某巖溶地基特大溶洞處置方案探討

關鍵詞：巖溶地基；特大溶洞；分層反濾回填

中圖分類號：P618.13 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）07-0116-05

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.07.034

Exploration of Engineering Disposal Plan for a Giant Karst Caves in Karst Subgrade

HE Jijun'，ZHANG Hongming1，2

（1.The SecondEngineering Prospecting InstituteCo.，Ltd.，BureauofGeologyand Mineral ResourcesofGuizhou; 2.NO.114 Geological Brigade，Guizhou Bureau of Geologyand Mineral Resources，Zunyi563Ooo，China）

Abstract：Takingasuper large karst cave inacertain karst foundation in northern Guizhou asan example foranalysis， through comprehensive investigation，the genesis mechanism and development characteristics of the cave were systematicallrevealed.An innovativedifferentiated foundationdesignbasedonthedynamiczoningofkarstdevelopment characteristicsandcave influence intensitywasproposed，anda\"layeredanti filterbackfiling+combinedfoundation\" scheme wasadopted tocomprehensively treatthesuper largecave，achieving significant benefits.Theresearch content providesanewparadigm for thedisposalofsuperlarge karstcaves in karstfoundations，whichcanbeusedasareference for similar projects.

Keywords：karstsubgrade;giantkarstcave;layered filtered backfill

貴州省作為典型喀斯特地貌區，可溶巖地層分布面積占全省面積的 73.6% ，區內 85% 以上建設項目面臨巖溶地基處理難題。巖溶地基，即巖體中存在溶洞、溶蝕裂隙，或巖體表面存在石芽、溶溝（槽）、溶蝕漏斗，或覆蓋層中存在可溶巖類殘積土、伴生土洞等不良地質現象的地基[1。此類地基繼承了巖溶發育的不均勻性、形態復雜性和分布隱蔽性3個特征，因此巖溶地基勘察處理難度極大，很難形成普遍適用的標準化勘察與治理方法。目前，巖土工程的市場環境和隨著建筑用地日趨緊張，巖溶地區要想避開巖溶強發育場地非常困難，采取合理可靠的措施對巖溶地基進行處理并加以利用，更切合當前建筑地基的發展環境。但是，現有技術體系和工程案例有限，對巖溶地基中特大型溶洞的處置技術和治理經驗較少。因此，基于實際工程案例，針對巖溶地基中的特大溶洞，提出基于巖溶發育強度動態分區的“分層反濾回填 + 組合式基礎”綜合治理體系，旨在為同類工程提供借鑒。

1 區域概況

1.1 區域簡介

擬建遵義康養產教一體化示范基地項目是集遵義康養職業學院、直屬附屬醫院、康復中心、職業技能培訓中心等為一體的綜合性綠色康養產業項目，為貴州省的省級綠色產業招商項目和省級重點項目。項目規劃總用地面積為 200822.5m² ，總建筑面積為124 339.96m² ，擬建建筑物有康復醫院、康復樓、圖書館、教學樓、綜合樓等公共建筑。其中，1#樓為圖書館和行政樓，地面以上4層，地下一層，設計 ±000 的標高為 944.45m ，地下室底板設計標高為939.95m 。經查明，1#樓區域場地屬巖溶強發育區，巖溶規模和數量眾多，發育特大型溶洞1個（RD1），以該特大型溶洞為研究區域，對發育特征和處置方案進行探討。

1.2區域環境地質條件

項目位置屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為15.1°C ，年均降水量為 1 141.3mm 。所處位置屬長江流域烏江水系湘江河支流坪橋河流域，地形地貌以溶蝕丘陵與溶蝕槽谷為主，地面高程在896.27～951.82m ，地勢東高西低，地形呈漸變式起伏。

研究區構造屬揚子準地臺一黔北臺隆遵義斷拱一畢節北東向構造變形區一永安場向斜南東冀。區內構造以南北向變形構造帶為主，基巖地層為三疊系中統獅子山組（ T₂sh ）薄層至中厚層泥灰巖夾薄層泥巖，巖層產狀為 ，發育規模性節理兩組，節理L1產狀為 342^°∠75^° ，節理L2產狀為190^°∠81^° ，巖體結構面之間多為泥質或巖屑充填，屬軟弱結構面。

研究區巖土體結構自上而下為第四系人工填土（20 第四系殘坡積黏土（ Q^el+dl ） $$ 三疊系中統獅子山組泥灰巖夾泥巖（ T₂sh ）。基巖根據風化程度劃分為強風化和中風化。場內素填土厚度在 0.0～ 12.6m ，殘坡積黏土厚度在 0.0～14.7m ，強風化基巖深度為 0.0～8.1m ，基巖以薄層泥灰巖夾泥巖或泥灰巖與泥巖互層產出為主，巖體產狀平緩，變化不大。根據室內測試及定性分析，中風化基巖飽和單軸抗壓強度為 30.47MPa ，屬較軟巖，巖體完整性為較破碎，巖體基本質量等級為IV級[2]。

