浅谈桂阳高速公路隐伏土洞探测及处治

摘要:本文对桂阳高速公路喀斯特地貌路基隐伏土洞的探测方法和处治进行了细致的分析、阐述及探讨

关键词:高速公路 隐伏土洞 探测和处治

桂林至阳朔高速公路穿过阳朔喀斯特地貌的核心区,地下溶洞分布广、数量多,地下河埋层浅,业主方就施工区已出现地表塌陷的隐伏土洞处治问题组织国内地质专家进行了研讨,并形成共识:采用地质雷达探测,对已探测出的土洞使用开挖或注浆的方法进行处治,并埋设光纤设施跟踪探测已处治路段的土颗粒和地下水运动情况。

隐伏土洞形成的水文地质特征

桂林至阳朔高速公路路线多处于典型岩溶峰林平原地貌,地势平坦;属中亚热带湿润季风气候,气候温和,雨量充沛,年均降雨量1926mm,但降雨量分配不均,每年降雨集中在4、5、6、7月四个月,雨量近1000mm,约占全年降雨量的52%。岩溶地下水补给-径流区,地下水位变化较大,在雨季,地下水位高出基岩面,而在枯季,则低于基岩面。这种地下水在基岩面上下波动的水动力模式,极易导致上覆土层发生渗透破坏和崩解,进而形成土洞,且该地区土洞仍处于“活动”状态(图 2)。在地下水长期作用下,将会不断的向上发展、扩大,最后产生塌陷,危及公路安全。

地质雷达探测隐伏土洞的条件

经现场测试,覆盖土层的电阻率约为几Ω・m～200Ω・m,浅层岩溶发育带电阻率一般为200Ω・m～2000Ω・m,完整灰岩的电阻率为2000Ω・m以上。覆盖土层与浅层岩溶发育带、完整基岩有明显的电阻率差异,利用电阻率法探测基岩起伏和岩溶分布的地球物理条件成立。

粘土、土洞和岩石对高频电磁波的反射不同,它们的介电常数差别很大,在他们的接触界面对高频电磁波的反射差异很大,接收到的电磁波的旅行时间、频率等具有明显的区别,因此,采用地质雷达探测土洞的地球物理条件成立。

地质雷达采用美国GSSI公司生产的SIR―10A型探地雷达。天线采用100MHz低频同体屏蔽天线,有效探测深度约10m,采用连续测量方式探测。其工作原理是利用土层、岩石和土洞等对探地电磁波反射的差异,通过分析地面接收到的反射信号的旅行时间、波形和反射波谱特征等差异来确定土洞等。在覆盖层小于10m的场地,利用土层、土洞和岩石的这些特征,采用地质雷达探测土洞可收到良好的效果。

地质雷达探测隐伏土洞的方法

桂阳高速公路对出现土洞频率比较高的四个填方及零填路段共长18.5km进行地质雷达探测,共探测出土洞100多个,埋深分布在2m~9m处,土洞体积大小不等。

探测测线的布设:设定公路中轴线为0号测线,下行左边为负测线,右边为正测线。以里程桩号为控制点,皮尺量距。地质雷达测线间距3米。沿公路中心线布设6条测线:-9线、-6线、-3线、3线、6线、9线,连续测量。

路线中地质雷达探明的异常有如下4类:

(1)空洞:土洞或溶洞解释为空洞,在地质雷达连续反射彩色剖面上表现为双曲线型强反射。

(2)扰动土:土体发生扰动、但还未形成洞穴的,解释为扰动土,在地质雷达连续反射彩色剖面表现为杂乱无章强反射。

(3)人工埋设物(通道或涵洞等):在地质雷达连续反射彩色剖面上表现与空洞相同,空洞异常的差别是:异常在所有测线相同的位置、相近的深度出现。

(4)已处理土洞:填埋土洞的填充物质主要是碎石,孔隙大,反映为从地表开始、杂乱无章特强反射(图 1)。

图 1 土洞开挖回填处理后旁边仍有土洞存在

探测显示土洞异常的位置和已填石处理的土洞异常相连即反映出这一问题。

图 2 开挖土洞很容易导致地下水涌出形成新土洞

地质雷达探测隐伏土洞体积的测算

对隐伏土洞异常的体积进行了推算,以便制订下一步处治方法。 体积(V)计算方法:考虑到在第四系松散堆积体中,球状空洞具有较好的稳定性,因此,采用球体体积来近似计算土洞体积,计算中,将土洞异常的跨度作为球体直径Φ(图 3):V=Φ3×π/6

体积测算的误差:

1、由于土洞可能底部存在充填,使计算体积比实际的大;

2、土洞长轴与公路轴向斜交,会使实际体积比计算体积大;

3、土洞周围裂隙、孔隙的存在,特别是土洞底部到基岩面之间的松散堆积土的存在,会使实际体积比计算体积大。

图 3 土洞的体积计算图示

隐伏土洞的处治方法

针对以上探测结果及推算土洞体积,经专家及相关人员研究决定,对桂阳高速公路隐伏土洞采用钻孔压浆充填固化法(图 4)和开挖-反滤层+土工布法(图 5)两种方法进行处治。

