可溶性巖層的幾種工程地質(zhì)勘察方法研究

周興濤

摘 要：巖溶的發(fā)育給工程建設(shè)帶來了一定的復(fù)雜性，確保建筑物的基礎(chǔ)可靠地建立在巖溶體上，這是一項(xiàng)非常有意義的工作。該文從鄂西地區(qū)常見的巖溶地質(zhì)出發(fā)，探討了巖溶地區(qū)工程地質(zhì)勘察的方法，論文研究探討了鉆探，遙感技術(shù)等四種新方法，全文是筆者長(zhǎng)期工作基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：巖溶地區(qū) 工程地質(zhì)勘察 地球物理 勘探

中圖分類號(hào)：P5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（b）-0010-02

巖溶又名喀斯特，是可溶性巖層（石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽等）以被水溶解為主要的化學(xué)溶蝕作用，并伴隨以機(jī)械作用而形成溝槽、裂隙、洞穴等一系列現(xiàn)象和作用的總稱。我國(guó)的巖溶地區(qū)分布十分廣泛，以廣西、四川、云南、貴州最為發(fā)育，其余如湖南、廣東、浙江、江蘇、山東、山西等地均存在規(guī)模大小不同的巖溶地區(qū)。由于地表水和地下水的溶蝕作用，發(fā)育著各種類型的巖溶地貌和巖溶形態(tài)，破壞了巖石的完整性，大幅度地降低了巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而影響著建筑物的安全。另外，巖溶的發(fā)育給工程建設(shè)帶來了一定的復(fù)雜性。而巖溶問題與許多工程有關(guān)，諸如水利水電工程、公路和鐵路工程、橋梁工程、工業(yè)與民用建筑工程、地質(zhì)災(zāi)害的防治與環(huán)境保護(hù)工程、旅游資源的綜合開發(fā)工程等等。例如，在水利水電建設(shè)中，因庫壩位址選擇不當(dāng)，巖溶洞穴導(dǎo)致水庫滲漏，影響水庫的效益和正常使用；在巖溶區(qū)修建隧道、地下洞庫和開采礦產(chǎn)，一旦揭穿高壓巖溶管道水時(shí)，就會(huì)造成大量突水，有時(shí)挾有泥沙噴射，給施工帶來嚴(yán)重困難，甚至淹沒坑道，造成機(jī)毀人亡等事故；在地下洞室施工中遇到巨大溶洞時(shí)，洞中高填或橋跨施工困難，造價(jià)昂貴，有時(shí)不得不另辟新道，因而延誤工期；在覆蓋型巖溶區(qū)，土洞的發(fā)育及地表塌陷對(duì)農(nóng)田和各種建筑物造成嚴(yán)重破壞。由此可見巖溶與工程建設(shè)的關(guān)系十分密切。在巖溶地區(qū)首先掌握巖溶的形態(tài)特征、發(fā)育規(guī)律及分布狀況，認(rèn)識(shí)不同巖溶作用的特點(diǎn)，以便充分利用有利條件，對(duì)不利因素采取相應(yīng)的措施，確保建筑物的基礎(chǔ)可靠地建立在巖溶體上，這是一項(xiàng)非常有意義的工作。

1 研究的現(xiàn)狀

由于巖溶發(fā)育的不均一性和復(fù)雜性，隨著樁基礎(chǔ)在巖溶地區(qū)的普遍應(yīng)用，使勘察、設(shè)計(jì)、施工都面臨著許多新問題。有不少工作者已經(jīng)在這些方面總結(jié)出很多工程建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一些學(xué)者也做了不少的研究工作。例如，對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性的研究，有學(xué)者提出了視溶洞頂板為梁板（懸臂梁、簡(jiǎn)支梁、兩端固定梁）、塌落拱、壓力拱等的溶洞頂板穩(wěn)定厚度計(jì)算方法；有學(xué)者根據(jù)彈性體內(nèi)存在孔洞，在雙向均勻應(yīng)力場(chǎng)的作用下孔洞邊界上的應(yīng)力集中現(xiàn)象，按橢圓形水平坑道的計(jì)算公式求解溶洞周邊的切向應(yīng)力，以此來判斷溶洞頂板的穩(wěn)定性，有學(xué)者用平面問題的有限單元法對(duì)溶洞進(jìn)行應(yīng)力分析。有學(xué)者采用有限元—— 無界元耦合分析的方法，對(duì)巖溶臨空面穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。有學(xué)者對(duì)覆蓋型巖溶區(qū)的樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文通過調(diào)查收集資料，并對(duì)這些資料進(jìn)行整理、分析和研究，總結(jié)出巖溶地區(qū)工程地質(zhì)勘察的合理方法。

