桂林至阳朔高速公路土洞处治技术浅析

　　摘要：桂林至阳朔高速公路在施工中发现多处土洞，经探测发现全线多处路段存在隐伏的土洞，且在地下水的作用下有发育的趋势，为了保证路基整体稳定，防止工后产生塌陷危及公路安全，必须对土洞进行处治。论文结合工程实践对土洞的探测、处治等技术进行浅析。
　　关键词：高速公路，土洞，处治技术
　　
　　桂林至阳朔高速公路起于临桂县四塘镇冲口村与桂（林）柳（州）高速公路相接，终于阳朔县高田镇与阳（朔）平（乐）高速公路相接，路线呈西北—东南走向，途经临桂县、雁山区、阳朔县，全长66.793公里。在施工中，发现多处土洞，为了保证路基的整体稳定，防止工后产生塌陷危及公路安全，业主委托中国地质科学院桂林工程勘察院有限公司对已发现土洞路段及岩溶发育路段进行探测，查明隐伏土洞的具体位置、体积、埋深等，并结合工程实际与近年来土洞处治成功案例对本工程中已显露的和隐伏的土洞进行有效处治。
　　一、土洞的形成机理与危害
　　1.1土洞的形成机理
　　本工程路线所在区域为典型的岩溶峰林地貌，岩溶地下水丰富。由于岩溶发育，基岩表面开口多，地下水位与降雨量关系密切，雨季时地下水位快速增高，溢出地表；枯季时则地下水位回落，低于基岩面。这种地下水在基岩面上下波动的水动力模式，极易导致上覆土层发生渗透破坏和崩解，进而形成土洞。本地区特定的地质条件和水文条件极利于土洞的形成和进一步发展。
　　1.2土洞的危害
　　路基以下存在隐伏土洞对公路的危害是直接而严重的，轻者导致路基局部下沉，路面出现裂缝并逐渐加大直至塌陷，重者直接导致路基路面同时塌陷，严重危及行车安全。因此，在交工前对路基范围内所有土洞进行有效处治是非常必要的。
　　二、土洞的探测
　　1、探测方法
　　本工程中对隐伏土洞的探测采用地质雷达法。地质雷达采用美国GSSI公司生产的SIR—10A型探地雷达，天线采用100MHz低频同体屏蔽天线，有效探测深度约10m，采用连续测量方式探测。其工作原理是利用土层、岩石和土洞等对探地电磁波反射的差异，通过分析地面接收到的反射信号的旅行时间、波形和反射波谱特征等差异，来确定土洞的位置、大小、埋深等情况。在覆盖层小于10m的场地，利用土层、土洞和岩石的这些特征，开展地质雷达探测土洞可收到良好的效果。
　　2、测线布置
　　在实践中，假设土洞是随机分布的，同时假设土洞是圆形的（球体），测线遇洞的概率P与测线间距D、土洞直径（跨度）Φ的关系为：P=Φ/D，即当测线间距一定时，土洞直径（跨度）越大，探测到土洞的概率越大，相应地，土洞直径（跨度）一定时，测线间距越小，探测到土洞的概率就越大。这种关系可以从图1中反映。
　　
　　图1测线布置与土洞的关系
　　为了能比较准确比较全面的探测到隐伏土洞，同时又节省探测费用，实践中主路测线按间距3米布置，匝道测线按间距2米布置，以路基中轴线为0号测线，前进方向左侧为负测线，右侧为正测线，主线路基（宽24米）共布置6条测线，分别为－9线、―6线、―3线、3线、6线、9线（0号测线因位于中央分隔带实际不布置），匝道路基布置5条测线（路基宽10.5米时），分别为―4线，－2线，0线，2线，4线。
　　3、探测成果
　　中国地质科学院桂林工程勘察院有限公司自2005年12月底至2006年8月下旬止，先后三次组织技术人员进场对已发现土洞路段及岩溶发育重点路段开展物探工作，累计探测路段总长11.4公里（含匝道），布置测线总长66公里，通过对地质雷达图像进行分析、解译，探测到的土洞异常共334处。通过丈量、测量、计算，比较准确的确定了各隐伏土洞的具体位置、埋置深度，并根据其跨度推测了土洞的体积，为进行有效处治提供了决策依据。
