岩溶地区公路修筑成套技术研究Word文档格式.docx

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梅世龙

余崇俊、彭建国

余崇俊

彭建国

项目主要

参加人

“岩溶环境区划”主要参加人：

康厚荣、雷明堂、凌建明、蒋小珍、周正峰、赵杰华

“勘察评价”主要参加人：

罗强、谭捍华、黄家会、陈勇、汪稔、芮勇勤、何文勇、宋雷、

孟庆山、刘天放、石祥锋、刘树才、鲍世聪、李东、杨维好

“工程处治”主要参加人：

梅世龙、彭建国、芮勇勤、梁军林、唐绍辉、雷明堂、吴建宁、

杨志刚、何文斌、邓家喜、赵明华、黄宝山、王浩、钱庆强

“资源利用”主要参加人：

余崇俊、吴大鸿、周明凯、李北星、何明勤、朱立军、邓飞

“环境保护”主要参加人：

彭建国、周晓娟、胥灿辉、费小申、张重禄、吴湘滨、程星

主题词

岩溶，公路，修筑，成套技术

关键词

岩溶公路修筑区划地理信息系统地质勘察稳定性评价筑路材料工程处治环境保护

摘要：

岩溶地区公路建设面临工程技术、环境保护和可持续发展等诸多难题。

本项目通过多种技术手段相结合的方法，对岩溶地区公路建设中“勘察岩溶、评价岩溶、利用资源、处治病害、保护环境”等关键技术问题进行了深入系统的研究。

在岩溶地区公路工程地质勘察、公路基础稳定性评价、筑路材料资源利用、公路工程病害处治和公路岩溶环境保护等五大方面取得了26项科技成果，其中创新性成果12项；

提出了公路工程岩溶环境评价、公路路基岩溶病害评价、溶洞影响下桥梁桩基承载力评价和隧道围岩稳定性评价等4项评价方法；

编制了5套岩溶地区公路修筑实用技术指南；

开发了基于GIS的公路工程岩溶环境区划和公路工程岩溶环境地理信息系统2个综合信息平台。

各项成果已得到大规模应用、验证和推广，为岩溶地区公路规划、勘察、设计、施工和管理提供了技术支持，为相关技术规范的修编提供了科学依据，取得了显著的社会、经济和环境效益，具有广泛的实用价值和推广应用前景。

Abastract:

Highwayengineeringinkarstareashasmanychallengeableproblemssuchasengineeringtechniques,environmentprotection,sustainabledevelopmentetc.Baseontheapplicationofmulti-methodologies,thekeytechniquesofhighwayengineeringinkarstareasincludingcavity/cavedetection,karstevaluation,resourceutilization,distresstreatment,environmentprotectionarecomprehensivelystudied.26termsoftechniquesforengineeringgeologicalinvestigation,syntheticevaluationofroadbedstability,utilizationofroadbuildingmaterials,countermeasuresforkarstdiseasesandenvironmentalconservationduringhighwayconstructionhavebeenputforwardsystematically.4termsofevaluationmethodsonthehighwayenvironment,embankmentdiseases,carryingcapacityofpilefoundationandstabilityofsurroundingrockoftunnelovercavernousbedrockinkarstareashavebeenestablishedconsequently.5guidesforhighwaydesignandconstructioninkarstareasareformed.AreaplanningdivisionandpracticalsoftwareforhighwayengineeringinkarstareasusingGIStoolsaredeveloped.Theaboveresearchachievementshavebeenappliedandverifiedinanumberofexperimentalprojects.Theseachievementsguidehighwayplanning,investigation,design,constructionandmanagementpowerfullyandprovidethescientificbasisfortherevisionofcorrelatedtechnologystandards,thereforehaveconsiderablesocial,economicandenvironmentalbenefits,aswellasgreatpromotionandapplicationfuture.

