西部交通建设科技项目 岩溶地区公路修筑成套技术 研 究 成 果 汇 报 汇报人：余崇俊 贵州省交通科学研究院 2007年5月.

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1 西部交通建设科技项目 岩溶地区公路修筑成套技术 研 究 成 果 汇 报 汇报人：余崇俊 贵州省交通科学研究院 2007年5月

2 汇报内容 立 项 背 景 技 术 路 线 主要技术内容及创新点 推广应用及效益 成果作用和意义

3 全球岩溶总面积2200万km2

4 总面积363万Km2 贵州等八省区构成了世界上 最大的连片裸露型岩溶区， 是我国贫困和环境 退化最为突出的地区之一

5 岩溶地区将大力发展交通设施、保护生态环境
党中央国务院战略决策， 岩溶地区将大力发展交通设施、保护生态环境 至2020年，规划高速公路总里程1.5万km，尚需新建8000km

6 岩溶环境特点 地质条件隐蔽复杂，岩溶发育强烈 地表水与地下水连通性强 生态环境十分脆弱 传统优质筑路材料匮乏

7

8 技术瓶颈 隐伏岩溶探测和解译 隐伏溶洞顶板稳定性评价 公路工程岩溶病害处治 地方性筑路材料开发与应用 公路工程岩溶环境保护

9 国内外研究现状 国内外研究主要集中在岩溶塌陷防治方面，尚未全面、系统开展岩溶地区公路修筑技术的研究
田纳西州莫里斯镇一房屋后落水洞 广西上林岩溶塌陷 国外推荐了隐伏岩溶物探方法；部分地区编制了公路岩溶病害处治技术指南；注重公路建设中岩溶水环境的保护；而其它方面的研究报道相对较少 地表径流和落水洞洪流的形成 美国公路落水洞注浆处理 我国在岩溶地区公路修筑的某些方面仅做了一些尝试性的研究，且深度和广度有限。关于岩溶地区公路区划、公路工程地质勘察、公路基础稳定性与承载力评价、地方性筑路材料开发与利用、公路建筑岩溶环境保护等方面的研究极少 美国田纳西州交通部落水洞处治方案

10 技术路线 综合考虑公路建设与岩溶环境之间的相互作用，以“岩溶 环境勘察、评价、利用、处治和保护”为宏观技术理念

11 研究成果 5个方面 实用技术 2个信息平台 4套评价方法 岩溶地区公路修筑成套技术体系 5套设计施工 技术指南 依托工程

12 研究成果. 公路工程地质勘察技术 1.1 建立了岩溶地区公路工程地质综合勘察技术体系 划分为与公路建设相适应的四个阶段
1/5 1.1 建立了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 （一般采用1：500～1：2000） 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 划分为与公路建设相适应的四个阶段 提出了各阶段的勘察目的 提出了各阶段的详细勘察方法

13 研究成果. 公路工程地质勘察技术 1.2 完善了传统的勘察技术 丰富了工程 地质调绘内容 明确了岩溶 地质解译标志 完善了工程 地质钻探技术
1/5 1.2 完善了传统的勘察技术 丰富了工程 地质调绘内容 将规范提出的岩溶调绘要求具体化，更具操作性 工程地质勘察规范(JTJ064-98） 本项目 可溶岩分布地段的地形地貌特征 岩溶平面分布特征，溶洞层分布与河流阶地、剥夷面的关系 岩溶正地形: ①丘、峰排列特征，绝对高程与相对高差；②垭口形态特征 岩溶负地形: ①洼地、岩溶盆地、干谷的排列方向、高程、分布范围、覆盖层性质与厚度，高程从分水岭向排泄区递减的规律；②竖井、漏斗、落水洞的分布位置、高程、形态、尺寸，地貌单元，所在层位的岩性特征、节理裂隙发育程度；③水系发育特征，暗河、岩溶泉的出露位置，落水洞的消水特征 近代岩溶基准面: ①可溶岩地层的底板埋深与高程；②裸露型岩溶区河流的最枯水位，高悬于河面以上的暗河或岩溶泉的位置、高程；③覆盖型岩溶区，河水面以上岩溶泉的位置、高程；④海平面 地表岩溶的主要形态、规模大小、分布特点 岩溶洞隙（溶洞、竖井、漏斗、洼地、落水洞、塌陷、岩溶泉、暗河等）的分布、性状、大小、位置、高程和发育规律 洞穴、竖井、暗河:①洞口位置，洞底高程，洞穴的规模、层数及延伸变化，溶洞所在层位、岩性和地质构造特征，洞壁完整性及稳定程度；②洞内地下水位、洪水位，实测流量；③洞内充填情况，化学沉积、机械堆积物的物理力学性质及化学成分等；④线路附近的洞穴 …… 明确了岩溶 地质解译标志 系统总结了岩溶直接或间接的地质解译标志 岩溶形态 遥感图像特征 漏斗 呈圆形、椭圆形或不规则圆形的洼地，上大下小，底部未被充填时呈深灰～淡黑色色调，充填时呈灰白色色调 落水洞 地表径流突然终止处出现的小孔穴（背阳方向有阴影）；充填堆积土的漏斗、溶蚀洼地等的底部有灌木丛，草丛；当被溶蚀的残余粘土或碎石所阻塞，在航片上呈白色色调 竖井 与落水洞相似，多分布于斜坡上，无地表径流汇入，井壁陡峭 溶洞 通过陡壁上白色条带状延伸的石灰华或洞口上方有崩塌现象进行间接判断 暗河 通过干谷底部或沿背斜、向斜构造的轴部分布的一连串塌陷、漏斗、落水井或竖井间接判定 提出了新的钻孔布置原则和钻孔深度要求 改“一桩一孔”为“按面积成孔” 根据岩体质量确定钻孔深度 完善了工程 地质钻探技术 工程 类型 钻孔深度 岩体质量/Ⅰ、Ⅱ级 岩体质量/ Ⅲ级 岩体质量/ Ⅳ级 路 3m～5m 5m～8m ＞8m 桥 8m～10m ＞12m 隧

