韶贛高速公路K2段路面開裂及路基下沉成因機(jī)制研究

林正欽

（廣東省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊，廣東韶關(guān)512000）

韶贛高速公路是廣東的一條省級橫向高速公路（編號S10），也是中國國家高速公路網(wǎng)中京港澳高速公路和大廣高速公路的連接線；韶贛高速公路起于廣東省韶關(guān)市曲江區(qū)，止于廣東省南雄市，接上粵贛高速，是廣東省內(nèi)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義的高速公路之一。

韶贛高速公路K2 段處于粵北韶關(guān)市曲江區(qū)南韶高速段，為高填路基，路堤回填高度約5～6m不等，路塹坡角約45°～50°[1]。2019年，因受連續(xù)臺風(fēng)、強(qiáng)降雨等惡劣天氣及其本身地質(zhì)條件和建設(shè)質(zhì)量等多因素的影響，現(xiàn)高速道路原設(shè)計K2+000里程前后各約40m處的南行車道路面出現(xiàn)多條裂縫，路基下沉，北側(cè)路塹有變形滑移跡象[1]，路面開裂后高速公路南下車道已經(jīng)部分封閉，僅剩單車道通行，嚴(yán)重影響了道路的通行質(zhì)量，現(xiàn)急需對其成因機(jī)制進(jìn)行深入研究分析，以便針對性的研究制訂相應(yīng)的治理維護(hù)方案，排除其他路段有類似背景成因的隱患。

本文的研究從地質(zhì)背景、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等方面出發(fā)，通過歸納總結(jié)、分析類比等研究方法，綜合研究分析了韶贛高速公路K2 段路面開裂及路基下沉的成因機(jī)制，研究成果表明：路面開裂及路基下沉的原因有其內(nèi)在因素，也有外在觸發(fā)因素，其中基巖巖洞發(fā)育、覆蓋層含水率高、孔隙度大、壓塑性、流失性強(qiáng)等是主要的內(nèi)在因素，車輛機(jī)械振動和附近基坑施工是主要的外在觸發(fā)因素。本文的研究成果可為高速公路的災(zāi)后綜合治理維護(hù)和后期的監(jiān)測預(yù)警等方面提供科學(xué)依據(jù)，也可為從事巖土工程工作的相關(guān)人員提供借鑒意義，對助力廣東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的出行便利等方面具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景概況

研究區(qū)在區(qū)域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有復(fù)雜多變的山區(qū)氣候特征，氣候溫暖、濕潤、多雨[1-2]。據(jù)韶關(guān)市氣象局資料本區(qū)多年降雨量1480～2200mm，多年平均降雨量1682mm，每年臺風(fēng)帶來大量降雨，一般月降雨量200mm以上，最大日降雨量157.4mm。

研究區(qū)所處地貌單元屬于丘陵地貌，區(qū)內(nèi)最高點（回龍山）高程約294.40m，勘查段路面高程約50.20m，路塹坡腳排水溝底面高程約44.30m，地形起伏較大，高差達(dá)250.10m[1-2]。正北面正在進(jìn)行跨線橋梁基礎(chǔ)施工，坡面被分級開挖，形成5個土質(zhì)和碎石臺階，原有地形和植被已經(jīng)破壞。道路南側(cè)路塹坡腳比路面低約8～10m，正下方為施工場地，西南坡腳相距約50m 處為多棟1～3層居民樓（見圖1）。

通過對位于研究區(qū)段北面的跨線橋施工開挖的回龍山高邊坡巖性地層進(jìn)行了調(diào)查研究，并參考《廣東省區(qū)域地質(zhì)志》：回龍山體淺部出露巖層為石炭系測水組（C1c），整合接觸于石磴子組（C1s）之上，為一套含煤碎屑巖系，巖性為黃棕、灰紫色石英質(zhì)礫巖、砂礫巖、含礫砂巖、砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖，夾灰黑色炭質(zhì)泥巖和煤層，局部夾灰白色灰?guī)r、硅鐵質(zhì)結(jié)核，厚度25～400m。深部巖層為石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子組（C1s），整合接觸于其上，為淺海相碳酸鹽沉積，以灰黑色中厚—厚層致密灰?guī)r為主，夾頁巖，含珊瑚、腕足類及瓣鰓類等化石，厚約160m。與下伏劉家塘組厚層狀白云巖整合接觸。裂縫段路基位于回龍山下緣坡谷較低處，上覆有第四系坡積層，土質(zhì)以粉質(zhì)粘土為主，含較多風(fēng)化砂巖片狀碎屑顆粒，厚度約5～10m 不等[1-2]。

