论文部分内容阅读
针对公路工程中炭质泥岩路段出现的病害，如边坡塌方、路堤滑移、沥青路面纵向开裂、结构物偏位等，文章从地形条件、水患、炭质泥岩的特性以及造成病害的机理进行分析，探讨病害的成因，并提出具体的处治方案，为类似工程施工提供技术和经验参考。
炭质泥岩;病害;源头治理;方案
0 引言
我国幅员辽阔，基础设施建设过程中难免会遇到复杂的地质情况，炭质泥岩便是其中之一。公路工程在施工阶段甚至通车以后，发生上边坡滑塌、路面纵向开裂、涵洞墙身错台渗水等病害屡见不鲜，更有甚者，还会出现路堤滑移、桥墩偏位等工程事故。出现此类病害的原因并非仅仅是施工不规范那么简单，实有鲜为人知的复杂地质条件所致，这就是人们常说的地质灾害。其中炭质泥岩也是重要的影响因素，不了解它的特性及引起病害的机理，对施工后的工程质量很可能会造成不可估量的严重影响。为了从根源上解决炭质泥岩所带来的问题，经过深入分析，结合多年的施工经验，本文提出了彻底挖除覆层形成大台阶、设计群桩、增加抗滑桩等可行的处治方案，以达到治理的目的。
1 炭质泥岩的特性
广西六寨至河池高速公路南丹六寨境内山高坡陡、水系丰富隐蔽、地形地质复杂、桥隧比高，更严重的是炭质泥（灰）岩分布广泛，给高速公路建设带来很多不利因素。在建设过程中有些涉及炭质泥岩的问题由于案例太少甚至无经验可循，以致炭质泥岩路段出现了一些病害但未做防范，如边坡塌方、路堤滑移、結构物侧倾等，事后建设者对这些导致病害产生的炭质泥岩及其所在路段作了科学分析。经研究发现，炭质泥岩一般有地表土的覆盖，覆盖层有厚有薄且与炭质泥岩分界明显，挖到界面后即发现呈黑灰色的炭质泥岩，常以层状的形态出现，一般抗压强度为20 MPa左右，岩性随开挖深度的增加会由弱变强，越往下挖越硬。炭质泥岩因含有风化基质所以易风化，同时含有碳质成分，本路段有一个隧道挖出的炭质泥岩洞渣在弃土场就多次发生过自燃现象。炭质泥岩岩体结构性差，遇水易湿化崩解，暴露后易开裂风化呈泥炭土，说明炭质泥岩的公路工程性很差。
2 炭质泥岩路段存在的病害及原因分析
2.1 路堑上边坡塌方、滑坡
公路路堑按设计开挖后，如果顺着坡面的较厚覆盖表土层与炭质泥岩顶部形成一个倾斜的界面，边坡下方挖除后，界面上方荷载增大，抗滑力小于往下的重力分力，炭质泥岩暴露后风化或遇水崩解，都极易导致边坡塌方或滑坡，即使进行了常规的骨架植草防护、坡面浆砌片石防护也不牢固，所做的防护也将损毁。在六寨至河池高速公路K11+400～K11+460段左上边坡即是如此，第一次植草防护不成功，第二次浆砌片石仍有大部分损毁，由于只有6 m高的边坡，最后将边坡挖成1：1.5坡率后再做防护。
2.2 路堤下边坡挡土墙、排水沟损毁
在斜山坡上开挖纵向台阶全断面填筑或半挖半填的路堤，在其下边坡坡脚修筑挡土墙或排水沟，由于开挖基坑后破坏了原状土稳定，加上填筑路堤、墙背回填增加了荷载，使炭质泥岩界面从坡顶往坡脚倾斜形成滑移面，新的排水沟、挡土墙承受不住土体的侧压力，从而导致滑移、倾覆损毁。在本项目K19+700～K19+870段右下边坡出现了这种情况。根据一段时间的观测，发现该段路堤持续下滑，最后决定卸载重新挖至炭质泥岩坚硬面，修整成大面台阶，再重新填筑，至今通车多年没有出现问题。
2.3 半山腰上的路堤滑移、通道变形破坏
本项目K17+400～K17+600段路基中心填土高度<20 m，位于倾斜的半山坡上，因排水和通行的需要设计有4 m×4 m的通道，路线纵向依山而建，地表覆盖层与炭质泥岩界面从坡顶往坡脚倾斜形成滑移面，在路堤填筑时仅仅按设计及施工规范清表、挖台阶、填前压实，然后填筑，其后果是填土越高越容易产生滑移，结果出现下边坡受力拱起的情况。