14 研究成果. 公路工程地质勘察技术 1.3 提出了浅部岩溶物探技术组合方式 研究了地震映像法、面波法、地质雷达法等 6 种勘探技术
1/5 综合物探技术的组合方式 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) 1.3 提出了浅部岩溶物探技术组合方式 研究了地震映像法、面波法、地质雷达法等 6 种勘探技术 基于6 个现场场地试验对比分析 地震映像法试验 地震映像法 瞬变电磁法 地质雷达法 面波法 直流电法三极断面测深 高密度电法勘探成果图 综合物探野外试验 地质雷达探测试验 序号 工地名称 工程类型 使用物探方法 1 镇胜线K45大冲隧道出口 隧道 地震映像法、瞬变电磁法 2 镇胜线K147岩溶路段 路基 地震映像法、面波法、直流电法三极测深 3 贾家石街分离式桥 桥基 地震映像法、面波法、直流电法三极测深、高密度电法、地质雷达法 4 镇胜线K153岩溶路段 地震映像法、面波法、直流电法三极测深、瞬变电磁法、地质雷达法 5 镇胜线K162云南哨一号桥 地震映像法、面波法、瞬变电磁法 6 镇胜线K ~K 岩溶路段 地震映像法、面波法、直流电法三极测深、高密度电法、 地质雷达法、瞬变电磁法 高密度电法试验 瞬变电磁法试验

15 研究成果. 公路工程地质勘察技术 1.4 首次将三维直流电阻率法探测新技术引入岩溶勘探 实现三维空间任意剖面的地质解释 一次布极、多极距测量
1/5 1.4 首次将三维直流电阻率法探测新技术引入岩溶勘探 实现三维空间任意剖面的地质解释 一次布极、多极距测量 XZ切面视电阻率分布 XY切面视电阻率分布 YZ切面视电阻率分布

16 研究成果. 公路工程地质勘察技术 1.5 开发了隐伏溶洞甚高频电磁波多参数层析成像探测新技术
1/5 1.5 开发了隐伏溶洞甚高频电磁波多参数层析成像探测新技术 提出了相对介电常数和相对电导率两个新解译参数，形成了四参数综合判断，解决了多解性难题 电磁波速度CT图 电磁波速度 电磁波衰减 相对介电常数 相对电导率 针对两个新参数编制了反演求解软件 电磁波衰减CT图 相对介电常数CT图 相对电导率CT图

17 研究成果. 公路基础稳定性评价技术 2.1 提出了场地稳定性和地基稳定性的定性评价方法 场地稳定性 稳定地基判断标准 技术 2/5
条件 极不稳定场地 （1）极强烈岩溶发育区场地 （2）岩溶水富集区及排泄带 （3）存在对场地稳定性有重大影响的其它不良地质现象 不稳定场地 （1）强烈岩溶发育区 （2）埋藏的漏斗、槽谷等，并覆盖有软弱土体的地段 （3）岩溶水排泄不畅，可能暂时淹没的地段 （4）具有多层土层结构，地下水埋藏较浅且变化幅度较 大或水位线在基岩面附近的地段 （5）存在影响场地稳定的其它不良地质现象 中等稳定场地 中等岩溶发育区场地 稳定场地 岩溶弱发育区场地 场地稳定性 稳定地基判断标准 （1） 基础置于微风化硬质岩石上，近旁为裂缝宽度小于1m的竖向裂隙和落水洞 （2）基础底面下土层的厚度大于地基压缩层厚度，且不具备形成土洞的条件 （3）基础底面下土层的厚度小于地基压缩层厚度，但洞内为密实的沉积物充填而又无被水冲蚀的可能 （4）基础尺寸大于溶洞平面尺寸，且有足够的支承长度 （5）微风化硬质岩石中，顶板厚度接近或大于洞跨，即厚跨比接近或大于0.5 （1）基础底面以下土层厚度大于独立基础宽度的3倍或条形基础宽度的6倍，且不具备形成土洞或其他地面变形的条件 （2）基础底面与洞体顶板间岩土厚度虽小于（1）规定的情况，但符合下列条件之一时： a）洞隙或漏斗被密实的沉积物充填且无被水冲蚀的可能 洞体为基本质量等级为Ⅰ级或Ⅱ级岩体，顶板岩石厚度大于或等于洞跨 b）洞体较小，基础底面大于洞的平面尺寸，并有足够的支承长度 c）宽度或直径小于1.0m的竖向洞隙、落水洞近旁地段 公路路基、隧道岩溶地基 小桥、涵洞和通道岩溶地基 （1）当基底面积大于溶洞平面尺寸时： Ⅰ级岩体中的溶洞顶板厚跨比接近或大于0.3 Ⅱ级岩体中的溶洞顶板厚跨比接近或大于0.4 Ⅲ级岩体中的溶洞顶板厚跨比接近或大于0.5 （2）当基底面积小于溶洞平面尺寸时： Ⅰ级或Ⅱ级的岩体溶洞顶板厚跨比接近或大于2 大中桥、特大桥岩溶地基

18 研究成果. 公路基础稳定性评价技术 2.2 提出了溶洞顶板稳定性的分析模型和评价方法 物理模拟方法 数值模拟方法 位移曲线 位移曲线函数：
2/5 2.2 提出了溶洞顶板稳定性的分析模型和评价方法 物理模拟方法 分析了4 种不同溶洞形态 类圆形（椭圆或圆形）溶洞顶板稳定性远大于类方形 数值模拟方法 分析了与物理模型对应的四种溶洞形态 顶板位移曲线与物理模拟试验相似，呈三次函数分布规律 模型2回归图 模型3回归图 位移曲线 位移曲线函数：

