高速公路岩溶路基塌陷地质勘察

2021-01-22樊霏

四川水泥 2021年1期

关键词：工程地质岩溶路基

樊霏

道路桥梁 Roads and Bridges

高速公路岩溶路基塌陷地质勘察

樊霏

（太原建材地质工程勘察院有限公司，山西太原 030000）

岩溶地质作为一种特殊的地质现象，影响了公路路基和地基的稳定性，严重制约了该地区的交通建设的发展，给道路建筑工程带来了极大不便。地质勘察作为施工项目的重要环节，可以有效获得该地地形地貌特征、气象水文地质条件、底层岩土性质和地质构建情况等地质数据，从这些数据可以分析出岩溶路段的地表塌陷机制和土洞的形成条件和分布规律，这样就可以对症下药，因地制宜制定高速公路的建设方案。

公路路基；岩溶；地质数据；稳定性

岩溶是指碳酸盐岩、石膏、岩盐等可溶性岩石受到水的化学溶蚀，以及流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等外力的长期作用所产生的现象的总称，岩溶地质作为一种特殊的地质现象，具有易破坏难恢复的特征，影响了公路路基和地基的稳定性，路基的不稳定会对高速公路的安全运营和交通建设造成严重影响，严重制约了所在地区交通建设的发展。因为不同地段和地形岩溶的发育具有复杂性和不均一性，所以对岩溶路基的研究已经成为高速公路工程建设的重要课题之一。我国的岩溶地质分布广泛，遍及26个省、市及自治区，尤其对于中西部地区，岩溶发育分布最为广泛，云贵地区的岩溶覆盖面积比例更大。在这种地貌上修建的高速公路存在着巨大的安全隐患，如岩溶洞穴坍塌、岩溶坍陷等，一旦发生岩溶路基失稳这种地质灾害，轻则道路毁坏，重则会给国家和社会带来巨大的人员伤亡和经济损失。根据国家相关数据统计，截至2020年，岩溶地貌给高速功路带来的危害高达十几万起，给西南地区的高速公路建设、运营和维护带来了巨大的挑战。本文首先介绍了国内外最新、最先进也最常用于工程应用的岩溶勘察技术，然后概述了勘察需要记录的数据及其意义，介绍了通用的工程勘察方法，最后总结了地质勘察数据的评价系统和具体的分析方法，这样形成了一整套高速公路岩溶路基塌陷地质的勘察流程。

1 岩溶地区地基塌陷原因

岩溶地面塌陷发现于碳酸盐岩分布区，岩溶洞穴的存在则为地面塌陷提供了必要的空间条件。覆盖碳酸盐岩、钙质碎屑岩和盐岩等可溶性岩石之上的土体，在外动力或人为因素作用下产生突发性地面变形坏，形成圆锥形塌陷坑。其形成受到环境和人类活动的双重影响，激发塌陷活动的直接诱因除降雨、洪水、干旱、地震等自然因素外，往往与抽水、排水、蓄水、附加荷载、人为排放的酸碱废液和其他工程活动等人为因素密切相关，而后者往往规模大、突发性强、危害也就大。地表岩溶深度不一致，基岩岩面起伏、导致上覆土层厚度不均匀，使告诉公路路基产生不均匀沉降。若是在溶蚀漏斗或溶蚀斜坡的上筑路基，在地下水侵蚀和土体自身重力作用下，土层沿基底斜坡发生长期而缓慢的移动，长期积累会发生路基变形、位移等。目前工程上一般采用勘察的方式，首先勘察高速公路沿线的岩溶地质情况，然后根据数据分析当地的水文地质条件、岩溶发育程度和覆盖层顶板特征，根据这些评价因子构建的岩溶路基评价性系统，为将来的高速公路岩溶路基稳定性评价提供一定的依据和参考，同时也为公路的建设和运营维护提供参考性的指导意见。

2 岩溶勘察技术

目前有关岩溶勘察、分析和总结、治理问题的解决，国内外都进行了长期和深入的探究，在最近20年，因为我国的“西部大开发”战略和大量高速公路里程的基础设施建设项目的实施，溶洞的塌陷分布规律以及岩溶塌陷的防治都被作为重点课题受到相关科研机构的重视和研究，并且取得了一定的研究成果。