區(qū)域上受吳川—四會深斷裂帶和貴東大斷裂交匯斷裂影響[1-2]，區(qū)內(nèi)巖層褶皺非常發(fā)育，巖體極破碎，區(qū)內(nèi)淺部巖石風(fēng)化和溶蝕作用強(qiáng)烈，巖體大部分被裂隙切割成5～25cm碎塊狀。經(jīng)現(xiàn)場勘測，公路走向方位角為71°，公路北邊回龍山巖巖層傾向方位角為6°，巖層傾角約呈40°～45°，公路走向與巖層傾向成65°切角，對路基穩(wěn)定性有不利影響，路基存在沿巖石層理面滑移的可能。

2 研究區(qū)工程條件分析

研究巖溶地表形變的形成機(jī)制，離不開對可溶巖上覆蓋層性質(zhì)的研究。據(jù)現(xiàn)有的公開發(fā)表的資料，路面開裂及路基下沉與其下伏的巖土層的性狀有著密切的關(guān)系。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)鉆孔揭露及測試情況，場地地層種類較多，地質(zhì)條件較復(fù)雜，按地層成因類型和巖土層性質(zhì)，研究區(qū)內(nèi)勘探孔揭露地層結(jié)構(gòu)自上而下為：第四系填土層（Qml）（混凝土路面及墊層、素填土）、第四系坡積和殘積層（Qdl+el）（粉質(zhì)粘土）、石炭系測水組灰?guī)r（C1c）（中風(fēng)化灰?guī)r）[1]。

3 研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析

據(jù)相關(guān)研究，巖溶地表形變都直接或間接地與地下水動力條件的改變（即地下水水位的波動）有關(guān)[3-4]。自然因素和人類活動均會造成地下水水位波動。自然因素主要是大氣降水量和潮汐的變化。人為因素包括疏干排水、基坑降水、鉆探與基礎(chǔ)工程施工、人工地震等。

研究區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，地表徑流主要為降雨期的坡面片流，通過坡面排泄至低洼處。區(qū)內(nèi)場地為丘陵地貌，地勢北高南低，地形起伏較大。北面回龍山呈弧形，反包裂縫區(qū)路段，裂縫段路基位于回龍山下緣坡谷較低處，地勢較低，處于雨水匯集區(qū)，經(jīng)初步測算，匯水面積約50000m2。路下排水溝不能瞬間排除積水，低洼地段路基下半段將被水浸泡。研究區(qū)內(nèi)混合水位埋 深 為7.20～8.20m 之 間，平 均7.61m，標(biāo) 高41.16～41.85m之間，平均41.45m。

研究區(qū)內(nèi)地下水類型主要為潛水，按埋藏條件可分為松散層孔隙水和基巖巖溶裂隙水為兩類：

松散層孔隙水主要埋藏于殘積粉質(zhì)粘土的孔隙中，該層孔隙較大，土芯非常濕軟，屬于降水滯留形成的含水層。其次，據(jù)鉆孔揭露，在路基素填土層底部揭露土芯較濕軟，富含孔隙水，有富水軟化現(xiàn)象。松散層孔隙水與大氣降雨關(guān)系密切，水位及水量隨降雨量變化明顯。地下水的補(bǔ)給源主要為大氣降水的垂直補(bǔ)給，以蒸發(fā)及向低洼處徑流排泄，水量不大，但水位和水量隨季節(jié)變化很大。