通道施工过程中基坑设计入岩深度不足，另外也有可能挖至设计标高后基底承载力不足，需换填碎石或浆砌片石处理。可是经过路堤填筑加载后，由于其基底施工时藏水或地表水渗入，基底的炭质泥岩遇水软化，加之增加荷载后整段路基不稳定，也牵引通道产生位移、变形破坏。
2.4 路堤边坡下沉牵引路面纵向开裂
本项目一些地形复杂路段利用经试验合格的炭质泥岩填筑高路堤，虽采用黏土包边处理工艺，但涵洞或排水沟常有排水不通畅、不及时的情况或因其他原因使水渗入路堤，不用多久即导致路堤渗水段轻度下沉，从而牵引路面纵向开裂。如K18+365～K18+375原计划回填上游的低洼地，以抬高水位由已建成的涵洞排水，后因群众不同意回填低洼地导致路基被积水浸泡。当水浸入炭质泥（灰）岩路基后，炭质泥（灰）岩软化下沉，反射至路面出现拉裂现象。
2.5 桥梁墩柱偏移
高速公路两山谷或河流间设计大桥跨越，在炭质泥岩区域两桥台的选址非常重要。如果位于半山腰且桥头有填方的，填筑基底是在炭质泥岩之上的，桥头填筑施工尤其是轻型桥台稍有不慎，容易受侧压出现倾斜偏位。K22+043段白岩脚大桥0#桥台正是这个原因偏位后重新改成双排桩基加承台。重力式桥台台背回填时基底不平、在地下有渗水的情况下处理不彻底，填筑后也会影响桥台的稳定性。K22+043段白岩脚大桥24#桥台背回填时就是全部整平底部并浇筑一层20 cm厚的混凝土，同时做好盲沟排水，效果很好。
2.6 隧道洞口上方滑塌、掘进时拱顶涌水掉块、初支拱架变形
炭质泥岩隧道洞口开挖前常有一层覆盖层，开挖边、仰坡时，覆盖层极易坍塌，为洞门、管棚施工埋下安全隐患。进洞后围岩多为Ⅴ级、Ⅳ级，炭质泥岩量值大、变形快、持续时间长、强度低，围岩受开挖扰动，容易掉块，有涌水时更甚。格栅钢架或钢拱架安装及初喷后，围岩压力易使初喷胀裂、钢架变形。本项目有两座短隧道存在这种情况。 3 源头治理措施
3.1 预防路堑上边坡塌方、滑塌
避免在雨季施工，做好排水设施。对于高度为一级以内（10 m）的上边坡可采用放缓边坡卸载、增设坡脚挡土墙、坡面及时喷播厚层混凝土基材植被的组合防护模式;对于较高的二级以上的上边坡视边坡的大小采用放缓边坡、增设坡脚抗滑桩和坡面格梁锚杆（锚索）、及时挂网喷播厚层混凝土基材植被等多种组合防护模式。
3.2 预防半山腰上路堤滑移及涵排水结构物、通道、挡土墙损毁的措施
综合来看，造成这些问题的根本原因在于地面覆盖层和炭质泥岩的界面倾斜，经过路堑开挖、路堤填筑、行车加载后界面上的重力分力大于摩擦力致使路堤失稳。此时界面形成滑移面，路堤失稳的下滑推力相当大，几十米外的下边坡会出现多处拱起的现象。要避免这些情况的发生，首先避免在雨季施工，做好
排水设施，再根据不同的地形和路堤填筑高度需采取不同的措施。一般来说，高度<12 m的路堤在填筑前应该先行把原地面覆盖层和炭质泥岩较软弱层挖除，整平成一个宽度>4 m（宽度视情况定，越宽越好）的反向台阶，然后快速填筑优质填料（不建议填筑片石，因为有可能渗水使基底被软化），及时封闭，避免湿水暴晒;高度>12 m的路堤则应该在路堤下边坡坡脚增加抗滑桩，抗滑桩的规格根据现场实际情况而定，而且须优先施工抗滑桩。在这些路段的涵洞应避免做成阶梯式，同时，涵洞、挡土墙和台背回填等基底要加深入岩深度，整平后用混凝土及时封闭并做好排水设施，然后进行下一道工序。整个施工过程要求组织合理、严密配合、施工紧湊。
3.3 预防桥梁墩柱偏位的措施