19 研究成果. 公路基础稳定性评价技术 2.2 提出了溶洞顶板稳定性的分析模型和评价方法 定量评价方法 二级模糊综合评判方法
2/5 2.2 提出了溶洞顶板稳定性的分析模型和评价方法 定量评价方法 基于结构力学方法—抗弯验算、抗剪验算 二级模糊综合评判方法

20 研究成果. 公路基础稳定性评价技术 2.3 首次将多点位移计成功用于隐伏溶洞变形监测，在此基础上开发了“隧道类工程变形监测方法与装置”
2/5 2.3 首次将多点位移计成功用于隐伏溶洞变形监测，在此基础上开发了“隧道类工程变形监测方法与装置” 多点位移计监测溶洞顶板不同岩层及溶洞的变形 变形监测仪结构示意图 现场监测 自主开发了“隧道类工程变形监测方法与装置” 各测点沉降 各控制层沉降 1固定管 2弹簧 3PVC管 4膨胀木 5法兰盘 6固定梭子 7钢弦

21 研究成果. 岩溶地区材料资源利用技术 3.1 建立了碳酸盐岩的成岩地质环境与集料物理力学性能的半定量关系，绘制了筑路集料分布图
3/5 3.1 建立了碳酸盐岩的成岩地质环境与集料物理力学性能的半定量关系，绘制了筑路集料分布图 基于105 个料场取样 基于107 组室内试验 碳酸盐岩物理力学性能 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

22 研究成果. 岩溶地区材料资源利用技术 3.2 形成了公路填石路堤修筑技术 提出了填石路堤填料分类新方法 评价了动测法检验压实质量的适应性
3/5 3.2 形成了公路填石路堤修筑技术 提出了填石路堤填料分类新方法 级别 填料级别 块石类填料 碎石类、硬石类、砂类填料 岩块强度/MPa 风化程度Ky值 级配 细粒土含量(％) A 优质填料 >50 >0.9 良好 <15 B 良好填料 20～50 0.75～0.9 好 15～30 C 一般填料 5～20 0.4～0.75 均匀 30～75 D 劣质填料 <5 <0.4 差 >75 评价了动测法检验压实质量的适应性 分析了瞬态冲击频谱法、动刚度法、附加质量法 推荐附加质量法： 建立了考虑时效的填石路堤变形计算方法 基于遗传算法反演邓肯－张本构模型参数 某路堤填石体参数反演结果 路堤断面 Φ(°) C (kPa) Rf k n G F D K42+560 37.869 4.3056 0.72 0.365 0.3849 0.1659 3.9206 K42+580 49.226 1.7379 0.79 0.331 0.4965 0.1468 7.4534

23 研究成果. 岩溶地区材料资源利用技术 3.3 因地制宜开发了硅质碳酸盐岩、锰铁合金渣和玄武岩三种抗磨耗集料 玄武岩 硅质碳酸盐 锰铁合金渣
3/5 3.3 因地制宜开发了硅质碳酸盐岩、锰铁合金渣和玄武岩三种抗磨耗集料 玄武岩 硅质碳酸盐 锰铁合金渣 基于35 个料场取样 基于100 多组室内试验 物理力学性能 岩性 磨光值 （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 硅质灰岩 36.8~47.7 12.8~19.9 6.8~16.0 85.0~302.0 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 玄武岩表面结构 石灰岩的不等粒结构

24 研究成果. 岩溶地区材料资源利用技术 3.4 提出了抗滑表层沥青混合料设计新方法 提出了沥青混合料中心质结构模型
3/5 3.4 提出了抗滑表层沥青混合料设计新方法 提出了沥青混合料中心质结构模型 粗集料松装空隙率 粗集料捣实空隙率 粗集料振实空隙率 建立了粗集料中心质效应回归关系，用于判断粗集料的嵌挤效应

25 研究成果. 岩溶地区材料资源利用技术 3.4 提出了抗滑表层沥青混合料设计新方法 建立了细集料填充效应的回归关系
3/5 3.4 提出了抗滑表层沥青混合料设计新方法 建立了细集料填充效应的回归关系 马歇尔稳定度： 劈裂强度： 劲度模量： 冻融劈裂强度比： 动稳定度： 建立了沥青混合料路用性能与组成材料用量之间的回归关系 建立了沥青混合料体积指标和路用性能与级配之间的相关关系，提出了优选级配范围 优选级配范围

26 研究成果. 岩溶地区材料资源利用技术 3.4 提出了抗滑表层沥青混合料设计新方法 建立了岩溶地区抗滑表层沥青混合料的技术指标体系
3/5 3.4 提出了抗滑表层沥青混合料设计新方法 建立了岩溶地区抗滑表层沥青混合料的技术指标体系 指标 单位 技术标准 空隙率VV % 3.5~4.5 矿料间隙率VMA ≮15.5 粗集料间隙率VCAmix 小于捣实空隙率，不大于振实空隙率 沥青饱和度VFA 70～80 稳定度 kN ≮5.5 流值 mm 2～5 动稳定度DS mm/次 2000～3000 25℃劈裂强度RT MPa ≮1.0 马歇尔残留稳定度MS0 ≮85 冻融劈裂强度比TSR ≮80 构造深度TD ≮0.8 施工性能参数CA值 - 0.5～0.7 提出了岩溶地区抗滑表层沥青混合料的设计方法

