巖溶洞隙穩(wěn)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(wěn)定性分析的主要目的。為給巖溶區(qū)的洞隙穩(wěn)定性分析提供參考，闡述了洞隙穩(wěn)定性問(wèn)題與地下隧道工程的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題的關(guān)系，對(duì)巖溶區(qū)洞隙穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了總結(jié)。最后指出，工程地質(zhì)類(lèi)比法和結(jié)構(gòu)力學(xué)解析法，雖然是目前溶洞頂板的穩(wěn)定性分析的兩種主要方法，但是，由于影響溶洞頂板穩(wěn)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(lái)確定，建議應(yīng)在多種方法計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上綜合確定，必要時(shí)，應(yīng)采用數(shù)值分析法進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：巖溶 溶洞 頂板安全厚度 穩(wěn)定性分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TU42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）0073-02

在巖溶發(fā)育地區(qū)的建筑物地基中，巖溶作用可能會(huì)導(dǎo)致地基中的巖溶洞裂隙的大量分布，因此，研究其穩(wěn)定性對(duì)工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)和實(shí)際意義。

目前，在工程建設(shè)中的洞隙穩(wěn)定性分析的主要方法和原理可見(jiàn)于《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第4版）[1]或《巖土工程手冊(cè)》[2]中，其中在巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）[3]和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）[4]也有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。但是不同教材和規(guī)范所介紹的方法基本大同小異。由于影響洞隙穩(wěn)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(fā)育形狀、巖石強(qiáng)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(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化，僅考慮其中少數(shù)幾個(gè)影響因素，且每一種分析方法在理論和實(shí)踐中都不可避免地存在其局限性，因此，洞隙穩(wěn)定性一般要求采用多種方法進(jìn)行分析，并將不同方法的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以綜合確定洞隙的穩(wěn)定性。

1 洞隙穩(wěn)定性影響因素分析

溶洞穩(wěn)定性問(wèn)題與隧道的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題相類(lèi)似。不同之處是，溶洞是漫長(zhǎng)的巖溶作用條件下形成的，屬于地質(zhì)演變的結(jié)果，而隧道則是在相對(duì)短暫的時(shí)間內(nèi)，能由人工開(kāi)挖形成，因此，兩者在應(yīng)力條件和地質(zhì)條件上存在如下差別。

（1）兩者的天然應(yīng)力狀態(tài)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(shù)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(jìn)出口附近，其埋深不過(guò)幾十米，但隧道穿越山體中部時(shí)，其埋深可能達(dá)幾百米。如滬昆高鐵在穿越雪峰山的隧道時(shí)，最大埋深可達(dá)300 m以上。由于隧道埋深的變化范圍較大，其天然應(yīng)力即包括巖土體的自重應(yīng)力場(chǎng)，也包括地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。

對(duì)于巖溶區(qū)的建筑工程來(lái)說(shuō)，建筑對(duì)場(chǎng)地的影響深度較小，巖溶處理深度一般不大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，建筑場(chǎng)地的樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)不超過(guò)50 m，可見(jiàn)建筑場(chǎng)地的巖溶處理深度一般也不超過(guò)50 m。也就是說(shuō)，巖溶建筑場(chǎng)地所處理的大多數(shù)是淺層的巖溶洞隙。淺層洞隙的應(yīng)力分布有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)，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(shù)量不等的貫通或不貫通的巖溶裂隙，從而導(dǎo)致洞隙頂板的應(yīng)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(yīng)力集中。隧道開(kāi)挖是在短暫的時(shí)間內(nèi)完成的，相對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造來(lái)說(shuō)，可視為瞬時(shí)開(kāi)挖。在開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖原有的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力大部分尚未釋放。隨著構(gòu)造應(yīng)力的釋放和自重應(yīng)力的作用，隧道圍巖可能會(huì)產(chǎn)生冥想的二次應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而對(duì)圍巖的穩(wěn)定性帶來(lái)十分不利的影響。

溶洞形成是十分緩慢的過(guò)程，其洞隙周?chē)鷰r體的應(yīng)力隨著溶洞的形成早已經(jīng)基本甚至完全釋放，若沒(méi)有新的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，基本不會(huì)出現(xiàn)二次應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，在洞隙穩(wěn)定性分析時(shí)，通常不考慮二次應(yīng)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(kāi)挖隧道，但是，溶洞主要發(fā)生在巖溶區(qū)，其巖性以可溶巖為主?？扇軒r的種類(lèi)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(wěn)定性事實(shí)上主要就是研究碳酸鹽巖的洞隙穩(wěn)定性。

（4）地下水。隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖的地下水賦存狀態(tài)影響巨大，造成地下水徑流路徑的突變，且開(kāi)挖后，隧道圍巖應(yīng)力的快速釋放，導(dǎo)致了圍巖裂隙增大，地下水流速增大，圍巖所受的地下水動(dòng)力對(duì)圍巖的穩(wěn)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(gè)過(guò)程十分緩慢，地下水的動(dòng)力變化基本不存在突變過(guò)程，因此，溶洞對(duì)于地下水的作用敏感程度明顯不高。

