巖溶地基工程地質勘察技術研究

代志坤,游思琴

（中水珠江規劃勘測設計有限公司,廣東 廣州 510630）

在巖溶地區開展工程建設,往往容易伴隨地面塌陷、地理沉降等問題,究其根本主要是由于巖溶發育過程中地下將伴隨產生各種形狀、大小不等的溶洞、土洞,受到自然環境、人類活動的影響,就會進一步促進坍塌的發生,進而損害地基結構的穩定性[1]。在這樣的背景下,溶巖地區的工程建設往往會涉及到財政、人文問題。為了盡可能降低溶洞、土洞對于工程建設的不利影響,就需要技術人員制定針對性的勘察方案,并以此為基礎開展分析評價,減少巖溶地質對于地基的破壞[2]。因此,建立完備科學、系統可靠的勘察方案,對于巖溶地區工程建設的開展具有突出的意義。

1 工程概況

以我國某船閘為例展開分析,該項目的閘墻選用無底板分離重力式設計,且結構上左右閘墻保持獨立。閘墻以直接擱置的方式布置于基巖之上,并與墻后填土、墻底巖層相互協作形成受力整體,保持結構體系具有足夠的穩定性。船閘的左側修建有一條公路。船閘修建于地層性質比較復雜的石灰巖之上,其間發育有比較豐富的溶洞、溶槽。該項目建成運營期內,受到上部荷載長期作用,隱伏溶洞使得基礎逐漸薄弱,上部結構發生崩塌的風險較為突出。

該船閘下部基巖主要為石炭系的統石橙子段灰巖,且組成純凈、層厚夾層小。此外,該船閘地處河谷區域,地表、地下水發展比較豐富,兩者的循環活躍。所以,溶巖發育也就受到促進,巖層的產狀較為平緩,大多集中于20°～40°的范圍內。基巖中存在陡傾裂隙的發育,并伴隨產生斷裂,地表、淺層有溶巖發育的跡象,且按照溶巖分區進行劃分都屬于發育程度較強的水平。

運行、檢修工況下閘墻的最不利水位組合見圖1。

圖1 運行、檢修工況下閘墻的最不利水位組合

該項目的閘墻選用重力式結構,斷面形式為梯形。這一類型閘墻的主要特點在于借助結構及上覆回填土的重力來保證墻體穩定。這一結構形式具有節省材料、施工要求低的優點,設計時不考慮結構抗拉能力。但由于采用梯形斷面,因此其對地基有較高。根據設計資料可以發現,項目左、右閘墻的基礎寬度分別為3.9 m、4.6 m,船閘直接置于基巖之上,在設計時未能考慮溶洞對結構的影響。在運營期內,閘墻內的設計水位為62.7 m,左、右閘墻的墻后水位分別為60.2 m、57.7 m。

2 工程地質勘察原則

（1） 在現場勘察工作正式開始前,應搜集當地水文、地質資料。詳實的資料有助于幫助技術人員判定該地區是否存在巖溶風險。在此基礎上綜合考慮多項勘察手段,即可大致推斷成待研究地區的巖溶發展情況,進而對地區地質災害風險形成初步的印象,為后續提出檢測、治理方案提供支持[3]。

（2） 對于地下構造比較復雜的,應充分采集資料信息,掌握測區及相鄰地區的地震數據,尤其是需要對測區、鄰區的可控震源試驗數據進行研究分析。如有必要,還可借助物理正演的方式來進行模擬,尋求不同的解決措施,為后續施工方案的制定提供理論指導。

（3） 借鑒、學習鄰區同類項目的成功經驗[4-5],結合勘探報告進一步完善參數論證工作,以此來研判最佳施工因素。

（4） 深入研討地區地質特點,綜合考慮質量、成本、工期等的影響,選擇最佳的物探技術。在通過物探基本確定目標靶區后,即可在該區域適當布設鉆孔進行檢測,初步探查場區內上覆第四系地層的性質,研判裂隙帶的空間位置及發展程度。

（5） 鉆探孔一般以完整基巖暴露出來為準,基巖孔以基巖面之下5～20 m 為標準。在本項目鉆探工序中選用XY-1 型工程鉆機進行作業,并在鉆孔過程中取第四系覆蓋土層樣本開展標準貫入檢測,以此來明確其土體的性質。需要注意的是,第四系地層內的鉆進工序應保證在單次干鉆回次中進尺深度小于1 m。