1.3巖溶發育情況

1.3.1巖溶發育基本特征

巖溶發育是“巖石-構造-流體－氣候”系統動態平衡的產物，其空間分布與形態特征受巖性、構造、地形及氣候等條件制約[3]。

巖性差異是巖溶發育的物質基礎。質純層厚的石灰巖、白云巖等純碳酸鹽巖因礦物成分單一、結構致密，地下水易沿原生孔隙或裂隙均勻溶蝕，形成連續貫通的巖溶構造，而含硅質、泥質或夾非可溶巖巖層的非純碳酸鹽巖因不溶物質阻礙水流滲透，巖溶發育呈片段化，相對較弱。

地質構造是巖溶空間分帶的控制框架。在斷層破碎帶、節理密集帶和褶曲軸部等地質構造發育部位，應力集中導致巖體裂隙密集，破壞了巖體的完整性，成為地下水優勢徑流通道，有利于巖溶水的循環和巖溶發育。另外，陡傾巖層更易促使水流垂向滲透，較水平巖層的巖溶發育更強；非可溶巖與可溶巖的接觸帶因差異溶蝕產生強烈巖溶活動。

構造運動是巖溶分帶的動力學機制。地殼抬升期，基準面快速下降引發河流強烈下切，形成垂直巖溶發育系統；在地殼穩定期，地下水側向侵蝕占據主導，巖溶以水平發育為主；地殼下降運動通常伴隨垂直巖溶和水平巖溶的疊加，相對更加復雜。

地形地貌是巖溶發育模式的表層響應。在陡峭的山區，地表排水通暢，水流較快，地表水下滲少，地表徑流占主導，巖溶以溶槽、石芽等表層巖溶為主。在平緩丘陵或封閉洼地等平坦地帶，地表水下滲條件好，地表水大量下滲，匯水區化學溶蝕強烈，成為巖溶發育的集中帶。

氣候與降水是巖溶強度的能量供給。在濕潤熱帶－亞熱帶地區，高溫高濕的環境加速 CO₂ 溶解與碳酸鹽巖反應，溶蝕速率快，生物協同作用強烈；而在干旱－寒帶地區，降水稀少，巖溶作用相對弱化或停滯。

1.3.2本工程巖溶發育特征

通過工程地質調繪、鉆探、物探及室內試驗等綜合勘察，系統研究了1#樓區域巖溶發育特征。查明1#樓區域巖溶見洞隙率為 40.6% ，線巖溶率為 9.44% ，相鄰鉆孔間基巖面最大高差為 31.2m ，場地屬巖溶強發育區[4。巖溶構造以間斷裂隙和溶洞為主，發育一至兩層，巖溶發育標高在 940～908m （埋深在0.0～31.0m ），其中， 910～930m 高程段為巖溶密集發育帶。巖溶單體高度為 0.2～31.0m ，平均高度為 5.87m 。小型洞隙（高度小于 1.0m ）28個，占洞隙總數的 43.0%; 中型洞隙（高度在 1.0～3.0m ）13個，占洞隙總數的 20% ；大型洞隙（高度在 3.0～10.0m ））7個，占洞隙總數的 12.3% ；特大型（高度超過 10.0m ）溶洞1個。中小型溶洞多為黏土或含碎石黏土充填，間斷裂隙以黏土與基巖互層產出。值得注意的是，特大型溶洞RD1洞體無充填物，僅洞底分布未膠結碎塊石堆積體。

研究展現出與典型巖溶發育模式的顯著差異，盡管巖層傾角平緩（ 10^° ）且為薄層－中厚層泥灰巖與泥巖互層的非純碳酸鹽巖地層，勘察卻揭示出高度連通的溶洞和暗河系統，其發育強度遠超前期預測[5]。本場地巖溶發育主要受3個要素控制。

一是構造控制效應。巖溶發育延伸方向與巖層走向及節理走向基本吻合；巖體結構面貫穿薄層狀泥灰巖-泥巖互層巖體，導致巖體呈塊狀－碎裂結構，為溶蝕作用提供了優勢通道。

二是水巖協同演化。場地平緩，且位于地表、地下徑流帶，降雨時有豐富的地表集水，平緩的地形為地表水下滲提供了時間和空間，地表水下滲徑流后，伴隨既有巖溶構造和巖體構造擴展，最終在地下隔水層上形成相對穩定的含水巖層，經水巖協同演化、聯通后形成地下巖溶管道和地下水系統。以場內地下巖溶管道和場地南西側出露的巖溶泉S1為代表，S1泉點出露高程為 911.75m ，雨季流量約 5.0L/s 。經追蹤調查，該巖溶泉為地下巖溶管道系統的排泄終端。