基巖巖溶裂隙水主要埋藏在碳酸鹽溶蝕區(qū)的巖溶裂隙內(nèi)，巖溶裂隙的富水性主要受巖層構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度和充填物的控制，其水量及水位變幅隨著季節(jié)降水量變化而波動，具明顯的不均勻性。因場地下伏灰?guī)r溶洞強(qiáng)烈發(fā)育，其中一個鉆孔鉆至16.20m 時隱約聽見有流水聲，故推測路基下方巖層內(nèi)有巖溶通道分布的巖溶裂隙水潛流。

研究區(qū)的地下水動態(tài)變化具季節(jié)性，主要受降雨季節(jié)支配。由于降雨在年內(nèi)分配不均，不同季節(jié)的蒸發(fā)度、濕度也不同，故滲入補(bǔ)給量亦隨季節(jié)而變化，雨季是地下水獲得補(bǔ)給最多的季節(jié)?？紫稘撍c大氣降雨關(guān)系密切，水位及水量隨降雨量變化明顯；孔隙潛水除了接受降雨補(bǔ)給外，同時還接受地表水入滲和周邊地帶的側(cè)向補(bǔ)給；基巖裂隙水主要為上部松散巖類孔隙水越流補(bǔ)給和區(qū)外側(cè)向補(bǔ)給。

4 路面開裂及路基下沉成因機(jī)制綜合研究分析

經(jīng)研究區(qū)內(nèi)的鉆孔揭露情況及地面綜合調(diào)查，可以初步判定研究區(qū)內(nèi)的路面開裂和路基下沉的主因是巖溶所致，其實質(zhì)上是可溶巖上覆土體變形后的地表反應(yīng)[3-6]。覆蓋層的地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)不同，其變形與破壞方式及其過程也不相同。研究巖溶地表形變的形成機(jī)制，離不開對可溶巖上覆蓋層性質(zhì)的研究，當(dāng)然，巖溶地表形變往往是多因素疊加的結(jié)果，本章節(jié)將從土體的地層巖性特征、水文地質(zhì)條件及其物理力學(xué)性能等多方面的內(nèi)因角度進(jìn)行分析，同時梳理研究區(qū)地表形變的觸發(fā)因素（外因），并結(jié)合兩者進(jìn)行綜合研究，從多維度綜合分析研究區(qū)內(nèi)的路面開裂和路基下沉的原因。

4.1 研究區(qū)巖土覆蓋層結(jié)構(gòu)特征分析

研究區(qū)內(nèi)巖土層的覆蓋次序依次為：混凝土路面及墊層—素填土—粉質(zhì)粘土—中風(fēng)化灰?guī)r?；炷谅访嬗蔀r青面層和混凝土組成，質(zhì)堅硬，側(cè)表面光滑，整體性好的特點，隔水性強(qiáng)，墊層由碎石土壓實而成，密實度高，質(zhì)地堅硬，兩者組合在一起形成表層隔水層；素填土為路基填土層，由人工回填機(jī)械推平后分層壓實而成，稍密狀為主，成分以粉質(zhì)粘土為主，含強(qiáng)風(fēng)化礫石約10%～20%，雨水易崩解、平均厚度4.30m、含水量高、孔隙比高、中等壓縮性，透水性強(qiáng)，是形變主體層；粉質(zhì)粘土由坡殘積組成，可塑狀為主，主要成分為粉粒和粘粒，土芯呈較濕軟柱狀，平均厚度2.70m，含水量高、孔隙比高、中等壓縮性、透水性強(qiáng)，也是形變主體層；中風(fēng)化灰?guī)r呈層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙和溶蝕裂隙強(qiáng)發(fā)育，巖體被構(gòu)造裂隙分割成棱角塊狀，大部分鉆孔揭露有溶洞，洞內(nèi)有軟塑狀粉質(zhì)粘土夾細(xì)砂半充填或未充填，個別鉆孔鉆至該層時隱約聽見有流水聲，該巖層內(nèi)存有巖溶管道分布的巖溶裂隙水潛流，該溶蝕管道系統(tǒng)為上覆土體中土顆粒提供轉(zhuǎn)移通道，給后續(xù)土顆粒喪失騰出空間，溶洞直接為上覆土體中土顆粒喪失提供儲藏空間。

