機(jī)場地基下隱伏溶洞穩(wěn)定性判別及處理方法的探索

李葉成

（上海民航新時(shí)代機(jī)場設(shè)計(jì)研究院有限公司廣州分公司 廣東廣州 510405）

1 引言

巖溶是可溶性巖石在水等條件下產(chǎn)生的化學(xué)溶蝕作用，產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱。我國巖溶地區(qū)分布廣泛，約占國土面積的1/3。由于溶蝕作用形成了地下架空結(jié)構(gòu)，使得巖體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、承載力都有一定程度的降低和破壞，此種巖溶地基常常會(huì)因?yàn)橄路芏错敯逄?，?duì)工程建設(shè)危害很大。機(jī)場建設(shè)中對(duì)其處理特別重視。

2 隱伏溶洞的穩(wěn)定性判別

機(jī)場地基下的隱伏溶洞的穩(wěn)定性分析應(yīng)結(jié)合場地分區(qū)、荷載情況、填挖高度、巖溶充填物、頂板厚度、頂板破碎情況、地下水等工程實(shí)際進(jìn)行綜合分析。在工程建設(shè)中一般根據(jù)按定性、定量等方法判別其穩(wěn)定性。

2.1 隱伏溶洞的穩(wěn)定性判別方法

對(duì)于隱伏溶洞，常用穩(wěn)定性判別方法一般有以下幾種：

（1）定性判別法，定性判別法是一種利用相似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較的判別方法，根據(jù)洞體的各種邊界條件結(jié)合影響洞體穩(wěn)定性的各種因素進(jìn)行綜合分析，做出大致的穩(wěn)定性判別?；蛘吒鶕?jù)洞體的各種邊界條件結(jié)合當(dāng)?shù)叵嗤瑮l件下已有的成功、失敗的工程實(shí)例進(jìn)行比較，做出判別。該方法簡便易行，但隨意性較大，適用于一般簡單或重要性等級(jí)較低的工程地基下隱伏溶洞的穩(wěn)定性判別。

（2）半定量判別方法

一般半定量的判別方法有：荷載傳遞線分析法，結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法，溶洞頂板坍塌自行堵塞洞體法，成拱分析法等。

荷載傳遞線分析法：從構(gòu)筑物基礎(chǔ)邊緣按30～45°擴(kuò)散角向下作應(yīng)力傳遞線，當(dāng)溶洞位于應(yīng)力傳遞線確定的范圍以外時(shí)，一般認(rèn)為溶洞不會(huì)危及構(gòu)筑物的安全。

溶洞頂板坍塌自行堵塞洞體法：溶洞頂板被裂隙切割，呈塊狀、碎塊狀，溶洞頂板塌落后，塌落堆積物變得松散，體積變大，當(dāng)塌落達(dá)到一定的高度，洞體可被松散的塌落堆積物自行填滿，這種情況下不需要其考慮對(duì)地基穩(wěn)定性的影響。

結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法：根據(jù)抗彎、抗剪驗(yàn)算結(jié)果，判別洞室頂板穩(wěn)定性。當(dāng)溶洞頂板達(dá)到一定的厚度，頂板的抗彎強(qiáng)度大于彎矩，抗剪強(qiáng)度大于剪應(yīng)力時(shí)，溶洞頂板穩(wěn)定。

成拱分析法：一般認(rèn)為溶洞頂板巖體被裂隙切割，呈塊狀、碎塊狀，溶洞頂板塌落成拱狀塌落，巖體及其上部荷載全部由拱自身承擔(dān)，按普氏松散介質(zhì)破裂拱理論，此時(shí)破裂拱高 H 為

式中：b——洞體跨度（m）；

Ho——洞體高度（m）；

φ——洞壁巖體的內(nèi)摩擦角（°）；

f——洞體圍巖的堅(jiān)實(shí)系數(shù)，對(duì)松散介質(zhì)，f=tanφ。

破裂拱高加上部附加荷載作用所需的足夠巖體厚度才是溶洞頂板的安全厚度。若溶洞的頂板塌落呈拱形塌落，而拱角以下巖體穩(wěn)定、完整、無橫向移動(dòng)的可能，則可以用石砌拱圈厚度加上足夠的安全儲(chǔ)備來類比，從而近似的確定拱頂?shù)陌踩穸取?/p>

（3）定量判別方法，一般是根據(jù)一些現(xiàn)有的條件或假設(shè)條件建立物理力學(xué)模型，然后根據(jù)模型進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算的一種方法。

一般定量判別的方法有：穩(wěn)定系數(shù)法、有限元數(shù)值分析法、應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法等，由于巖溶洞體的受力情況、圍巖應(yīng)力場的變化十分復(fù)雜，要比較準(zhǔn)確的確定洞體破壞形式非常困難，另外由于現(xiàn)有探測方法的局限性，很難取得符合實(shí)際情況的巖體力學(xué)參數(shù)以及查清洞體與圍巖的邊界條件、性能指標(biāo)等。因此，定量判別方法很難在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。一般情況下半定量的判別方法在工程實(shí)踐中應(yīng)用范圍較廣。

根據(jù)上述定性、定量等判別方法結(jié)合昆明新機(jī)場、桂林機(jī)場以及白云機(jī)場、湖南武岡機(jī)場等工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套針對(duì)機(jī)場范圍內(nèi)隱伏溶洞穩(wěn)定性的判別方法。

2.2 具體采用三種方法進(jìn)行

（1）根據(jù)溶洞頂板厚度判別

當(dāng)位于飛行區(qū)道面影響區(qū)、填方邊坡穩(wěn)定影響區(qū)以及土面區(qū)的隱伏溶洞的頂板厚度H分別大于等于15m、15m、10m時(shí)，一般情況下可認(rèn)為該溶洞不需要處理。當(dāng)溶洞頂板厚度H分別小于15m、15m、10m時(shí)，按下述方法（2）繼續(xù)進(jìn)行判別。

