東黃山國際小鎮(zhèn)串珠狀隱伏溶洞頂板穩(wěn)定性研究

李飛飛，牛真茹

(1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101； 2.天津華北地質(zhì)勘查總院，天津 300181)

1 引 言

我國可溶巖面積分布廣泛，據(jù)統(tǒng)計裸露于地表的碳酸鹽巖面積約有 90.7萬km2，加上覆蓋與埋藏于地下的碳酸鹽巖，可溶巖分布面積達 346.3萬km2，約占全國國土面積的三分之一[1]。隨著我國基礎設施建設步伐越來越快，規(guī)模越來越大，工程規(guī)劃或選址往往難以避開巖溶區(qū)，巖溶區(qū)地質(zhì)條件通常比較復雜，尤其處于覆蓋型巖溶地區(qū)的隱伏溶洞，埋深較大，隱蔽性較強，分布規(guī)律難以查明，造成潛伏易發(fā)隱患，對工程建設危害較大[2，3]。

由于影響巖溶發(fā)育的誘因眾多，影響因素復雜，目前國內(nèi)針對巖溶地基穩(wěn)定性的研究經(jīng)歷了從定性—半定量—定量的過程[4，5]。其中，定性評價方法主要有影響因素分析法、專家系統(tǒng)評價法、經(jīng)驗比擬法[6，7]等；半定量評價方法相對定性評價方法更加準確合理，形式相對簡單，應用較為廣泛，包括頂板安全厚度估算法、荷載傳遞線交匯法、頂板厚跨比法[8～11]等；定量評價方法一般使用數(shù)值模擬來分析溶洞頂板的穩(wěn)定性問題，常用的模擬方法主要是有限元與數(shù)值流形兩種方法[12～14]。此外，部分學者[15，16]提出了視溶洞頂板為梁板、塌落拱或壓力拱的溶洞頂板來計算穩(wěn)定厚度的方法，對巖溶的研究更趨于多元化和科學性。

東黃山國際小鎮(zhèn)在建設過程中出現(xiàn)了一些巖溶工程地質(zhì)問題。例如：某跨河橋梁工程，采用鉆孔灌注樁基礎，施工過程中發(fā)現(xiàn)地下溶洞洞體較大，進而采用拋填片石+注漿工藝對溶洞進行處理，既給施工增加了困難又增加了工程處理費用；某橋梁工程施工過程中，因一側(cè)橋臺下 2.5 m揭露溶洞，不得不調(diào)整原來設計方案，基礎形式由原來的擴大基礎改為樁基礎。本次研究采用多種勘察手段相結(jié)合的手段對研究區(qū)巖溶發(fā)育形態(tài)、分布規(guī)律進行研究，在確定影響溶洞頂板穩(wěn)定性因素的基礎上，選取代表性的溶洞，采用定性評價方法和3種半定量評價方法對溶洞頂板安全厚度進行判別，對溶洞地基進行穩(wěn)定性評價，從而來分析巖溶發(fā)育對工程建設的影響。

2 場地地下巖溶探查

地下巖溶探查主要采用工程鉆探、高密度電法物探相結(jié)合的方法對研究區(qū)巖溶發(fā)育特征、充填情況、分布規(guī)律進行研究。

2.1 地質(zhì)鉆探

根據(jù)鉆孔揭露巖溶情況，地下巖溶發(fā)育類型主要為溶洞、溶蝕裂隙和小溶孔等，大多在埋深 5 m～15 m范圍內(nèi)揭露。本次研究共收集854個有效勘探孔，勘探孔基本覆蓋整個研究區(qū)，其中有71個勘探孔揭露溶洞，揭露溶洞數(shù)117個，地下溶洞為垂向多層串珠狀溶洞，一般為2層～3層，最多達5層(典型剖面圖見圖1)鉆孔揭露溶洞洞高大多為 0.1 m～3.0 m，個別洞高達 4.0 m以上，溶洞頂部基巖較為破碎，溶蝕裂隙發(fā)育。溶洞充填物多為粉質(zhì)黏土夾砂礫石，占比約81%。

圖1 典型溶洞發(fā)育地質(zhì)剖面圖

2.2 高密度電法物探

選取巖溶區(qū)某平整場地，外業(yè)共布設測線長度 3 240 m，共布設電極648個。部分物探成果如圖2、圖3所示。

從圖2測線視電阻率剖面圖(一)可以看出，整體上剖面為相對較連續(xù)的低阻異常，在地表附近表現(xiàn)為高阻，在距離測線起點 82 m～87 m處、105 m～110 m處均表現(xiàn)為低阻異常，埋深 8 m～11 m和 10 m～ 13 m處，推測可能為充水或充泥溶蝕形成的溶洞。從圖3測線視電阻率剖面圖(二)可以看出，整體上剖面為相對較連續(xù)的低阻，在距離測線起點 46 m～48 m處和 73 m～78 m處，表現(xiàn)為異常高阻，埋深約 5 m～ 7 m，推測可能為無充填的干洞。

圖2 測線視電阻率剖面圖(一)

圖3 測線視電阻率剖面圖(二)