1前言

岩溶在我国分布广泛，全国岩溶总面积达363多万km2，占国土面积的1/3以上，西南的贵州、云南、广西、四川、重庆，以及中南的湖南、湖北、广东则是我国岩溶最为发育的地区，并构成了世界上最大的连片裸露型岩溶区。

岩溶地区特殊的地质地貌、气象水文和自然生态环境，使公路工程与岩溶环境的相互作用极其显著。

针对复杂的岩溶环境条件，原有的工程技术将难以支撑新一轮的公路设施建设。

2002年，交通部将“岩溶地区公路修筑成套技术研究”列为西部交通建设科技项目，分四个专题对岩溶地区公路修筑技术进行深入系统的研究。

（1）岩溶地区公路工程地质勘察与综合评价技术研究（贵州省交通规划勘察设计研究院）；

（2）岩溶地区公路基础设计与施工技术研究（贵州省公路工程总公司）；

（3）岩溶地区筑路材料研究（贵州省交通科学研究院）；

（4）岩溶地区公路建筑环境保护研究（湖南省交通规划勘察设计研究院）。

本项目的研究目标是为岩溶地区公路工程建设提供可靠的理论和技术支持，并为相关技术规范的修订或编制提供科学依据和研究积累。

项目成果旨在提高我国西部岩溶地区公路交通的建设水平和科技含量，确保公路工程质量，降低工程造价，促进岩溶地区公路交通与环境保护的协调发展，推动区域经济发展和社会进步，意义重大。

项目主要研究内容：

（1）公路工程岩溶环境区划和地理信息系统

（2）公路工程岩溶环境勘察与综合评价技术

（3）岩溶地区公路工程资源开发与利用技术

（4）岩溶地区公路工程病害处治技术

（5）公路工程岩溶环境保护技术

本项目综合考虑公路建设与岩溶环境之间的相互作用，以“岩溶环境的勘察、评价、利用、处治和保护”为宏观技术理念，充分借鉴国内外的先进研究成果，积极吸收成熟的工程经验，通过理论分析、数值模拟、模型试验、室内试验、依托工程验证等技术手段，对岩溶地区公路修筑的成套技术进行研究。

2公路工程岩溶环境区划

（1）总结了岩溶的发育条件和发育规律，以及岩溶的地貌类型和常见形态；

通过现场调研和试验，分析了岩溶地区典型岩土体碳酸盐岩和红粘土的微观结构、物性参数和基本物理力学性质，进一步明确了岩溶地区公路工程建设的地质地貌环境背景特征，为岩溶地区公路建设的勘察评价、资源利用、工程处治和环境保护提供了重要的基础资料。

（2）通过广泛调查和研究，以贵州为依托，在我国首次建立了公路工程岩溶环境区划。

1）区划原则：

综合考虑岩溶地区地质地貌、工程材料、生态环境等16个环境因素，根据各因素对公路建设影响的特点和程度将岩溶地区划分为若干区域；

2）区划方法：

各环境因素构成区划的指标体系，采用层次分析法建立区划模型，并分析、计算各项指标对公路建设的影响权重，运用GIS技术实现区域公路工程岩溶环境区划；

3）区划结果：

划分为西部高－中影响区、东北部中－高影响区、中部中等影响区和低影响区，并分析了各区岩溶环境条件对公路路基路面设计的影响。

实现了岩溶自然环境、地质条件、筑路材料等多个方面数据的集成与利用。

（3）基于公路工程岩溶环境区划，以及岩溶地区筑路技术的各项研究成果，以贵州省为依托，通过相关属性数据与空间数据的有机结合，初步建立了我国第一个公路工程岩溶环境地理信息系统，为公路工程岩溶环境区划、材料分布与利用、工程病害与处治、环境评价与保护等提供了信息基础和决策支持。

1）实现公路工程岩溶环境信息的可视化管理、快速查询、统计、维护和专题图制作等功能；

2）有助于工程技术人员快速掌握公路沿线的岩溶地质条件、自然环境特点、筑路材料分布、潜在工程病害和环境影响，明确相应的对策措施。

3公路工程岩溶环境勘察与综合评价技术

3.1勘察技术

（1）为与公路工程建设过程相适应，将岩溶地区公路工程地质勘察划分为可行性研究勘察、初步工程地质勘察、详细工程地质勘察和施工地质勘察四个阶段，并提出了各个阶段的勘察目的、优化的勘察技术组合方式、详细的勘察方法和勘探点、线、网的合理布置原则，创建了岩溶地区公路工程地质综合勘察技术体系，如表1所示。

（2）通过归纳总结其他行业的研究成果和工程经验，完善和丰富了岩溶地区工程地质调绘、遥感图像解译、工程地质钻探等勘察方法，为现行《公路工程地质勘察规范》相关内容的修编提供了依据。