（5）穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)象不同。隧道的圍巖穩(wěn)定性是以開(kāi)挖洞室周?chē)膸r體為研究對(duì)象，旨在確保地下開(kāi)挖空間在正常狀態(tài)下的使用安全，因此，在穩(wěn)定性分析時(shí)，整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性均要進(jìn)行評(píng)價(jià)。溶洞穩(wěn)定性主要的研究對(duì)象為溶洞頂板的穩(wěn)定性，側(cè)重于對(duì)溶洞頂板的整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

綜上所述，溶洞的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)不僅需要對(duì)其巖體的裂隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，也要對(duì)特定的洞隙形態(tài)在特定工程荷載或其它外部附加應(yīng)力作用下的頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 完整圍巖的洞隙穩(wěn)定性分析方法

當(dāng)頂板巖層比較完整時(shí)，將溶洞圍巖看作一個(gè)結(jié)構(gòu)自承重體系，根據(jù)溶洞洞體形態(tài)、完整程度、裂隙情況進(jìn)行內(nèi)力分析，求得H，再考慮增加適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，便為頂板安全厚度。這其中所涉及的巖體強(qiáng)度參數(shù)有計(jì)算抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的，對(duì)石灰?guī)r而言，按《工程地質(zhì)手冊(cè)》提供的經(jīng)驗(yàn)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(lèi)比法。當(dāng)頂板巖層比較完整時(shí)，對(duì)于水平頂板可根據(jù)“厚跨比”評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。通過(guò)工程類(lèi)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(dāng)某溶洞的頂板厚跨比大于相應(yīng)的計(jì)算值時(shí)，即認(rèn)為是安全的。

（2） 單跨梁模型。當(dāng)厚跨比h/L<0.5時(shí)，按單跨梁力學(xué)模型計(jì)算。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)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(shù)，按表1確定；[σ]、[S]分別為巖體抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(jù)極限平衡條件，可得：

（4）

式中：L為巖溶的平面周長(zhǎng)，按式（5）計(jì)算。

（5）

3 破碎圍巖的洞隙穩(wěn)定性分析方法

當(dāng)頂板嚴(yán)重風(fēng)化，裂隙發(fā)育，且有可能坍塌的情況，將溶洞圍巖看作散體結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析。方法有以下幾種。

（1）類(lèi)比法。當(dāng)頂板巖層完整性較差時(shí)，可通過(guò)“厚高比”評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)某溶洞的頂板厚度與其跨度之比>5.0時(shí)，認(rèn)為是安全。

（2）普氏破裂拱法。按破裂拱概念估算，可計(jì)算出破裂拱高度H，此時(shí)將破裂拱高度加適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，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(nèi)摩擦角；f為巖體堅(jiān)固系數(shù)，按式（7）確定。

（7）

式中：Rc為巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度。

（3）經(jīng)驗(yàn)公式法。松散層坍塌后形成的空洞，造成圍巖強(qiáng)度降低，圍巖應(yīng)力重新分布及空洞應(yīng)力釋放，形成松弛帶，具有平衡拱作用。松弛帶產(chǎn)生的圍巖壓力高度即松弛帶垂直荷載的高度，據(jù)大量隧道塌方統(tǒng)計(jì)，其經(jīng)驗(yàn)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(lèi)別；W為洞寬系數(shù)，按式（9）確定；B為洞隙寬度；i為系數(shù)，當(dāng)B<5時(shí)，i=0.2，當(dāng)B≥5時(shí)，i=0.1。

（9）

（4）洞頂坍塌堵塞法。當(dāng)洞頂坍塌后，塌落體體積增大，當(dāng)坍落到一定高度時(shí)，洞體自行填滿(mǎn)，無(wú)需考慮洞隙對(duì)地基的影響，此時(shí)將塌落高度加適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，便為頂板安全厚度。

（10）

式中：K為巖體脹余系數(shù)，石灰?guī)r一般取K=1.2。

蔣繼昭（1997）對(duì)坍塌填塞法進(jìn)行了改進(jìn)，用下式（11）計(jì)算溶洞頂板厚度：

（11）

式中：λ為洞形修正系數(shù)，為安全起見(jiàn)，一般取λ=1.0；α為頂板巖層風(fēng)化完整性修正系數(shù)，一般取α=0.3；β為洞內(nèi)充填物修正系數(shù)；H0、H1為洞內(nèi)無(wú)充填物段和充填物段高度；K為巖體脹余系數(shù)，石灰?guī)r一般取K=1.2。

（5）坍塌平衡法。

根據(jù)坍塌巖體的平衡條件可導(dǎo)出坍塌高度H如式（12）：

（12）

式中：Ka為側(cè)壓力系數(shù)，按式（13）計(jì)算；θ為滑移面摩擦角，一般取θ=0.9ψ；

（13）

4 結(jié)語(yǔ)

巖溶洞隙穩(wěn)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(zhì)類(lèi)比法和結(jié)構(gòu)力學(xué)解析法，雖然是目前溶洞頂板的穩(wěn)定性分析的兩種主要方法，但是，由于影響溶洞頂板穩(wěn)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(lái)確定，建議應(yīng)在多種方法計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上綜合確定，必要時(shí)，應(yīng)采用數(shù)值分析法進(jìn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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[4]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.