富陽(yáng)市萬市鎮(zhèn)十字街巖溶塌陷路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理設(shè)計(jì)探討

何元才

(浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局，紹興　312000)

?

富陽(yáng)市萬市鎮(zhèn)十字街巖溶塌陷路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理設(shè)計(jì)探討

何元才

(浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局，紹興312000)

摘要：浙江富陽(yáng)市萬市鎮(zhèn)十字街位于巖溶塌陷區(qū)內(nèi)，周圍環(huán)境要求高。經(jīng)過地質(zhì)調(diào)查、地基穩(wěn)定性分析和治理方案比選，采用高壓噴射注漿法對(duì)巖溶塌陷路基進(jìn)行治理，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：巖溶；路基；高壓噴射注漿

2013年6月25日，富陽(yáng)市萬市鎮(zhèn)十字街路口(萬市路與西門路)北側(cè)道路邊人行道發(fā)生地面塌陷，塌陷面積約9 m2，塌陷最大深度達(dá)5～6 m，塌陷導(dǎo)致鄰近建筑不同程度的地基下沉、房屋傾斜和墻體開裂。為確保人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，當(dāng)?shù)卣疀Q定對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害治理。

1巖溶塌陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征

治理工程位于富陽(yáng)市萬市鎮(zhèn)鎮(zhèn)中心萬市路與西門路交叉口，周圍為商業(yè)用房和住宅，作業(yè)面狹窄，周邊環(huán)境對(duì)治理工程要求高。

巖溶塌陷區(qū)屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，微地貌為山前斜地。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)地層主要有第四系上更新統(tǒng)坡洪積(dl-pl Q3)含礫粉質(zhì)粘土、寒武系西陽(yáng)山組(∈3x)餅條狀灰?guī)r夾含碳泥質(zhì)灰?guī)r及震旦系燈影組(Z2dn)白云巖夾灰白色石英砂巖、黑色含碳硅質(zhì)頁(yè)巖。治理區(qū)北東側(cè)分布一北西向斷裂，斷裂及兩側(cè)巖石較為破碎[1]。地下水位埋深較淺，一般在0.70～1.50 m。地表水表現(xiàn)為降水產(chǎn)生的面流，地下水為第四系松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙、構(gòu)造裂隙水和巖溶水4種類型[2]。塌陷區(qū)分布的主要巖土體可分為2大類：①第四系松散土層，巖性為含礫粉質(zhì)粘土，可塑，工程性質(zhì)一般；②硬質(zhì)巖，以碳酸鹽巖為主，巖溶發(fā)育，含水量中等，巖石強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好。另外區(qū)內(nèi)還分布有溶洞充填物，巖性為粉質(zhì)粘土，流塑為主，局部軟塑，工程性質(zhì)差(表1)[3]。

表1　巖土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2巖溶發(fā)育分布特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和物探工作，場(chǎng)地共推測(cè)巖溶異常13個(gè)。經(jīng)9個(gè)鉆孔驗(yàn)證巖溶12個(gè)，見洞率為77.7%，垂向巖溶率8.4%～41.2%，溶洞高度1.0～3.2 m，頂板埋深4.5～20.6 m,基本為全充填溶洞，個(gè)別為半充填溶洞，充填物多為流塑狀粉質(zhì)粘土(圖1、圖2)[3]。

圖1　巖溶分布區(qū)圖(據(jù)勘查報(bào)告有修改)

3巖溶塌陷地基穩(wěn)定性分析

3.1覆蓋層朝天開口型溶洞對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性影響分析

對(duì)覆蓋層朝天開口型溶洞穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，需要同時(shí)考慮上部建筑物和土洞的共同作用。對(duì)于特定的建筑物荷載，處于極限狀態(tài)的上覆土層厚度Hk(圖3)：

Hk=h+z+D

圖2　典型巖溶剖面圖(據(jù)勘查報(bào)告有修改)

圖3　覆蓋型巖溶地基穩(wěn)定性計(jì)算模型

式中，h為土洞的高度；D為基礎(chǔ)砌置深度；z為基礎(chǔ)底板以下建筑荷載的有效影響深度。

當(dāng)土層實(shí)際厚度H>Hk時(shí)，即使有土洞發(fā)育，地基仍然穩(wěn)定；H

首先通過計(jì)算確定場(chǎng)區(qū)內(nèi)上部附加荷載對(duì)地基的影響深度。采用的方法是：當(dāng)?shù)鼗懈郊討?yīng)力/自重應(yīng)力小于或等于0.1時(shí)，對(duì)應(yīng)的深度可作為地基受壓層深度。深度大小與上部附加應(yīng)力大小、基礎(chǔ)長(zhǎng)寬以及下覆土體分布情況有關(guān)[4]。

場(chǎng)地附加荷載主要來自于道路，荷載大小取公路Ⅰ級(jí)為17.628 kPa，基礎(chǔ)長(zhǎng)寬取10 m×10 m，土體分布情況按ZK2鉆孔(該孔土體厚度最大)。經(jīng)計(jì)算，附加應(yīng)力影響深度z為9.00 m。