27 石粉含量对C60机制砂高性能混凝土抗冻性能的影响
研究成果. 岩溶地区材料资源利用技术 技术 3/5 3.5 提出了机制砂高性能混凝土的配制技术 石粉含量对C60机制砂高性能混凝土抗冻性能的影响 提出了机制砂中石粉含量对高性能混凝土性能的影响规律 不同石粉含量下砂率对C60性能的影响 配合比 特点 相对动弹性模量(%) 抗压强度(MPa) 氯离子扩散系数DNEL(10-8 m2/s) 75次 175次 225次 300次 325次 冻前 冻后 石粉3.5% 98.99 98.39 98.36 98.23 71.3 /100% 68.0 /95.4% 2.05 1.93 石粉7% 98.81 98.56 98.13 98.31 79.6 /100% 68.3 /85.8% 2.16 2.01 石粉10.5% 98.82 98.48 98.45 97.33 97.12 69.7 /100% 67.9 /97.4% 2.19 2.03 石粉3.5% , 粉煤灰11.3% 99.21 98.83 98.62 98.24 97.51 65.8 /100% 63.5 /96.5% 1.87 石粉7%, 99.24 98.90 98.65 98.05 97.94 78.0 /100% 62.5 /80% 2.02 1.95 石粉3.5%, 矿粉17% 99.83 99.44 99.31 98.95 75.9 /100% 67.5 /88.9% 1.82 2.39 99.39 98.78 98.57 97.98 97.95 75.4 /100% 64.8 /85.9% 2.33 粉煤灰17% 99.49 99.15 98.98 98.74 82.7 /100% 68.0 /82.2% 2.12 石粉含量对C50机制砂混凝土性能的影响 石粉含量/% 配合比设计参数 坍落度/mm 坍扩度/mm 抗压强度/MPa 工作性描述 砂率 /% 胶凝材料/(kg/m3) 粉煤灰 /% 水 7d 28d 0% 30 530 10 170 210 500 53.8 65.8 离析、泌水 33 200 470 54.3 68.0 粘聚性好,轻微泌水 36 205 480 54.6 65.5 稍粘，无离析泌水 39 420 54.2 67.2 较粘，坍落缓慢 5% 230 52.3 离析 53.3 65.9 工作性良好 190 400 57.0 68.2 380 55.7 70.5 较粘，坍落更慢 42 — 67.8 粘性继续增大 45 110 66.7 粘性更大 10% 27 175 51.6 63.3 粘聚性差 195 54.9 64.8 55.8 67.3 稍粘 58.2 65.6 较粘，轻微泌水 石粉含量对C60机制砂混凝土性能的影响 石粉含量对C80机制砂混凝土性能的影响 提出了配制高性能混凝土机制砂石粉含量的上限 C50：10.5% C60：10.5% C80 ：5%～7%

28 研究成果. 岩溶地区材料资源利用技术 3.5 提出了机制砂高性能混凝土的配制技术 C50～C80机制砂混凝土典型配合比 技术 3/5 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 — — C60 0.32 530 1.2% 215 500 72.1 79.7 PO52.5 470 — — C80 3.5% 0.25 600 1.6% 360 68.2 94.2 432 —

29 研究成果. 公路工程岩溶病害处治技术 4.1 提出了岩溶病害的发育特征 基于西南 8 省区的 1013 个岩溶病害点的统计分析 技术 4/5
基于西南 8 省区的 个岩溶病害点的统计分析 岩溶病害统计 岩溶病害分布图

30 研究成果. 公路工程岩溶病害处治技术 4.2 提出了岩溶路基病害的三级分类方法 第一级：基于发生病害地区岩溶的显露特征
4/5 4.2 提出了岩溶路基病害的三级分类方法 第一级：基于发生病害地区岩溶的显露特征 第二级：基于路基病害孕育的物质基础 第三级：基于路基病害发育的动力因素 覆盖型岩溶病害综合分类 裸露型岩溶病害综合分类 岩溶形态 覆盖层特征 地下 水动力特征 对路基破坏形式 形态类型 规模 厚度 结构 溶蚀沟－槽型 洞穴型 复合型 小型 中型 大型 特大型 浅覆盖型 中等厚度覆盖型 厚覆盖型 一元结构 二元结构 多元结构 强烈 中等 弱 不均匀沉陷、塌陷 土洞塌陷 基岩塌陷 岩溶形态 地下水 动力特征 对路基破坏形式 形态类型 规模 溶蚀沟－槽型 竖井－落水洞型 洞穴型 复合型 小型 中型 大型 特大型 强烈 中等 弱 不均匀沉陷 基岩塌陷

31 研究成果. 公路工程岩溶病害处治技术 4.3 揭示了岩溶路基病害发生的临界条件和渐进破坏过程 填石和土石混填路堤破坏
4/5 4.3 揭示了岩溶路基病害发生的临界条件和渐进破坏过程 填石和土石混填路堤破坏 基于 4 种地质模式，9 种岩溶水动力条件模式 地下水作用下路基土的渗透变形破坏 针对 2 类红粘土，进行3 种渗透变形试验 路基变形破坏试验结果 片石＋级配碎石＋土工布＋填石型： 水位下降速度随时间的变化曲线 模型试验原理图示与装置 土＋填石型：基岩面水位及瞬时 下降速度随时间的变化曲线 模型 水位下降速度/负压 破坏情况 填石级配型 <0.5cm/s 无破坏现象 0.5~0.8cm/s 粒径<5mm的石粉流失 >0.8cm/s 粒径5~20mm的碎石流失 片石＋级配碎石 ＋土工布＋填石型 <0.9cm/s 0.9~1.86cm/s >3cm/s 反滤层型 土＋填石型 >-20cmH2O 基本无破坏 -20~-55cmH2O 微破坏 -55~-100cmH2O 破坏较严重 土体抗冲蚀实验 渗透变形破坏的临界条件 破坏性渗透变形试验图示与装置 土样名称 临界坡降(cm) 水位临界 下降速度/(cm/s) 抗冲蚀试验 破坏性渗透变形试验 真空吸蚀 试验 红褐色含砾红粘土 4.96 30.00 14.16 0.5 黄褐色红粘土 3.17 10.00 24.20 真空吸蚀原理图示与装置

