浙江省运营高速公路覆盖型岩溶塌陷影响因素及致塌机理

2022-09-11

1 浙江省岩溶塌陷的研究现状

我国在岩溶地区公路建设开展的研究, 大多集中于西南裸露岩溶区的岩溶问题。如贵州省交通科学研究院[1,2]在我国西南裸露岩溶区针对岩溶地区公路规划、勘察、设计、施工和养护、公路岩溶环境保护等多个方面开展了综合研究。浙江省的岩溶地面塌陷研究主要集中于江山市和杭州市[3,4]。罗以达[5]等针对岩溶地面塌陷的危险性, 实现了岩溶地面塌陷区划模型。李士友[6]对杭金衢高速公路岩溶路基强夯法和常山港特大桥桩基溶洞施工工艺研究进行了研究。浙江省交通规划设计研究院等[7,8,9,10]对浙江省高速公路建设过程中的岩溶勘察处治进行了专门研究, 全面总结了浙江省特别是浙西北的岩溶发育特征、深入分析了以覆盖型岩溶为主的塌陷机理、建立了覆盖型岩溶综合集成勘察方法、发育程度划分标准以及危险性评价方法。

2 运营高速公路岩溶塌陷的影响因素及致塌机理

2.1 高速公路覆盖型岩溶塌陷的特点

高速公路的覆盖型岩溶塌陷在不同的阶段体现出一定的差异性:施工过程中塌陷现象要多于运营过程;而在运营过程中, 路基塌陷则是主要的灾害类型。

(1) 高速公路建设过程中岩溶塌陷发生的原因

岩溶塌陷需要具备基础物质条件、空间条件、动力条件。在高速公路的建设过程中, 动力条件的改变是主要的影响因素, 包括水文地质条件及上覆荷载的变化。路基上覆荷载的改变包括:桩基施工冲击钻产生的动荷载、路堑隧道爆破产生的动荷载、压路机等重型机械产生的动荷载、岩溶路段强夯产生的动荷载、路基填筑增加的静荷载等。水文地质条件的改变, 则是建设过程中对地下水及地表水的影响。浙江省内施工过程中的岩溶塌陷, 多是因为动荷载的强烈作用引起。

(2) 高速公路运营中岩溶塌陷发生的原因

运营高速公路的动荷载影响小于建设施工过程, 其静荷载在运营之前即已经达到极值。因此, 相比建设过程中, 高速公路在运营期间的岩溶塌陷较少, 其影响因素主要是水文地质条件及上覆荷载的改变。但运营路基处静荷载、动荷载长期加载, 其附加应力可能引起土洞上部覆盖层变形增加, 从而产生土洞塌陷。

2.2 岩溶塌陷的影响因素

覆盖型岩溶地区塌陷一般是指由于土层中土洞的发展, 导致地面陷落而产生地表变形和破坏。形成覆盖型岩溶塌陷有三个条件必备条件: (1) 空间条件:地表下发育有一定形态及规模的岩溶, 例如溶蚀沟槽、溶洞等, 这是上覆堆积层土体坍塌后的储存场以及地下水流失的通道; (2) 物质条件:上覆必须有一定厚度的堆积体土层, 这是塌陷的主要物质源; (3) 动力条件:如地表水的下渗渗透力、地下水水位的反复强烈波动、施工引起的动/静外荷载等, 这是塌陷产生的主要动力条件。覆盖型岩溶塌陷过程中, 地下水是最重要的诱发因素, 大量抽取地下水是主要的人类活动影响方式, 同时降雨在很大程度上也影响了岩溶塌陷的发生。

2.3 岩溶塌陷致塌机理

岩溶塌陷的发生, 实质上是土洞 (或岩洞) 的抗塌力小于致塌力的结果。浙江省覆盖型岩溶塌陷成因机制主要有:地下水渗透潜蚀效应、真空吸蚀效应、失托增荷效应和土体强度效应, 并以地下水流动过程中的渗流潜蚀作用为主。溶洞 (溶蚀沟槽) 、土洞、地面塌陷是岩溶塌陷发育的三个阶段。在碳酸盐岩地层中形成溶洞 (或溶蚀沟槽) 是第一阶段;然后逐渐向上覆土层发展并形成土洞, 这是第二阶段;而后土洞不断扩大, 最后土洞再向上发展至地表形成岩溶塌陷。

