武漢可溶巖地區(qū)基坑地質結構分類與主要工程地質問題處置

馮建偉， 李 理， 孫 韜

(長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010)

武漢市地處江漢平原東部，區(qū)內可溶巖(碳酸鹽巖)分布面積1 100 km2，占全市面積的13%。20世紀90年代以來，隨著武漢市經濟社會快速發(fā)展，大批大型市政、交通和高層建筑項目不斷實施，同時又不斷受到巖溶地質問題影響。1931年至今，武昌區(qū)丁公廟、阮家巷、陸家街中學、司法學校、烽火村(喬木灣)、光霞村，漢陽區(qū)軋鋼廠以及江夏區(qū)馬鞍山井田等地，發(fā)生至少15次巖溶地面塌陷[1-2]。巖溶問題不但影響工程建設，還會造成人員傷亡和巨大的經濟損失。因此，眾多學者和工程技術人員對武漢地區(qū)巖溶問題進行了積極的研究、探索和總結[3-16]。官善友等[3]提出武漢發(fā)育受區(qū)域地質構造控制的3個近EW向分布的碳酸鹽巖條帶。羅小杰[4]總結提出武漢碳酸鹽巖“六帶五型”的概念。張曉玉等[5]結合巖溶塌陷實例總結出武漢巖溶地面塌陷的特點，并提出相應的治理措施。眾多學者對巖溶主要發(fā)育于基巖淺表層形成了共識，并對巖溶分布規(guī)律進行了統(tǒng)計分析，指出開展工程勘察應查明場地巖溶地質條件[6-16]。

2000年以前武漢市基坑工程深度一般為10～15 m[17]，2000年以后迅速加深到20～40 m以上。大量基坑工程不可避免地落到可溶巖地區(qū)，由于復雜的工程地質和水文地質條件，巖溶區(qū)的基坑施工開挖會引起不同于常規(guī)基坑的巖溶工程地質問題。目前武漢地區(qū)的巖溶研究主要集中在巖溶地面塌陷、巖溶分布和巖溶發(fā)育規(guī)律等方面，鮮有學者對可溶巖地區(qū)基坑工程地質問題進行系統(tǒng)研究。鑒于此，本文以武漢區(qū)域地質資料為基礎，收集大量的勘察資料，經過地質綜合對比和分析，提出可溶巖地區(qū)基坑的地質結構類型，并研究和總結基坑不同巖溶地質結構類型涉及的巖溶地質問題，以指導工程實踐。

1 可溶巖地區(qū)巖組劃分

武漢地區(qū)的地層從中志留統(tǒng)至全新統(tǒng)均有發(fā)育，主要有古生界的碎屑巖和可溶巖，中生界、古近系和新近系半成巖的碎屑巖，以及廣泛分布于地表的第四系松散堆積層。研究表明，武漢地區(qū)內自北向南共分布有9個可溶巖條帶(圖1)?？扇軒r地區(qū)的各種地層依據(jù)巖性、工程地質特性和厚度等，劃分為土層和可溶巖兩個巖組，土層巖組依據(jù)成因和塑性狀態(tài)，進一步劃分為黏性土、砂性土和軟弱土3個巖組(表1)。

L1.天興洲條帶；L2.大橋條帶；L3.白沙洲條帶；L4.沌口條帶；L5.軍山條帶；L6.漢南條帶；L7.法泗條帶；L8.馬鞍山條帶；L9.湖泗條帶

表1 武漢可溶巖地區(qū)巖組類型

2 基坑工程巖溶地質結構

基坑工程按工程重要性分為一級、二級、三級3個重要性等級，按安全性分為一級、二級、三級3個安全等級[18-19]，按支護方式一般分為無支護基坑和有支護基坑兩類。中國目前在設計、施工中通常以基坑挖深5 m[20]作為劃分深基坑和淺基坑的界限，部分學者對基坑開挖深度分類也進行了探索研究，但在規(guī)程規(guī)范中沒有明確的規(guī)定。

武漢可溶巖地區(qū)的覆蓋層厚度變化較大，據(jù)統(tǒng)計厚度<20 m的區(qū)域約占50%，<30 m的區(qū)域約占90%。開挖深度超過20 m后，基坑底板進入可溶巖的概率變大。在不同地區(qū)和不同的開挖深度，基坑工程可能會出現(xiàn)不同的巖溶工程地質問題，不能僅依據(jù)開挖深度對基坑類型進行劃分。為了更加準確地對巖溶基坑進行工程地質評價，采用基坑底板在巖溶地質結構中的相對位置對巖溶基坑進行類型劃分，可分為巖溶淺基坑、巖溶深基坑、巖溶超深基坑。