（6） 在各個鉆孔內,應當準確測量其中的地下水初見及穩定水位。遵照我國現行技術標準,在鉆孔工序中應當實時監測地下水位的變化,并采集足夠的土體樣本,為后續室內試驗提供支持,便于綜合研判第四系土層的性質。

3 工程地質調查

3.1 地形、地貌

項目地處山前準平原,位于河流沖積扇之上,整體呈現出北高南低的地勢變化,但整體起伏較小、地勢較為平坦。根據已有的地質勘察資料可以發現,在該地區存在一條沿北西40°走向的斷裂,該斷層延伸發展貫穿整個市區。

3.2 場區地質構造

擬建設場地存在復雜的地下構造,受到劇烈造山運動的影響,造就了該地區的背斜、向斜構造。

3.2.1 褶皺構造 擬建設場地主要存在一道背斜、一道向斜的褶皺構造,這兩處構造主導著地區地質構造的主要特性,其產狀見表1。

近年來隨著光纖測試技術迅速發展，Kister等[14]對灌注樁中光纖光柵傳感器的埋設工藝進行了研究，并給出了可行性評價，但沒有對光纖光柵傳感器在PHC管樁的應用進行研究.國內眾多學者將光纖傳感測試技術應用至PHC管樁樁身軸力測試，魏廣慶等[15]對PHC管樁中傳感光纖的埋設工藝進行了研究，在樁身表面開槽放入光纖后再用膠封裝，并將其應用于PHC管樁樁身應變的測試.寇海磊等[16]、秋仁東等[17]都采用在PHC管樁樁身表面刻槽預埋光纖光柵傳感器的埋設工藝，分別進行了管樁貫入過程試驗研究和水平載荷試驗研究.

表1 褶皺構造統計表

3.2.2 斷裂構造 斷裂帶1 位于場區西北向約650 m處,該斷裂為全新世活動期,走向為NE25～35°,傾向為NW,其最大角度為70～80°,全長共計35 km。

斷裂帶2 為該地區長約40 km 的一條主要逆斷層斷裂,走向為NE30°,傾向為NW,其最大角度為70～80°。

3.3 水文地質條件

擬建項目的地下水類型主要有三種,其一為第四系內的松散巖類孔隙水；其二為奧陶系的巖溶裂隙水；除此之外,還有一類存量較少的石炭- 二迭系碎屑巖類裂隙孔隙水。

擬建項目地處當地郊區地帶,為一類較為典型平原水文區。參考以往的工程實踐經驗及地質勘察報告,主要考慮該地區第四系松散巖類孔隙水及奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙水兩類地下水的影響。

3.3.1 第四系松散巖類孔隙水 這一類地下水在洪積砂、礫及卵石中分布最為廣泛。在不同地層之間往往存在多個含水層且沒有穩定的隔水層,水力聯系比較密切,大多為潛水- 微承壓水。這一類地下水的類型主要為HCO3-Ca,單位涌水量不大于10 m3/h,且礦化度低于0.5 g/L。

地質勘察報告發現,該地區的第四系土層為一類富水土層,為當地工業、農業用水的重要來源,近些年由于市政規劃調整控制用數量,使得地下水開采量逐年下降。

大氣降水在不斷匯聚后以地表水的形式向下滲透,成為地下水的主要供給源。同時,受到工業、農業開采的影響,地下水部分排泄,而多余的水量則會以越流補給的形式向下伏基巖進行滲透。在擬建設場地范圍內,地下水流向呈現出自自北西向南東的趨勢,其水力坡度約為1‰～2%‰。同時,由于該地區存在居民大量開采地下水的現象,因此在該地區產生了水力漏斗,這給地下水的流向帶來了一定的影響。

3.3.2 奧陶紀碳酸鹽巖類巖溶裂隙水 地質勘察發現場區下伏基巖為奧陶系地層,這一地層中的石灰巖上覆第四系土層。該地區石灰巖的巖溶裂隙發育程度比較大且伴隨較好的連通性、導水性,其地下水的主要類型為HCO3-CaMg,且礦化度低于0.4 g/L。這一層地下水是北部水廠開采的主要層位。根據已有的勘察記錄,其埋深約為38.0 m。