根據(jù)溶洞最低高度h為1 m，基礎(chǔ)埋深D取0.5 m，則朝天型溶洞的上覆土體穩(wěn)定厚度為10.5 m。

對(duì)比區(qū)內(nèi)已揭露朝天開口型溶洞埋藏深度，除ZK2揭露的朝天開口型溶洞(覆蓋層厚度10.6 m)在影響深度范圍外，其余均在影響深度范圍內(nèi)。影響深度范圍內(nèi)朝天開口型溶洞在荷載作用下，上覆土體可能逐漸塌落或跨塌，從而引發(fā)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。且土洞已經(jīng)形成，然后在其上進(jìn)行建筑，土洞處于建筑物的有效影響深度范圍內(nèi)，這樣將使處于平衡狀態(tài)的土洞發(fā)生新的坍塌，從而影響地基穩(wěn)定。

3.2巖石內(nèi)第一層溶洞對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性影響分析

巖體內(nèi)第一層溶洞對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性主要受溶洞頂板的穩(wěn)定性影響。采用抗彎驗(yàn)算公式計(jì)算頂板安全厚度[5]：

當(dāng)計(jì)算出的溶洞頂板安全厚度(乘上安全系數(shù)，安全系數(shù)取1.2)小于實(shí)際的溶洞頂板厚度，即認(rèn)為該溶洞頂板穩(wěn)定，否則不穩(wěn)定。

本項(xiàng)目估算附加荷載取公路Ⅰ級(jí)17.628 kPa，土體重度18 kN/m3，石灰?guī)r重度26 kN/m3，石灰?guī)r抗彎強(qiáng)度35 kPa，按簡(jiǎn)支梁計(jì)算彎矩M=1/8PL2；梁板寬度1 m，溶洞跨度6 m。經(jīng)估算，頂板安全厚度為3.40 m。

經(jīng)上述分析評(píng)價(jià)，認(rèn)為治理區(qū)第四系覆蓋層厚度薄且存在淺層的溶洞和朝天開口型溶洞，不穩(wěn)定因素仍然存在。特別是ZK3、ZK5、ZK8鉆孔部位，溶洞埋藏較淺，在未來發(fā)生塌陷的可能性仍然存在,需要進(jìn)行治理。巖石內(nèi)第一層溶洞的頂板巖石厚度都在安全厚度以上，對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性影響不大，可以不做治理。

表2　治理區(qū)朝天開口型溶洞和灰?guī)r內(nèi)第一層溶洞穩(wěn)定性分析表

4治理設(shè)計(jì)方案

4.1方案比選

目前巖溶地基的處理措施主要有：挖填、跨越、樁基和注漿等[6]。

4.1.1挖填法

一般用于塌陷坑較小時(shí)的處理。本場(chǎng)地淺部覆蓋層下部溶洞頂部埋深一般在4.5～10.6 m，且溶洞分布較廣，受勘查程度限制，平面分布形態(tài)尚未準(zhǔn)確確定，具體開挖范圍難以確定。同時(shí)場(chǎng)地位于鎮(zhèn)中，周圍建筑密布，需開挖深度在5 m以上，大規(guī)模開挖勢(shì)必影響周邊場(chǎng)地的穩(wěn)定性，需要對(duì)坑壁進(jìn)行加固，施工難度大，治理費(fèi)用較大。

4.1.2跨越法

一般用于塌陷坑較深大，而回填又困難的塌陷坑的處理。根據(jù)場(chǎng)地溶洞發(fā)育分布特征，采用跨越法需采用樁基礎(chǔ)和鋼筋混凝土跨越結(jié)構(gòu)，加上場(chǎng)地需治理的范圍大，工程造價(jià)高，工時(shí)長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)合理性差。

4.1.3注漿法

該方法是通過鉆孔把灌注材料注入巖土體內(nèi)，其目的是提高土體(土層或洞穴充填物)強(qiáng)度，充填巖石洞隙，攔截地下水流。它具有施工方便、占地小、對(duì)周圍環(huán)境破壞少、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

通過上述分析論證，注漿法優(yōu)于其余兩種方法。同時(shí)根據(jù)本工程覆蓋層土體性質(zhì)及治理巖溶的特點(diǎn)，采用高壓噴射注漿法，可使溶洞充填密實(shí)，提高覆蓋層土體整體強(qiáng)度，切斷溶洞與土層及地下水的聯(lián)系，防止溶洞的發(fā)展。因此，本工程選用單管高壓噴射注漿法[7]。

4.2設(shè)計(jì)方案

4.2.1治理范圍與治理深度

本工程治理范圍僅限于道路區(qū)域，暫不考慮房屋建筑區(qū)。對(duì)于道路區(qū)，其南北兩側(cè)根據(jù)物探及鉆探結(jié)果，朝天開口型溶洞不發(fā)育，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，也不考慮對(duì)其進(jìn)行治理。因此，本次治理范圍依據(jù)勘查建議，主要針對(duì)ZK3、ZK5、ZK8鉆孔附近及已有地表塌陷、下沉地段。

