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道路地下空洞处理方案设计的探讨

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  梁 操
  (中交(广州)铁道设计研究院有限公司,广东 广州 510000)摘 要: 受到基建施工以及地下管道破损的影响,一些道路发现空洞并出现塌陷和倾斜,对群众的生命安全构成很大的威胁,故对道路地下空洞的危险性不得不及时处理。探地雷达技术检测病害发育情况可较快确定空洞的处理方案,道路地下空洞处理方案主要有注浆、开挖回填等常见手段。文章对道路地下空洞处理方案设计的探讨,通过介绍已完工的项目案例为空洞处理提供参考。
  关键词: 道路地下空洞;病害检测技术;注浆;开挖回填 1 项目概况工业大道是海珠以及番禺等广州南部地区连接珠江北岸的必经之地,是一条西北至东南走向的城市 I 级主干路。本次旧路改造的工业大道全长约 3.9 公里,宽 31.5~45 米。在道路改造施工过程中,发现机动车道路面及人行道下有较多空洞,现状路面已出现明显的塌陷和倾斜。鉴于工业大道已发生多起道路路面下陷事故,对群众的生命安全构成很大的威胁,因此对其危险性不得不及时进行处理。通过现场的视察,以及采用探地雷达技术对病害进行检测,主要是确定测线上的病害发育情况,如空洞、不密实、沉降等的发育范围,并根据检测报告,进行本次处理方案的设计。
  2 现状调查及结论
  2.1 检测方法及工作原理
  工业大道的道路病害调查委托相关单位采用探地雷达技术进行道路检测。检测场地表层为沥青砼面层或水泥砼路面,其下为水泥稳定层,基层多为素填土和粉质粘土。水泥砼面层、水泥稳定层、基层之间均存在一定的介电常数差异,当出现空洞、下沉等病害时,这种介电常数差异会加大,电磁波反射会出现明显的异常,因而适于采用地质雷达检测。由于探测深度较浅(≤ 300cm),测线工作量较大,因此必须选用高速、高分辨率的高新技术——探地雷达方法进行检测。
  探地雷达勘探是以地下不同介质的介电常数差异为基础的一种物探方法。它通过发射天线向地下发射高频电磁脉冲,此脉冲在向地下传播过程中遇到地层内的物体及地层的介电常数变化界面时会产生反射波。反射波传播回地表后被接收天线所接收,并将其传入主机进行记录和显示,每一测点接收到一道雷达波形,一条测线上全部测点的雷达波形排列在一起,形成完整的雷达剖面,经过资料的后处理,进行滤波及反演解释等便可得到地下地层(如面层、水稳层)或地下异常(如空洞、密实度差、下沉等)的位置、分布范围、埋深等参数。
  2.2 检测分析
  探地雷达所采集的原始记录输入计算机后使用专业的后处理软件进行编辑、滤波、振幅均衡等处理后,形成供解释用的剖面,进行地质解释,得到最终结果。
  2.2.1 定性解释
  从雷达所做的时间剖面看,有较高的分辨率和信噪比。在地质雷达实测剖面上可清晰地见到砼面层底界面的反射波,呈现出清晰的连续的反射波同相轴,当有脱空出现时,反射波会进行多次反射,相应位置的反射波幅度因此明显增强、频率变低。
  检测的三个典型雷达实测剖面表现为 :
  (1)路面下基本无异常的路段,各层位的反射清晰,基层及以下无紊乱的或加强的反射波出现,波型平坦。
  (2)不密实的反射,图中圈闭范围内 1-2.5 米深度范围内的反射波出现振幅加大、波形紊乱等现象,是密实度较差的波形反应,其要源在于密实度较差的基层会出现小空洞,导致反射振幅加强并会错乱。
  (3)有下沉趋势的典型剖面:从两侧向中间的倾斜同向轴,而且很多单波形都呈现同样的倾向,这是由于中间部位的基层出现下沉倾向而引起相应波形特征。同时,在这些下沉区域的中下部,振幅大大增强,有时还出现弧状异常,这是出现空洞的波形反映。
  2.2.2 定量解释
  本次检测,对病害本身是定性的,但病害的深度需要进行定量解释。
  根据雷达的时间剖面,按以下公式可将时间转换为深度 :
  式中 :T -雷达反射波的双程旅行时间 ;
  V -不同介质中的电磁波速度 ;
  水泥砼面层、水稳层的电磁波速度一般介于 0.08~0.12m/ns,基层的电磁波速度一般介于 0.06~0.10m/ns。为方便处理,统一采用波速度 0.10m/ns 进行定量解释。由此速度再根据反射时间即可得到砼面层、水稳层的厚度及病害的深度。为减少雷达测距与公路里程标志的差异,在检测中,用测线里程对剖面进行整体校正。
  2.3 检测结论
  本次检测采用了探地雷达工程物探方法,其结论可作为路面治理的参考依据。对于本次雷达探测的危险区、较危险区,应引起相关部门的重视,特别是危险区,其基层的结构有一定的变动,形成空洞的可能性较大,应采取有力措施保证路面安全。
  3 道路地下空洞形成的原因分析
  工业大道由于是海珠以及佛山等广州南部地区连接珠江北岸的必经之地,众多工程在路段汇集。地下空洞的形成是很复杂的,根据现场的施工,资料的分析,形成空洞的原因不外乎以下几种 :
  (1)基建施工的影响。如地铁,深基坑等,施工中由于地层扰动,大量地下水渗出,使其上部或周围疏松土层中的泥沙大量带走,逐渐形成空洞。
  (2)管道施工特别是非开挖施工。管道开挖施工回天碾压不实,非开挖施工封堵注浆不严,使地下水沿管道流动,带走泥沙使管道上方疏松地层部位形成空洞。