從空間問題角度，在理論上為溶洞頂板穩(wěn)定性的分析以及樁基嵌巖臨界深度問題提供一條研究途徑。

2 巖溶工程地質(zhì)合理的勘察方法

不同地質(zhì)時(shí)代的可溶性巖層，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用下形成的巖溶形態(tài)千差萬別，錯(cuò)綜復(fù)雜，如溶洞、溶溝、溶槽、地下暗河等。由于巖溶在空間上發(fā)育的不均一性，造成巖溶地區(qū)的地質(zhì)情況非常復(fù)雜，因此在進(jìn)行巖溶勘察時(shí)，僅靠傳統(tǒng)的地質(zhì)方法（如槽探、坑探）難以得到滿意結(jié)果。因?yàn)閷?duì)巖溶認(rèn)識(shí)不足勘察方法不對(duì)路，工程處理不當(dāng)，在一些城市（如濟(jì)南、廣州、南海等）發(fā)生了工程失誤現(xiàn)象，造成極大的損失，因而了解巖溶地區(qū)的地質(zhì)，查清地下巖溶的分布情況，為工程提供可靠的地質(zhì)資料是至關(guān)重要的。由此可見，巖溶地區(qū)工程地質(zhì)勘察有著十分重要的作用，而合理的勘察方法也就成為人們所關(guān)注的問題。本文通過廣泛地收集工程資料和前人的研究資料，對(duì)這些資料進(jìn)行整理、分析和研究，總結(jié)出適用于巖溶地區(qū)工程地質(zhì)勘察的方法，如鉆探、遙感技術(shù)、地球物理勘探、靜力觸探等?，F(xiàn)分述如圖1。

2.1 鉆探

鉆探是廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察的勘探手段。除地形條件對(duì)機(jī)具安置有影響外，幾乎任何條件下均可使用鉆探方法。鉆探工作的目的是要了解一定深度范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況，尤其當(dāng)?shù)乇頍o巖溶現(xiàn)象或有覆蓋層時(shí)，要在地質(zhì)調(diào)查和物探成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程要求去指導(dǎo)鉆孔布置。工程地質(zhì)勘察中使用的鉆探方法較多，因而要根據(jù)具體情況選用適宜的鉆探方法，此外，為了利用鉆孔更好地了解地下地質(zhì)情況，配合鉆探，往往要進(jìn)行鉆孔壓水試驗(yàn)或抽水試驗(yàn)等水文地質(zhì)工作。條件允許時(shí)，還可采用物探測(cè)井、鉆孔攝影、井下電視等技術(shù)手段，以配合了解鉆孔周圍的地質(zhì)情況。

2.2 遙感技術(shù)的應(yīng)用

遙感技術(shù)是根據(jù)電磁輻射的理論，應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)中的各種探測(cè)器，對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)輻射來的電磁波信息進(jìn)行接受，傳送到地面接收站加工處理成遙感資料（圖象或數(shù)據(jù)）用來探測(cè)識(shí)別目標(biāo)物的整個(gè)過程。它是建立在現(xiàn)代物理學(xué)、數(shù)學(xué)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和地學(xué)規(guī)律基礎(chǔ)之上的。具有調(diào)查面積大，重復(fù)性好等特點(diǎn)，遙感圖像能宏觀而真實(shí)地反映地表特征和各種地質(zhì)現(xiàn)象的空間關(guān)系，遙感影像視域廣闊、信息量大，在識(shí)別巖溶地貌形態(tài)、巖溶層組劃分及地質(zhì)構(gòu)造特征等方面，具有其它勘測(cè)方法所不及的優(yōu)點(diǎn)，尤其更適用于我國(guó)南方裸露型巖溶地區(qū)。

