高速公路巖溶路基塌陷地質(zhì)勘察

樊 霏

道路橋梁 Roads and Bridges

高速公路巖溶路基塌陷地質(zhì)勘察

樊 霏

（太原建材地質(zhì)工程勘察院有限公司，山西 太原 030000）

巖溶地質(zhì)作為一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，影響了公路路基和地基的穩(wěn)定性，嚴(yán)重制約了該地區(qū)的交通建設(shè)的發(fā)展，給道路建筑工程帶來了極大不便。地質(zhì)勘察作為施工項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)，可以有效獲得該地地形地貌特征、氣象水文地質(zhì)條件、底層巖土性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)建情況等地質(zhì)數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)可以分析出巖溶路段的地表塌陷機(jī)制和土洞的形成條件和分布規(guī)律，這樣就可以對(duì)癥下藥，因地制宜制定高速公路的建設(shè)方案。

公路路基；巖溶；地質(zhì)數(shù)據(jù)；穩(wěn)定性

巖溶是指碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等可溶性巖石受到水的化學(xué)溶蝕，以及流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等外力的長(zhǎng)期作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱，巖溶地質(zhì)作為一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，具有易破壞難恢復(fù)的特征，影響了公路路基和地基的穩(wěn)定性，路基的不穩(wěn)定會(huì)對(duì)高速公路的安全運(yùn)營(yíng)和交通建設(shè)造成嚴(yán)重影響，嚴(yán)重制約了所在地區(qū)交通建設(shè)的發(fā)展。因?yàn)椴煌囟魏偷匦螏r溶的發(fā)育具有復(fù)雜性和不均一性，所以對(duì)巖溶路基的研究已經(jīng)成為高速公路工程建設(shè)的重要課題之一。我國(guó)的巖溶地質(zhì)分布廣泛，遍及26個(gè)省、市及自治區(qū)，尤其對(duì)于中西部地區(qū)，巖溶發(fā)育分布最為廣泛，云貴地區(qū)的巖溶覆蓋面積比例更大。在這種地貌上修建的高速公路存在著巨大的安全隱患，如巖溶洞穴坍塌、巖溶坍陷等，一旦發(fā)生巖溶路基失穩(wěn)這種地質(zhì)災(zāi)害，輕則道路毀壞，重則會(huì)給國(guó)家和社會(huì)帶來巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)國(guó)家相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年，巖溶地貌給高速功路帶來的危害高達(dá)十幾萬起，給西南地區(qū)的高速公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外最新、最先進(jìn)也最常用于工程應(yīng)用的巖溶勘察技術(shù)，然后概述了勘察需要記錄的數(shù)據(jù)及其意義，介紹了通用的工程勘察方法，最后總結(jié)了地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)和具體的分析方法，這樣形成了一整套高速公路巖溶路基塌陷地質(zhì)的勘察流程。

1 巖溶地區(qū)地基塌陷原因

巖溶地面塌陷發(fā)現(xiàn)于碳酸鹽巖分布區(qū)，巖溶洞穴的存在則為地面塌陷提供了必要的空間條件。覆蓋碳酸鹽巖、鈣質(zhì)碎屑巖和鹽巖等可溶性巖石之上的土體，在外動(dòng)力或人為因素作用下產(chǎn)生突發(fā)性地面變形壞，形成圓錐形塌陷坑。其形成受到環(huán)境和人類活動(dòng)的雙重影響，激發(fā)塌陷活動(dòng)的直接誘因除降雨、洪水、干旱、地震等自然因素外，往往與抽水、排水、蓄水、附加荷載、人為排放的酸堿廢液和其他工程活動(dòng)等人為因素密切相關(guān)，而后者往往規(guī)模大、突發(fā)性強(qiáng)、危害也就大。地表巖溶深度不一致，基巖巖面起伏、導(dǎo)致上覆土層厚度不均勻，使告訴公路路基產(chǎn)生不均勻沉降。若是在溶蝕漏斗或溶蝕斜坡的上筑路基，在地下水侵蝕和土體自身重力作用下，土層沿基底斜坡發(fā)生長(zhǎng)期而緩慢的移動(dòng)，長(zhǎng)期積累會(huì)發(fā)生路基變形、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線的巖溶地質(zhì)情況，然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件、巖溶發(fā)育程度和覆蓋層頂板特征，根據(jù)這些評(píng)價(jià)因子構(gòu)建的巖溶路基評(píng)價(jià)性系統(tǒng)，為將來的高速公路巖溶路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供一定的依據(jù)和參考，同時(shí)也為公路的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考性的指導(dǎo)意見。

2 巖溶勘察技術(shù)

