巖溶地區(qū)溶洞頂板穩(wěn)定性分析

李道飛

（貴州省地礦工程勘察有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

在溶巖地區(qū)，由于水的長(zhǎng)期溶蝕作用，在巖層中形成溶洞、溶溝等現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為巖溶。很多地區(qū)巖溶現(xiàn)象較發(fā)育，溶洞、石牙、溶蝕漏斗、溶蝕洼地、落水洞到處可見(jiàn)。這些地段路基的溶洞如果處理不好，容易導(dǎo)致路基下沉、開裂等病害，對(duì)路基穩(wěn)定性有極壞的影響。溶洞有很多種，需要根據(jù)溶洞的發(fā)育程度實(shí)施不同的處理方法，加固頂板，預(yù)防溶洞對(duì)工程的危害。

1 溶洞的成因及類型

水侵蝕可溶性巖石形成巖溶現(xiàn)象。巖溶形成主要有四個(gè)最基本的條件：首先巖石要具有可溶性，其次沖擊巖石的水要具有溶解能力，然后巖石要具有可透水性，最后水在巖石中要具有流動(dòng)性。在建筑施工中，溶洞常被分為兩類：無(wú)水及有水，這是根據(jù)溶洞對(duì)工程的影響來(lái)分的。漏斗很神奇，它是地表水不斷沖蝕溶洞巖壁，使巖壁不斷增大或由溶洞塌陷形成的漏斗狀凹地，其橫斷面長(zhǎng)度不等，最大可到數(shù)十米，深度有的只有1米左右，而有的可到達(dá)15 米，平面形狀有的呈現(xiàn)圓形、扁圓形，有的不是規(guī)則的圖形。有水的溶洞常會(huì)連接地下暗河，雨季到來(lái)的時(shí)候地下水會(huì)向上涌出，而地表上的積水也會(huì)流入地下暗河。在實(shí)際工程中常遇到的多為小型的溶洞，孔徑和深度均不大；對(duì)大型的溶洞，道路選線時(shí)要盡量繞避，本文主要針對(duì)溶洞的頂板穩(wěn)定性進(jìn)行討論。

2 巖溶路基發(fā)育情況及相應(yīng)的處理措施

2.1 小溶洞頂板穩(wěn)定性分析

堵塞。水有很強(qiáng)大的作用，它在流動(dòng)過(guò)程中可以移動(dòng)雜物，而水里面含有相關(guān)物質(zhì)可以溶蝕物體，滴水穿石就是這個(gè)道理了。地表水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)物體的移動(dòng)和溶蝕可謂日積月累，效果相當(dāng)強(qiáng)烈。相關(guān)處理措施如下。

對(duì)于路塹邊坡上的干溶洞，洞內(nèi)用片石填塞，洞口用干砌片石鋪砌、砂漿勾縫或漿砌片石封閉。如圖1。

圖1

路基范圍及路塹上方溶洞內(nèi)如有填充物，應(yīng)予以清除，然后用塊片石填實(shí)，洞口用漿砌片石封閉，路基范圍內(nèi)涌水泉眼，應(yīng)將涌水引入邊溝、排水溝及截水溝。

路基基底或路基附近流量較大的暗河、落水洞、消水坑、涌泉等，設(shè)橋跨過(guò)；規(guī)模較小的設(shè)涵洞跨過(guò)或設(shè)擋土墻避開；路基以填方型式通過(guò)巖溶發(fā)育，多以溶槽、溶溝、石牙等型式存在時(shí)，應(yīng)注意爆破清除基底部的部分溝槽等，然后重新回填夯實(shí)處理。如圖2。

圖2

圖3

頂板加固。深而小的溶洞不便用洞內(nèi)加固時(shí)，采用石蓋板或鋼筋混凝土蓋板加固。對(duì)洞徑小、頂板薄或巖層破碎的溶洞，采用爆破頂板用片石回填加固，如溶洞較深或須保持排水者，采用拱涵或板涵跨越。對(duì)路基范圍內(nèi)的地表塌陷，在不影響地下水排泄通道時(shí)，可采用回填夯實(shí)，并在地表整平后鋪設(shè)土工格柵及土工布。對(duì)溶洞埋深較淺，洞頂板較薄的地段，采用鉆孔注漿加固。注漿采用低壓間歇定量或循環(huán)式灌注，目的是減少漿液流失，間歇時(shí)間可控制在7－8 小時(shí)。如圖3。