地球資源衛(wèi)星遙感（MSS.TM，SPOT）、

航空遙感、熱紅外遙感、側(cè)視雷達(dá)遙感等，在20世紀(jì)70年代引進(jìn)我國(guó)以后，被廣泛應(yīng)用于巖溶地區(qū)工程地質(zhì)勘察。遙感在新建鐵路選線、水利水電工程區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、巖溶水庫滲漏分析等方面都發(fā)揮了重要作用，在紅水河、清江流域規(guī)劃和大瑤山鐵路隧道選線中獲得了較好的效果。

2.3 地球物理勘探

地球物理勘探（簡(jiǎn)稱物探）理場(chǎng)的各種參數(shù)進(jìn)行地質(zhì)解譯，是通過獲得天然的或人工的物具有一定的“透視性”。它不僅可以在地面測(cè)量，而且可以在地下測(cè)量（例如在鉆孔中、中或其間）以及地下（鉆孔勘察所研究空間的巖溶分布、隧道等）與地面之間的測(cè)量隧道以洞穴進(jìn)行探測(cè)。由于信息技術(shù)特別適用于對(duì)巖體中復(fù)雜的巖溶、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)，使物探方法得到了很大的發(fā)展。目前，適用于巖溶勘察的物探方法主要有電阻率法、微重力法、鉆孔電磁波透視法、五極縱軸電測(cè)深法、地震層析成像技術(shù)、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)等。本文在總結(jié)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)、勘察效果和適用條件如表1所示。endprint

由表1可以看出，每一種方法的應(yīng)用都有其應(yīng)用的前提，只有在滿足前提條件下的勘察效果才會(huì)是好的。因此，在確定使用何種方法之前，正確地分析判斷建筑場(chǎng)地的地質(zhì)情況是非常重要的。同時(shí)，根據(jù)大量實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，在不同的地質(zhì)條件下，進(jìn)行不同的勘察，采用綜合物探，可以取得更好的效果。從上述的總結(jié)可以看出，將物探應(yīng)用到工程地質(zhì)勘察中，能降低勘察成本，縮短勘察工期，提高勘察工作質(zhì)量。盡管如此，我們還是不能忽略鉆探作為最基本的工程地質(zhì)勘察的勘探手段所發(fā)揮的重要作用。如柳州市銀都大廈所處的位置是典型的巖溶發(fā)育區(qū)，因?yàn)榇嬖谝环N錯(cuò)誤的觀念，認(rèn)為鉆探是“一孔之見”，所以不相信鉆探，于是出現(xiàn)了用物探替代設(shè)計(jì)要求的孔底作超前鉆孔檢測(cè)基巖情況的決策失誤，結(jié)果導(dǎo)致做補(bǔ)充勘察和補(bǔ)強(qiáng)基礎(chǔ)，造成工期延長(zhǎng)，投資增大。每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，應(yīng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，互為補(bǔ)充。大量的工程實(shí)踐表明，物探定性配合鉆探定量，能更好地了解工程地質(zhì)情況，為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

2.4 靜力觸探

靜力觸探手段在工程地質(zhì)勘察中主要是用來確定軟土、粘性土和砂類土的承載力。把靜力觸探用于覆蓋型巖溶工程地質(zhì)勘察，在長(zhǎng)（春）大（連）鐵路瓦房店路基塌陷病害整治工程提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在一定的地層條件下，靜力觸探手段解決了其他勘探手段未能解決的問題，取得了良好的效果。在覆蓋型巖溶工程地質(zhì)勘察中，靜力觸探手段主要是查明第四系覆蓋層中有無隱蔽土洞存在；土洞的規(guī)模及埋藏位置；疏松裂隙帶的分布及其范圍等。其方法是：在依據(jù)鉆探物探資料進(jìn)行了初步穩(wěn)定性分區(qū)的基礎(chǔ)上有針對(duì)性的布置靜力觸探孔，結(jié)合具體情況，解釋靜力觸探PS-h（PS：貫入阻力，h：探測(cè)深度），有是否出現(xiàn)異常值來推測(cè)有無土洞或裂隙帶。靜力觸探方法得到的成果分析資料的準(zhǔn)確性和可靠性，在勘探期間和緊接著的設(shè)計(jì)與施工中，都得到充分的證實(shí)。