32 研究成果. 公路工程岩溶环境保护技术 5.1 提出了公路建筑对岩溶水环境的影响及其对策
5/5 5.1 提出了公路建筑对岩溶水环境的影响及其对策 依据不同地貌类型下岩溶水环境特征，首次将公路建筑的岩溶环境划分成 4 类敏感性分区 总结了公路建筑对岩溶水环境破坏和污染的 10 种形式 峰丛洼地：极敏感类型区 改变地表水环境 峰林洼地：中敏感类型区 公路建筑期水质分析 地下水排泄口封堵 工程扰动类水环境破坏 样品编号 1　 2 3 4 5 6 7 平均值 PH值 8.4 8.8 8.3 8.0 8.5 T-SS 9.0 12.5 21.5 55.4 55.1 37.5 51.5 34.64 BOD5 2.0 2.8 2.02 COD 38.12 31.78 17.39 34.68 32.78 28.98 33.34 31.01 T-P 0.032 0.067 0.09 0.24 0.069 0.20 0.104 SP 0.028 0.037 0.017 0.15 0.041 0.189 0.068 T-N 3.27 0.37 0.27 0.60 0.53 0.28 0.41 0.82 Cu2+ 0.001 Pb2+ 0.004 0.003 0.006 0.005 0.01 Zn2+ 0.002 0.033 0.04 0.013 石油类 0.025 0.03 0.02 0.016 岩溶管道水被公路切穿 峰丛盆地：轻敏感类型区 公路对灌溉系统填埋影响 岩溶高原面环境特殊敏感区

33 研究成果. 公路工程岩溶环境保护技术 5.1 提出了公路建筑对岩溶水环境的影响及其对策 提出了路面径流污染保护临界分区范围
5/5 5.1 提出了公路建筑对岩溶水环境的影响及其对策 提出了路面径流污染保护临界分区范围 基于公路两侧不同距离水中 4 类有害物质含量的衰减规律 影响区: <50m 缓冲区： 50～80m 无影响区: >80m Cd离子变化 石油类变化 Zn离子变化 Cu离子变化 Pb离子变化图 路面径流处理池平面示意图 Zn离子变化图 石油类变化图 Cu离子变化图 提出了岩溶地区公路水环境影响的防治措施 规范了岩溶区公路开挖限度 提出了勘察、设计、施工等各个环节的防治措施 开发了路面径流处理池污水处理设施 路面径流处理池纵剖面示意图

34 研究成果. 公路工程岩溶环境保护技术 5.2 提出了公路建筑对岩溶土地和地表土壤的影响及其对策 提出了岩溶地区公路建筑对土壤的影响分区
5/5 5.2 提出了公路建筑对岩溶土地和地表土壤的影响及其对策 各采样点Zn含量变化图 各采样点石油类含量变化图 各采样点Cd含量变化图 各采样点Pb含量变化图 提出了岩溶地区公路建筑对土壤的影响分区 基于公路两侧土壤 5 类污染物质衰减规律 影响区: <50m 过渡区： 50～85m 无影响区:>85m 各采样点Cu含量变化图 提出了岩溶地区公路建筑对土地和的地表土的保护措施 表土回收利用技术 弃渣场、土石料场的复垦技术 水土流失防治技术 公路渣料场水土保持示意图

35 龙须藤、老虎刺、崖豆藤类、狭叶络石、粉叶爬山虎、野葡萄、金银花等
公路工程岩溶环境保护技术 研究成果. 技术 5/5 5.3 提出了公路建筑对岩溶植被的影响及其对策 揭示了岩溶地区公路路域植被物种呈多样性递减、种群逆向演替的变化规律 筛选出岩溶地区公路绿化植物种类和植种组合 提出了岩溶地区植被保护措施 对植被的直接保护 植被生境的水土保持 公路边坡植被防护 取、弃土场的植被恢复等 沿线植被逆向演替统计表 岩溶地区公路绿化设计物种筛选 影响分区 灌木 草 本 藤 本 总覆盖率 无影响区 多度（株/丛） 23 5 100% 茂盛度 盛 中 平均高度（m） 1.3 0.8 0.25 覆盖率 32.2% 111% 1% 过渡区 38 / 64.3% 0.6 影响区 18 22 2 34.2% 盛/衰 中/衰 平均高度 0.4 0.3 27.1% 6.6% 0.5% 省份及地区 植种 物种 贵州福泉 乔木 麻栎、青冈栎、棕榈、梓木、柏木、枇杷、侧拍、喜树、女贞、冬青、青桐、香椿、毛竹、刺槐、灯台树、楝树、楠木、樟树、桂花、化香等 灌丛 化香、野花椒、鹅耳栎、粗糠柴、岩兰藤、火棘、小果蔷薇、麻栎、青冈栎等 草本 禾本草、扭黄茅、黄背草等 湖南 青冈栎、光叶榉、青檀、栓皮树、麻栎、铁坚杉、黑壳楠、栗叶榆、飞娥槭、城口青冈、黄连木、山矾、枫香、光皮树、罗木石楠、糙叶树、朴树等 灌木 全缘火棘、马桑、马棘、光叶勾儿茶、盐肤木、檵木、刺异叶花椒、白马骨、小果蔷薇、乌药、华白檀、牡荆、球核荚蒾、藤金合欢等 白茅、扭黄茅、芒、蜈蚣草、镰羽贯仲等 广西桂林 青冈栎、石山榕、山胶木、小果化香、翅荚香槐、青檀、榔榆、桂林白腊、菜豆树、园叶乌桕、黄连木、朴树、构树、布惊、水冬瓜、苦楝、枫杨等 火棘、红背山麻杆、牡荆、岩棕、麻叶绣球、小果蔷薇、檵木、竹叶椒、斜叶榕挖、实山槐、山胶木、园叶乌桕等 藤本 龙须藤、老虎刺、崖豆藤类、狭叶络石、粉叶爬山虎、野葡萄、金银花等 ……

