巖溶洞隙穩定性分析方法淺析①

龐從天

摘 要：確定溶洞頂板的安全厚度是洞隙穩定性分析的主要目的。為給巖溶區的洞隙穩定性分析提供參考，闡述了洞隙穩定性問題與地下隧道工程的圍巖穩定性問題的關系，對巖溶區洞隙穩定性分析方法進行了總結。最后指出，工程地質類比法和結構力學解析法，雖然是目前溶洞頂板的穩定性分析的兩種主要方法，但是，由于影響溶洞頂板穩定性的因素較多，因此，洞隙頂板的安全厚度不宜采用單一的方法來確定，建議應在多種方法計算結果的基礎上綜合確定，必要時，應采用數值分析法進行驗證。

關鍵詞：巖溶 溶洞 頂板安全厚度 穩定性分析

中圖分類號：TU42 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）0073-02

在巖溶發育地區的建筑物地基中，巖溶作用可能會導致地基中的巖溶洞裂隙的大量分布，因此，研究其穩定性對工程建設具有重要的指導和實際意義。

目前，在工程建設中的洞隙穩定性分析的主要方法和原理可見于《工程地質手冊》（第4版）[1]或《巖土工程手冊》[2]中，其中在巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）[3]和《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）[4]也有相關的標準和要求。但是不同教材和規范所介紹的方法基本大同小異。由于影響洞隙穩定性的因素較多，至少涉及洞隙頂板的巖體完整性、洞隙尺寸大小、幾何發育形狀、巖石強度及頂板上部的荷載大小等因素。而目前的各種分析方法都經過一定的簡化，僅考慮其中少數幾個影響因素，且每一種分析方法在理論和實踐中都不可避免地存在其局限性，因此，洞隙穩定性一般要求采用多種方法進行分析，并將不同方法的結果進行比對，以綜合確定洞隙的穩定性。

1 洞隙穩定性影響因素分析

溶洞穩定性問題與隧道的圍巖穩定性問題相類似。不同之處是，溶洞是漫長的巖溶作用條件下形成的，屬于地質演變的結果，而隧道則是在相對短暫的時間內，能由人工開挖形成，因此，兩者在應力條件和地質條件上存在如下差別。

（1）兩者的天然應力狀態不同。隧道的埋深范圍較大，有的隧道埋深可能只有幾十米，而有的則可能埋深數百米，且同一隧道隨著穿越不同的地貌，其埋深范圍變化也很大，例如，隧道進出口附近，其埋深不過幾十米，但隧道穿越山體中部時，其埋深可能達幾百米。如滬昆高鐵在穿越雪峰山的隧道時，最大埋深可達300 m以上。由于隧道埋深的變化范圍較大，其天然應力即包括巖土體的自重應力場，也包括地質構造應力。

對于巖溶區的建筑工程來說，建筑對場地的影響深度較小，巖溶處理深度一般不大。根據工程經驗，建筑場地的樁長設計不超過50 m，可見建筑場地的巖溶處理深度一般也不超過50 m。也就是說，巖溶建筑場地所處理的大多數是淺層的巖溶洞隙。淺層洞隙的應力分布有兩個顯著的特點，一是由于淺層洞隙頂部往往存在一定的巖溶水裂隙通道，洞隙頂部和巖面存在數量不等的貫通或不貫通的巖溶裂隙，從而導致洞隙頂板的應力分布范圍較廣；一是由于巖石屬于脆性材料，且裂隙的存在降低了巖體的完整性，且淺層洞隙頂板較薄，難以形成有效的拱作用，這些因素均使得其受拉能力不如隧道圍巖的受拉能力。

（2）二次應力集中。隧道開挖是在短暫的時間內完成的，相對于地質構造來說，可視為瞬時開挖。在開挖過程中，圍巖原有的地質構造應力大部分尚未釋放。隨著構造應力的釋放和自重應力的作用，隧道圍巖可能會產生冥想的二次應力集中現象，從而對圍巖的穩定性帶來十分不利的影響。

溶洞形成是十分緩慢的過程，其洞隙周圍巖體的應力隨著溶洞的形成早已經基本甚至完全釋放，若沒有新的地質構造運動的影響，基本不會出現二次應力集中現象，因此，在洞隙穩定性分析時，通常不考慮二次應力集中的不利影響。

（3）地層巖性。隧道圍巖具有多樣性，在各種巖石中基本都可以開挖隧道，但是，溶洞主要發生在巖溶區，其巖性以可溶巖為主。可溶巖的種類很多。但地球上的可溶巖主要以碳酸鹽巖為主，硫酸鹽和鹵巖分布不多，研究洞隙穩定性事實上主要就是研究碳酸鹽巖的洞隙穩定性。

（4）地下水。隧道開挖對圍巖的地下水賦存狀態影響巨大，造成地下水徑流路徑的突變，且開挖后，隧道圍巖應力的快速釋放，導致了圍巖裂隙增大，地下水流速增大，圍巖所受的地下水動力對圍巖的穩定性的不利影響十分敏感。溶洞是在地下水的溶解和侵蝕作用下形成的，這個過程十分緩慢，地下水的動力變化基本不存在突變過程，因此，溶洞對于地下水的作用敏感程度明顯不高。