對(duì)以路基型式通過(guò)深而小的溶洞不便使用洞內(nèi)加固時(shí)，采用石蓋板或鋼筋砼蓋板加固；對(duì)洞徑小、頂板薄或巖層破碎的溶洞，采用爆破頂板用片石回填加固；洞口大時(shí)，采用橋梁跨越。如圖4。

圖4

圖3、圖4 為有頂板的路塹段溶洞鋼筋砼蓋板布置圖。圖中B 為路基設(shè)計(jì)寬度，H 為溶洞埋深，L 為推測(cè)最大跨度。當(dāng)溶洞埋深H 不滿足安全厚度要求，且溶洞為單個(gè)發(fā)育時(shí)，采用本圖處理方式，跨度L≤6m 時(shí)采用30cm 厚鋼筋砼板；6m＜L≤10m 時(shí)采用45cm 厚鋼筋砼板；10m＜L≤13m 時(shí)采用60cm 厚鋼筋砼板 （砼標(biāo)號(hào)為C35）。鋼筋砼板表面必須橫向拉槽，槽深1.5cm，間距不大于3cm，并在上面設(shè)粘層。鋼筋砼板在開挖和埋設(shè)過(guò)程中不得擾動(dòng)下部的基層和墊層，與兩端路面結(jié)構(gòu)層連接處采用鋸縫并用乳化瀝青灌縫。

2.2 大溶洞頂板穩(wěn)定性分析

天然狀態(tài)下穩(wěn)定性分析。在進(jìn)行相關(guān)的工程施工時(shí)，由于工程設(shè)備的影響，造成大溶洞的底部堆積了大量從溶洞壁上掉落的石釧乳堆積成一個(gè)個(gè)小丘，從溶洞的整體來(lái)看，該溶洞在自然狀態(tài)下仍然是穩(wěn)定的。由于溶洞內(nèi)巖層產(chǎn)狀近水平，基巖從下至上呈懸臂狀層疊，至洞頂部為一完整板狀巖層，這種結(jié)構(gòu)受力類似于拱橋，天然狀態(tài)下風(fēng)化灰?guī)r抗壓強(qiáng)度大于作用在懸臂基巖和拱頂處跨中板狀巖層上的圍巖壓力，整個(gè)受力體系處于平衡狀態(tài)，洞體穩(wěn)定。

溶洞充填物穩(wěn)定性分析。大溶洞底部充填物主要由三部分組成，最底層為洞穴底部早期就有的植物、小塊石等，中間一層為新堆積下的流軟塑狀粘土，最上面一層則是坍塌后沉積的大的石頭。第一、二層堆積物由于沉積早，比較薄，土壤相對(duì)較軟，而新塌陷下來(lái)的大石塊由于相互力的作用，互為支撐，互相沖擊，一般不會(huì)發(fā)生沉降現(xiàn)象，下沉的話也是小幅度的，并出現(xiàn)在小石塊分布較多的部位，這種沉降極不均勻。由于大溶洞發(fā)育程度較好，時(shí)間較長(zhǎng)，形成了許多溶蝕通道，并通向地下河，而坍塌物較大塊，堆一起形成了很大的空隙，水能從中流走，排水效果良好。

2.3 用半定量評(píng)價(jià)分析溶洞頂板穩(wěn)定性

對(duì)溶洞安穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處理方法，目前尚無(wú)規(guī)范可遵循。根據(jù)有關(guān)巖溶方面的理論分析和工程實(shí)踐方面的例子，為消除地基穩(wěn)定性隱患，預(yù)防巖溶地面塌陷的形成，以保持地基的穩(wěn)定，有必要針對(duì)巖溶的不同發(fā)育情況提出穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及相應(yīng)的治理措施。