綜上，研究區(qū)內(nèi)覆蓋層的結(jié)構(gòu)特征為隔—透—透—巖溶型，該類型覆蓋層序特征因其具有透水性強(qiáng)、可變形量大的特點，又因覆蓋層總厚度較?。ǎ?0m），土層的形變量可直接反映在地表。

4.2 研究區(qū)水動力條件分析

據(jù)相關(guān)研究，巖溶地表形變都直接或間接地與地下水動力條件的改變有關(guān)[3-6]，研究區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，地表徑流主要為降雨期的北面坡面片流，通過坡面排泄至低洼處。北面回龍山呈弧形，反包裂縫區(qū)路段，裂縫段路基位于回龍山下緣坡谷較低處，地勢較低，處于雨水匯集區(qū)，路下排水溝不能瞬間排除積水，低洼地段路基下半段將被水浸泡。因區(qū)內(nèi)殘積層孔隙比大，巖體褶皺裂隙和風(fēng)化裂隙非常發(fā)育，巖石破碎，部分雨水沿土層孔隙和巖石裂隙下滲，形成脈狀地下水潛流，自北向南流向位于低處的路基下方，形成地下水補(bǔ)給（見圖2），研究區(qū)內(nèi)巖土層結(jié)構(gòu)具備良好的地下水滲流條件。

在圖2中，可溶巖及其上方松散的砂性土層為兩個不同的含水層，當(dāng)可溶巖層中地下水位下降（如大規(guī)模抽取巖溶水、溶洞及地下暗河中水體突然漏失）或砂性土層水位升高（如汛期洪水高水位運(yùn)行、集中暴雨等）時，兩個含水層出現(xiàn)水頭差，上部砂性土層中的地下水向下伏可溶巖中滲流，從而產(chǎn)生向下的垂直滲流作用。在滲流壓力作用下，一方面，地下水將可溶巖中已經(jīng)堵塞的溶隙、落水洞等通道疏通，為砂性土的漏失創(chuàng)造條件；另一方面，砂性土發(fā)生滲流破壞，形成流砂，加速土體破壞，縮短地面形變的時間。另外，地下水位在土/巖界面處頻繁波動對巖面附近土體的狀態(tài)有重大影響，崩解性土、膨脹土等表現(xiàn)得更為明顯，即產(chǎn)生脹縮—崩解效應(yīng)。地下水位上升時，地下水浸泡土體，降低土體強(qiáng)度，同時使土體發(fā)生崩解；地下水位下降，土體失水，產(chǎn)生干裂，為下次水位上升時土體破壞創(chuàng)造條件。已經(jīng)脫離母體的土顆粒隨地下水的運(yùn)移而被帶走，在巖面附近形成土洞或流失漏斗，地下水位的頻繁升降為土層流失、地面變形開裂的形成與發(fā)展提供了動力條件。

4.3 觸發(fā)因素分析

巖溶塌陷及地表形變的觸發(fā)因素有多種多樣，既有人為因素也有自然因素，其中重力塌陷、潛蝕塌陷、沖爆塌陷、真空吸蝕塌陷、振動塌陷、荷載塌陷、溶蝕塌陷和根蝕塌陷等8種是最為常見的觸發(fā)因素[3-6]。

經(jīng)本文作者在研究區(qū)段的勘查項目實施過程中的綜合調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)主要的觸發(fā)因素為車輛機(jī)械振動、荷載增加土層固結(jié)沉降、附近基坑施工（研究區(qū)北側(cè)有曲江大道回龍山跨線橋擬從該處橫跨韶贛高速公路，正在進(jìn)行樁基礎(chǔ)和橋墩施工等）3 個方面。

