潭邵高速公路岩溶及采空区路基稳定性评价及治理对策.docx

潭邵高速公路岩溶及采空区路基稳定性评价及治理对策周伟义1 , 李军生1 , 赵明华2 , 王非平2( 1. 湖南省高速公路管理局 长沙市 410001; 2. 湖南大学土木工程学院 长沙市 410082)摘 要: 针对潭邵高速公路岩溶及采空区路基工程及工程地质特点, 探讨了岩溶及采空区路基稳定性评价方法, 并在此基础上, 提出了适合于潭邵高速公路岩溶及采空区路基特点的诸如浅层开挖处理、静压注浆与连续配筋 混凝土板路面补强的治理方法与对策。关键词: 高速公路路基; 岩溶区; 采空区; 稳定性评价上瑞国道主干线潭邵(湘潭 邵阳) 高速公路处在石灰岩地区, 因而发育有大量的岩溶, 而且, 还存 在若干采煤区, 各个路段工程地质条件极为复杂, 地 质勘探资料极为缺乏。在施工的过程中, 发现几十处 岩溶与采空洞, 其规模、分布及充填情况差别都很 大, 这给潭邵高速公路路桥基础的稳定性及施工带 来了严重的不利影响。 如何对潭邵高速公路岩溶及 采空区路基稳定性进行评价及如何对其进行治理成 为潭邵高速公路建设成功与否的关键。岩溶及采空区路基稳定性的评价与治理方法在 国内外已有广泛的研究, 且相当成功, 但是, 任何岩 溶与采空区路基稳定性处理方法都具有自身的适用 条件, 必须考虑工程自身的特点。如何根据工程特点 全面考虑, 引进适用于潭邵高速公路工程特点的岩 溶与采空区路基稳定性评价方法, 对潭邵高速公路 岩溶及采空区路基稳定性进行评价, 进而制定科学 合理的岩溶及采空区路基处理措施与方法, 保证潭 邵高速公路安全经济的成功建设, 这是潭邵高速公 路工程建设中普遍关注的热点与难点, 这也正是本 文研究的核心内容。1工程地质概况与特点1. 1工程地质概况 潭邵高速公路几乎全线都分布在岩溶及采空区, 岩溶与采空区的工程地质情况具有很大差异性,具体情况简述如下。(1) 采空区。采空区主要指采煤区, 而且基本上为不规范的 民采, 因此地下采空洞的分布与大小极不规律, 而且 采空洞基本上为老洞, 全部为盲洞。采空区主要地层如下。表层土: 黄褐色, 以坡积粘性土壤为主, 夹砂 岩与灰岩碎块, 分布于田垅低凹地带。坡积土: 角砾, 灰黄色, 黄色, 稍湿, 稍松至中 密状。残积土: 角砾, 褐红色至棕红色, 由角砾、砂及 泥质组成, 土质结构紧密, 中密状。强风化硅岩: 灰黄色夹浅黄色, 裂隙发育, 并 充填有红色泥质物。煤层: 主要由泥质灰岩和石英砂岩及粉砂岩互层组成, 顶部有紫红色砂质泥岩, 其主要含煤段由收稿日期: 2002- 11- 04de sign o f su b g rade in k a r st an d m in ed2o u t reg io n s o n T an 2Sh ao E xp re ssw ay.Key word s: k a r st an d m in ed2o u t reg io n; safe ty th ick n e ss o f top slab; th ree2d im en sio n a l no n lin ea r f i2n ite e lem en t 6 公路2003 年 第 1 期砂质泥岩、石英砂岩、粉砂岩和煤层组成。采空区路段主要有 K 32 + 800 K 33 + K 35+ 120 K 35+ 200、K 144+ 800K K 145+地基突然下沉。(3) 路基不均匀沉降: 采空洞、溶洞、溶隙、溶沟、 溶槽和石芽等造成路基岩面起伏较大, 各处岩石力 学性质的差异, 导致路基不均匀沉降。(4) 路基滑动: 在裸露岩溶区, 当路桥基础砌置 在岩溶洞、溶隙、溶沟或溶槽附近时, 使路桥基础下 岩体沿倾向临空的软化结构面产生滑动, 导致路桥 基础破坏。潭邵高速公路采空区与岩溶区路基破坏形式以 前 3 种为主, 这就决定了其稳定性评价方法及处理 措施。1. 