36 桥梁承台内荷载Von-Mises应力曲线
研究成果. 岩溶地区桩基承载力评价方法 方法 1/4 以现场桩基自平衡载荷试验反演桩土参数 依托三维有限元数值仿真分析 不同溶洞顶板厚度、直径、偏心距组成的 16 种工况条件 群桩的一处桩基下存在溶洞的工况条件 桩基自平衡载荷试验 5D溶洞直径、1D厚度、 2D偏心距的3-维模型 群桩下存在溶洞时的 3-D计算模型 载荷-桥墩角沉降关系曲线 桥梁承台内荷载Von-Mises应力曲线 桩端承载力 桩侧摩阻力

37 研究成果. 岩溶地区桩基承载力评价方法 方法 1/4 不同溶洞直径情况下的桩基承载力 不同溶洞偏心距离下的桩基承载力
溶洞顶到桩底距离为一倍桩径 溶洞直径 1D 2D 5D 10D 垂直方向位移的影响 很小，可忽略 有微小影响 承载力折减百分比 0％ 承载力设计安全系数 1.1 1.2 溶洞顶到桩底距离为一倍桩径、溶洞直径为五倍桩径时 溶洞顶到桩底的偏心距离 1D 2D 4D 6D 垂直方向位移的影响 很小，可忽略 承载力折减百分比 0％ 承载力设计安全系数 1.1 1.0 不同溶洞顶板厚度的桩基承载力(无偏心) 溶洞直径为五倍桩径、无偏心时 溶洞顶到桩底距离 2D 4D 6D 8D 垂直方向位移的影响 很小，可忽略 承载力折减百分比 0％ 承载力设计安全系数 1.1 1.0 不同溶洞顶板厚度的桩基承载力(有偏心) 溶洞直径为五倍桩径、偏心距离为二倍桩径时 溶洞顶到桩底距离 1D 2D 4D 6D 垂直方向位移的影响 很小，可忽略 承载力折减百分比 0％ 承载力设计安全系数 1.1 1.0 溶洞顶到桩底距离小于1倍桩径的桩基承载力 溶洞顶到桩底距离小于一倍桩径时 溶洞顶到桩底距离 0D 0.125D 0.25D 0.375D 垂直方向位移的影响 ＋77％ ＋50％ ＋5％ ＋17％ 承载力折减百分比 96％ 55％ 40％ 27％ 承载力设计安全系数 必须实施地基加固技术 5

38 研究成果. 岩溶地区隧道围岩稳定性评价方法 基于三维弹塑性有限元数值仿真分析 模拟隧道的开挖步骤
2/4 基于三维弹塑性有限元数值仿真分析 不同溶洞位置、溶洞大小组成的 7 种工况条件 模拟隧道的开挖步骤 每 5m 为一开挖步，并已完成上一步已开挖完隧道的喷锚支护 有限元计算模型 位置变化 模型 M21 M22 M32 M24 溶洞大小 5×5×5m3 距拱顶距离 1.0m 5.0m 10.0m 距侧帮1.0m 大小变化 M25 M26 M27 — 3×3×3m3 7×7×7m3 9×9×9m3 代表性剖面位置

39 剖面2、3在各计算步骤下的顶板下沉位移变化图
岩溶地区隧道围岩稳定性评价方法 研究成果. 方法 2/4 顶底板主应力与模拟开挖步骤的时空关系 顶底板主应力与岩溶位置和大小的关系 M21剖面1、2、3顶底板 主应力值变化图 M25剖面1、2、3顶底板 剖面2在各模拟计算步下的主应力值变化图 顶板位移状态 剖面2、3在各计算步骤下的顶板下沉位移变化图 溶洞形态 隧道围岩稳定性 距拱顶距离 （×溶洞 直径） <1 主要影响范围，距离增加，影响减弱 1-2 距离增加，影响迅速减弱 >2 影响可忽略不计 溶洞大小 距离一定，尺寸增大 顶板位移减小 尺寸一定，距离顶板越近 顶板围岩中产生的拉应力值增大，稳定性越差 溶洞位置 方向 位于最大主应力方向的溶洞对拱顶位移的影响小于位于最小主应力方向的溶洞 相对开挖位置 开挖剖面处顶底板产生的拉、压应力值较大 相对隧道位置 拱顶溶洞对隧道侧帮和底板应力场的影响不明显 相对溶洞大小 溶洞位置对顶板的稳定性影响程度要大于溶洞大小对顶板稳定性

40 研究成果. 岩溶地区路基病害预测与评价方法 提出了基于GIS的岩溶地区公路路基病害预测方法 ＋ = 点——漏斗、落水洞、竖井等
3/4 提出了基于GIS的岩溶地区公路路基病害预测方法 点——漏斗、落水洞、竖井等 线——溶沟、溶槽等 病害点密度图 病害线密度图 病害密度图 ＋ = 沿线病害密度图