关于岩溶路基的研究，最早是因为铁路开始的，直到上世纪八十年代末，我国的地质科学院才开始立项“中国南方岩溶坍塌研究”项目；到了上世纪末，全国各地的地质研究院和工程建设部门纷纷建立其岩溶研究实验室，对西南地区的不同类型岩溶发育进行试验研究；到了本世纪初，研究的重点转移到人类活动和自然地质变化对岩溶地质产生的影响，并找出了主要影响因素；2011年，王滨和李治广监理处岩溶塌陷的理学综合模型，经过模拟和计算发现与实际情况基本吻合。

岩溶勘察需要应用很多工程地质的探测方法和岩溶探测技术，因为岩溶地穴和周围演示之间在弹性、导电性和密度等物理性质方面存在着明显差异，因此，工程应用上，目前一般采用地球物理探测技术、趋势面分析技术、同位素跟踪技术或遥感技术等方法探测岩溶地穴位置并采集岩溶地质信息数据。具体操作时分为如下几种。

①工程地质调查与测绘：工程地质调查主要是查明区内工程地质条件，包括岩溶地形地貌调查、地层岩性、水文地质调查、测量及试验等内容的野外调查，工程地质测绘将测区实地调查搜集的各项地质成果，经过分析整理，按一定比例尺填绘在地理基础底图或地形图上。能够从宏观上把握岩溶发育的分布和特点，并据此进一步进行工程地质勘探工作，该方法简单，方便实用，能获得直观的野外工程地质基础资料。

②遥感技术：遥感技术是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术，具有调查面积大，重复性好等特点，被广泛应用于岩溶地区的工程地质勘察工作，对于研究岩溶地貌形态、岩溶层组划分、地质构造等都能取得较好的效果。

③工程地质原位测试技术：原位测试就是在土层原来所处的位置基本保持土体的天然结构、天然含水量以及天然应力状态下，测定土的工程力学性质指标。主要采用原位标准贯人试验、动力触探试验等测定溶洞和土洞中充填物、岩溶塌陷堆积物的工程地质性质和地基土承载力，可以测定难以取得不扰动土样的有关工程力学性质，可大大缩短地基土层勘察周期，该技术施工简单，成本较低，应用广泛。

④示踪试验：示踪实验也被称为稀释法。用示踪剂进行岩溶地下水联通试验，以查明岩溶的发育程度和溶洞相互连通、分布情况，该方法简单，较方便可靠，但不适用于无地下水的溶洞。

⑤模型试验：采用一定尺寸规模的试验装置，模拟砂、土层在各种条件下（如不同水动力条件）的岩溶地基的稳定性或岩溶塌陷过程一般用于岩溶塌陷的研究。

⑥插钎：用一定长度钢钎按一定的间距插入覆土层，来查明土层中是否存在土洞或塌陷软弱层，施工简单，经济实用。

⑦管波探测法：使用该项技术探测物理场时，是在钻孔中利用“管波”作为探测物理场，探测孔旁一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体。即利用勘察钻孔，通过发射管波，采集和分析来探明桩位附近的地质情况，并评价嵌岩桩基桩持力层的完整性。该项技术在用于施工勘察时，勘探深度需大于5 m且高于3倍桩径。

3 高速公路岩溶路基塌陷地质勘察的内容

因为勘察的目的是为了评价施工项目的可靠性、难度、工期、造价以及对环境的影响，为了使这些客观因素和主观因素可视化，需要用实地勘察的数据来描述这些因素。往往在地基处理方案的设计中，一个影响因素需要用两个属性甚至多个属性来评价，这些属性就是工程地质条件的数值，测量这些具体的数值也是地质勘察的主要目的。

3.1 地形地貌

首先对各个构造形迹进行勘察，并结合历史数据进行综合研究。分析调查地区近期以来有无发生过较大的地质活动，然后记录该地区的海拔范围，峰谷差，地形坡度，岩溶槽的发育方向，通过这些数据分析该地区的岩溶微地貌单元类型，如果有条件的话，可以用钻孔探测特征结合物，得到更细致的岩溶地貌信息。