三是機械塌陷機制。研究區巖層為薄層至中厚層，結構面貫通至巖層面，導致巖體較破碎，巖溶在泥灰巖與泥巖接觸面活動強烈并產生差異溶蝕，受切割的夾層泥巖在重力作用和溶蝕作用下發生塌陷，塌陷崩積物又被地下水徑流帶走，從而使已形成的巖溶構造出現無充填或半充填的情況。隨著巖溶洞隙規模的擴大，洞內機械塌陷作用加劇，甚至成為洞隙擴大的重要作用。以上為特大型溶洞RD1洞身無充填、洞底堆積碎塊石的原因。

2特大型溶洞的發育特征及處置難點

2.1特大溶洞特征

特大溶洞RD1的平面圖和剖面圖如圖1和圖2所示。特大型溶洞（RD1）沿北東向（南西）發育，溶洞呈獨特的扁平“水壺”狀，其特征為腹部寬大而開口狹窄，洞腔長軸為 26m ，短軸為 16m ，洞口長度為 18.6m ，寬度為 8.5m ，最大垂直高度達 31m ，溶洞三維空間形態高度不規則且洞身無充填物，洞底有碎塊石夾少量黏土充填，充填物為頂板塌陷后形成的松散堆積體。洞內石芽、石筍、鐘乳石等巖溶形態俯拾皆是，洞底有地下水，溶洞與場地南側出露巖溶泉S1連通共同構成地下巖溶管道系統。巖溶泉S1為巖溶管道出口，巖溶管道在1#基礎范圍內長度為 80m ，徑向跨度為 12.5m ，向北東側方向延伸。巖溶管道有收窄變小趨勢，巖溶管道底板高程在905.0～915.0m ，頂板高程在 916.0～925.0m ，管道頂板中風化基巖厚度在 18～25m ，巖溶管道頂板厚跨比（頂板厚度與徑向跨度之比）為 1.44～2.00 0巖溶管道多為半充填狀態或無充填。

圖1特大溶洞RD1平面圖

圖2特大溶洞RD1剖面圖

2.2特大溶洞處置難點

巖溶地基特大溶洞RD1的處置面臨3個技術 挑戰。

一是溶洞規模大且形態復雜。RD1溶洞呈現獨特的扁平水壺狀，腹部寬大，而開口狹窄，最大垂直高度達 31m ，溶洞空間形態高度不規則且洞腔無充填，顯著增加了溶洞處置難度。

二是地下水系統敏感性。RD1洞底與地下巖溶管道系統直接連通，巖溶管道出口S1泉點作為附近村民的飲用水源，具有重要社會功能和生態功能。處置方案必須確保地下水徑流通暢，同時嚴格防控地下水資源污染風險。任何導致S1泉流量衰減或水質惡化的工程行為都可能引發次生災害及社會矛盾。此外，溶洞回填施工需特別防范漿液滲漏和潛蝕管涌等水文工程地質問題。

三是工程經濟性優化需求。在保證工程安全的前提下，建設單位對工期壓縮和成本控制的迫切需求，增加了處置方案的復雜性。這要求工程師必須在有限時間約束下，采用多方案來平衡結構安全性、施工可行性和經濟合理性之間的關系。

3溶洞處置方案

勘察時采用綜合勘察方法（地質調繪、洞內水文地質調查、鉆探和物探）詳細勘察特大溶洞RD1發育規模、特征、充填情況及洞內水文地質環境，獲取RD1溶洞關鍵參數后（洞腔體積、主通道延伸長度、跨度、頂板厚度等）。基于巖溶發育強度動態分區，提出“分層反濾回填 + 組合式基礎”協同處治方案。一是洞口形態改造。采用機械開挖將原始洞口擴大，對頂板薄弱區（厚度 lt;3.0m ）進行揭頂處理。二是分層反濾回填。按透水-過渡-隔水三級反濾結構對洞腔進行回填。三是差異化基礎設計。按巖溶發育和影響強度劃分為3個區域：溶洞核心區（洞壁0.5倍高度范圍內）采用鉆孔灌注樁穿越處理；溶洞過渡區（洞徑收窄、頂板基巖厚度超過5.0m 段）采用鋼筋混凝土筏板基礎進行跨越處理；溶洞外圍區（無溶洞或溶洞影響范圍外）根據地基持力層深度采用柱下獨立基礎或樁墩基礎。