3岩溶及采空区路基工程地质特点(1) 采空洞及岩溶溶洞基本上为盲洞, 这将影响 其治理措施与方法的确定。(2) 采空洞及岩溶分布、大小、形态极其复杂, 这 就决定了不同采空区及岩溶区路基稳定性的差异 性, 因而进行稳定性评价与处理时要逐个对待。(3) 采空洞及溶洞的充填情况不同, 溶洞内的充 填物、充填程度以及充填物的物理力学性质存在明 显的差异, 这就要求进行稳定性评价与采取治理措 施时必须有所差别。( 4) 岩溶及采空区路基是位于切方区还是填方 区, 影响路基稳定性的因素不同。(5) 工程地质资料十分缺乏, 潭邵高速公路岩溶 及采空区路基基础处理方案的确定时必须考虑该因 素的影响。030、300、K 45+ 600 K 45+ 900 等, 地质调查资料严重缺乏,目前主要依据为物探资料及少量补勘资料, 路基采 空洞中心埋深为 10 18 m , 采煤坑道宽度为 2. 07. 0 m , 高度为 1. 4 3. 0 m , 采空区大都为切方区。(2) 岩溶区。岩溶区分布极为广泛, 而且形态、大小与埋深差 别很大, 主要岩溶形态有溶蚀、溶沟、溶槽、溶隙与溶 洞。 岩溶区主要地层如下。种植土: 水田表土, 在路基施工过程中已经 清除。填土: 土黄色, 含碎石。卵石质土: 黄色, 稍密, 卵石成分主要为石英 砂岩, 粒径 6 8 cm , 含泥砂。粘土质土: 黄色, 稍密, 含泥量高, 砾石呈次圆 次棱角状, 成分为硅质灰岩、石英砂岩等, 一般 粒径为 2 8 cm , 土呈湿 稍湿状。低液限粘土: 黄褐色, 软塑, 含砂。高液限粘土: 黄色, 可塑 硬塑, 砾石含量较 高, 呈次圆 次棱角状, 粒径 0. 5 4 cm 。硅质灰岩: 灰色, 岩性较硬, 大都为弱风化, 发育有方解石, 但浅层中局部裂隙发育, 同时发育溶 洞、溶蚀沟, 其充填物为水、黄色流塑状粘土, 流 软 塑泥砂亚粘土。岩 溶 区 段 主 要 有 K 126 + 900 K 127 + 300、K 133 + 350 K 133 + 600、K 21 + 600 K 22 + 200、2 路基稳定性评价2. 1岩溶及采空区评价的依据 潭邵高速公路岩溶及采空区路基稳定性评价是其处理决策的基本依据。 这类工程稳定性评价一般有 2 个方面的考虑: 第一以地表变形控制作为依据; 第二以结构强度或承载能力破坏作为依据。 作为岩 溶及采空区路基稳定性的处理问题, 由于变形已基 本完成, 基于后者的考虑是合理的。基于上述考虑有 2 种情况, 即“先有结构 ( 公路 路基) 后有 ( 开采) 空洞”与“先有 ( 开采) 空洞后有结 构(公路路基) ”。这 2 种情况的研究和问题的处理方 法是有本质区别的, 本文考虑的问题属于后者情况,这就决定了该问题的处理依据与原则:( 1) 岩溶与采空区处理评价依据以公路路基岩 溶与采空区顶板承载能力控制为主, 以路基地表变 形控制为辅进行决策;K 94 + 820 K 95 +300 等十几处, 地质调查资料极其缺乏, 目前主要依据为物探资料及少量补勘资料,溶洞大多分布在 5 26 m 深度范围, 洞高为 28 m , 溶洞多半为半连通状况, 洞内基本上都有填充 物, 填充物为水、黄色流塑状粘土、流 软塑泥沙亚粘土等低承载力材料。 岩溶区既有填方区也有挖 方区。1. 2岩溶与采空区路基变形破坏形式(1) 路基承载力不足: 一则由于岩溶与采空区路 基岩土层强度较低; 二则由于切方使岩溶与采空洞 顶板岩土层厚度大大降低, 这都导致路基经常性地发生剪切或拉伸破坏。(2) 地表塌陷: 路基应力范围内有土洞、溶洞及 采空洞时, 由于自然条件或因为切方、抽排地下水等 因素作用, 产生洞顶坍塌, 引起地面沉陷、开裂以至 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2003 年 第 1 期周伟义等: 潭邵高速公路岩溶及采空区路基稳定性评价及治理对策 7 ( 2) 弃用通常所采用的所谓“三下开采 ( 水体下开采、建筑物下开采和铁路下开采) ”理论, 因它适用 于“先有结构后有开采”的情况。