1）提出了岩溶地貌、地层、岩性、地质构造、洞穴、水文地质和覆盖层等的具体调绘要求；

表1岩溶地区公路工程地质综合勘察技术体系

勘察阶段

勘察目的

主要勘察方法

备注

可行性研究勘察

了解公路沿线岩溶发育状况和水文地质情况，掌握区域性岩溶发育规律及其对路线的影响，查明岩溶洞隙、土洞的发育条件，并对其危害程度和发展趋势作出判断，对选择线路走廊带的场地稳定性和工程建设的适宜性作出初步评价，为优选线路方案提供地质依据

中小比例尺调绘

（一般采用1：

5000~1：

50000）

包括：

实地调绘

遥感图像解译

可适当地利用简易勘探方法和少量物探，也可布置少量钻探

初步勘察

查明岩溶及其伴生土洞、塌陷的分布、发育程度、发育规律，并按场地的稳定性和适宜性进行分区

大比例尺调绘

500~1：

2000）

综合物探

调绘和物探发现的异常地段，布置验证性钻孔

详细勘察

查明拟建工程范围及有影响地段的各种岩溶和土洞特征、岩溶堆填物性状和地下水特征，对地基基础设计和岩溶的治理提出建议

钻探

细部探测

补充综合物探

施工勘察

针对某一地段或尚待查明的专门问题进行补充勘察。

应特别查清路堑和隧道路基面以下的岩溶发育情况

宜在路基基本成型以后的路堑和隧道路基面上进行

2）系统总结了岩溶地貌、地下岩溶形态、地层、岩性等的直接或间接的地质解译标志；

3）提出了岩溶地区新的钻孔布置原则和钻孔深度要求，包括改“一桩一孔”为“按面积成孔”、根据岩体质量确定钻孔深度等。

（3）通过理论分析、数值模拟和室内外试验，研究了浅部岩溶地震勘探法、地质雷达勘探法、电法勘探等物探技术。

1）浅部岩溶地震勘探选择地震映像（或等偏移距）法和面波法为佳，反射波和折射波法难于胜任；

2）地质雷达可探测到规模较小的洞穴，但受地形、地貌、环境干扰因素影响很大，存在局限性、多解性；

3）三极剖面直流电测深法能较好地反映地下岩溶的分布规律，适合于复杂地形条件下的勘探；

电剖面法能够较准确地确定岩溶发育在横向上的影响范围；

高密度电阻率法改变了电阻率法勘探传统的工作模式，大大地提高了工作效率。

（4）在使用多种物探方法进行多场地野外综合对比试验的基础上，以经济、可靠为原则，提出了适合于岩溶地区公路工程勘察的物探方法及其组合方式，如表2所示。

并制定了合理的野外测线布置原则，显著提高了岩溶地区公路工程勘察中物探方法的精确性和符合率。

（5）通过理论分析、数值模拟和现场试验，开发了隐伏岩溶甚高频电磁波层析成像和三维直流电法两种探测新技术。

表2岩溶地区公路工程勘察的物探方法及其组合方式

勘察

阶段

工程

类型

场地条件

物探方法及其组合方式

一般情况

复杂情况

初勘

路

有覆盖层

高密度电法

高密度电法+浅层地震折射波法、反射波法、面波

桥

直流电法

三维电法或直流电法+反射波法

隧

浅埋

中~深埋

瞬变电磁法

或可控源音频大地电磁测深法

瞬变电磁法+反射波法、或可控源音频大地电磁测深法+反射波法

详勘

裸露地段

地质雷达

——

有覆盖层或埋深较大

层析成像

钻孔有水或钻孔灌水的保水效果好

声波层析成像（CT）

电磁波层析成像（CT）+

弹性波层析成像（CT）

钻孔距离较大

地震波层析成像（CT）

钻孔无水或钻孔灌水的保水效果差

甚高频电磁波层析成像（CT），电磁波频率要在60MHz以上

电磁波层析成像（CT），其电磁波频率在10~60MHz之间

可采用地震波层析成像（CT）

1）除了进行常规的电磁波速度和电磁波衰减层析成像之外，提出介质相对电导率和相对介电常数两个新解译参数进行层析成像，并编制了相应的反演求解软件，实现四参数综合判断，解决了既有物探方法在溶洞及其充填物判断方面多解性的难题；