  (3)道路施工中碾压不实,形成松散层,由于长期的震动或碾压,在刚性路基下部土层逐渐下沉形成空洞。
  (4)地下管道破损,如给、排水管道破损造成漏水,冲刷周围土层使管道附近形成空洞。
  根据以上空洞形成原因分析,不管是哪种空洞,其形态都具有共同特点,就是规模大小不一、形状不规则、无明显走向和延伸。 4 空洞处理方案
  4.1 设计原则
  地下空洞为道路能否安全运行的主要隐患,是城市主要的地质灾害之一。
  (1)治理空洞原则 针对道路的病害类型和损坏程度,通过明确病害成因制定出能够解决现状道路所存在病害问题的技术设计,杜绝类似病害的再次出现。
  (2)节省造价原则 本次道路地下空洞范围较大,其中危险区和较危险区部分约为 1.3 万平方米,充分考虑经济因素,节省工程造价。
  (3)维持现状原则 对路面的改造尽可能不改变现状道路标高和道路红线范围,避免征地拆迁和影响周边现状。
  (4)提升功能原则 道路是城市运转的动脉,并且在亚运期间承担重要的交通功能,对存在病害的旧路进行必要的维修和改良以保证其正常运转,对城市发展发挥更大的作用。
  4.2 设计方案
  4.2.1 方案一 :充填注浆
  根据浆液对岩土体的作用机理、浆液的运动形式和替代方式,静压注浆法分为充填注浆、渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆等多种类型。
  在本工程里,由于雷达探测探出路面以下有多处空洞,并连成一片,具有大裂隙、洞穴等特征。根据以上注浆类型的适用范围,采用充填注浆法。
  针对雷达探测的部位,先进行级配料充填(有空洞处);后进行压力灌浆,并按照分时分段、少灌多复的原则实施。
  (1)级配料充填
  对于空洞处,边钻边充填级配料,一般先从最细一级开始,当用相当数量细骨料充填满钻孔时,利用钻机反复扫空,再填较细骨料,直至较细一级骨料不能再填入,可视灌浆条件已形成。实施过程中应尽多地填入级配料,形成良好的可灌浆条件,并防止骨料卡钻,造成“假满”现象。
  (2)压力灌浆
  当形成灌浆条件后,级配料充填结束,采用空口封闭、孔内循环、自上而下、分段分时,在一定灌浆压力下灌注一定比例的水泥、砂及化学浆液,使浆液首先充填裂隙和空洞,并沿弱应力或小主应力面发生劈裂。随着注浆量和浆压力的增加,灌注的浆液在土层中扩散、延伸、挤密,最终固结,从根本上改变土体的物理力学性质和对外力的反应机制,提高土体强度,达到加固地基的目的。
  (3)施工措施
  施工工艺流程 :布孔→钻孔→预埋注浆管→级配料充填→制浆→灌浆→跟踪观测→注浆参数综合控制→终灌封孔根据空洞部位确定孔口位置和深度,成孔时须注意地下管道、电缆、土工布等等,保证准确无误。采用钻机,泥浆护壁钻进,孔深至回填图层的底部。浆液采用普通硅酸盐水泥,水灰比不小于 0.5,采用少灌多复,自下而上分次灌注的方式施工。
  注浆量、注浆流量、注浆时间三者之间具有紧密关系,但是它们取决于地基土体的性质和浆液的渗透性等因素。在进行大规模注浆施工时,宜在施工现场进行试验性注浆以确定上述三个设计参数。浆液有效扩散距离或扩散半径根据现场试验确定。注浆量和注浆有效范围应通过现场注浆试验确定,在粘性土地基中,浆液注入率宜为 15%-20%。注浆点上的覆盖土厚度应大于 2m。在砂土中,注浆压力宜选用 0.2-1.5MPa ;在粘性土中,宜选用 0.3-0.6MPa。
  (4)监测和检验
  对于土层注浆加固,可利用开挖、标准贯入试验、静力触探法、压板载荷试验等进行检验或检测。
  4.2.2 方案二 :开挖回填
  开挖回填是指将道路路面全部挖开至空洞处,再按照路基施工要求进行回填至路床,再铺设路面。路基必须密实、均匀、稳定。路槽底面土基设计回弹模量值宜大于或等于 30MPa。土质路基压实应采用重型击实标准控制。确有困难时,可采用轻型击实标准控制。土质路基的压实度需满足规范的规定。回填完毕后,新建道路基层,恢复原水泥路面,并加铺沥青。
  4.2.3 方案三 :充填注浆与开挖方案相结合
  针对既有开挖的空洞,可以采取充填注浆与开挖方案相结合。对已暴露出来的空洞,可以更有效的进行地基加固处理。
  对于人行道的空洞,采用开挖回填方案进行处理 ;对于已发生沉陷的机动车道,并已将水泥混凝土板打掉的路段,采用充填注浆处理 ;
  对于未出现沉陷,但有雷达探测显示有空洞的路段,采用充填注浆处理。
  4.3 方案比较
  鉴于以上 3 种方案均可以采用,从技术方法、经济、交通影响及处理效果等方面做个比较。
  5 结语
  由于检测路段较长,未进行钻探、开挖标定,异常判定仅依据波形特征,有误判可能。同时由于测线上管线较多,一定程度上也对检测产生了影响。本次雷达成果的解释仅依据波形特征而得出的,因此建议对雷达成果的使用应结合开挖及钻探成果一起使用。在进行具体的空洞处理方案设计时,要对各种方案进行充分的研究,综合考虑具体工程的地质条件、使用要求、现场施工条件,以及对周围环境的影响等因素,选择最适宜的方案。
  参考文献 :
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