3.1溶洞分層反濾回填

溶洞回填施工前實施洞口、洞腔預處理，對洞□附近頂板厚度薄、易坍塌掉塊的區域進行揭頂開挖，擴大洞口，同時采用在挖掘機鏟斗加裝 6m 探桿（直徑為 50mm 鋼管）進行洞壁敲擊測試，誘發潛在危巖體提前崩落；對洞底原始堆積物不做處理，避免破壞地下巖溶水環境和水質。溶洞分層回填系統由下至上分為3個功能層：一是透水層，洞底及以上 3.0m 范圍內采用石灰巖塊石進行回填，確保足夠空隙率保持地下水流暢通；二是過渡層，透水層以上采用碎石土混合料進行回填，并利用小型挖機進入洞內進行適當攤鋪、碾壓；三是隔水層，在洞頂（地面設計標高以下 2.0m ）范圍內采用黏土進行封閉，確保地表水不會滲入洞內填方體。這樣分層對洞腔進行回填后，在洞底形成自然反濾層，保持洞底地下水原始流通狀態，同時保證基礎和上部結構施工順利進行。

3.2組合式基礎方案

原基礎設計方案為柱下獨立基礎（埋深小于3.0m ），溶洞揭露后，柱下獨基顯然已無法滿足巖溶地基的工程可靠性要求。因溶洞RD1規模大，洞壁巖體完整性差，巖溶管道充填度不足 30% ，采用單一的跨越法或穿越法處理，均存在顯著缺陷。因此，在精細勘察分析后，根據溶洞影響程度和巖溶發育情況，創新性提出分區協同設計基礎的組合式基礎方案。即在溶洞核心區，洞身與洞壁巖體破碎帶采用灌注樁基礎進行穿越處理；在溶洞過渡區，洞徑收窄，有一定厚度的頂板基巖，采用筏板基礎進行跨域處理；在溶洞外圍區，根據持力層深度采用柱下獨立基礎或樁墩基礎。實踐表明，基于巖溶發育強度動態分區的差異化設計，實現了基礎剛度梯度過渡和樁-筏-擴展基礎協同工作機制，并在安全性能、經濟成本、施工操作層面取得顯著效果。

4溶洞處理效果

針對遵義康養基地項目1#樓特大型溶洞RD1，通過實施洞身分層反濾回填，并結合巖溶發育特征，基于巖溶發育和溶洞影響強度的動態分區進行差異化基礎設計，采用“洞身分層反濾回填 + 組合式基礎方案”進行綜合治理。經過治理，1#樓主體結構順利完成驗收，上部結構與基礎均保持良好結構性能。監測數據顯示，溶洞底部的地下巖溶管道保持水力連通，下游出口S1的流量波動幅度低于 5% ，水質指標未受污染。經雨季水文動態監測及運營期評估驗證，該處置方案滿足工程安全性與環境可持續性雙重目標。相較于樁基穿越等單一方案，本方案降低工程造價約50萬元，縮短工期 30d ，展現顯著的經濟、環保效益和可操作性。

5結論

分析發現，碳酸鹽巖－碎屑巖互層構成的緩傾構造地層仍可發育特大型巖溶系統，與傳統巖溶發育理論中“純碳酸鹽巖－陡傾構造”的控溶模式形成顯著差異。此類特殊地質環境下的巖溶地基呈現隱伏巖溶空間分布離散、基巖面起伏變化大、地下巖溶水較豐富且水文地質環境相對脆弱3個特征，給巖溶地基勘察設計工作帶來了極大挑戰，尤其巖溶地基遇特大型溶洞時，單一的巖溶處理措施具有一定的局限性。為有效處理巖溶地基中特大型溶洞并做到經濟適用、質量安全，需充分考慮巖溶場地的水文地質、工程地質、環境地質條件的特殊性，并結合擬建工程的規劃設計進行綜合研判，因地施策。通過工程實例驗證，針對巖溶地基中特大型溶洞（洞徑超過 10m ）采取“勘察-設計-施工”動態協同方法，根據巖溶發育特征和溶洞影響前度進行動態分區，采用“分層反濾回填 + 組合式基礎”方案綜合治理特大溶洞，可充分實現工程安全性與環境可持續性目標，且相比其他單一方案更節約成本，可供同類工程參考。

參考文獻

1中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.巖溶地區建筑地基基礎技術標準：GB/T51238—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.

2 中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.工程巖體分級標準：GB/T50218—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

3 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2018.

4 中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑地基基礎設計規范：GB50007—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

5 金燕林，張慧濤，劉遙，等.塔河油田層控巖溶型儲集體發育特征及典型巖溶模式探討[J].地學前緣，2023（6）：125-134.