3 巖溶地基穩(wěn)定性評價

針對溶洞頂板穩(wěn)定性評價，目前尚無規(guī)范可遵循，國內(nèi)外土木工程中對巖溶地基穩(wěn)定性評價主要采用定性分析及定量分析方法。

3.1 定性評價

影響巖溶地基穩(wěn)定性的因素很多，主要有：地層巖性、結(jié)構(gòu)面及組合情況、溶洞大小、形態(tài)及埋藏情況、溶洞充填情況、地下水賦存狀態(tài)、荷載情況等。

本次研究根據(jù)東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育特征及主控因素分析的基礎上，依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》(第五版)[17]，選取影響巖溶地基穩(wěn)定性的因素進行評價，如表1所示。

巖溶地基穩(wěn)定性定性評價結(jié)果 表1

續(xù)表1

3.2 半定量評價

(1)按頂板坍塌自行填塞判別

研究區(qū)揭露約81%的溶洞被粉質(zhì)黏土夾砂礫石充填，其余為無充填的空洞。對無充填或半充填的溶洞，其洞體頂板巖土層的穩(wěn)定性可根據(jù)自行填滿洞體所需的塌落高度來驗算：

(1)

式中：H′—洞體自行填滿所需的塌落高度；

K—巖石松散(漲余)系數(shù)，石灰?guī)rK取1.2，黏土K取1.05；

H0—塌落前洞體最大高度；

H—洞體頂板以上巖土高。

若H≥H′，則認為該洞穴處于穩(wěn)定狀態(tài)，可不考慮其對巖溶地基的影響；若H

圖4 溶洞塌落計算示意圖

按頂板坍塌自行填塞判別溶洞判別溶洞頂板穩(wěn)定性統(tǒng)計表 表2

(2)按頂板抗彎安全厚度判別

當頂板跨中有裂縫，頂板兩端支座處巖石堅固完整時，按懸臂梁計算：

(2)

根據(jù)前期勘察成果，溶洞頂板溶蝕裂隙一般較為發(fā)育，非溶洞發(fā)育區(qū)頂板巖層相對完整，計算模型按懸臂梁計算，頂板受力彎矩M按式(2)進行計算，溶洞力學模型可簡化為圖5所示。當頂板巖體抗彎厚度H小于頂板巖體厚度H2時，判別為穩(wěn)定，反之判別為不穩(wěn)定。根據(jù)計算結(jié)果，區(qū)內(nèi)穩(wěn)定溶洞112個，不穩(wěn)定溶洞為27個，不穩(wěn)定溶洞占總數(shù)量23.1%，判別結(jié)果如表3所示。

圖5 溶洞計算力學模型

按頂板抗彎安全厚度判別溶洞頂板穩(wěn)定性統(tǒng)計表 表3

(3)按頂板抗剪安全厚度判別

當頂板具有一定厚度，巖體抗剪強度大于剪力時，洞室頂板穩(wěn)定。

根據(jù)極限平衡條件：

T≥P

(3)

T=H3×S×L

(4)

(5)

P—溶洞頂板所受總荷載(kN)，可取頂板厚H的巖體自重、頂板上覆土體自重和頂板上附加荷載之和；

T—溶洞頂板的總抗剪力(kN)；

L—溶洞平面的周長(m)；

S—巖體抗剪強度(kPa)，石灰?guī)r一般取抗壓強度大小的1/12。

當頂板巖體抗剪厚度H3大于頂板巖體厚度H時，判別為不穩(wěn)定，反之判別為穩(wěn)定，根據(jù)計算，區(qū)內(nèi)揭露117個溶洞均為穩(wěn)定溶洞，判別結(jié)果如表4所示。

按頂板抗剪安全厚度判別溶洞頂板穩(wěn)定性統(tǒng)計表 表4

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)巖溶發(fā)育以覆蓋型串珠狀溶洞為主，在垂向上具有分層性，一般為2層～3層，最多達5層，鉆孔揭露溶洞洞高大多為 0.1 m～3.0 m，個別洞高達 4.0 m以上，溶洞頂部基巖較為破碎，溶蝕裂隙發(fā)育，溶洞充填物多為粉質(zhì)黏土夾砂礫石，占比約81%。

(2)按定性評價的方法判別，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育大多對地基穩(wěn)定性不利，由于區(qū)內(nèi)鉆孔揭露溶洞多為充填型溶洞，占比約81%，對地基穩(wěn)定性較為有利；此外，區(qū)內(nèi)地下溶洞以垂直形態(tài)為主，洞體直徑約 0.2 m～6.5 m，平均 1.5 m，溶洞相對較小，對地基穩(wěn)定性較為有利。

(3)按頂板抗剪安全厚度判別方法判別，區(qū)內(nèi)117個溶洞，均為穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)按頂板坍塌自行填塞判別方法評價得出場區(qū)內(nèi)的117個溶洞中，穩(wěn)定溶洞84個，不穩(wěn)定溶洞為33個，不穩(wěn)定溶洞占總數(shù)量的28.2%。

(5)按頂板抗彎安全厚度判別，區(qū)內(nèi)117個溶洞中，穩(wěn)定溶洞90個，不穩(wěn)定溶洞為27個，不穩(wěn)定溶洞占總數(shù)量的23.1%。