41 研究成果. 岩溶地区路基病害预测与评价方法 提出了基于GIS的岩溶地区公路路基病害评价方法 以层次分析法为理论基础 方法 3/4 目标
公路路基病害危险性评价 A 已有病害 地下河 断层 矩阵A系数 0.625 0.238 0.136 B 病害点 病害路段 — 正断层 逆断层 矩阵B系数 0.5 0.833 0.167 底层相对于目标层权重 0.3125 0.113 0.023

42 研究成果. 公路建筑对岩溶环境影响评价方法 水环境 植被环境 土壤环境 方法 4/4 Leopold矩阵法 因子权重值：
建设期 营运期 总影响 植被破坏 路基开挖 路基填筑 边坡治理 料场开采 材料 堆放 排水设施 废弃物 生活废物 路面材料 路基路面维护 汽车尾气 交通事故 生活 废物 附属 设施 城市化 城市 污水 地表水 补给 M11/W11 M12/ W12 … 径流 M21/W21 排泄 灌溉系统 洪水排泄 生活用水 水质 地下水 农业用水 植被环境 因子权重值： 土壤环境 地貌植被组合综合评价指数： 地貌植被组合稳定性评价因子体系 土壤稳定性二级模糊综合评判

43 研究成果. 公路工程岩溶环境区划 区划目的 区划原则 区划指标 区分不同岩溶地区对公路建设影响的差异性
平台 1/2 区划目的 区分不同岩溶地区对公路建设影响的差异性 使公路勘测选线、设计施工、材料利用、环境保护更具针对性 区划原则 岩溶环境的综合性和主导性相结合的原则 公路建设相似性和差异性相结合的原则 区划指标 基于层次结构模型的三级区划指标体系 岩溶地区公路区划层次结构指标体系 岩溶地区公路区划指标权重 目标 公路岩溶环境区划 A 岩溶地质条件 工程 材料 气象 水文 环境保护 矩阵A系数 0.583 0.282 0.067 B 岩溶环境 地质灾害 地形地貌 地质 构造 矩阵B系数 0.56 0.249 0.095 C 水文地质条件 环境地质问题分区 地面 塌陷 地下河密度 岩溶大泉密度 滑坡 泥石流 地形 坡度 地貌类型分区 断裂 分布 筑路材料适宜性分区 年降 雨量 洪水 灾害 岩溶 植被 水源涵养重要性 生物多样性保护区 矩阵C系数 0.333 0.111 0.5 0.25 0.75 底层 相对于目标层 权重 0.109 0.036 0.073 0.028 0.055 0.017 0.050 0.022

44 公路工程岩溶环境区划 水文地质 研究成果. 地下河 地面塌陷 平台 1/2 地貌类型 地形坡度 地质构造 筑路材料 岩溶植被 生物多样性

45 西部高-中影响区 低影响区 东北部中-高影响区 中部中等影响区
项目 西部以高－中影响为主的地区 东北部以中－高影响为主的地区 中部以中等影响为主的地区 低影响区 公路工程 岩溶环境特点 岩溶发育，地下河和岩溶大泉发育，滑坡泥石流地质灾害强烈，覆盖型岩溶区地面塌陷发育强烈，降雨量大但因岩溶发育入渗量很大，地面干旱严重，局部山洪严重。岩溶植被和生物多样性保护区少，水源涵养对公路影响大 岩溶发育，地下河和岩溶大泉发育，滑坡泥石流地质灾害强烈，覆盖型岩溶区地面塌陷较发育，降雨量中等但因岩溶发育入渗量很大，地面干旱严重，局部山洪严重。岩溶植被和生物多样性保护区中等，水源涵养对公路影响大 岩溶发育，地下河和岩溶大泉发育，滑坡泥石流地质灾害中等发育，覆盖型岩溶区地面塌陷发育一般，降雨量中等，但因岩溶发育入渗量很大，地面干旱严重，局部山洪严重。岩溶植被和生物多样性保护区较高，水源涵养对公路影响中等 非岩溶区为主，地形中等起伏，坡度高，滑坡中等发育，降雨量低，局部山洪严重，生物多样性、水源涵养等影响较低 路基路面 设计要求 应结合岩溶特点布置详勘工作，并在此基础上上进行设计，以保证公路整体稳定性 覆盖型岩溶区要注意地面塌陷的防治，岩土界面的起伏强烈导致的不均匀沉陷问题。桥隧工程应注意隐伏溶洞会导致地基承载力的不足，隧道岩溶突水突泥等问题的防治 此外，还应注意因地表－地下水交替导致的岩溶内涝造成的水浸等。石山地区注意崩塌滑坡泥石流的防治 筑路材料较为缺乏 此外，还应注意因地表－地下水交替导致的岩溶内涝造成的水浸等。注意崩塌滑坡泥石流的影响 注意岩溶植被、生物多样性和水源保护 应结合岩溶特点布置详勘工作，并在此基础上上进行设计，以保证公路整体稳定性。覆盖型岩溶区要注意地面塌陷的防治，岩土界面的起伏强烈导致的不均匀沉陷问题。桥隧工程应注意隐伏溶洞会导致地基承载力的不足，隧道岩溶突水突泥等问题的防治。此外，还应注意因地表－地下水交替导致的岩溶内涝造成的水浸等。注意崩塌滑坡泥石流的影响 非岩溶区，主要应注意崩塌滑坡泥石流和山洪影响 西部高-中影响区 低影响区 东北部中-高影响区 中部中等影响区

