東黃山國際小鎮串珠狀隱伏溶洞頂板穩定性研究

李飛飛，牛真茹

(1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101； 2.天津華北地質勘查總院，天津 300181)

1 引 言

我國可溶巖面積分布廣泛，據統計裸露于地表的碳酸鹽巖面積約有 90.7萬km2，加上覆蓋與埋藏于地下的碳酸鹽巖，可溶巖分布面積達 346.3萬km2，約占全國國土面積的三分之一[1]。隨著我國基礎設施建設步伐越來越快，規模越來越大，工程規劃或選址往往難以避開巖溶區，巖溶區地質條件通常比較復雜，尤其處于覆蓋型巖溶地區的隱伏溶洞，埋深較大，隱蔽性較強，分布規律難以查明，造成潛伏易發隱患，對工程建設危害較大[2，3]。

由于影響巖溶發育的誘因眾多，影響因素復雜，目前國內針對巖溶地基穩定性的研究經歷了從定性—半定量—定量的過程[4，5]。其中，定性評價方法主要有影響因素分析法、專家系統評價法、經驗比擬法[6，7]等；半定量評價方法相對定性評價方法更加準確合理，形式相對簡單，應用較為廣泛，包括頂板安全厚度估算法、荷載傳遞線交匯法、頂板厚跨比法[8～11]等；定量評價方法一般使用數值模擬來分析溶洞頂板的穩定性問題，常用的模擬方法主要是有限元與數值流形兩種方法[12～14]。此外，部分學者[15，16]提出了視溶洞頂板為梁板、塌落拱或壓力拱的溶洞頂板來計算穩定厚度的方法，對巖溶的研究更趨于多元化和科學性。

東黃山國際小鎮在建設過程中出現了一些巖溶工程地質問題。例如：某跨河橋梁工程，采用鉆孔灌注樁基礎，施工過程中發現地下溶洞洞體較大，進而采用拋填片石+注漿工藝對溶洞進行處理，既給施工增加了困難又增加了工程處理費用；某橋梁工程施工過程中，因一側橋臺下 2.5 m揭露溶洞，不得不調整原來設計方案，基礎形式由原來的擴大基礎改為樁基礎。本次研究采用多種勘察手段相結合的手段對研究區巖溶發育形態、分布規律進行研究，在確定影響溶洞頂板穩定性因素的基礎上，選取代表性的溶洞，采用定性評價方法和3種半定量評價方法對溶洞頂板安全厚度進行判別，對溶洞地基進行穩定性評價，從而來分析巖溶發育對工程建設的影響。

2 場地地下巖溶探查

地下巖溶探查主要采用工程鉆探、高密度電法物探相結合的方法對研究區巖溶發育特征、充填情況、分布規律進行研究。

2.1 地質鉆探

根據鉆孔揭露巖溶情況，地下巖溶發育類型主要為溶洞、溶蝕裂隙和小溶孔等，大多在埋深 5 m～15 m范圍內揭露。本次研究共收集854個有效勘探孔，勘探孔基本覆蓋整個研究區，其中有71個勘探孔揭露溶洞，揭露溶洞數117個，地下溶洞為垂向多層串珠狀溶洞，一般為2層～3層，最多達5層(典型剖面圖見圖1)鉆孔揭露溶洞洞高大多為 0.1 m～3.0 m，個別洞高達 4.0 m以上，溶洞頂部基巖較為破碎，溶蝕裂隙發育。溶洞充填物多為粉質黏土夾砂礫石，占比約81%。

圖1 典型溶洞發育地質剖面圖

2.2 高密度電法物探

選取巖溶區某平整場地，外業共布設測線長度 3 240 m，共布設電極648個。部分物探成果如圖2、圖3所示。

從圖2測線視電阻率剖面圖(一)可以看出，整體上剖面為相對較連續的低阻異常，在地表附近表現為高阻，在距離測線起點 82 m～87 m處、105 m～110 m處均表現為低阻異常，埋深 8 m～11 m和 10 m～ 13 m處，推測可能為充水或充泥溶蝕形成的溶洞。從圖3測線視電阻率剖面圖(二)可以看出，整體上剖面為相對較連續的低阻，在距離測線起點 46 m～48 m處和 73 m～78 m處，表現為異常高阻，埋深約 5 m～ 7 m，推測可能為無充填的干洞。

圖2 測線視電阻率剖面圖(一)

圖3 測線視電阻率剖面圖(二)

