巖溶地區(qū)地基處理方法探討

孫路 梁勇

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng)550081）

1 概述

1.1 巖溶分布概述

巖溶(又稱喀斯特)在世界上廣泛分布,其分布總面積約51×106萬(wàn)km2,約占地球總面積的10%;不同氣候帶、不同海陸區(qū)域均有巖溶地貌發(fā)育,較具有代表的地域有中國(guó)西南地區(qū)、越南北部、南斯拉夫狄那里克阿爾卑斯山區(qū)、意大利和奧地利交界的阿爾卑斯山區(qū)、法國(guó)中央高原、俄羅斯烏拉爾山、澳大利亞南部、美國(guó)肯塔基和印第安納州、古巴及牙買加等。中國(guó)是世界上最大的巖溶地區(qū)之一,巖溶地貌在中國(guó)分布廣、面積大,主要分布在云貴高原和四川西南部。中國(guó)現(xiàn)代巖溶是在燕山運(yùn)動(dòng)以后準(zhǔn)平原的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,老第三紀(jì)時(shí),華南為熱帶氣候,峰林開(kāi)始發(fā)育,華北則為亞熱帶氣候,當(dāng)時(shí)長(zhǎng)江南北卻為荒漠地帶,是巖溶發(fā)育很弱的地區(qū),新第三紀(jì)時(shí),中國(guó)季風(fēng)氣候形成,華南保持了濕熱氣候,華中變得濕潤(rùn),巖溶發(fā)育轉(zhuǎn)向強(qiáng)烈,尤其是第四紀(jì)以來(lái),地殼迅速上升,巖溶地貌隨之迅速發(fā)育,類型復(fù)雜多樣。

1.2 巖溶機(jī)理

巖溶是指可溶性巖石在侵蝕性的流動(dòng)水流作用下產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱,因此巖溶發(fā)育需具備三個(gè)條件:

其一，巖石為可溶,可溶巖包括碳酸鹽類巖石(灰?guī)r和白云巖)、硫酸鹽類巖石(石膏、芒硝)和鹵素類巖石(巖鹽等),其中碳酸鹽類巖石在我國(guó)分布最多, 在該類巖石中發(fā)生的巖溶現(xiàn)象最為普遍。

其二，水流有侵蝕性且量要充足,巖溶的發(fā)生過(guò)程即是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程,水流的侵蝕性需要水具有侵蝕離子,以碳酸巖鹽為例需具有H+, 在自然條件下該離子主要來(lái)自于CO2溶于水后產(chǎn)生,因此,足夠的CO2是巖溶發(fā)育的保障。溶解反應(yīng)是一個(gè)平衡反應(yīng),要想溶解反應(yīng)一直進(jìn)行,需提供源源不斷的水流,反應(yīng)過(guò)程如下:

CO2+H2O+CaCO3葑(HCO3)2Ca(可溶)

其三，水流需具有動(dòng)力性,即需具有地表水下滲、地下水流動(dòng)的通道,如孔隙、裂隙、褶皺、斷層破碎帶等。

1.3 影響巖溶發(fā)育的因素

巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地表水體、氣候等對(duì)巖溶的發(fā)育都有影響, 一般情況下巖層厚度大且純度高時(shí)巖溶發(fā)育規(guī)模大且?guī)r溶種類齊全;地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)域巖溶相對(duì)強(qiáng)烈;地形平緩低洼地帶,巖溶發(fā)育較為強(qiáng)烈,多以溶洞、落水洞、豎井等為主,而地形陡峻的斜坡或坡頂,多以溶溝、溶槽、石芽等為主;地表水體與巖層面反向或斜交時(shí),巖溶易發(fā)育;在氣候濕潤(rùn)、降雨豐沛的地區(qū),地表水、地下水補(bǔ)給充足,巖溶易發(fā)育。

1.4 巖溶形態(tài)

1.4.1 巖體中巖溶形態(tài)

在地表直接清晰可見(jiàn)的巖溶形態(tài)主要為溶溝、溶槽、石芽、豎井、落水洞、漏斗、巖溶洼地、巖溶谷地、孤峰和峰林;地下巖溶的形態(tài)和規(guī)模難以準(zhǔn)確查明,其主要表現(xiàn)為溶洞和暗河。[1]

1.4.2 土體中巖溶形態(tài)