(1) 巖溶淺基坑(Q)?；由疃刃?，底板位于上部土層而未進入中部土層或下部可溶巖。其基本特點是基坑深度較淺，坑底以下殘留的土層厚度較大，坑底距離下伏可溶巖頂面較遠。除非有特殊情況，該類巖溶基坑與常規(guī)基坑的工程地質問題一致。

(2) 巖溶深基坑(S)?；由疃容^大，底板穿過上部土層而進入中部土層，或者相當于中部土層深度。其基本特點是基坑較深，雖然沒有揭穿土層到達可溶巖，但底板距離下伏可溶巖頂面較近，或者中部為砂層時與下伏可溶巖有直接的地下水聯(lián)系。該類基坑會受到下伏可溶巖的巖溶及其地下水的影響。

(3) 巖溶超深基坑(C)?；由疃却?，底板穿過所有覆蓋土層而進入下伏可溶巖，底板位于可溶巖中。其基本特點是基坑很深，開挖除了揭穿上部土層中的上層滯水和砂層中的潛水或承壓水外，還揭露了巖溶地下水，可能會引起巖溶地下水問題。

武漢可溶巖地區(qū)地質結構以覆蓋型巖溶為主。覆蓋型巖溶根據(jù)上部土層巖組的不同劃分為3類：第Ⅰ類上部為黏性土為主，下部為可溶巖；第Ⅱ類上部為砂性土為主，下部為可溶巖；第Ⅲ類上部為軟弱土為主，下部為可溶巖。在實際基坑開挖中，通常揭露兩種或者三種土層巖組，根據(jù)各土層巖組的上下組合關系，第Ⅰ類覆蓋型巖溶劃分為黏喀型(Ⅰ1)、黏砂喀型(Ⅰ2)、黏泥喀型(Ⅰ3)3個亞類，第Ⅱ類覆蓋型巖溶劃分為砂喀型(Ⅱ1)、砂黏喀型(Ⅱ2)2個亞類。

每一種基坑類型的巖溶地質結構可進一步劃分為6種亞類，3大基坑類型總計為18種巖溶地質結構類型(表2)。

表2 武漢可溶巖地區(qū)基坑地質結構類型表

3 主要巖溶工程地質問題及處置

可溶巖地區(qū)的基坑開挖會引發(fā)不同于常規(guī)基坑的巖溶工程地質問題，目前武漢最常見的是巖溶塌陷問題，而對邊坡穩(wěn)定、坑底穩(wěn)定等其他巖溶問題重視不夠。巖溶地下水會引發(fā)坑底隆起、突涌水和抗浮問題，溶溝溶槽和溶洞會引發(fā)基坑邊坡穩(wěn)定和坑底穩(wěn)定問題。

3.1 巖溶地下水的坑底隆起問題

基坑底下有巖溶承壓含水層。隨著基坑開挖，含水層上覆土層的厚度減小，當坑底剩余土層不足以抵抗承壓水壓力時，坑底就會隆起，甚至被水擊穿造成突涌。因此，當基坑坑底剩余土層較薄時應進行抗承壓水突涌驗算[19]，若驗算不滿足要求，應采取降水或坑底注漿加固等措施，其公式為：

Kty×Hw×γw≤D×γ

(1)

式中：Kty為抗坑底突涌穩(wěn)定安全系數(shù)；D為基坑底至承壓含水層頂板的距離，m；γ為D范圍內土的平均天然重度，kN/m3；Hw為承壓水水頭高度，m；γw為水的重度，取值為10，kN/m3。

巖溶承壓水引起的坑底隆起問題可能會發(fā)生于QⅠ2、QⅢ、SⅠ1、SⅠ3、SⅡ2和SⅢ等地質結構類型中，而超深基坑在中下部隨著開挖坑底剩余土層減小也會產生坑底隆起問題。

3.2 巖溶地下水的突涌水問題

突涌水是可溶巖地區(qū)基坑工程施工過程中常見的工程地質問題，輕者影響施工，重者影響基坑安全。在基坑施工前應預測巖溶涌水發(fā)生的部位及涌水量，以采取有效的防治措施。

基坑巖溶涌水量的預測，除了一般的裂隙性涌水量預測之外，主要的是集中管道性涌水量和最大涌水量預測，常用的涌水量預測方法主要有水均衡法、水文地質解析法與水文地質比擬法[21]。水均衡法應用水均衡原理，通過研究某一均衡區(qū)在一定均衡期內地下水量的收入與支出之間的關系，建立地下水均衡方程，從而計算預測基坑涌水量。其計算公式如下：