（5）穩定性評價對象不同。隧道的圍巖穩定性是以開挖洞室周圍的巖體為研究對象，旨在確保地下開挖空間在正常狀態下的使用安全，因此，在穩定性分析時，整體穩定性和局部穩定性均要進行評價。溶洞穩定性主要的研究對象為溶洞頂板的穩定性，側重于對溶洞頂板的整體穩定性評價。

綜上所述，溶洞的穩定性評價不僅需要對其巖體的裂隙結構特征進行分析，也要對特定的洞隙形態在特定工程荷載或其它外部附加應力作用下的頂板穩定性進行分析評價。

2 完整圍巖的洞隙穩定性分析方法

當頂板巖層比較完整時，將溶洞圍巖看作一個結構自承重體系，根據溶洞洞體形態、完整程度、裂隙情況進行內力分析，求得H，再考慮增加適當的安全系數，便為頂板安全厚度。這其中所涉及的巖體強度參數有計算抗彎強度、抗剪強度和抗拉強度的，對石灰巖而言，按《工程地質手冊》提供的經驗值分別為：抗拉/抗壓=1/20、抗剪/抗壓=1/12、抗彎/抗壓=1/8。H值主要有以下幾種確定方法。

（1）類比法。當頂板巖層比較完整時，對于水平頂板可根據“厚跨比”評價其穩定性。通過工程類比，較完整頂板安全厚度的厚跨比最小值為0.50～0.87，也有的工程取1.0。當某溶洞的頂板厚跨比大于相應的計算值時，即認為是安全的。

（2） 單跨梁模型。當厚跨比h/L<0.5時，按單跨梁力學模型計算。根據結構力學有：

（1）

（2）

（3）

式中：M、Q分別為最大彎矩和剪力；α、β分別為最大彎矩和剪力系數，按表1確定；[σ]、[S]分別為巖體抗彎強度和抗剪強度容許值；P為荷載，包括頂板自重、上覆土體自重和外部荷載；l為洞隙跨度；b為板梁寬度。

（3）板梁模型。適用于洞頂板完整、巖層較厚、強度較高、洞跨較小、剪力為主要控制條件的情況。按頂板受剪切估算其安全厚度H。根據極限平衡條件，可得：

（4）

式中：L為巖溶的平面周長，按式（5）計算。

（5）

3 破碎圍巖的洞隙穩定性分析方法

當頂板嚴重風化，裂隙發育，且有可能坍塌的情況，將溶洞圍巖看作散體結構來進行分析。方法有以下幾種。

（1）類比法。當頂板巖層完整性較差時，可通過“厚高比”評價其穩定性。根據工程經驗，當某溶洞的頂板厚度與其跨度之比>5.0時，認為是安全。

（2）普氏破裂拱法。按破裂拱概念估算，可計算出破裂拱高度H，此時將破裂拱高度加適當的安全系數，便為頂板安全厚度。

（6）

式中：H0為洞隙高度；a為洞隙半寬；φ為內摩擦角；f為巖體堅固系數，按式（7）確定。

（7）

式中：Rc為巖體飽和單軸抗壓強度。

（3）經驗公式法。松散層坍塌后形成的空洞，造成圍巖強度降低，圍巖應力重新分布及空洞應力釋放，形成松弛帶，具有平衡拱作用。松弛帶產生的圍巖壓力高度即松弛帶垂直荷載的高度，據大量隧道塌方統計，其經驗公式為：

（8）

式中：H為破壞拱高度或垂直荷載高度；S為圍巖類別；W為洞寬系數，按式（9）確定；B為洞隙寬度；i為系數，當B<5時，i=0.2，當B≥5時，i=0.1。

（9）

（4）洞頂坍塌堵塞法。當洞頂坍塌后，塌落體體積增大，當坍落到一定高度時，洞體自行填滿，無需考慮洞隙對地基的影響，此時將塌落高度加適當的安全系數，便為頂板安全厚度。

（10）

式中：K為巖體脹余系數，石灰巖一般取K=1.2。

蔣繼昭（1997）對坍塌填塞法進行了改進，用下式（11）計算溶洞頂板厚度：

（11）

式中：λ為洞形修正系數，為安全起見，一般取λ=1.0；α為頂板巖層風化完整性修正系數，一般取α=0.3；β為洞內充填物修正系數；H0、H1為洞內無充填物段和充填物段高度；K為巖體脹余系數，石灰巖一般取K=1.2。

（5）坍塌平衡法。

根據坍塌巖體的平衡條件可導出坍塌高度H如式（12）：

（12）

式中：Ka為側壓力系數，按式（13）計算；θ為滑移面摩擦角，一般取θ=0.9ψ；

（13）

4 結語

巖溶洞隙穩定性分析的目的主要是估算溶洞頂板的安全厚度。工程地質類比法和結構力學解析法，雖然是目前溶洞頂板的穩定性分析的兩種主要方法，但是，由于影響溶洞頂板穩定性的因素較多，因此，洞隙頂板的安全厚度不宜采用單一的方法來確定，建議應在多種方法計算結果的基礎上綜合確定，必要時，應采用數值分析法進行驗證。

參考文獻

[1]《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[2]《巖土工程手冊》編委會.巖土工程手冊[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]中華人民共和國建設部.巖土工程勘察規范（GB50021-2001）[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[4]中華人民共和國建設部.建筑地基基礎設計規范（GB50007-2002）[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.