目前有關(guān)巖溶勘察、分析和總結(jié)、治理問題的解決，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了長(zhǎng)期和深入的探究，在最近20年，因?yàn)槲覈?guó)的“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略和大量高速公路里程的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，溶洞的塌陷分布規(guī)律以及巖溶塌陷的防治都被作為重點(diǎn)課題受到相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的重視和研究，并且取得了一定的研究成果。

關(guān)于巖溶路基的研究，最早是因?yàn)殍F路開始的，直到上世紀(jì)八十年代末，我國(guó)的地質(zhì)科學(xué)院才開始立項(xiàng)“中國(guó)南方巖溶坍塌研究”項(xiàng)目；到了上世紀(jì)末，全國(guó)各地的地質(zhì)研究院和工程建設(shè)部門紛紛建立其巖溶研究實(shí)驗(yàn)室，對(duì)西南地區(qū)的不同類型巖溶發(fā)育進(jìn)行試驗(yàn)研究；到了本世紀(jì)初，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到人類活動(dòng)和自然地質(zhì)變化對(duì)巖溶地質(zhì)產(chǎn)生的影響，并找出了主要影響因素；2011年，王濱和李治廣監(jiān)理處巖溶塌陷的理學(xué)綜合模型，經(jīng)過模擬和計(jì)算發(fā)現(xiàn)與實(shí)際情況基本吻合。

巖溶勘察需要應(yīng)用很多工程地質(zhì)的探測(cè)方法和巖溶探測(cè)技術(shù)，因?yàn)閹r溶地穴和周圍演示之間在彈性、導(dǎo)電性和密度等物理性質(zhì)方面存在著明顯差異，因此，工程應(yīng)用上，目前一般采用地球物理探測(cè)技術(shù)、趨勢(shì)面分析技術(shù)、同位素跟蹤技術(shù)或遙感技術(shù)等方法探測(cè)巖溶地穴位置并采集巖溶地質(zhì)信息數(shù)據(jù)。具體操作時(shí)分為如下幾種。

①工程地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪：工程地質(zhì)調(diào)查主要是查明區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件，包括巖溶地形地貌調(diào)查、地層巖性、水文地質(zhì)調(diào)查、測(cè)量及試驗(yàn)等內(nèi)容的野外調(diào)查，工程地質(zhì)測(cè)繪將測(cè)區(qū)實(shí)地調(diào)查搜集的各項(xiàng)地質(zhì)成果，經(jīng)過分析整理，按一定比例尺填繪在地理基礎(chǔ)底圖或地形圖上。能夠從宏觀上把握巖溶發(fā)育的分布和特點(diǎn)，并據(jù)此進(jìn)一步進(jìn)行工程地質(zhì)勘探工作，該方法簡(jiǎn)單，方便實(shí)用，能獲得直觀的野外工程地質(zhì)基礎(chǔ)資料。

②遙感技術(shù)：遙感技術(shù)是根據(jù)電磁波的理論，應(yīng)用各種傳感儀器對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)所輻射和反射的電磁波信息，進(jìn)行收集、處理，并最后成像，從而對(duì)地面各種景物進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別的一種綜合技術(shù)，具有調(diào)查面積大，重復(fù)性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)勘察工作，對(duì)于研究巖溶地貌形態(tài)、巖溶層組劃分、地質(zhì)構(gòu)造等都能取得較好的效果。

③工程地質(zhì)原位測(cè)試技術(shù)：原位測(cè)試就是在土層原來所處的位置基本保持土體的天然結(jié)構(gòu)、天然含水量以及天然應(yīng)力狀態(tài)下，測(cè)定土的工程力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。主要采用原位標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)等測(cè)定溶洞和土洞中充填物、巖溶塌陷堆積物的工程地質(zhì)性質(zhì)和地基土承載力，可以測(cè)定難以取得不擾動(dòng)土樣的有關(guān)工程力學(xué)性質(zhì)，可大大縮短地基土層勘察周期，該技術(shù)施工簡(jiǎn)單，成本較低，應(yīng)用廣泛。

④示蹤試驗(yàn)：示蹤實(shí)驗(yàn)也被稱為稀釋法。用示蹤劑進(jìn)行巖溶地下水聯(lián)通試驗(yàn)，以查明巖溶的發(fā)育程度和溶洞相互連通、分布情況，該方法簡(jiǎn)單，較方便可靠，但不適用于無地下水的溶洞。

⑤模型試驗(yàn)：采用一定尺寸規(guī)模的試驗(yàn)裝置，模擬砂、土層在各種條件下（如不同水動(dòng)力條件）的巖溶地基的穩(wěn)定性或巖溶塌陷過程一般用于巖溶塌陷的研究。