46 公路工程岩溶环境地理信息系统 研究成果. 平台 2/2 公路路网规划与岩溶环境区划 岩溶地区公路工程地质环境 岩溶病害预测与评价

47 研究成果. 岩溶地区公路设计施工技术指南 编制了 5 套岩溶地区公路修筑设计施工技术指南 《岩溶地区公路工程地质勘察方法指南》
《岩溶地区公路基础设计与施工技术研究技术应用指南》 《贵州省岩溶地区筑路集料指南》 《机制砂高性能混凝土配合比设计与施工指南》 《岩溶地区公路建筑环境保护技术实用指南》 溶洞顶板半定量评价方法分类表 方法 计算条件及依据 适用范围 图示 计算式 考 虑 自 重 稳 定 松散体 理论 顶板坍塌自行堵塞估算法 适用于顶板岩层为中厚层、薄层，裂隙发育，风化严重，有可能坍塌的溶洞，或仅知洞体高度时 成拱 分析法 适用于顶板岩体被密集的裂隙切割成块状或碎块状，顶板呈拱状坍落，计算自重平衡 应力 扩散角 荷载传递线交会法 计算溶洞距路基或构筑物的临界水平距离

48 研究成果. 岩溶地区公路设计施工技术指南 桩（墩）基础处治岩溶公路工程病害 梁板跨越处治岩溶公路工程病害 洞内支撑处治岩溶公路工程病害
集水外排处治岩溶水病害 封堵处治岩溶水病害

49 主要创新点 1、首次提出了基于岩溶环境勘察、评价、利用、处治和保护的岩溶地区公路建设技术思想
2、自主开发了的 “甚高频电磁波多参数层析成像新技术”，以及“甚高频电磁波多参数层析成像数据处理软件”，有效解决了多解性难题 3、自主开发了“隧道类工程变形监测方法与装置” 4、建立了碳酸盐岩的成岩地质环境与集料物理力学性能的半定量关系，形成了集料初步遴选技术 5、提出了以级配、强度和可压实性为主要控制指标的公路路堤石质填料的分类新方法，为填料的合理选择与利用提供了依据 6、因地制宜开发了硅质碳酸盐岩抗磨耗材料，进一步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

50 主要创新点 7、提出了适应于岩溶地区高石粉含量机制砂高性能混凝土的配制技术 8、建立了考虑溶洞影响的桥梁桩基设计承载力确定方法
9、揭示了岩溶水对填石和土石混填两类路堤的渐进破坏过程和长期稳定性影响，提出了破坏模式和临界条件 10、首次对公路建筑的岩溶环境进行了敏感性分区，提出了公路路面径流污染保护临界分区范围，开发出沉淀-过滤洼地（池）路面径流污水处理技术 11、发现了岩溶地区公路路域植被物种呈多样性递减、种群逆向演替的变化规律，并筛选出适用于不同岩溶区公路绿化的植物种类和植种组合 12、完成了我国首个“公路工程岩溶环境区划”，并初步建立了我国第一个公路工程岩溶环境地理信息系统，实现了岩溶地区公路环境信息的系统集成，为公路建设和岩溶环境保护提供了信息平台和决策支持

51 推广应用与效益 遍布6个省（区）的 12 条高速公路，33 座桥梁，11 条隧道，应用总里程达 800 多km的多个路段
平寨大桥甚高频电磁波层析成像勘察 镇胜高速公路白泥洼大桥三维电法勘探 玉三高速公路青溪大桥隐伏溶洞监测 抗滑表层沥青混合料用于清镇高速公路 机制砂高性能混凝土应用于七里塘大桥 广西水南公路溶洞盖板处治 土工布处治路基溶洞 湖南张常高速公路填石路堤 广西水南公路桥跨处治溶槽 夏家庙隧道开挖地质雷达超前地质预报 沉淀－过滤洼地（池）处理路面径流

52 推广应用与效益 社会效益 直接经济效益 环境效益 不完全统计达1.2亿元 准确勘察 节约工程设计、施工、处治费用和材料成本 科学处治
1、促进区域社会发展 2、促进行业科技进步 3、提升工程建设水平，节约工程投资 4、确保交通安全和服务水平 5、支撑资源环境的可持续发展 直接经济效益 不完全统计达1.2亿元 节约工程设计、施工、处治费用和材料成本 准确勘察 科学处治 因地制宜利用当地筑路材料 环境效益 “推进西南岩溶地区石漠化综合治理”在交通建设领域的体现 1、改善岩溶区域自然生态环境 2、保护岩溶水环境资源 3、水土保持与防止石漠化 4、植被保护与景观设计

53 推广应用与效益 推广应用前景广阔 我国岩溶地区公路发展和技术需求广阔
项目成果为岩溶地区公路规划、勘察、设计、施工和养护、地方性筑路材料利用和公路岩溶环境保护提供了技术支持

54 成果先进性 根据对国内外资料的查新，本项目获得研究成果的先进性分析如下： 成果 国外 国内 本项目 岩溶地区公路 修筑技术
仅在某些方面开展研究 综合性 史无前例 工程地质勘察 自成体系 借鉴其它 行业成果 自成体系，解决了隐伏溶洞多解性长期难题 基础稳定性评价 案例分析 经验性与 半定量方法为主 岩溶地区桩基承载力、隧道围岩稳定性评价重大突破 岩溶地区筑路材料 资源利用技术 针对当地材料 开展研究 部分研究 成果不成熟 全面、系统

55 成果先进性 成果 国外 国内 本项目 岩溶地区公路工程病害防治技术 较成熟 适合当地工程条件 技术措施多基于经验选择
明确了适用范围，提出了设计方法和施工措施 岩溶地区公路 建筑环境保护技术 注重公路建筑 岩溶水环境保护 未见相关报道 针对水、土壤、植被，保护措施具有普遍适应性 公路工程 岩溶环境区划 未见报道 首个公路岩溶环境区划，实现多方面环境数据集成 岩溶环境GIS 仅限于岩溶病害预测与评价 功能全面涵盖公路工程区划、材料利用、病害处治、环境保护等

56 汇报完毕 请领导、专家批评指正！