2. 2 岩溶及采空区路基稳定性评价方法潭邵高速公路岩溶及采空区路基稳定性的评价 必须结合该工程的特点进行, 本文考虑了 3 种分析方法, 即: 半定量的方法, 二级模糊综合评判及三维非线性有限元方法。2. 2. 1半定量的分析方法 半定量分析方法的基本内容是洞穴顶板安全厚度与溶洞距路基安全距离的估算。 洞穴顶板安全厚 度的计算主要根据顶板岩层工程地质条件的不同, 采用如下方法:定程度的因素视作U中的元素, 表示为:U = u 1 , u 2 , . . . , u i , . . . , u n ( i= 1, 2, . . . , n ) (1)定义岩溶顶板稳定程度的评语集V , 分成 m稳定级别, 表示为:个V = v 1 , v 2 ,. . . , v j , . . . , vm ( j = 1, 2, . . . , m ) (2) 对论域中单元影响因素 u i ( i= 1, 2, . . . , n ) 进行 评判, 得到 V 上的模糊集合 ( ri1 , ri2 , . . . , rim ) , 将对每一个单因素评判的模糊集组合成评判矩阵 R :r11r21r12r22r1mr2m(3)R =rn1rn2rnm根据潭邵高速公路工程地质资料, 建立了评价岩溶顶板稳定性的二级模糊综合评判模型 ( 图 1) , 其中一级评判选取了单因素 11 项, 分别建立对单个 溶洞的顶板岩层、溶洞特征、上覆土层进行评判。 评判时, i 分别为 7、3、1; 再以此评判结果作为二级评 判( i= 3) ; 两级评判结果均分为 4 个级别, 即: 稳定、较稳定、较不稳定、不稳定。荷载传递线交汇法;厚跨比法; 按剪切概念估算方法; 按梁板受力情况的估算方法; 洞穴顶板坍塌堵塞估算方法; 按破裂拱概念估算。(1)(2) (3) (4) (5) (6)(u 11) 层状构造(u 12) 裂隙发育及充填情况(u 13) 岩石风化 (u 14) 岩芯完整 (u 15) 溶蚀发育(u 16) 顶板岩层厚度(u 17) 岩石单轴抗压强度(u 21) 溶洞宽度(u 22) 溶洞高度(u 23) 溶洞充填情况(u 31) 上覆土层厚度依据上述分析法, 分别就不同情况分析计算了潭邵高速公路路基下岩层顶板的安全厚度 ( 表 1) 和 洞穴距路基最小安全距离 ( 表 2) , 由此可以看出不同的分析方法离散性很大, 这主要在于这些方法无 法准确反映复杂的工程地质情况, 因而只能作为稳定性评价的参考。顶板岩层(u 1)评价结果( 稳定程度)溶洞特征表 1 最小安全厚度半定量方法计算结果(u 2)m上覆土层(u 3)图 1 二级模糊综合评判模型综合模糊二次评判的方法能够综合考虑各种影响因素及其相互关联性, 把稳定性评价上升到全局 的高度, 显然更能反映实际情况, 该方法用于高速公 路岩溶及采空区路基稳定性评价尚属首次, 具有广 泛的理论意义与学术价值。2. 2. 3 三维非线性有限元分析利用日本软脑公司 (株式会社) 的岩土工程有限 元 3D - 软件对潭邵高速公路岩溶与采空区路基 稳定性进行了分析评价, 其基本思路如下:( 1) 首先建立起基于三维非线性有限元分析结 构(如应力场分布、弹塑性破坏区分布及安全度等) , 及稳定性评价判据, 即保证岩溶及采空洞顶板稳定 的破坏区至多是局部或是小范围的;( 2) 建立几何计算模型, 考虑工程地质及水文地表 2 空洞距路基最小安全距离计算m2. 2. 2二级模糊综合评判引进模糊数学中多级模糊评判理论, 把岩溶顶 板稳定程度的评判定义为有限论域U , 把影响其稳 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 空洞顶板岩层厚度5101520253035最小 安全 距离上覆土层厚度 0 m3. 617. 2210. 