　　4、未探测路段的预防处理
　　对未进行地质雷达探测的路段，未防止存在隐伏土洞造成质量与安全隐患，业主通过招标另行委托北京欣路特科技发展有限公司采用冲击压路机对原地面及路基进行冲击压实，路基范围内如存在地下隐伏土洞，可在强冲击作用下发生塌陷而暴露。
　　三、土洞的处治方法及效果检测
　　1、处治方法
　　根据土洞形成机理、探测成果，结合本工程实际与近年来在土洞处治方面的成功案例，经业主、监理、设计、科研单位有关技术专家讨论研究决定，对本工程的土洞应根据土洞性质分别采用不同的方法进行处治。
　　（1）对于路基施工中已显露或经冲击压实而暴露的土洞，以及经探测查明的零星分布的体积大且埋深较浅的土洞，采用“开挖——反滤层填石＋土工布”的方法进行处治。该方法如图2所示：
　　
　　图2开挖—反滤层＋土工布
　　采用该方法时，应注意：
　　①应清土至基岩面，并将溶槽、裂缝中的充填物也清理干净；
　　②应根据溶槽、裂缝等的规模选择适当大小的底部填石，底部填石不应含有粘土和其它细粒物；
　　③填石反滤层粒径过渡应适中，一般相邻两级滤层的相差粒径不应超过3～4倍；
　　④反滤层顶部及四周都应覆盖土工布，防止上部及四周填土的流失；
　　⑤避免施工过程种中对造成土洞周围地下水动力条件发生突变而形成新的土洞。
　　（2）对于经探测查明的零星分布且体积不太大的土洞，采用“钻孔压浆充填法”进行处治，即在隐伏的土洞地面钻孔，从孔中灌砂夹碎石(或砂砾)混合料后灌注水泥粉煤灰外加剂浆液直至填充满土洞及周边缝隙，形成水泥土结石，加固已有土洞并防止新土洞的形成。该方法如图3所示：
　　
　　图3钻孔压浆充填
　　采用该方法时，应注意：
　　①应进行试验来确定适宜的灌浆压力，防止充填不饱满、密实，或浆液耗用量过大，造成浪费损失；
　　②钻孔前，必须严格放样，准确定位，以确保处治效果。
　　（3）因压浆处治施工成本高，对于土洞密集的区域，采用“大开挖—回填”的方法进行处治。该方法与上述第一种方法类似，全路幅开挖后回填大块片石，片石粒径随填高逐级减小，顶层为碎石且厚度应不小于50cm，顶面覆盖土工布后再进行上层路基填土作业。
　　2、处治效果检测
　　隐伏土洞经灌浆处治后，采用地质雷达法对其处治效果进行检测。检测的目的一是判定处治位置是否准确，二是检查灌浆是否已将土洞完全充填。对于处治位置不准确的，重新进行钻孔灌浆；对于不完全填充的，钻取填充物芯样进行抗压试验，强度不满足要求的，再钻孔进行补灌浆。
　　3、土洞发育、塌陷的监测预警
　　在本工程中，为节省投资，对未形成土洞的扰动土未进行处治，但在地下水长期作用下，这些扰动点又可能进一步发育成土洞，此外，由于区内地下水动力条件有利于土洞的形成和发展，因此，地下水长期波动作用下，会形成新的土洞，给公路安全带来极大威胁。为了及时发现土洞隐患，采取处治措施，避免形成塌陷造成安全事故，采用地质雷达与光纤传感技术相结合对土洞发育路段开展监测预警工作。
　　四、结语
　　经对本工程路基范围内的土洞进行有效的探测、处治，及对土洞发育路段开展监测预警工作，保证了工程质量，预防了工后发生塌陷，保障了公路安全与人民生命财产安全，也给类似工程提供了宝贵的技术经验。
　　
　　参考资料：
　　【1】雷明堂等.桂林至阳朔高速公路岩溶溶洞土洞探测报告及相关资料.中国地质科学院桂林工程勘察院有限公司.2006