3 典型运营高速公路中岩溶塌陷案例剖析

2010年, 浙江省某高速路段发生路面塌陷, 陷坑平面呈椭圆形, 南北8.3m, 东西7m, 深6米。该段路基宽度26m, 路基高度18.5m。路基处有涵洞2道。另有单孔圆管涵1道, 附近的排水主要沿此涵洞排泄。

3.1 地形及地质条件

塌陷区处于丘陵沟谷地带, 高程87m~83m, 山体较窄, 山形较陡;其余多为宽缓的丘陵。

该段路基下伏二叠系下统栖霞组上段灰岩, 厚层状, 节理裂隙发育。场地覆盖层主要为第四系坡洪积及残坡积可塑状粉质粘土, 层厚一般2.0~20m。高速公路路基填土主要为粉质粘土和碎块石, 粉质粘土黄褐色, 可塑状;碎块石成分多为泥岩、炭质泥岩和砂岩。

塌陷坑至圆管涵周围岩溶发育, 遇洞率100%, 钻孔岩溶率0.23~82.04%, 钻孔中溶洞规模最大的为右侧路基坡脚Z20孔 (孔中揭露溶洞总高度26.95m, 最大溶洞高23.80m, 充填粉质粘土) 。

3.2 水文地质条件

场地地下水类型主要包括: (1) 松散岩类孔隙水:含水岩组为第四系全新统冲积砂砾石及坡洪积含砂砾粉质粘土, 地下水与地表水水力联系紧密。 (2) 碳酸盐岩类裂隙溶洞水:含水岩组为二叠系栖霞组上段深灰色含燧石灰岩, 岩溶发育, 赋水程度不均一, 具微承压性, 地下水水位略高于地表, 多以泉水的形式排泄。

西北丘陵地带为场地补给区, 接受地表水、上游地下径流及大气降水补给, 并以泉、地下径流等方式向下游江山港地表水系排泄。地下水位埋藏浅, 水位变化受大气降水影响明显。路基附近有泉水出露, 说明该段为岩溶水的集中排泄带。

3.3 塌陷原因分析

该处路基具有岩溶塌陷的必要条件: (1) 岩溶发育, 在塌陷坑周围, 溶洞规模大, 顶板厚度小。 (2) 路基段灰岩上覆粉质粘土、含粉质粘土砾砂大多厚度不大, 易发生土层塌陷。 (3) 塌陷坑处路基所在位置, 为区域地下水径流及排泄带, 泉水出露集中, 地下水及灰岩面埋藏均较浅, 地下水水位的反复强烈波动极易对上覆第四系土层稳定性造成不利影响。鉴于多种自然及人类活动的影响, 塌陷点附近地下水流场变化十分明显, 从而引起了附近地面塌陷现象。

3.4 塌陷过程分析

(1) 覆盖型岩溶形成:灰岩下伏于第四系覆盖层以下, 且构造及风化节理裂隙发育;在历史长期的地下水溶蚀作用下, 灰岩内逐步发育了溶蚀沟槽等空间形态; (2) 土洞演化:随着地下水流场因人类工程活动而改变, 地下水水位反复强烈波动, 潜蚀、垂直渗压、真空吸蚀等效应增加, 大量的土体颗粒沿溶蚀沟槽、裂隙等随地下水流失, 从而使土洞逐渐发育并扩大; (3) 由岩溶塌陷造成路基破坏:随着土洞不断的扩展、上覆土体颗粒的不断流失, 洞径洞高亦逐渐加大;进而导致双孔圆管涵破裂, 地表水下渗, 进一步加剧了对上覆土层的潜蚀作用;随着潜蚀、垂直渗压、真空吸蚀等作用的不断持续, 土洞拱顶厚度不断减小, 当其厚度薄到无法支撑上覆土体重量时, 则发生垮落, 进而形成了土洞型的岩溶塌陷, 并进一步造成路基破坏。

摘要：岩溶塌陷对线性交通工程的安全运营影响很大, 在已建高速公路区开展岩溶塌陷影响因素及致塌机理研究, 对于高速公路防灾减灾具有重要的应用价值。本文以浙江省运营高速公路区覆盖型岩溶塌陷为研究对象, 结合已有的某高速路段典型塌陷灾害勘察成果, 深入研究了运营高速公路岩溶塌陷影响因素及灾变机理。认为对于运营高速公路区段的岩溶塌陷而言, 特殊的覆盖型岩溶地质结构是灾害发生的基本地质条件, 而外荷载和水动力条件的强烈变化则是运营高速公路岩溶塌陷的最主要影响因素。

关键词：高速公路,覆盖型岩溶塌陷,影响因素,致塌机理