⑥插釬：用一定長(zhǎng)度鋼釬按一定的間距插入覆土層，來查明土層中是否存在土洞或塌陷軟弱層，施工簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

⑦管波探測(cè)法：使用該項(xiàng)技術(shù)探測(cè)物理場(chǎng)時(shí)，是在鉆孔中利用“管波”作為探測(cè)物理場(chǎng)，探測(cè)孔旁一定范圍內(nèi)的溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)體。即利用勘察鉆孔，通過發(fā)射管波，采集和分析來探明樁位附近的地質(zhì)情況，并評(píng)價(jià)嵌巖樁基樁持力層的完整性。該項(xiàng)技術(shù)在用于施工勘察時(shí)，勘探深度需大于5 m且高于3倍樁徑。

3 高速公路巖溶路基塌陷地質(zhì)勘察的內(nèi)容

因?yàn)榭辈斓哪康氖菫榱嗽u(píng)價(jià)施工項(xiàng)目的可靠性、難度、工期、造價(jià)以及對(duì)環(huán)境的影響，為了使這些客觀因素和主觀因素可視化，需要用實(shí)地勘察的數(shù)據(jù)來描述這些因素。往往在地基處理方案的設(shè)計(jì)中，一個(gè)影響因素需要用兩個(gè)屬性甚至多個(gè)屬性來評(píng)價(jià)，這些屬性就是工程地質(zhì)條件的數(shù)值，測(cè)量這些具體的數(shù)值也是地質(zhì)勘察的主要目的。

3.1 地形地貌

首先對(duì)各個(gè)構(gòu)造形跡進(jìn)行勘察，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合研究。分析調(diào)查地區(qū)近期以來有無發(fā)生過較大的地質(zhì)活動(dòng)，然后記錄該地區(qū)的海拔范圍，峰谷差，地形坡度，巖溶槽的發(fā)育方向，通過這些數(shù)據(jù)分析該地區(qū)的巖溶微地貌單元類型，如果有條件的話，可以用鉆孔探測(cè)特征結(jié)合物，得到更細(xì)致的巖溶地貌信息。

3.2 巖層特性

一般情況下，巖溶地貌成因的覆蓋層由第四系全新統(tǒng)的人工填土層、耕植土層和三疊系中統(tǒng)楊柳井組的中風(fēng)化白云巖和強(qiáng)風(fēng)化白云巖組成，不同的土層的厚度和基巖巖體產(chǎn)狀度數(shù)也需要分別記錄。

3.3 水文和氣象

水文地質(zhì)和氣象資料也是需要勘察的重要一環(huán)，水文地質(zhì)主要探測(cè)工程覆蓋區(qū)域及周圍地區(qū)有無地表河流和較大暗河，地下暗河主要包括上層滯水和巖溶裂隙水。因?yàn)榈乇砗恿骱苋菀卓辈?，但是地下暗河水位深淺不一，位于工程地區(qū)山坡上的鉆孔埋深需要較大，而山脊或者山谷凹槽的埋孔則較淺，這樣有利于勘察水文信息。

3.4 巖溶發(fā)育規(guī)律和具體特征

一般研究的是可溶性巖層，在地下暗河和其他水流的滲流作用下，地下水沿著裂隙和其他含有碳質(zhì)薄膜的厚度較淺的灰?guī)r巖層流動(dòng)，在這樣的作用下，灰?guī)r巖層逐漸溶蝕形成了溶洞。因此，溶洞一般分布在淺層基巖之中，所以對(duì)巖溶發(fā)育特征和規(guī)律的研究只需要分析地面塌陷、溶洞和土洞的巖溶現(xiàn)象，不需要做深度的挖掘工作。

4 勘察流程和解決方案

4.1 常用的勘測(cè)方法

公路巖溶工程地質(zhì)勘察的方法，主要有既往資料、調(diào)查與測(cè)繪、勘探、試驗(yàn)與長(zhǎng)期觀測(cè)等幾種。

4.2 勘察流程

地質(zhì)的勘察講究的是從點(diǎn)到面，從特殊后一般，先地表后地下，先疏后密的原則。接下來從目前工程上最常用的地質(zhì)調(diào)繪和工程地質(zhì)鉆探法來概述一般巖溶路基的勘察流程。

首先通過調(diào)查路基和附近地區(qū)地形地貌特征、水文信息、巖層特征、巖溶發(fā)育規(guī)律和發(fā)育特征，從宏觀上對(duì)高速公路巖溶路基塌陷地質(zhì)的分布和地質(zhì)情況進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，指導(dǎo)隨后展開的鉆探和物探工作布置任務(wù)。