半定量評(píng)價(jià)方法是根據(jù)物探和鉆探所查明的溶洞的成因、埋藏深度、洞體規(guī)模（洞高、洞體最大寬度和面積）等詳細(xì)資料，對(duì)溶洞的穩(wěn)定性進(jìn)行如下分析。根據(jù)溶洞的洞體高度進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)溶洞發(fā)生塌陷時(shí)，產(chǎn)生的松散體，可以充填擴(kuò)容后的洞體，乃至洞體被完全堵塞，頂板不再塌陷，這時(shí)所需的塌陷高度為H，計(jì)算如下：

KV1=V0＋V1

式中：K——土 （巖）體的漲余系數(shù)，一般為1.05～1.15；V0——塌陷前的洞體體積；V1——可能塌陷的土（巖）體體積。

坍塌前，假定洞體底面積為F，在塌陷過(guò)程中一般不會(huì)變化或變化很小。洞體頂板塌陷后一般形成柱體，塌陷高度為H，則V1=FH，設(shè)洞體高度為h0，則V0=Fh0。如取K=1.10，代入上式則得H=10h0。根據(jù)勘察資料，即可得出所需塌陷高度H。如果洞體埋深大于H，并考慮留有5m 的安全厚度，則認(rèn)為洞體即使塌陷也波及不到地面形成塌陷。

根據(jù)洞體頂板的完整性和密實(shí)性、 洞體頂板厚度與洞體最大寬度的比值關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)。參照相關(guān)規(guī)范，若洞體頂板完整或密實(shí)，在利用洞體頂板作為地基時(shí)，若洞體的頂板厚度與洞體最大寬度之比大于1，一般認(rèn)為洞體是穩(wěn)定的。若洞體頂板破碎或松散，則考慮應(yīng)有較大的安全系數(shù)，即當(dāng)洞體的頂板厚度與洞體最大寬度之比大于2 時(shí)，可認(rèn)為洞體是穩(wěn)定的。

根據(jù)以上分析，對(duì)巖溶區(qū)溶洞的處理按以下原則考慮：首先按溶洞的天然頂板埋深H 進(jìn)行判定。對(duì)于溶洞，當(dāng)其頂板厚度H 大于20m 時(shí)，不處理。當(dāng)溶洞的天然頂板厚度H 小于規(guī)定時(shí)，按下面的方法(洞體高度h0 與上覆層的厚度H 關(guān)系)繼續(xù)判別：

①若H＞10h0＋5m，則不處理。

②若H≤10h0＋5m，則按下面的方法繼續(xù)判別：若溶洞洞體頂板完整，且頂板厚度H/洞體最大寬度D≤1；溶洞洞體頂板破碎，且頂板厚度H/洞體最大寬度D≤2，均需進(jìn)行處理。若溶洞洞體頂板完整，且頂板厚度H/洞體最大寬度D＞1；或溶洞洞體頂板破碎，且頂板厚度H/洞體最大寬度D＞2，可不處理洞體。

3 結(jié)語(yǔ)

在巖溶地區(qū)進(jìn)行施工操作時(shí)，應(yīng)認(rèn)真考察分析溶洞的分布狀況、形狀大小、深度以及發(fā)育程度。根據(jù)溶洞發(fā)育程度，布置鉆孔檢查，寫出盡量詳細(xì)的報(bào)告，為頂板的穩(wěn)定性分析提供可靠的依據(jù)，優(yōu)化選擇施工地點(diǎn)。地基的處理要適應(yīng)頂板結(jié)構(gòu)的造型，同時(shí)頂板結(jié)構(gòu)也要適應(yīng)地基及基礎(chǔ)的變形，地基、基礎(chǔ)及頂板結(jié)構(gòu)是協(xié)同工作的整體，不可顧此失彼。因此，在處理溶洞的同時(shí)，還要適當(dāng)加強(qiáng)基礎(chǔ)及頂板結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，使整體效果達(dá)到最好。

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