3.2 岩层特性

一般情况下，岩溶地貌成因的覆盖层由第四系全新统的人工填土层、耕植土层和三叠系中统杨柳井组的中风化白云岩和强风化白云岩组成，不同的土层的厚度和基岩岩体产状度数也需要分别记录。

3.3 水文和气象

水文地质和气象资料也是需要勘察的重要一环，水文地质主要探测工程覆盖区域及周围地区有无地表河流和较大暗河，地下暗河主要包括上层滞水和岩溶裂隙水。因为地表河流很容易勘察，但是地下暗河水位深浅不一，位于工程地区山坡上的钻孔埋深需要较大，而山脊或者山谷凹槽的埋孔则较浅，这样有利于勘察水文信息。

3.4 岩溶发育规律和具体特征

一般研究的是可溶性岩层，在地下暗河和其他水流的渗流作用下，地下水沿着裂隙和其他含有碳质薄膜的厚度较浅的灰岩岩层流动，在这样的作用下，灰岩岩层逐渐溶蚀形成了溶洞。因此，溶洞一般分布在浅层基岩之中，所以对岩溶发育特征和规律的研究只需要分析地面塌陷、溶洞和土洞的岩溶现象，不需要做深度的挖掘工作。

4 勘察流程和解决方案

4.1 常用的勘测方法

公路岩溶工程地质勘察的方法，主要有既往资料、调查与测绘、勘探、试验与长期观测等几种。

4.2 勘察流程

地质的勘察讲究的是从点到面，从特殊后一般，先地表后地下，先疏后密的原则。接下来从目前工程上最常用的地质调绘和工程地质钻探法来概述一般岩溶路基的勘察流程。

首先通过调查路基和附近地区地形地貌特征、水文信息、岩层特征、岩溶发育规律和发育特征，从宏观上对高速公路岩溶路基塌陷地质的分布和地质情况进行初步评价，指导随后展开的钻探和物探工作布置任务。

对于接下来开展的钻探和物探工作，因为工作的目的是为了揭露地表以下地质体的地质特征，查明路基下部的岩溶发育规律，所以地质钻探点应该尽可能随机，并且加快勘察效率来降低对交通的影响，在得到勘察数据结果之后，应该结合物探成果找出异常区域，并对异常区域进行多次针对性钻探，最好利用多种勘察方法进行相互验证，最后得到最严谨准确的地质数据。

在实地勘察中，需要专业的勘察人员进行由点及面的勘测工作，首先调查塌陷路基和其附近的岩石物理状况，岩溶形态的发育特点，然后通过后期地质勘验就可以得到更详细的地质层特点。

4.2 解决方案

如果该地区发生了大规模的路基坍塌现象，首先要根据路基的破坏程度，结合管理要求和各种综合技术，在项目安全管理的要求下，对受损路基进行换填处理，可以根据高速公路的区域和位置，用适合的换填材料按照处理要求进行换填处理，来确保换填道路路基的安全性和整体性。在换填材料选择上，尽量满足该种材料和路基原有的施工材料能够完美地结合，来保证后期换填之后不会发生因为路段不均匀而产生的道路沉降现象。

对于发生过塌陷的路段，因为这个地区本身就已经有危险因素的存在，及时经过了换填材料的充填处理，基本满足了相关规定中的道路安全行驶的要求，但是为了保证减少高速路面的损害情况，相关管理部门也一定要严格限制问题路段的通行车辆的载重问题，在路口设立检查点，禁止超过限重的车辆通行。

另外，还应该加大对高速公路维修人员的专业管理和资金投入。因为高速公路的建设周期长、建设投资高，但是对于后期的维护和运营，相应的高投资也不可缺少。相关部门应该定期组织专业的施工人员和技术人员对岩溶路基路段进行地质表面和底下深度勘测，将可能出现的风险扼杀在摇篮里。因此，做好日常的高速公路运营和维修保养工作，相关的管理部门应该一直做好准备。