覆蓋型巖溶工程地質(zhì)勘察，在鉆探、物探手段受到技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的限制以及場(chǎng)地的限制，無法滿足要求時(shí)，為了探明覆蓋層中潛蝕作用的分布范圍和強(qiáng)度，可以采用靜力觸探方法。根據(jù)不同勘察設(shè)計(jì)階段、不同工程性質(zhì)及地層條件，在綜合勘探中合理使用靜力觸探手段可以提高勘測(cè)質(zhì)量、縮短勘測(cè)周期。通過靜力觸探與地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合來探明土層中隱伏土洞與擾動(dòng)土層的效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] 張小克.巖溶地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析[J].科技資訊，2009（11）.

[2] 李文華.鄂西巖溶地區(qū)工程地質(zhì)勘查進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（22）.endprint

由表1可以看出，每一種方法的應(yīng)用都有其應(yīng)用的前提，只有在滿足前提條件下的勘察效果才會(huì)是好的。因此，在確定使用何種方法之前，正確地分析判斷建筑場(chǎng)地的地質(zhì)情況是非常重要的。同時(shí)，根據(jù)大量實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，在不同的地質(zhì)條件下，進(jìn)行不同的勘察，采用綜合物探，可以取得更好的效果。從上述的總結(jié)可以看出，將物探應(yīng)用到工程地質(zhì)勘察中，能降低勘察成本，縮短勘察工期，提高勘察工作質(zhì)量。盡管如此，我們還是不能忽略鉆探作為最基本的工程地質(zhì)勘察的勘探手段所發(fā)揮的重要作用。如柳州市銀都大廈所處的位置是典型的巖溶發(fā)育區(qū)，因?yàn)榇嬖谝环N錯(cuò)誤的觀念，認(rèn)為鉆探是“一孔之見”，所以不相信鉆探，于是出現(xiàn)了用物探替代設(shè)計(jì)要求的孔底作超前鉆孔檢測(cè)基巖情況的決策失誤，結(jié)果導(dǎo)致做補(bǔ)充勘察和補(bǔ)強(qiáng)基礎(chǔ)，造成工期延長(zhǎng)，投資增大。每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，應(yīng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，互為補(bǔ)充。大量的工程實(shí)踐表明，物探定性配合鉆探定量，能更好地了解工程地質(zhì)情況，為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

2.4 靜力觸探

靜力觸探手段在工程地質(zhì)勘察中主要是用來確定軟土、粘性土和砂類土的承載力。把靜力觸探用于覆蓋型巖溶工程地質(zhì)勘察，在長(zhǎng)（春）大（連）鐵路瓦房店路基塌陷病害整治工程提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在一定的地層條件下，靜力觸探手段解決了其他勘探手段未能解決的問題，取得了良好的效果。在覆蓋型巖溶工程地質(zhì)勘察中，靜力觸探手段主要是查明第四系覆蓋層中有無隱蔽土洞存在；土洞的規(guī)模及埋藏位置；疏松裂隙帶的分布及其范圍等。其方法是：在依據(jù)鉆探物探資料進(jìn)行了初步穩(wěn)定性分區(qū)的基礎(chǔ)上有針對(duì)性的布置靜力觸探孔，結(jié)合具體情況，解釋靜力觸探PS-h（PS：貫入阻力，h：探測(cè)深度），有是否出現(xiàn)異常值來推測(cè)有無土洞或裂隙帶。靜力觸探方法得到的成果分析資料的準(zhǔn)確性和可靠性，在勘探期間和緊接著的設(shè)計(jì)與施工中，都得到充分的證實(shí)。

覆蓋型巖溶工程地質(zhì)勘察，在鉆探、物探手段受到技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的限制以及場(chǎng)地的限制，無法滿足要求時(shí)，為了探明覆蓋層中潛蝕作用的分布范圍和強(qiáng)度，可以采用靜力觸探方法。根據(jù)不同勘察設(shè)計(jì)階段、不同工程性質(zhì)及地層條件，在綜合勘探中合理使用靜力觸探手段可以提高勘測(cè)質(zhì)量、縮短勘測(cè)周期。通過靜力觸探與地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合來探明土層中隱伏土洞與擾動(dòng)土層的效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] 張小克.巖溶地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析[J].科技資訊，2009（11）.