因研究區(qū)位于高速公路路面，區(qū)內(nèi)車輛振動經(jīng)常性的發(fā)生，是研究區(qū)內(nèi)地面變形的最主要的觸發(fā)因素之一。振動會使巖土體產(chǎn)生破裂位移、土體液化等效應(yīng)，使巖土體強(qiáng)度降低，導(dǎo)致塌陷及地表形變的形成，稱為振動塌陷，這種塌陷常常是由于地震、施工動荷載、爆破和車輛震動荷載的振動引起的，其中重要的是要有破裂位移或振動液化效應(yīng)出現(xiàn)，造成巖土體強(qiáng)度降低并使之陷落。另外，強(qiáng)烈的振動不僅產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致薄弱的基巖頂面斷裂，形成滲漏通道，而且可疏通原來已經(jīng)存在的巖溶通道，同時使上覆飽和砂土發(fā)生液化，可迅速產(chǎn)生巖溶地面塌陷，更可能直接將土洞頂板破壞而產(chǎn)生地面塌陷或形變。

研究區(qū)內(nèi)的施工動荷載，如爆破、沖孔樁、靜壓樁、沖擊鉆孔施工以及施工設(shè)備的震動等，既可使淺部溶洞頂板破裂、失穩(wěn)，將已存并堵塞的溶蝕裂隙導(dǎo)通，為上覆松散砂顆粒提供滲漏通道，同時也可使飽和松散砂土、粉土產(chǎn)生液化，從而導(dǎo)致巖溶地面塌陷，其觸發(fā)巖溶地面塌陷的案例時有發(fā)生[3-6]。此外，研究區(qū)內(nèi)下伏土層含水率高，孔隙度高，含水土層較厚，分布廣，水平方向上水力聯(lián)系強(qiáng)是產(chǎn)生地面變形的主要原因，如果超量抽吸地下水，使得承壓含水層水頭降低，上部高壓縮軟土層中孔隙壓力下降，土體內(nèi)有效應(yīng)力增加，從而產(chǎn)生壓密固結(jié)效應(yīng)，地表開裂及沉降則是水和土相互作用的、內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化的外在表現(xiàn)。研究區(qū)附近的樁孔在施工過程中往往存在抽吸地下水的情況，如果地下水的超量抽吸則加劇了地面沉降變形的速度。

研究區(qū)高速公路在建設(shè)施工時，在原有土層的基礎(chǔ)上增加了墊層和面層，大大增加了原有土層的上覆載荷，外加附近跨線橋施工時在道路兩側(cè)的大面積填土，在外加荷載的影響下，軟土受外力作用，破壞了原先的應(yīng)力平衡狀態(tài)，人為地加速了軟土的排水固結(jié)—壓縮沉降過程。此類型的地面沉降過程一般要經(jīng)歷初期大幅沉降—降幅減小—趨于穩(wěn)定三個階段，研究區(qū)內(nèi)的外加載荷地面沉降過程屬于初期快速沉降期。該類型因素所致的災(zāi)害表現(xiàn)形式主要有建筑物“吊腳樓”、地面地板下陷、路面波狀起伏、地面開裂、地裂縫、接觸錯位等現(xiàn)象，其形成破壞程度往往較嚴(yán)重。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)下伏基巖巖性為石炭系測水灰?guī)r，受吳川—四會深斷裂帶和貴東大斷裂交匯斷裂影響，區(qū)內(nèi)巖層褶皺非常發(fā)育，巖體極破碎，淺部巖石風(fēng)化和溶蝕作用強(qiáng)烈，屬巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，是研究區(qū)產(chǎn)生路面開裂及路基沉降的主要內(nèi)在因素。

（2）研究區(qū)內(nèi)覆蓋層的隔—透—透—巖溶型結(jié)構(gòu)及土層的高含水量、高孔隙比、中等壓縮性、強(qiáng)透水性、易流失性、總厚度?。ǎ?0m）、可變形量大等特點，是其產(chǎn)生路面開裂及路基沉降的直接內(nèi)在物質(zhì)基礎(chǔ)。

（3）研究區(qū)內(nèi)路面開裂及路基沉降的主要觸發(fā)因素有車輛機(jī)械振動、荷載增加土層固結(jié)沉降、附近基坑施工（研究區(qū)北側(cè)有曲江大道回龍山跨線橋擬從該處橫跨韶贛高速公路，正在進(jìn)行樁基礎(chǔ)和橋墩施工等）3個方面，其中車輛機(jī)械振動和附近基坑施工是主因。