機場地基下隱伏溶洞穩定性判別及處理方法的探索

李葉成

（上海民航新時代機場設計研究院有限公司廣州分公司 廣東廣州 510405）

1 引言

巖溶是可溶性巖石在水等條件下產生的化學溶蝕作用，產生的各種地質作用、形態和現象的總稱。我國巖溶地區分布廣泛，約占國土面積的1/3。由于溶蝕作用形成了地下架空結構，使得巖體的強度、穩定性、承載力都有一定程度的降低和破壞，此種巖溶地基常常會因為下伏溶洞頂板坍塌等，對工程建設危害很大。機場建設中對其處理特別重視。

2 隱伏溶洞的穩定性判別

機場地基下的隱伏溶洞的穩定性分析應結合場地分區、荷載情況、填挖高度、巖溶充填物、頂板厚度、頂板破碎情況、地下水等工程實際進行綜合分析。在工程建設中一般根據按定性、定量等方法判別其穩定性。

2.1 隱伏溶洞的穩定性判別方法

對于隱伏溶洞，常用穩定性判別方法一般有以下幾種：

（1）定性判別法，定性判別法是一種利用相似工程經驗進行比較的判別方法，根據洞體的各種邊界條件結合影響洞體穩定性的各種因素進行綜合分析，做出大致的穩定性判別。或者根據洞體的各種邊界條件結合當地相同條件下已有的成功、失敗的工程實例進行比較，做出判別。該方法簡便易行，但隨意性較大，適用于一般簡單或重要性等級較低的工程地基下隱伏溶洞的穩定性判別。

（2）半定量判別方法

一般半定量的判別方法有：荷載傳遞線分析法，結構力學分析法，溶洞頂板坍塌自行堵塞洞體法，成拱分析法等。

荷載傳遞線分析法：從構筑物基礎邊緣按30～45°擴散角向下作應力傳遞線，當溶洞位于應力傳遞線確定的范圍以外時，一般認為溶洞不會危及構筑物的安全。

溶洞頂板坍塌自行堵塞洞體法：溶洞頂板被裂隙切割，呈塊狀、碎塊狀，溶洞頂板塌落后，塌落堆積物變得松散，體積變大，當塌落達到一定的高度，洞體可被松散的塌落堆積物自行填滿，這種情況下不需要其考慮對地基穩定性的影響。

結構力學分析法：根據抗彎、抗剪驗算結果，判別洞室頂板穩定性。當溶洞頂板達到一定的厚度，頂板的抗彎強度大于彎矩，抗剪強度大于剪應力時，溶洞頂板穩定。

成拱分析法：一般認為溶洞頂板巖體被裂隙切割，呈塊狀、碎塊狀，溶洞頂板塌落成拱狀塌落，巖體及其上部荷載全部由拱自身承擔，按普氏松散介質破裂拱理論，此時破裂拱高 H 為

式中：b——洞體跨度（m）；

Ho——洞體高度（m）；

φ——洞壁巖體的內摩擦角（°）；

f——洞體圍巖的堅實系數，對松散介質，f=tanφ。

破裂拱高加上部附加荷載作用所需的足夠巖體厚度才是溶洞頂板的安全厚度。若溶洞的頂板塌落呈拱形塌落，而拱角以下巖體穩定、完整、無橫向移動的可能，則可以用石砌拱圈厚度加上足夠的安全儲備來類比，從而近似的確定拱頂的安全厚度。

（3）定量判別方法，一般是根據一些現有的條件或假設條件建立物理力學模型，然后根據模型進行相關分析計算的一種方法。

一般定量判別的方法有：穩定系數法、有限元數值分析法、應用統計法等，由于巖溶洞體的受力情況、圍巖應力場的變化十分復雜，要比較準確的確定洞體破壞形式非常困難，另外由于現有探測方法的局限性，很難取得符合實際情況的巖體力學參數以及查清洞體與圍巖的邊界條件、性能指標等。因此，定量判別方法很難在工程實踐中廣泛應用。一般情況下半定量的判別方法在工程實踐中應用范圍較廣。

根據上述定性、定量等判別方法結合昆明新機場、桂林機場以及白云機場、湖南武岡機場等工程經驗，總結出一套針對機場范圍內隱伏溶洞穩定性的判別方法。

2.2 具體采用三種方法進行

（1）根據溶洞頂板厚度判別

當位于飛行區道面影響區、填方邊坡穩定影響區以及土面區的隱伏溶洞的頂板厚度H分別大于等于15m、15m、10m時，一般情況下可認為該溶洞不需要處理。當溶洞頂板厚度H分別小于15m、15m、10m時，按下述方法（2）繼續進行判別。