（2）根據(jù)溶洞頂板坍塌自行填塞洞體判別

根據(jù)溶洞頂板坍塌自行填塞洞體需要的巖體厚度對(duì)溶洞頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行判別：

H′=H0/（Ki-1）

式中：H′——填滿洞體所需要的塌落高度；

Ki——頂板上巖土（石）松散系數(shù)，對(duì)巖石取1.1～1.3，視坍落后塊度定；對(duì)土取1.05～1.10；

H0——溶洞的最大高度；

H——溶洞頂板厚度；

若H≥H′，則認(rèn)為該溶洞不需要處理；

若 H＜H′，按下述方法（3）繼續(xù)進(jìn)行判別。

（3）按頂板厚度與溶洞洞徑之比進(jìn)行判別

對(duì)于飛行區(qū)道面影響區(qū)、填方邊坡穩(wěn)定影響區(qū)：若H/D≥1（頂板完整），或H/D≥1.5（頂板破碎），則認(rèn)為該溶洞不需要進(jìn)行處理，否則應(yīng)采取工程措施對(duì)其處理。

對(duì)于土面區(qū)：若H/D≥0.7（頂板完整），或H/D≥1（頂板破碎），則認(rèn)為該溶洞不需要進(jìn)行處理，否則應(yīng)采取工程措施對(duì)其處理。

式中：H——溶洞頂板厚度；

D——溶洞洞涇。

根據(jù)上述判別方法判別結(jié)果為需要進(jìn)行處理時(shí)，可參考下述方法進(jìn)行處理。

3 隱伏溶洞的處理方法

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)處理不穩(wěn)定性溶洞的方法有清爆夯填、強(qiáng)夯、注漿（混凝土）、樁基礎(chǔ)等。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、處理效果、施工便捷程度等綜合分析、比較。機(jī)場荷載一般是大面積填土荷載，對(duì)機(jī)場地基一般按沉降和差異沉降進(jìn)行控制，所以樁基礎(chǔ)處理機(jī)場地基下不穩(wěn)定溶洞綜合效應(yīng)較低，一般不做優(yōu)先考慮。對(duì)埋深較淺（小于5m）的不穩(wěn)定溶洞，采用清爆夯填處理。清爆夯填施工簡單，工程造價(jià)較低，處理效果較好，處理淺層不穩(wěn)定溶洞可以作為首選方案。對(duì)埋深中等（5～10m）的不穩(wěn)定溶洞，清爆難度較大，改用強(qiáng)夯處理，將不穩(wěn)定溶洞夯塌。強(qiáng)夯施工簡單、造價(jià)低、處理深度可以達(dá)到十幾米深，對(duì)處理埋深中等的溶洞時(shí)可做首選考慮。當(dāng)洞體埋深較深（大于10m），強(qiáng)夯施工難度較大，效果不佳，采取注漿（混凝土）法處理，對(duì)全填充溶洞采用袖閥管注漿處理，對(duì)無填充溶洞采用灌注低標(biāo)號(hào)混凝土處理。

（1）對(duì)埋深小于5m的溶洞處理

可以采用清爆夯填法進(jìn)行處理。具體為：先清除溶洞頂板覆土層，再對(duì)溶洞頂板進(jìn)行爆破，再清除爆破后的溶洞頂板破碎物以及洞內(nèi)軟弱填充物，最后回填相應(yīng)的土石料，回填壓實(shí)方式可采用強(qiáng)夯，示意圖如圖1。

（2）對(duì)埋深大于5m但小于10m的隱伏溶洞處理

采用強(qiáng)夯法處理。根據(jù)洞體埋深不同，采取相應(yīng)能級(jí)進(jìn)行強(qiáng)夯處理使不穩(wěn)定溶洞自行坍塌。清除洞內(nèi)不滿足要求的填充物，并分層回填相應(yīng)的土石料，回填壓實(shí)方式可采用強(qiáng)夯。

示意圖如圖2。

（3）對(duì)深度大于10m溶洞的處理

圖1

圖2

對(duì)于全充填的溶洞采用注漿法處理。先通過鉆機(jī)在地層中鉆孔，將溶洞、裂隙盡量暴露出來，再用灌漿機(jī)械把預(yù)制的水泥漿液壓入地層中。對(duì)于半充填、無充填的溶洞采用灌注混凝土結(jié)合注漿法處理。先通過鉆機(jī)在地層中鉆孔，將溶洞、裂隙盡量暴露出來，再通過高壓混凝土泵泵送預(yù)制低標(biāo)號(hào)混凝土。待混凝土初凝并達(dá)到一定的強(qiáng)度（一般為7d）后，再采用袖閥管注漿法對(duì)未完全充填部分和孔隙進(jìn)行進(jìn)一步充填處理。

示意圖如圖3。

圖3

4 結(jié)論

在灰?guī)r地區(qū)，溶洞較發(fā)育時(shí)，機(jī)場地基下的不穩(wěn)定溶洞對(duì)機(jī)場整體的穩(wěn)定性、安全性影響很大，地基處理時(shí)需要重點(diǎn)考慮。溶洞處理前需要查明全場溶洞發(fā)育特征、水文情況等然后對(duì)溶洞進(jìn)行穩(wěn)定性判別，針對(duì)不穩(wěn)定溶洞采取清爆夯填、強(qiáng)夯、注漿（混凝土）法處理。以上結(jié)論是根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)所得，不足之處請(qǐng)指正。