就设计而言应选择合理的桥台位置和桥长，在地质条件特别差的位置建议采用双排桩基或群桩加承台设计，同时避免桥头出现大填方高路堤最为有利。施工方面除应采取如上述填筑路堤、施工结构物的措施外，仍应优先施工路堤和排水设施，稳定的路堤和合理的排水能减少对桥梁墩柱、桥台的扰动，确保墩柱、桥台的稳固性。
3.4 炭质泥岩区域的隧道进洞施工方式
严禁大挖，宜少开挖，比较推荐“零开挖”进洞方式。即通过精心测量，找到洞顶覆盖层厚度有60 cm左右的横断面位置进洞，有偏压的情况则应在侧面合适位置浇筑洞口侧墙，回填反压土后在洞门施作加长管棚及双导管超前支护。根据“早进洞、短进尺、少扰动、强支护、早封闭、勤量测”的原则开挖进洞，同时根据监控量测数据分折洞身结构的稳定性，采用合适的支护参数，要求预留变形量取大值（最大时有22 cm），优先用Ⅰ20型钢钢拱架，间距50 cm，辅以注浆加固、加长锚杆、增加锁脚锚杆、增加垫板等措施，使钢拱架牢固，围岩体自稳。当有拱顶涌水掉块，可先喷射混凝土封闭掌子面，挂防水板作掩护体，打孔、插PVC管沿洞壁往下引排，用水泥-水玻璃双液间隔跳孔超前注浆直至封住涌水。随后依次进行后续工序，施工中做到快挖、快支、快封闭，仰拱及时跟上，适时施作二衬。
4 结语
炭质泥岩给高速公路建设带来了一定的困扰，但并非不可克服。本文六寨至河池高速公路施工实例证明上述炭质泥岩病害的源头治理方案是有效的，希望能为后继类似地质情况的工程建设提供借鉴。
[1]JTG F10-2006，公路路基施工技术规范[S].
[2]JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].
[3]JTG F80/1-2017，公路工程质量检验评定标准[S].
[4]JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范[S].
[5]王万昌.炭质泥岩边坡防治技术研究[D].南宁：广西大学，2006.
[6]莫 凯.炭质泥岩水理特性及路堤工后动力变形特征研究[D].长沙：长沙理工大学，2013.
炭质泥岩;病害;源头治理;方案
0 引言
我国幅员辽阔，基础设施建设过程中难免会遇到复杂的地质情况，炭质泥岩便是其中之一。公路工程在施工阶段甚至通车以后，发生上边坡滑塌、路面纵向开裂、涵洞墙身错台渗水等病害屡见不鲜，更有甚者，还会出现路堤滑移、桥墩偏位等工程事故。出现此类病害的原因并非仅仅是施工不规范那么简单，实有鲜为人知的复杂地质条件所致，这就是人们常说的地质灾害。其中炭质泥岩也是重要的影响因素，不了解它的特性及引起病害的机理，对施工后的工程质量很可能会造成不可估量的严重影响。为了从根源上解决炭质泥岩所带来的问题，经过深入分析，结合多年的施工经验，本文提出了彻底挖除覆层形成大台阶、设计群桩、增加抗滑桩等可行的处治方案，以达到治理的目的。
1 炭质泥岩的特性
广西六寨至河池高速公路南丹六寨境内山高坡陡、水系丰富隐蔽、地形地质复杂、桥隧比高，更严重的是炭质泥（灰）岩分布广泛，给高速公路建设带来很多不利因素。在建设过程中有些涉及炭质泥岩的问题由于案例太少甚至无经验可循，以致炭质泥岩路段出现了一些病害但未做防范，如边坡塌方、路堤滑移、結构物侧倾等，事后建设者对这些导致病害产生的炭质泥岩及其所在路段作了科学分析。经研究发现，炭质泥岩一般有地表土的覆盖，覆盖层有厚有薄且与炭质泥岩分界明显，挖到界面后即发现呈黑灰色的炭质泥岩，常以层状的形态出现，一般抗压强度为20 MPa左右，岩性随开挖深度的增加会由弱变强，越往下挖越硬。炭质泥岩因含有风化基质所以易风化，同时含有碳质成分，本路段有一个隧道挖出的炭质泥岩洞渣在弃土场就多次发生过自燃现象。炭质泥岩岩体结构性差，遇水易湿化崩解，暴露后易开裂风化呈泥炭土，说明炭质泥岩的公路工程性很差。