2）在岩溶地区公路地质勘察中首次引入三维直流电阻率法，实现三维空间任意剖面的地质解释，大大提高了复杂条件下隐伏岩溶的勘察精度。

3.2综合评价技术

（1）根据岩溶发育规律和公路工程特点，提出了岩溶场地稳定性和岩溶地基稳定性的定性评价方法，为公路选线、结构选型（路基、桥梁等）和工程处治提供了重要依据。

1）以岩溶发育程度、岩溶水排泄状况以及其它不良地质条件为评判指标，将岩溶场地划分为极不稳定、不稳定、中等稳定和稳定四个等级；

2）以基岩体基本质量等级、厚跨比、土层厚度、基底面积等为评判指标，建立了不同公路结构物稳定地基的定性判定方法。

对于不确定地基，需进一步采取半定量、定量方法分析溶洞顶板稳定性。

（2）采用物理模拟、数值模拟、结构力学、模糊综合评判等方法，建立了溶洞顶板稳定性的评价模型和评价方法，并应用于实际工程溶洞顶板稳定性的评价。

1）设计了半卧式椭球体、半立式椭球体、半球体、方体等四种洞型的物理模型，揭示了不同洞型顶板的荷载－变形规律，表明类圆形（椭圆或圆形）溶洞稳定性远大于类方形，顶板厚度大的溶洞稳定性好，顶板跨度大的溶洞稳定性差；

2）采取DP模型模拟材料本构关系，应用ANSYS有限元软件进行上述四种洞型顶板稳定性的三维数值模拟分析，表明其顶板荷载－变形曲线与物理模型基本相似，且具有三次函数的分布规律；

溶洞顶部应力基本为拉力，且大小随距加载中心距离呈负指函数急剧减少；

3）基于结构力学分析方法，针对不同溶洞顶板岩层厚度、强度、溶洞跨径、支座岩层等条件，提出了抗弯验算、抗剪验算预估溶洞顶板稳定性的半定量方法；

4）以溶洞跨度、溶洞高度、溶蚀发育、溶洞充填情况等11个因素为一级因子，顶板岩层、溶洞特征和外加荷载等3个因素为二级因子，建立了溶洞顶板稳定性二级模糊综合评判方法。

（3）首次将多点位移计成功用于隐伏溶洞变形监测，用于量测荷载作用下溶洞顶板不同岩层及溶洞的变形，在此基础上自主开发了“隧道类工程变形监测方法与装置”，为溶洞顶板变形监控及稳定性评价提供了一种全新的可靠方法。

4岩溶地区公路工程资源开发与利用技术

4.1筑路集料

表3碳酸盐岩的物理力学性能

岩石类型

表观密度

/（g/cm3）

饱水抗压

强度/MPa

压碎值/%

洛杉矶磨耗率/%

磨光值

/PSV

200kN

400kN

石灰岩

2.573~2.650

129.0~139.0

3.1~5.2

9.9~12.5

18.0~31.0

33~52

白云岩

2.697~2.812

85.0~161.8

1.0~13.0

7.3~22.0

—

石灰岩及白云岩

2.566~2.744

93.0~148.7

1.3~15.3

16.8~24.9

17.0~32.0

28~52

过渡性碳酸盐岩

2.684~2.799

92.7~229.0

2.3~14.6

8.9~24.0

16.0~38.0

28~45

含燧石碳酸盐岩

2.610~2.722

85.0~302.0

9.4~13.0

17.6~22.0

12.0~28.0

38~51

（1）以贵州为依托，在详细的野外地质调查、公路工程料场实地调查和大量室内试验的基础上，建立了从岩石岩性、形成环境、地质时代、风化作用程度、节理构造发育程度预估集料物理力学性能的半定量关系，评价了岩溶地区主要石料类型用作公路工程集料的适宜性，并依据集料性能进行了类型划分，绘制了贵州岩溶地区公路工程集料分布图，实现了岩溶地区公路工程料场现场初步遴选。

表3为不同类型碳酸盐岩物理力学性能的统计结果。

（2）针对岩溶地区广泛分布的碳酸盐岩抗滑性能普遍较差的现状，基于石料微观摩擦原理，通过大量试验，遴选出硅质碳酸盐岩、锰铁合金渣和玄武岩三种地方性抗磨耗材料，有效解决了抗滑表层沥青混合料集料料源缺乏问题。

