凝土顶板与桩基形成刚性的基础,顶板范围根据补勘范围外延2m（道路右幅延伸至道路红线范围）。

由于现状管道为南北走向与道路垂直，管道自西向东分别为雨水管道、电信管、污水管、燃气管、给水管，水平跨度约7m，埋设深度深浅不一。按照标准桩距施工桩基位置冲突，桩距调整为9m避让既有管线，同时考虑到管线区域土体开挖对管道稳定性有影响，土体开挖深度不宜过深，土体开挖深度以现状给水管以下0.7m作为控制标高，土体开挖按照2m一段分幅跳槽机械配合人工开挖。管道区域单独设置顶板结构，雨水管、污水管、燃气管通过在顶板设置混凝土支墩进行保护，给水管道置于顶板上部。该区域顶板置于两侧桩基顶板结构之上，形成搭台，整体形成三块钢筋混凝土板结构，结构布置形式如图3所示，桩基顶板施工完成后以上部分按照路基要求分层填筑路基填料。

图3 桩基顶板结构剖面图（单位：mm）

项目实施过程中严格对照勘察成果进行现场勘验，并根据实际情况动态化设计，最大限度保证处理方案与现场工况相吻合，目前该项目已建成通车3年，岩溶路基处理区域无二次病害的发生，上述处理方案取得了良好的实施效果。

4.3 岩溶处理方案探讨

鉴于本项目地质情况的局限性，岩溶路基方案的选择应以工程地质勘查成果为依托，结合岩溶路基稳定性分析，在保证安全、经济、合理、环保、易于施工的条件下确定最优的方案。根据不同的岩溶地质情况常用的处理方案为充填法、跨越法、注浆法、桩基法[4]，主要包括以下几类：

（1）岩溶发育范围较浅的溶沟、溶槽、溶缝及溶洞口清除附着的土层采用浆砌片石、素混凝土回填；

（2）路堑开挖后暴露的空溶洞、落水洞，需对岩溶形态、充填情况、地下水流情况进行勘探验证，对于深度较大、宽度较小时，一般宜设置钢筋混凝土盖板；

（3）开挖后探明埋藏较浅的小型封闭溶洞且顶板厚度较小，采用破除顶板岩层后，采用浆砌片石、砂浆、片石混凝土等进行封闭，必要时可增设钢筋混凝土盖板；

（4）探明的一般溶洞，埋层较深，顶板厚度较大，洞内无水，下部呈封闭态势，采用溶洞注浆加固方式；如洞径较大、有水或为地下水通道，则不宜采用注浆方式处理，宜采用钢筋混凝土板、梁处理；

（5）开挖路堑边坡存在岩溶泉、出水洞，设置排水沟截流至路基范围外，对于干溶洞、溶隙采用浆砌片石进行封闭、填塞，必要时在坡顶设置截水沟；

（6）对于填方沟谷低洼地带，应查明有无裸露溶洞及地下水排泄通道，必要时设置相应的排水盲沟保证排水通道的畅通或将周边地表水汇集引入路基范围外；

（7）对于溶洞、漏斗规模较大、且下部未封闭的大型岩溶地段，在采用上述几种处理方式仍不保证路基安全稳定性的，需增加工程投资的，采用桥跨、拱跨、桩基方式进行处理，如岩溶处理范围较大，经技术经济论证后难以保证路基质量安全的，应通过调整道路线形采取避让措施，避开岩溶发育危害较大的区域。

5 结束语

本文通过对区域岩溶发育、形态、特点的分析，探讨岩溶路基病害形成的主要原因，总结不同岩溶形态下路基处理思路以供参考。针对路基岩溶分布、形态及发育规律错综复杂性，在今后工程实际中应充分发挥地质勘探、物探等技术优势，全面掌握地质情况，注重岩溶路基稳定性的分析和处理方案的安全性、经济性和适宜性论证，并及时跟进方案施工过程进行动态化设计。