對(duì)于接下來開展的鉆探和物探工作，因?yàn)楣ぷ鞯哪康氖菫榱私衣兜乇硪韵碌刭|(zhì)體的地質(zhì)特征，查明路基下部的巖溶發(fā)育規(guī)律，所以地質(zhì)鉆探點(diǎn)應(yīng)該盡可能隨機(jī)，并且加快勘察效率來降低對(duì)交通的影響，在得到勘察數(shù)據(jù)結(jié)果之后，應(yīng)該結(jié)合物探成果找出異常區(qū)域，并對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行多次針對(duì)性鉆探，最好利用多種勘察方法進(jìn)行相互驗(yàn)證，最后得到最嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

在實(shí)地勘察中，需要專業(yè)的勘察人員進(jìn)行由點(diǎn)及面的勘測(cè)工作，首先調(diào)查塌陷路基和其附近的巖石物理狀況，巖溶形態(tài)的發(fā)育特點(diǎn)，然后通過后期地質(zhì)勘驗(yàn)就可以得到更詳細(xì)的地質(zhì)層特點(diǎn)。

4.2 解決方案

如果該地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模的路基坍塌現(xiàn)象，首先要根據(jù)路基的破壞程度，結(jié)合管理要求和各種綜合技術(shù)，在項(xiàng)目安全管理的要求下，對(duì)受損路基進(jìn)行換填處理，可以根據(jù)高速公路的區(qū)域和位置，用適合的換填材料按照處理要求進(jìn)行換填處理，來確保換填道路路基的安全性和整體性。在換填材料選擇上，盡量滿足該種材料和路基原有的施工材料能夠完美地結(jié)合，來保證后期換填之后不會(huì)發(fā)生因?yàn)槁范尾痪鶆蚨a(chǎn)生的道路沉降現(xiàn)象。

對(duì)于發(fā)生過塌陷的路段，因?yàn)檫@個(gè)地區(qū)本身就已經(jīng)有危險(xiǎn)因素的存在，及時(shí)經(jīng)過了換填材料的充填處理，基本滿足了相關(guān)規(guī)定中的道路安全行駛的要求，但是為了保證減少高速路面的損害情況，相關(guān)管理部門也一定要嚴(yán)格限制問題路段的通行車輛的載重問題，在路口設(shè)立檢查點(diǎn)，禁止超過限重的車輛通行。

另外，還應(yīng)該加大對(duì)高速公路維修人員的專業(yè)管理和資金投入。因?yàn)楦咚俟返慕ㄔO(shè)周期長(zhǎng)、建設(shè)投資高，但是對(duì)于后期的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)，相應(yīng)的高投資也不可缺少。相關(guān)部門應(yīng)該定期組織專業(yè)的施工人員和技術(shù)人員對(duì)巖溶路基路段進(jìn)行地質(zhì)表面和底下深度勘測(cè)，將可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)扼殺在搖籃里。因此，做好日常的高速公路運(yùn)營(yíng)和維修保養(yǎng)工作，相關(guān)的管理部門應(yīng)該一直做好準(zhǔn)備。

5 總結(jié)

巖溶地質(zhì)嚴(yán)重影響公路路基和地基的穩(wěn)定性，給道路建筑工程帶來了極大不便。技術(shù)人員必須了解巖溶路基對(duì)高速公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的危害，明確高速公路巖溶路基塌陷地質(zhì)勘察的重要性，熟悉國(guó)內(nèi)最常用的勘察方法，以勘察對(duì)象、勘察步驟、勘察數(shù)據(jù)等因素為主，熟練掌握地質(zhì)勘察流程，才能為后續(xù)工作的開展奠定基礎(chǔ)。

[1]黨政.高速公路巖溶路基塌陷地質(zhì)勘察及處治研究[J].黑龍江交通科技,2019,42(09):79+81.

[2]楊媛,楊蒲晨,王慧.蕎麥雜草防控技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,2019(08):278-280.

[3]張小軍. 某高速公路路基巖溶特征與處置方法研究[D].中南大學(xué),2012.

[4]任久杰.巖溶對(duì)高速公路路基的影響分析及處置措施[J].資源信息與工程,2019,34(04):118-119.

[5]黃前晶,趙亮,呼瑞梅,張春華,張桂華,文峰,王健.蕎麥大豆間混作試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)科技與信息,2019(11):5-6.

樊霏（1990- ），女，山西汾陽(yáng)人，助理工程師，研究方向：土木工程。

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1007-6344（2021）01-0248-02