土體中的巖溶形態(tài)主要為土洞,其指位于可溶巖地區(qū)可溶巖上覆土層中的空洞,其為巖溶作用的產(chǎn)物,土洞發(fā)育規(guī)模大時(shí)可能導(dǎo)致地表塌陷。

2 工程實(shí)例

實(shí)例1:該工程為房建工程,位于某城區(qū)空地區(qū)域,場(chǎng)地原為林木區(qū)域,場(chǎng)地內(nèi)上空無(wú)高壓線通過(guò),場(chǎng)地下無(wú)不利埋藏物;場(chǎng)地東側(cè)約60m 為市政道路; 擬建物西北側(cè)約200m 處為建筑工地,擬建場(chǎng)地東側(cè)距離擬建建筑物邊線15.00～39.5m 為已建成軌道交通二號(hào)線, 擬建物地下室底板標(biāo)高與軌道交通二號(hào)線隧洞底標(biāo)高最大高差為23.1m,根據(jù)該軌道線的保護(hù)要求,本擬建物施工過(guò)程中不宜采用旋挖鉆、沖擊鉆等大型機(jī)械施工。根據(jù)詳勘資料,場(chǎng)地下伏基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)地層,巖性為灰色薄～中厚層灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀為96°∠16°,場(chǎng)地巖溶類型和形態(tài)主要表現(xiàn)為溶溝、溶槽及溶洞,溶洞呈串珠狀發(fā)育,鉆孔遇溶洞率34.7%,最大洞高22.5m,埋深位于地下0.5～24m 不等,根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范,場(chǎng)地巖溶整體呈強(qiáng)發(fā)育,根據(jù)鉆孔揭露,典型地質(zhì)剖面如下:

圖1 某房建項(xiàng)目場(chǎng)地巖溶典型地質(zhì)剖面圖

對(duì)于該巖溶, 較為可靠的地基處理方法為采用樁基穿透,施工方法適宜采用旋挖成孔,后經(jīng)專家評(píng)審,由于場(chǎng)地緊鄰軌道交通線,受軌道交通保護(hù)線的要求,不適宜采用機(jī)械旋挖,地基處理方法改為采用梁(板)進(jìn)行跨越。

實(shí)例2:該工程為市政橋梁工程,位于某開(kāi)發(fā)建設(shè)新區(qū),場(chǎng)地平坦開(kāi)闊,四周地上、地下無(wú)既有物。根據(jù)詳勘資料,場(chǎng)地下伏基巖為三疊系下統(tǒng)谷腳組(T1g)灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶,巖層產(chǎn)狀為340°∠6°,巖層相對(duì)較緩,場(chǎng)地巖溶類型主要表現(xiàn)為溶槽及溶洞,溶洞呈串珠狀、廊道狀發(fā)育,洞內(nèi)軟塑至流塑狀粘土充填,鉆孔遇溶洞率24.03%,最大洞高20.0m,埋深位于地下2.0～40m 不等,根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范,場(chǎng)地巖溶整體呈強(qiáng)發(fā)育,巖溶最發(fā)育區(qū)域位于該橋梁的橋臺(tái)區(qū)域,根據(jù)鉆探及物探結(jié)果,橋臺(tái)區(qū)域典型巖溶地質(zhì)剖面如下:

圖2 某橋梁橋臺(tái)區(qū)域巖溶典型地質(zhì)剖面圖

對(duì)于該橋臺(tái)的巖溶地基,由于橋梁荷載較大,此外由于巖溶的復(fù)雜性,該橋臺(tái)采用樁基穿透的方式對(duì)巖溶進(jìn)行處理,處理效果甚佳,目前該橋梁安全穩(wěn)定。

3 巖溶地基處理方法探討

巖溶形態(tài)多樣且其發(fā)育無(wú)序, 此外其規(guī)模和邊界特別是地下巖溶難以精確查明,這給巖溶地基的處理帶來(lái)很大難度,同時(shí)處理效果也難以控制,根據(jù)我國(guó)多年的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及研究,對(duì)巖溶地基的處理主要有四種方法,即填墊法、加固法、跨越法、樁基法[2],對(duì)各種方法探討如下:

3.1 填墊法處理巖溶地基

該方法又細(xì)分為充填法、換填法、挖填法和墊褥法,其本質(zhì)是對(duì)溶洞軟弱充填物清除后直接采用塊石、片石、砂、混凝土等進(jìn)行充填或換填或者是對(duì)淺埋溶洞揭穿后再進(jìn)行充填或換填;該方法適用于規(guī)模不大的裸露性的巖溶土洞、淺埋型的巖溶土洞、溶溝、溶槽、石芽以及基底下巖溶頂板較薄的溶洞,使用該方法時(shí)需對(duì)溶洞軟弱充填物清除徹底,以防后續(xù)發(fā)生不均勻沉降。對(duì)于基底下寬度不大的深溶槽,可清除槽內(nèi)一定深度的充填物、洗凈巖壁、橫截刻槽(槽距約200mm),嵌入鋼筋,然后回填混凝土或水泥砂漿。

3.2 加固法處理巖溶地基

該方法即是對(duì)不穩(wěn)定的巖溶地基巖土體或地基的穩(wěn)定性可能影響擬建物安全穩(wěn)定的巖溶地基巖土體進(jìn)行加固處理。該方法細(xì)分為灌漿加固、頂柱加固、強(qiáng)夯加固、擠密加固、注漿加固,其中對(duì)埋深較大的土洞可采用灌漿加固法, 加固時(shí)按先四周后中間的加固順序進(jìn)行;對(duì)于需利用巖溶頂板但頂板較薄時(shí),采用頂柱法對(duì)巖溶頂板進(jìn)行支撐加固; 對(duì)于大面積存在土洞或巖溶塌陷區(qū)域,難以做到按點(diǎn)處理時(shí),采用強(qiáng)夯法對(duì)場(chǎng)地整體進(jìn)行夯實(shí)處理;對(duì)于充填有深厚軟土的大面積巖溶區(qū)域,當(dāng)清淤換填成本較高時(shí)可采用樁或鋼管嵌入下覆堅(jiān)硬地層內(nèi), 從而擠密松軟層而形成穩(wěn)定性好強(qiáng)度高的復(fù)合地基; 對(duì)于受地質(zhì)構(gòu)造或人類活動(dòng)而導(dǎo)致的巖體破碎帶可采用注漿法對(duì)巖體進(jìn)行加固處理。

3.3 跨越法處理巖溶地基

對(duì)于巖溶規(guī)模大采用其它地基方式難以處理或處理成本高時(shí)可采用該方法對(duì)巖溶地基進(jìn)行處理, 根據(jù)跨越結(jié)構(gòu)形式不同可分為板體跨越、梁體跨越、拱體跨越,當(dāng)連續(xù)的大面積需采用跨越時(shí)適宜采用板體進(jìn)行跨越, 當(dāng)跨越的寬度方向較窄時(shí)適宜采用梁進(jìn)行跨越;對(duì)于上部結(jié)構(gòu)荷載大,采用梁跨越時(shí),改變跨越結(jié)構(gòu)的受力方式即采用拱體進(jìn)行跨越。

3.4 樁基法處理巖溶地基

對(duì)于巖溶規(guī)模大或發(fā)育層數(shù)多或巖溶發(fā)育復(fù)雜,其平面發(fā)育邊界難以準(zhǔn)確確定時(shí), 適宜采用樁基法將上部擬建物荷載傳遞到溶洞底部穩(wěn)定基巖上, 由于溶洞內(nèi)多有軟塑至流塑狀粘土充填且孔樁較深,樁基成孔時(shí),優(yōu)選機(jī)械成孔保證施工安全,若采用人工開(kāi)挖成孔,需做好護(hù)壁措施及專項(xiàng)施工措施。

4 結(jié)論

本文通過(guò)簡(jiǎn)述巖溶機(jī)理、巖溶形態(tài)并通過(guò)工程實(shí)例引出巖溶地基的處理方法,在工程實(shí)踐中常用且可靠的方法是填墊法、加固法、跨越法、樁基法,本文對(duì)這四種巖溶地基處理方法進(jìn)行了探討,提出了不同巖溶條件下適合的地基處理方法,當(dāng)然,巖溶地基的處理方法還可能還受周邊環(huán)境約束。在工程實(shí)踐中,我們主要處理對(duì)擬建工程有影響的巖溶, 若巖溶距擬建工程遠(yuǎn)或施工開(kāi)挖過(guò)程中已被清除等對(duì)擬建工程無(wú)影響情況時(shí), 可不進(jìn)行處理,此外在工程選址時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)大規(guī)模且復(fù)雜的巖溶場(chǎng)地,以免付出大量的巖溶地基處理代價(jià)。