3 巖溶地基穩定性評價

針對溶洞頂板穩定性評價，目前尚無規范可遵循，國內外土木工程中對巖溶地基穩定性評價主要采用定性分析及定量分析方法。

3.1 定性評價

影響巖溶地基穩定性的因素很多，主要有：地層巖性、結構面及組合情況、溶洞大小、形態及埋藏情況、溶洞充填情況、地下水賦存狀態、荷載情況等。

本次研究根據東黃山國際小鎮巖溶發育特征及主控因素分析的基礎上，依據《工程地質手冊》(第五版)[17]，選取影響巖溶地基穩定性的因素進行評價，如表1所示。

巖溶地基穩定性定性評價結果 表1

續表1

3.2 半定量評價

(1)按頂板坍塌自行填塞判別

研究區揭露約81%的溶洞被粉質黏土夾砂礫石充填，其余為無充填的空洞。對無充填或半充填的溶洞，其洞體頂板巖土層的穩定性可根據自行填滿洞體所需的塌落高度來驗算：

(1)

式中：H′—洞體自行填滿所需的塌落高度；

K—巖石松散(漲余)系數，石灰巖K取1.2，黏土K取1.05；

H0—塌落前洞體最大高度；

H—洞體頂板以上巖土高。

若H≥H′，則認為該洞穴處于穩定狀態，可不考慮其對巖溶地基的影響；若H

圖4 溶洞塌落計算示意圖

按頂板坍塌自行填塞判別溶洞判別溶洞頂板穩定性統計表 表2

(2)按頂板抗彎安全厚度判別

當頂板跨中有裂縫，頂板兩端支座處巖石堅固完整時，按懸臂梁計算：

(2)

根據前期勘察成果，溶洞頂板溶蝕裂隙一般較為發育，非溶洞發育區頂板巖層相對完整，計算模型按懸臂梁計算，頂板受力彎矩M按式(2)進行計算，溶洞力學模型可簡化為圖5所示。當頂板巖體抗彎厚度H小于頂板巖體厚度H2時，判別為穩定，反之判別為不穩定。根據計算結果，區內穩定溶洞112個，不穩定溶洞為27個，不穩定溶洞占總數量23.1%，判別結果如表3所示。

圖5 溶洞計算力學模型

按頂板抗彎安全厚度判別溶洞頂板穩定性統計表 表3

(3)按頂板抗剪安全厚度判別

當頂板具有一定厚度，巖體抗剪強度大于剪力時，洞室頂板穩定。

根據極限平衡條件：

T≥P

(3)

T=H3×S×L

(4)

(5)

P—溶洞頂板所受總荷載(kN)，可取頂板厚H的巖體自重、頂板上覆土體自重和頂板上附加荷載之和；

T—溶洞頂板的總抗剪力(kN)；

L—溶洞平面的周長(m)；

S—巖體抗剪強度(kPa)，石灰巖一般取抗壓強度大小的1/12。

當頂板巖體抗剪厚度H3大于頂板巖體厚度H時，判別為不穩定，反之判別為穩定，根據計算，區內揭露117個溶洞均為穩定溶洞，判別結果如表4所示。

按頂板抗剪安全厚度判別溶洞頂板穩定性統計表 表4

4 結 論

(1)研究區巖溶發育以覆蓋型串珠狀溶洞為主，在垂向上具有分層性，一般為2層～3層，最多達5層，鉆孔揭露溶洞洞高大多為 0.1 m～3.0 m，個別洞高達 4.0 m以上，溶洞頂部基巖較為破碎，溶蝕裂隙發育，溶洞充填物多為粉質黏土夾砂礫石，占比約81%。

(2)按定性評價的方法判別，區內巖溶發育大多對地基穩定性不利，由于區內鉆孔揭露溶洞多為充填型溶洞，占比約81%，對地基穩定性較為有利；此外，區內地下溶洞以垂直形態為主，洞體直徑約 0.2 m～6.5 m，平均 1.5 m，溶洞相對較小，對地基穩定性較為有利。

(3)按頂板抗剪安全厚度判別方法判別，區內117個溶洞，均為穩定狀態。

(4)按頂板坍塌自行填塞判別方法評價得出場區內的117個溶洞中，穩定溶洞84個，不穩定溶洞為33個，不穩定溶洞占總數量的28.2%。

(5)按頂板抗彎安全厚度判別，區內117個溶洞中，穩定溶洞90個，不穩定溶洞為27個，不穩定溶洞占總數量的23.1%。