一、钻孔压浆充填固化法

通过直接向土洞及其下的扰动土中灌注水泥粉煤灰浆液,充填土洞空洞和扰动土形成水泥土固结,来加固已有土洞和防止新的土洞的形成,提高路基整体承载力;该方法适用于土洞埋藏深度大于3 m。

技术要求:

1、按每个土洞布孔3～5个(依据土洞大小定),孔距1.5m,孔深以揭穿土洞进入洞底2 m为准(如提前遇基岩,则孔深至岩面);

2、土洞填充物采用水泥粉煤灰浆液填充;

3、水泥粉煤灰浆液的配合比为水:水泥:粉煤灰:水玻璃=1:0.8:0.4:0.01;土洞底部的灌浆段宜加大水玻璃的用量(2%～5%),加快凝结时间;

4、浆液试块抗压强度为5MPa;

5、土洞充填物及周边土体的承载力达到180kPa;

6、采用自下而上的灌注方法,灌浆时应遵循逐渐加密的原则;

7、灌注结束标准:钻孔整孔冒浆或分段灌注压力达到0.2～0.5MPa;

8、质量检验:施工结束28天或时间更长点,按灌浆孔总数的2%～5%进行检测,检测采用透孔检测及原位测试。

设备要求:勘察钻机4台,灌浆设备4套。

在施工中应注意的问题:

1、处理前必须按已探测的土洞的位置严格放桩,准确定位,并根据土洞的大小计算准备的注浆材料。

2、通过试验来确定灌浆压力。

3、需要达到两个条件:一是土洞及周边缝隙必须填充满,掌握浆液凝固时间,通过二次或三次注浆,保证空洞填充满;二是充填物强度和周围土层相比不能过高,以避免因出现不均匀沉陷问题。

质量保证措施

1、严格按照《建筑地基处理技术规范》JGJ79-91 有关规范、规定及设计要求进行施工。质量检验应贯穿于施工的全过程,随时检查施工记录并进行质量评定,压力泵、发电机组派专人负责操作和记录,及时观察和记录各灌浆压力、灌浆量及窜、冒、返浆情况,一旦发生异常情况,及时通知工地技术负责人予以解决。

2、施工前,做好土洞位置的确认工作,避免漏灌、错灌事故。

3、每个土洞处理前后均需仔细清洗灌浆泵、浆管,避免因浆液堵管而导致漏灌。

4、严格按要求进行浆液主剂(水泥)及添加剂的送检工作,确保施工材料合格。

5、施工过程中必须严格按该指标施工,对浆液配置和对灌浆压力、灌浆量的控制需严格按施工方案执行。

6、浆液搅拌站需尽可能靠近施工孔位。

质量检测手段与方法

采用透孔钻芯取样及原位测试方法进行检测,检测频率要求每个土洞不少于1个检测点。检测合格标准:(1)土洞部位:土洞充填饱满、密实,钻取的岩芯中应见水泥浆体,重型动力触探试验击数≥4击;(2)土洞底部软土强度应有明显提高,标准贯入试验击数≥4击。

图 4 采用钻孔注浆方法处置土洞

二、开挖-反滤层+土工布法

当岩溶水位低于基岩面或土洞埋藏深度小于3 m时,可采用本方法,施工中应注意:

1、应清土至基岩面,并将溶槽、裂缝中的充填物也清理干净;

2、应根据溶槽、裂缝等的规模选择适当大小的底部填石,底部填石不应含有粘土和其它细粒物;

3、填石反滤层粒径过渡应适中,一般相邻两级滤层的相差粒径不应超过3～4倍;

图 5 开挖-反滤层填石+土工布处置土洞方案

4、反滤层顶部及四周都应覆盖土工布,防止上部及四周填土的流失。

这种方法一方面没有考虑地下水对填石体细料的冲刷和通过填石体对周围土体的侧向作用有可能使周围土体产生破坏;另一方面,开挖过程中,会局部改变水动力条件,使地下水涌出,破坏坑周土体稳定性;两种原因都会形成新的土洞。

建议:

1、建议处理完成后,采用地质雷达进行灌浆处理效果的检验。

2、考虑到土洞的发育具有时间性,而且高速公路修建后,将会改变地下水动力条件,有可能在局部地段促进土洞的形成和发展,为此,建议开展路基隐伏土洞监测预报工作,以便及时发现土洞隐患,采取处置措施,避免最终形成地面塌陷,给公路运输造成重大影响。

结束语:

目前桂阳高速公路通车两年多来,对已处理100多个土洞路段的路基路面回访检查,未发现下沉变形的情况,并通过埋设光纤设施跟踪探测等方法观测,路基路面处于稳定状态。初步判断以上隐伏土洞的处治方法是有效可行的。