8314. 4418. 0521. 6625. 27上覆土层厚度 5 m8. 6112. 2215. 8319. 4423. 0526. 6630. 27上覆土层厚度 10 m13. 6117. 2220. 8324. 4428. 0531. 6635. 27空洞大小b (m ) h (m )11223344556677荷载传递线交汇法0. 711. 432. 152. 863. 584. 285. 00厚跨比法0. 501. 001. 502. 002. 503. 003. 50按剪切概念估算0. 020. 060. 120. 240. 450. 660. 89按梁板受力估算0. 160. 390. 721. 161. 782. 372. 97按坍塌堵塞概念估算5. 0010. 0015. 0020. 0025. 0030. 0035. 00按破裂拱估算1. 422. 844. 265. 687. 108. 529. 94 8 公路2003 年 第 1 期质, 洞穴的形态、大小、埋深, 岩层顶板的厚度及路基外荷载情况(考虑加 60 t 轴载) , 建立了数种分析模型;(3) 物理力学分析模型的建立, 考虑线弹性与弹 塑性两种模型, 非线性模型采用 D ru ck e r2P rage r 弹塑性模型进行分析;(4) 计算结果的处理分析, 其目的就是通过各 种模型的分析, 确定岩溶及采空区岩层顶板的安全 厚度。洞, 采用静压注浆, 注浆时要密切注意是否跑浆, 并要采用相应措施, 如加速凝剂、增加粗骨料比例等。(3) 路面连续配筋混凝土板跨越补强处理。 主要考虑到由于潭邵高速公路岩溶及采空区路基工程地质情况掌握的不够全面, 为安全起见, 采用 路面连续配筋混凝土板跨越进行补强处理。 这里考 虑了 2 种情况: 第一种就是将连续板直接作为路面; 第二种是将连续板置于沥青混凝土路面层之下, 这主要根据路面结构决定。 这里的连续配筋混凝土板与普通的连续配筋混凝土路面在作用原理上有着本质区别, 前者不仅兼 顾普通连续配筋混凝土路面的作用, 更重要的是要 确保岩溶及采空区路基的稳定性, 因此, 这里的连续配筋混凝土板采用了双层配筋的结构, 当然需要进 行复杂的结构计算, 这里不再详述。3. 3工程应用 本文方法主要是针对潭邵高速公路工程实际情况提出的, 其研究成果已全部用于全路段岩溶及采空区路基处理, 目前, 施工处理已全部完工, 处理方 法成功。3 路基处理的对策3. 1路基处理的原则 潭邵高速公路岩溶及采空区路基处理必须结合岩溶及采空区的工程及工程地质特点, 依据前述方法进行全面稳定性评价, 根据具体情况制定岩溶及 采空区路基处理方案, 处理方案既要经济、合理与安 全, 又要考虑施工条件与工程进度, 为此必须遵循如 下基本原则。(1) 制定岩溶及采空区路基处理方案时, 必须 区分不同情况, 这些情况包括:切方区与填方区区别对待;采空区与岩溶区区别对待;洞穴充填与未充填区别对待;路与桥基础处理区别对待。(2) 对于切方区溶洞及采空洞, 如其顶板岩层厚 度超过 3 m , 则原则上不予处理; 顶板岩层厚度在4结论本文针对潭邵高速公路岩溶及采空区路基工程 与工程地质特点, 探讨了潭邵高速公路岩溶及采空区路基的稳定性评价方法及其治理对策, 可得如下结论:(1) 全面阐述了适合于潭邵高速公路岩溶及采 空区路基稳定性的评价方法, 为岩溶及采空区路基 处理决策提供了可靠的依据;(2) 结合潭邵高速公路工程特点, 提出了潭邵 高速公路岩溶及采空区路基治理的对策, 应用于潭 邵高速公路工程建设中, 已取得良好效果, 并取得了 相当的社会与经济效益。1 3 m , 进行注浆处理; 顶板岩层厚度在 1 m以内的溶洞直接凿开, 再根据实际情况进行充填片石混凝土或注浆处理。(3) 对于填方区, 因路基已经形成, 基底溶洞经 受了填土与压路机振动碾压等长时间考验, 原则上 不考虑注浆处理方案, 可采用路面连续配筋混凝土 板等补强处理措施; 对于明显存在隐患的少数区域 宜进行注浆处理。