2 炭质泥岩路段存在的病害及原因分析
2.1 路堑上边坡塌方、滑坡
公路路堑按设计开挖后，如果顺着坡面的较厚覆盖表土层与炭质泥岩顶部形成一个倾斜的界面，边坡下方挖除后，界面上方荷载增大，抗滑力小于往下的重力分力，炭质泥岩暴露后风化或遇水崩解，都极易导致边坡塌方或滑坡，即使进行了常规的骨架植草防护、坡面浆砌片石防护也不牢固，所做的防护也将损毁。在六寨至河池高速公路K11+400～K11+460段左上边坡即是如此，第一次植草防护不成功，第二次浆砌片石仍有大部分损毁，由于只有6 m高的边坡，最后将边坡挖成1：1.5坡率后再做防护。
2.2 路堤下边坡挡土墙、排水沟损毁
在斜山坡上开挖纵向台阶全断面填筑或半挖半填的路堤，在其下边坡坡脚修筑挡土墙或排水沟，由于开挖基坑后破坏了原状土稳定，加上填筑路堤、墙背回填增加了荷载，使炭质泥岩界面从坡顶往坡脚倾斜形成滑移面，新的排水沟、挡土墙承受不住土体的侧压力，从而导致滑移、倾覆损毁。在本项目K19+700～K19+870段右下边坡出现了这种情况。根据一段时间的观测，发现该段路堤持续下滑，最后决定卸载重新挖至炭质泥岩坚硬面，修整成大面台阶，再重新填筑，至今通车多年没有出现问题。
2.3 半山腰上的路堤滑移、通道变形破坏
本项目K17+400～K17+600段路基中心填土高度<20 m，位于倾斜的半山坡上，因排水和通行的需要设计有4 m×4 m的通道，路线纵向依山而建，地表覆盖层与炭质泥岩界面从坡顶往坡脚倾斜形成滑移面，在路堤填筑时仅仅按设计及施工规范清表、挖台阶、填前压实，然后填筑，其后果是填土越高越容易产生滑移，结果出现下边坡受力拱起的情况。
通道施工过程中基坑设计入岩深度不足，另外也有可能挖至设计标高后基底承载力不足，需换填碎石或浆砌片石处理。可是经过路堤填筑加载后，由于其基底施工时藏水或地表水渗入，基底的炭质泥岩遇水软化，加之增加荷载后整段路基不稳定，也牵引通道产生位移、变形破坏。
2.4 路堤边坡下沉牵引路面纵向开裂
本项目一些地形复杂路段利用经试验合格的炭质泥岩填筑高路堤，虽采用黏土包边处理工艺，但涵洞或排水沟常有排水不通畅、不及时的情况或因其他原因使水渗入路堤，不用多久即导致路堤渗水段轻度下沉，从而牵引路面纵向开裂。如K18+365～K18+375原计划回填上游的低洼地，以抬高水位由已建成的涵洞排水，后因群众不同意回填低洼地导致路基被积水浸泡。当水浸入炭质泥（灰）岩路基后，炭质泥（灰）岩软化下沉，反射至路面出现拉裂现象。
2.5 桥梁墩柱偏移
高速公路两山谷或河流间设计大桥跨越，在炭质泥岩区域两桥台的选址非常重要。如果位于半山腰且桥头有填方的，填筑基底是在炭质泥岩之上的，桥头填筑施工尤其是轻型桥台稍有不慎，容易受侧压出现倾斜偏位。K22+043段白岩脚大桥0#桥台正是这个原因偏位后重新改成双排桩基加承台。重力式桥台台背回填时基底不平、在地下有渗水的情况下处理不彻底，填筑后也会影响桥台的稳定性。K22+043段白岩脚大桥24#桥台背回填时就是全部整平底部并浇筑一层20 cm厚的混凝土，同时做好盲沟排水，效果很好。
2.6 隧道洞口上方滑塌、掘进时拱顶涌水掉块、初支拱架变形
炭质泥岩隧道洞口开挖前常有一层覆盖层，开挖边、仰坡时，覆盖层极易坍塌，为洞门、管棚施工埋下安全隐患。进洞后围岩多为Ⅴ级、Ⅳ级，炭质泥岩量值大、变形快、持续时间长、强度低，围岩受开挖扰动，容易掉块，有涌水时更甚。格栅钢架或钢拱架安装及初喷后，围岩压力易使初喷胀裂、钢架变形。本项目有两座短隧道存在这种情况。 3 源头治理措施
3.1 预防路堑上边坡塌方、滑塌