其主要補給來源為上層地下水向下滲透。人工開采行為將導致裂隙水發生大量流失。該地區的流向大致為自北東向南西,由此也就構成了降水徑流補給- 開采排泄型的結構。

總體來看,場區內存在兩層含水層,這也就導致了地下隔水層存在薄厚不均勻的問題,容易發生相互貫通。其中第四系孔隙水能夠跨越越流“天窗”,向基巖中進行補給。這一類水文環境,很容易引發巖溶的發育。

4 物探工作的開展

在該項目立項之初,為綜合考慮水文地質的影響,便針對巖土進行了全面的勘察,項目共計鉆孔263 個,其鉆孔深度最大達到50 m,以此為基礎編制了相應的勘察報告。盡管地質勘察報告顯示在地下50 m 范圍內未發現石灰巖層,但在工程的勘察中發現了部分殘積土層,且隨著鉆孔深度的提升石灰巖風化碎屑的占比逐漸增大。

基于地質勘察報告,結合地質調查分析,同時考慮到當地棚戶改造的需求,此外由于工程建設達到一定的規模。因此,經過參建單位多方研討,最終決定對擬建場地展開巖溶地質重點勘察。

在該物探工作中,總共布設了10 條地震測線,其探測的總長度達到了6 317 m,試驗激發點、信號接收點分別有11 個、1 520 個。

為了保證測區被完全覆蓋,本次物探初始布設10條地震測線,其走向為東西向,并布置試驗物理點、生產物理點,其數量為11 個、1 520 個。考慮場區內地形條件比較復雜且為兼顧地震地質要求,綜合評價本次探測工作的基本目的,認定該物探方案符合要求。

為了確保物探結果的真實可靠,在采集工作中應當基于生產組織要求進一步細化質量管理標準,并將各個環節的質量管控要點落實到位。特別地,地震波采集可分解為測量、放線、儀器操作等內容。若上一工序不滿足要求應不允許開展后續工序,嚴格把控質量。

5 鉆探驗證

通過物探技術,能夠顯著提升工程勘察的效率與精度,特別是在巖溶地基的勘察中,有助于快速掌握巖溶發育程度,為后續治理工作的開展提供可靠參考。但需要注意的是,物探結果并不能完全代表勘察結果,地震波在傳導過程中受到多種細微因素的影響,不可避免地會出現偏差,因此在物探后還應采取鉆探進行驗證。在本次鉆探工作中,共計布置鉆孔4 個,其鉆孔深度約為70～80 m。此外,還同步進行了土工試驗、原位測試,得到原狀樣本38 個、擾動樣本445 個、巖樣15 個,開展標準貫入試驗44 次。

5.1 巖土物理力學性質

借助原位測試、室內試驗,研究人員最終綜合得出結論。其中第一層雜填土在自重作用下的固結作用未完全完成,無法給定相應的承載能力。而其它各部分則可按照天然地基進行使用。綜合標準貫入試驗、土工試驗等的結果,得出該場地的主要性質參數見表2。各土層承載力大小見圖2。

圖2 各土層承載力特征值

表2 各層土的物理力學性質

5.2 巖溶發育情況

四個孔位的鉆探結果見表3。鉆探結果發現場區內的第四系厚度大于47.0 m,且根據土層巖性的不同可大致歸為雜填土、粉質粘土、細砂及卵石等。下伏基巖主要為石灰巖,屬于奧陶系碳酸鹽系。地下淺層中第四系地層具有較為穩定、可靠的巖性,其中基巖裂隙發育程度較大,風化帶分布的厚度不一,大致表現為漏斗狀。

表3 鉆孔揭露基巖情況

基于鉆孔勘察的結果,YZK1、YZK2 及YZK3 在基巖面位置出現嚴重的漏漿現象,且不返漿。YZK4 在基巖面位置存在輕微的漏漿,且部分返漿,在深60.0 m 的位置存在嚴重漏漿但其可返水,終測水位為44.0 m。以上四個孔位附近均發現基巖水位漏斗,使得地下構造應力發生改變,促進破碎化的發展,由此可認定為巖溶地基的高風險地區。

6 結論

以我國某工程建設項目為例展開分析,首先借助地質調查、工程勘察得到了初始資料,以此確立了開展巖溶勘察的重要性,并初步擬定了勘察計劃。本研究在物探的基礎上,綜合原位測試、室內試驗及鉆探等方式,秉承“物探先行、鉆探驗證”的基本原則,確定了該地區的巖溶風險。