3. 2路基处理方法根据前述的基本原则, 并结合潭邵高速公路工 程及工程地质特点, 采取了切实可行的处理方法, 主 要方法如下。(1) 浅层开挖处理。参考文献:交通部第二公路勘察设计院主编. 公路路基设计手册(路基) (第二版). 北京: 人民交通出版社, 1996. 铁道部第一勘察设计院主编. 铁路工程设计技术手册 (路基). 北京: 人民铁道出版社, 1992.工程地质手册编委会. 工程地质手册. 北京: 中国建 筑工业出版社, 1982.湖南大学岩土工程研究所. 上瑞国道主干线潭邵高速 公路岩溶与采空区路桥处理初步方案 (1 10). 2001.12主要针对岩层顶板厚度在 1 m以内的采空洞3与溶洞, 直接凿开, 并根据具体情况用片石充填, 再视具体情况可考虑用注浆处理。(2) 静压注浆处理。4对于岩层顶板厚度在1 3 m内的采空洞与溶 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 公路 2003 年 1 月 第 1 期H IGHW A Y J an 12003 N o 11文章编号: 0451- 0712 (2003) 01-0009- 04中图分类号: U 416. 216. 2文献标识码: B连续配筋混凝土板在岩溶及采空区上的应用刘代全1 , 宋军1 , 曹文贵2 , 彭衡和1( 1. 湖南省高速公路管理局 长沙市 410001; 2. 湖南大学土木工程学院 长沙市 410082)摘 要: 连续配筋混凝土板应用于岩溶及采用空区, 其作用机理与常规连续配筋混凝土路面存在本质区别。引进三维有限元分析方法, 确定路面板的基本设计参数, 并将板内纵向钢筋采用双层布置形式, 以保证岩溶及采空 区路基的稳定性, 解决了岩溶及采空区路基连续配筋混凝土板的设计方法问题。关键词: 溶洞及采空区; 连续配筋混凝土板; 抗弯设计; 三维有限元上瑞国道主干线潭邵(湘潭 邵阳) 高速公路几乎全线路段都穿过岩溶或采空区, 这将极大影响潭 邵高速公路路桥基础的稳定性, 必须进行妥善处理。 在缺少详细地质资料的前提下, 采用连续配筋混凝 土板对岩溶及采空区路基进行补强处理是一种有 效、经济而安全的处理方法。连续配筋混凝土板应用于潭邵高速公路岩溶及 采空区, 其作用机理与常规公路连续配筋混凝土路 面存在本质的区别。 前者不仅兼顾普通连续配筋混 凝土路面的作用, 更重要的是必须确保岩溶及采空 区路基的稳定性, 因此它的设计方法与理论与普通 连续配筋混凝土路面存在本质的不同, 探讨用于潭 邵高速公路岩溶及采空区上的连续配筋混凝土板的设计方法与理论成为本文的核心内容。本文引进三维有限元分析方法, 综合考虑潭邵 高速公路岩溶及采空区工程地质特点, 确定在地下 岩溶及采空洞存在的情况下路面板的基本设计参 数, 并将板内纵向钢筋采用双层布置形式, 以保证岩 溶及采空区路基的稳定性, 解决了潭邵高速公路岩 溶及采空区连续配筋混凝土板处理的设计方法与理 论问题, 全面应用于潭邵高速公路工程实际, 效果良 好, 取得了良好的社会与经济效益, 具有广泛的理论 意义及推广价值。1岩溶及采空区连续配筋混凝土板设计方法1. 1连续配筋混凝土路面现状收稿日期: 2002- 11- 04Subgrade Stab il ity Eva lua t ion an d Trea tm en tM ea sure s to Kar st an d M in ed-O ut Reg ionZH OU W e i- y i1 ,( 1.L I J u n - sh en g 1 , ZH AO M in g - h u a 2 , WAN G F e i- p in g 2H unan E xp re ssw ay A dm in ist ra t io n B u reau , C h ang sh a 410001, C h