[2] 李文華.鄂西巖溶地區(qū)工程地質(zhì)勘查進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（22）.endprint

由表1可以看出，每一種方法的應(yīng)用都有其應(yīng)用的前提，只有在滿足前提條件下的勘察效果才會(huì)是好的。因此，在確定使用何種方法之前，正確地分析判斷建筑場(chǎng)地的地質(zhì)情況是非常重要的。同時(shí)，根據(jù)大量實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，在不同的地質(zhì)條件下，進(jìn)行不同的勘察，采用綜合物探，可以取得更好的效果。從上述的總結(jié)可以看出，將物探應(yīng)用到工程地質(zhì)勘察中，能降低勘察成本，縮短勘察工期，提高勘察工作質(zhì)量。盡管如此，我們還是不能忽略鉆探作為最基本的工程地質(zhì)勘察的勘探手段所發(fā)揮的重要作用。如柳州市銀都大廈所處的位置是典型的巖溶發(fā)育區(qū)，因?yàn)榇嬖谝环N錯(cuò)誤的觀念，認(rèn)為鉆探是“一孔之見”，所以不相信鉆探，于是出現(xiàn)了用物探替代設(shè)計(jì)要求的孔底作超前鉆孔檢測(cè)基巖情況的決策失誤，結(jié)果導(dǎo)致做補(bǔ)充勘察和補(bǔ)強(qiáng)基礎(chǔ)，造成工期延長(zhǎng)，投資增大。每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，應(yīng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，互為補(bǔ)充。大量的工程實(shí)踐表明，物探定性配合鉆探定量，能更好地了解工程地質(zhì)情況，為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

2.4 靜力觸探

靜力觸探手段在工程地質(zhì)勘察中主要是用來確定軟土、粘性土和砂類土的承載力。把靜力觸探用于覆蓋型巖溶工程地質(zhì)勘察，在長(zhǎng)（春）大（連）鐵路瓦房店路基塌陷病害整治工程提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在一定的地層條件下，靜力觸探手段解決了其他勘探手段未能解決的問題，取得了良好的效果。在覆蓋型巖溶工程地質(zhì)勘察中，靜力觸探手段主要是查明第四系覆蓋層中有無隱蔽土洞存在；土洞的規(guī)模及埋藏位置；疏松裂隙帶的分布及其范圍等。其方法是：在依據(jù)鉆探物探資料進(jìn)行了初步穩(wěn)定性分區(qū)的基礎(chǔ)上有針對(duì)性的布置靜力觸探孔，結(jié)合具體情況，解釋靜力觸探PS-h（PS：貫入阻力，h：探測(cè)深度），有是否出現(xiàn)異常值來推測(cè)有無土洞或裂隙帶。靜力觸探方法得到的成果分析資料的準(zhǔn)確性和可靠性，在勘探期間和緊接著的設(shè)計(jì)與施工中，都得到充分的證實(shí)。

覆蓋型巖溶工程地質(zhì)勘察，在鉆探、物探手段受到技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的限制以及場(chǎng)地的限制，無法滿足要求時(shí)，為了探明覆蓋層中潛蝕作用的分布范圍和強(qiáng)度，可以采用靜力觸探方法。根據(jù)不同勘察設(shè)計(jì)階段、不同工程性質(zhì)及地層條件，在綜合勘探中合理使用靜力觸探手段可以提高勘測(cè)質(zhì)量、縮短勘測(cè)周期。通過靜力觸探與地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合來探明土層中隱伏土洞與擾動(dòng)土層的效果顯著。

參考文獻(xiàn)

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