表4为三种抗磨耗集料的物理力学性能统计结果。

表4抗磨耗集料的物理力学性能

岩性

（BPN）

压碎值

（％）

冲击值

抗压强度（MPa）

磨耗值

（%）

视密度

（g/cm3）

吸水率

粘附性

（级）

玄武岩

40.7~57.7

9.0~22.1

3.0~18.0

116.0~193.7

9.4~29.1

2.832~2.968

0.81~3.72

4~5

硅质碳酸盐岩

36.8~47.7

12.8~19.9

6.8~16.0

13.4~24.4

2.696~2.858

0.4~0.9

锰铁合金渣

40.7~52.0

12.8~14.2

194.0~259.0

11.2~14.4

3.02~3.05

0.75~1.35

3~5

（3）针对上述三种地方性抗磨耗集料，通过理论分析和室内试验，提出了基于中心质结构模型的沥青混合料体积构成新原则和抗滑表层沥青混合料设计新方法，丰富了现有沥青混合料配合比设计方法。

1）通过理论分析，提出了基于中心质模型的沥青混合料体积构成新原则，以发挥中心质效应为原则，通过试验考察了粗集料的嵌挤及填充效应、细集料的填充及嵌挤效应和矿粉沥青胶浆的次中心质效应；

2）通过大量室内试验，建立了沥青混合料体积指标和路用性能与组成材料和集料级配之间的回归关系，在此基础上，以路用性能的稳定性为原则，提出了岩溶地区抗滑表层沥青混合料的技术指标体系和设计方法。

4.2路基填料

针对岩溶地区土质填料缺乏、石质填料丰富但路用性能差异悬殊的状况，从填料分类、压实质量检测、变形分析等方面形成了一套公路填石路堤修筑技术。

（1）通过分析岩溶地区石质填料的压实特性，以级配、强度和可压实性为主要指标，提出了公路路堤石质填料的分类新方法；

（2）通过室内模型试验，比较分析了瞬态冲击频谱法、动刚度法、附加质量法三种动测法检测填石体压实质量的适应性，表明附加质量法可较为简便和准确地测试填石路堤的压实质量，并建立了填石体的密度与参振质量的经验关系，提出了相应的填石路堤压实质量快速检测方法；

（3）分析了填石路堤在行车荷载作用下工后沉降的力学机理，提出了基于遗传算法的填石体本构模型参数优化反演方法，以及考虑时效性的填石路堤沉降分析方法。

4.3机制砂高性能混凝土

针对部分岩溶地区河砂资源匮乏、机制砂石粉含量高的现状，通过大量室内试验，分析和总结了石粉含量对机制砂高性能混凝土性能的影响规律，以及高石粉含量高性能混凝土的配制技术，突破了机制砂高性能混凝土石粉含量界限，扩大了机制砂在高性能混凝土中的应用范围，节约了工程造价。

（1）分析了机制砂中石粉含量对C50~C80高性能混凝土的工作性、强度、掺合料掺量、变形性能和耐久性等的影响规律和机理。

表明配制高性能混凝土的机制砂中石粉含量可以适当放宽：

C50~C60可放宽至10.5%，C80可放宽至5%~7%；

（2）提出了C50~C80机制砂高性能混凝土的典型配合比，如表5所示。

表5C50～C80机制砂高性能混凝土的典型配合比

等级

石粉含量

水胶比

胶凝材料用量（kg/m3）

外加剂

工作性（mm）

抗压强度

水泥

粉煤灰I

矿粉

硅灰

坍落度

扩展度

R7

R28

C50

7%

0.35

480

1.0%

180

400

60.3

73.3

PO42.5

408

72

C60

0.32

530

1.2%

215

500

72.1

79.7

PO52.5

470

60

C80

3.5%

0.25

600

1.6%

360

68.2

94.2

432

120

48

5岩溶地区公路工程病害处治技术

5.1桥梁桩基承载力评价

通过现场试验和数值分析，就隐伏溶洞对桥梁桩基承载特性的影响进行了深入研究，结合已有经验，建立了考虑溶洞影响的桥梁桩基设计承载力确定方法。

（1）隐伏溶洞对桥梁桩基承载特性的影响试验

1）以云南南盘江特大桥桥梁桩基为依托，通过现场桩基自平衡载荷对比试验，揭示了该工程实例中有溶洞影响和无溶洞影响的桥梁桩基承载特性：

溶洞对桩基承载特性的影响主要表现为对桩侧摩阻力的影响，对上段桩主要影响其临界位移，即有溶洞影响的桩基发挥极限摩阻力所需位移较大；

而对下段桩的临界位移和极限摩阻力均有影响