（2）根據溶洞頂板坍塌自行填塞洞體判別

根據溶洞頂板坍塌自行填塞洞體需要的巖體厚度對溶洞頂板的穩定性進行判別：

H′=H0/（Ki-1）

式中：H′——填滿洞體所需要的塌落高度；

Ki——頂板上巖土（石）松散系數，對巖石取1.1～1.3，視坍落后塊度定；對土取1.05～1.10；

H0——溶洞的最大高度；

H——溶洞頂板厚度；

若H≥H′，則認為該溶洞不需要處理；

若 H＜H′，按下述方法（3）繼續進行判別。

（3）按頂板厚度與溶洞洞徑之比進行判別

對于飛行區道面影響區、填方邊坡穩定影響區：若H/D≥1（頂板完整），或H/D≥1.5（頂板破碎），則認為該溶洞不需要進行處理，否則應采取工程措施對其處理。

對于土面區：若H/D≥0.7（頂板完整），或H/D≥1（頂板破碎），則認為該溶洞不需要進行處理，否則應采取工程措施對其處理。

式中：H——溶洞頂板厚度；

D——溶洞洞涇。

根據上述判別方法判別結果為需要進行處理時，可參考下述方法進行處理。

3 隱伏溶洞的處理方法

根據工程經驗處理不穩定性溶洞的方法有清爆夯填、強夯、注漿（混凝土）、樁基礎等。結合經濟性、處理效果、施工便捷程度等綜合分析、比較。機場荷載一般是大面積填土荷載，對機場地基一般按沉降和差異沉降進行控制，所以樁基礎處理機場地基下不穩定溶洞綜合效應較低，一般不做優先考慮。對埋深較淺（小于5m）的不穩定溶洞，采用清爆夯填處理。清爆夯填施工簡單，工程造價較低，處理效果較好，處理淺層不穩定溶洞可以作為首選方案。對埋深中等（5～10m）的不穩定溶洞，清爆難度較大，改用強夯處理，將不穩定溶洞夯塌。強夯施工簡單、造價低、處理深度可以達到十幾米深，對處理埋深中等的溶洞時可做首選考慮。當洞體埋深較深（大于10m），強夯施工難度較大，效果不佳，采取注漿（混凝土）法處理，對全填充溶洞采用袖閥管注漿處理，對無填充溶洞采用灌注低標號混凝土處理。

（1）對埋深小于5m的溶洞處理

可以采用清爆夯填法進行處理。具體為：先清除溶洞頂板覆土層，再對溶洞頂板進行爆破，再清除爆破后的溶洞頂板破碎物以及洞內軟弱填充物，最后回填相應的土石料，回填壓實方式可采用強夯，示意圖如圖1。

（2）對埋深大于5m但小于10m的隱伏溶洞處理

采用強夯法處理。根據洞體埋深不同，采取相應能級進行強夯處理使不穩定溶洞自行坍塌。清除洞內不滿足要求的填充物，并分層回填相應的土石料，回填壓實方式可采用強夯。

示意圖如圖2。

（3）對深度大于10m溶洞的處理

圖1

圖2

對于全充填的溶洞采用注漿法處理。先通過鉆機在地層中鉆孔，將溶洞、裂隙盡量暴露出來，再用灌漿機械把預制的水泥漿液壓入地層中。對于半充填、無充填的溶洞采用灌注混凝土結合注漿法處理。先通過鉆機在地層中鉆孔，將溶洞、裂隙盡量暴露出來，再通過高壓混凝土泵泵送預制低標號混凝土。待混凝土初凝并達到一定的強度（一般為7d）后，再采用袖閥管注漿法對未完全充填部分和孔隙進行進一步充填處理。

示意圖如圖3。

圖3

4 結論

在灰巖地區，溶洞較發育時，機場地基下的不穩定溶洞對機場整體的穩定性、安全性影響很大，地基處理時需要重點考慮。溶洞處理前需要查明全場溶洞發育特征、水文情況等然后對溶洞進行穩定性判別，針對不穩定溶洞采取清爆夯填、強夯、注漿（混凝土）法處理。以上結論是根據相關工程經驗結合相關文獻總結所得，不足之處請指正。