根據(jù)巖溶地面塌陷穩(wěn)定性分析結(jié)果，場(chǎng)地第四系覆蓋層地基影響深度為9.00 m，覆蓋層大部分在附加應(yīng)力影響范圍內(nèi)，確定注漿深度為基巖面頂部。同時(shí)考慮到灰?guī)r內(nèi)淺層溶洞頂板安全厚度為3.4 m及溶洞分布情況尚未完全摸清楚的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)按“探注結(jié)合”的原則，施工時(shí)先按6 m間距實(shí)施探測(cè)孔。當(dāng)基巖中溶洞的頂板厚度小于安全厚度4 m時(shí)，則需注漿至溶洞底板以下2 m。

4.2.2注漿孔及注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

樁間(排)距2.00 m，旋噴體直徑Ф1 200 mm，平均樁長(zhǎng)10.00 m(具體長(zhǎng)度需根據(jù)實(shí)際情況來確定)。項(xiàng)目共設(shè)計(jì)注漿孔170個(gè)，其中探測(cè)注漿孔21個(gè)(圖4)。

漿液采用強(qiáng)度等級(jí)為P.O.42.5普通硅酸鹽水泥拌制而成的水泥漿，水灰比為1∶1，單根旋噴樁每延米水泥用量不小于300 kg。注漿用水不得采用pH值小于4 的酸性水和工業(yè)廢水。可采用水玻璃(或三乙醇胺、食鹽)作為速凝劑，水玻璃模數(shù)宜為2.4～3.4，水玻璃濃度宜為40°Be。施工參數(shù)見表3。

圖4　注漿孔布置圖

項(xiàng)目壓縮空氣壓力/MPa風(fēng)量m3/min水泥漿液水泥摻入量/%水灰比比重壓力/MPa流量L/min提升速度旋噴轉(zhuǎn)速上噴cm/minr/min參數(shù)0.5～0.76171.01.60>25.01001615～20

5結(jié)論

(1) 用高壓噴射注漿法處理巖溶塌陷路基，具有施工方便、占地小、對(duì)周圍環(huán)境破壞少、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)覆蓋層下開口充填型溶洞治理效果更佳。工程竣工一年來，道路運(yùn)行良好，路基塌陷災(zāi)害得到了控制。

(2) 采用物探與鉆孔驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)于探測(cè)覆蓋型溶洞無疑是經(jīng)濟(jì)有效的，但難以確定溶洞形態(tài)及溶洞之間的連通性。針對(duì)溶洞進(jìn)行注漿治理，工程量大，經(jīng)濟(jì)上欠合理。按“探注結(jié)合”的原則進(jìn)行治理設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又能滿足結(jié)構(gòu)安全。

(3) 巖溶地基處理前需要對(duì)地基的穩(wěn)定性進(jìn)行半定量-定量評(píng)價(jià)。本工程經(jīng)過地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)后認(rèn)為：第四系覆蓋層厚度薄且存在淺層的溶洞和朝天開口型溶洞，存在不穩(wěn)定因素，需要進(jìn)行治理；而巖石內(nèi)第一層溶洞的頂板巖石厚度都在安全厚度以上，對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性影響不大，可以不做治理。

(4) 集市區(qū)開展治理工程需考慮施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，設(shè)計(jì)方案必須具有可操作性。

參考文獻(xiàn)

[1]浙江省區(qū)調(diào)大隊(duì)．臨安幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告(1/20萬)[R].1963.

[2]浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)．臨安幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(1/20萬)[R].1983.

[3]浙江省地礦勘察院．富陽(yáng)市萬市鎮(zhèn)十字街路口地面塌陷勘查報(bào)告[R].2013.11.

[4]曾玉，楊幀賢，張娜.覆蓋型巖溶對(duì)工程建設(shè)的影響[J].重慶交通大學(xué)(自然科學(xué)版)，2011,30(增刊1)：697-699.

[5]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[6]謝欽.談巖溶地區(qū)的地基處理方法[J].山西建筑，2008,34(28)：116-117.

[7]水利水電工程高壓噴射注漿技術(shù)規(guī)范(DL/T5200-2004)[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布,2004.10.

E-mail:582308691@qq.com

KARST COLLAPSE ROADBED STABILITY EVALUATION AND TREATMENT DESIGN OF CROSS STREET WAN-SHI TOWNN, FUYANG CITY

HE Yuan-cai

(Non-ferrous Metals Geological Exploration Bureau of Zhejiang Province， Shaoxing312000,China)

Abstract:Cross street wan-shi town, Fuyang City is located on the karst subsidence area, the environment demand is high. After geological survey, foundation stability analysis and Treatment plan optimization, By the method of high-pressure jet grouting, Good governance effect is obtained.

Key words：Karst； Subgrade； jet grouting

作者簡(jiǎn)介：何元才(1965-)，男，高級(jí)地質(zhì)、巖土工程師，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)、巖土工程及地質(zhì)災(zāi)害防治工作，發(fā)表論文10余篇。

中圖分類號(hào)：P642.25;P642.26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2015-12-04改回日期：2016-01-16

文章編號(hào)：1006-4362(2016)01-0032-05