避免在雨季施工，做好排水设施。对于高度为一级以内（10 m）的上边坡可采用放缓边坡卸载、增设坡脚挡土墙、坡面及时喷播厚层混凝土基材植被的组合防护模式;对于较高的二级以上的上边坡视边坡的大小采用放缓边坡、增设坡脚抗滑桩和坡面格梁锚杆（锚索）、及时挂网喷播厚层混凝土基材植被等多种组合防护模式。
3.2 预防半山腰上路堤滑移及涵排水结构物、通道、挡土墙损毁的措施
综合来看，造成这些问题的根本原因在于地面覆盖层和炭质泥岩的界面倾斜，经过路堑开挖、路堤填筑、行车加载后界面上的重力分力大于摩擦力致使路堤失稳。此时界面形成滑移面，路堤失稳的下滑推力相当大，几十米外的下边坡会出现多处拱起的现象。要避免这些情况的发生，首先避免在雨季施工，做好
排水设施，再根据不同的地形和路堤填筑高度需采取不同的措施。一般来说，高度<12 m的路堤在填筑前应该先行把原地面覆盖层和炭质泥岩较软弱层挖除，整平成一个宽度>4 m（宽度视情况定，越宽越好）的反向台阶，然后快速填筑优质填料（不建议填筑片石，因为有可能渗水使基底被软化），及时封闭，避免湿水暴晒;高度>12 m的路堤则应该在路堤下边坡坡脚增加抗滑桩，抗滑桩的规格根据现场实际情况而定，而且须优先施工抗滑桩。在这些路段的涵洞应避免做成阶梯式，同时，涵洞、挡土墙和台背回填等基底要加深入岩深度，整平后用混凝土及时封闭并做好排水设施，然后进行下一道工序。整个施工过程要求组织合理、严密配合、施工紧湊。
3.3 预防桥梁墩柱偏位的措施
就设计而言应选择合理的桥台位置和桥长，在地质条件特别差的位置建议采用双排桩基或群桩加承台设计，同时避免桥头出现大填方高路堤最为有利。施工方面除应采取如上述填筑路堤、施工结构物的措施外，仍应优先施工路堤和排水设施，稳定的路堤和合理的排水能减少对桥梁墩柱、桥台的扰动，确保墩柱、桥台的稳固性。
3.4 炭质泥岩区域的隧道进洞施工方式
严禁大挖，宜少开挖，比较推荐“零开挖”进洞方式。即通过精心测量，找到洞顶覆盖层厚度有60 cm左右的横断面位置进洞，有偏压的情况则应在侧面合适位置浇筑洞口侧墙，回填反压土后在洞门施作加长管棚及双导管超前支护。根据“早进洞、短进尺、少扰动、强支护、早封闭、勤量测”的原则开挖进洞，同时根据监控量测数据分折洞身结构的稳定性，采用合适的支护参数，要求预留变形量取大值（最大时有22 cm），优先用Ⅰ20型钢钢拱架，间距50 cm，辅以注浆加固、加长锚杆、增加锁脚锚杆、增加垫板等措施，使钢拱架牢固，围岩体自稳。当有拱顶涌水掉块，可先喷射混凝土封闭掌子面，挂防水板作掩护体，打孔、插PVC管沿洞壁往下引排，用水泥-水玻璃双液间隔跳孔超前注浆直至封住涌水。随后依次进行后续工序，施工中做到快挖、快支、快封闭，仰拱及时跟上，适时施作二衬。
4 结语
炭质泥岩给高速公路建设带来了一定的困扰，但并非不可克服。本文六寨至河池高速公路施工实例证明上述炭质泥岩病害的源头治理方案是有效的，希望能为后继类似地质情况的工程建设提供借鉴。
[1]JTG F10-2006，公路路基施工技术规范[S].
[2]JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].
[3]JTG F80/1-2017，公路工程质量检验评定标准[S].
[4]JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范[S].
[5]王万昌.炭质泥岩边坡防治技术研究[D].南宁：广西大学，2006.
[6]莫 凯.炭质泥岩水理特性及路堤工后动力变形特征研究[D].长沙：长沙理工大学，2013.