(2)

式中：Q為涌水量，m3/s；A為均衡區(qū)集水面積，km2；α為入滲系數(shù)；X為降水量，mm；d為均衡期天數(shù)，d；S為涌入基坑水量占地下水徑流總量的份額。

當基坑發(fā)生巖溶突涌水問題時，在施工階段主要考慮抽、排水，永久處理方法主要有導引法、封堵壓蓋法、驅趕推擠法、閘閥封閉法及帷幕灌漿法等。巖溶突涌水問題在超深基坑中都有可能發(fā)生，在深基坑中坑底被水擊穿也會造成。

3.3 巖溶地下水的抗浮問題

地下水會對地下工程產生浮力，當?shù)叵滤×Υ笥诘叵鹿こ套灾睾透餐翂毫r，地下工程可能會上浮。地下工程上浮是非常嚴重的工程事故，輕者開裂，嚴重者工程報廢。國家相關標準和規(guī)程均明確了“當?shù)叵滤桓哂诘叵率一A底板時，應進行抗浮穩(wěn)定性驗算”[22]。

當?shù)叵陆Y構底板為剛性時，抗浮穩(wěn)定按下式[22]進行計算確定：

(3)

式中：Kf為計算區(qū)域整體的抗浮穩(wěn)定性系數(shù)；∑W為計算區(qū)域總抗浮力標準值,kN；A為計算區(qū)域的底板面積,m2；∑Ff為計算區(qū)域地下結構底板所承受的浮力標準值總和,kN/m2。

地下工程抗浮設計等級為甲級時，施工期抗浮穩(wěn)定性系數(shù)應>1.05，使用期其系數(shù)應>1.10。

地下結構抗浮穩(wěn)定性計算時，首先要確定抗浮設防水位?，F(xiàn)行規(guī)范《建筑工程抗浮技術標準》[22]、《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》[23]等對于抗浮設防水位規(guī)定了取值原則，但實際操作不是很容易。工程技術人員出于安全保守考慮通常會取最高水位作為抗浮設防水位，這種處理雖然簡單，但可能會造成巨大的工程浪費。更可取的方式是進行長期地下水位觀測，并結合區(qū)域水文、氣候條件、地形地貌、地下水類型和地下水補給排泄條件等因素綜合確定抗浮設防水位。

目前，在地下工程中比較常用的抗浮措施有降水抗浮、配重抗浮、錨桿抗浮、抗拔樁抗浮、圍護結構與主體結構相連接共同抗浮等。

3.4 基坑邊坡穩(wěn)定問題

巖溶基坑施工開挖由于揭露溶溝溶槽溶縫、土巖分界面和溶洞等，具有潛在的不穩(wěn)定性?；舆吰虏环€(wěn)定變形主要有以下3種情形：

(1) 土巖分界面剪切滑動。當上部為土層，下部為可溶巖，在土巖分界面低洼處局部分布有紅黏土時，由于低洼處常是地下水匯集場所，且分界面附近地下水升降頻繁，在地下水的作用下該處的紅黏土一般呈軟塑狀甚至流塑狀，其抗剪能力弱，基坑開挖若未及時采取支護措施，上覆土體在側向力作用下向基坑內位移、變形，進一步發(fā)展會沿著軟弱紅黏土層剪出造成邊坡失穩(wěn)。

(2) 不穩(wěn)定巖體變形。溶溝、溶槽和溶縫等的存在會破壞巖體的完整性，導致巖體整體穩(wěn)定性降低。這些不完整巖體與巖層面或構造面組合，可能會引發(fā)基坑邊坡變形或者失穩(wěn)。此外，在基坑開挖揭露溶溝、溶槽和溶縫后，地表及地下水向溝槽縫內匯集，不斷發(fā)生軟化和淘蝕，沿著溝槽縫形成軟弱面或淘蝕面。隨著軟弱面及淘蝕面不斷擴大，孤立巖體在地下水或者上覆巖土體重力作用下，會發(fā)生拉裂或傾倒破壞。

(3) 溶洞充填物坍塌。當溶洞內充填軟弱土體或粉土等時，基坑開挖過程中揭露溶洞出現(xiàn)涌泥會給施工帶來困難。溶洞即使被力學性質較好的巖土體填充，仍是基坑邊坡薄弱部位，極有可能會發(fā)生坍塌；相對周邊巖體承載力較差，易使基坑支撐結構失穩(wěn)。

為保證巖溶基坑工程施工及周邊環(huán)境的安全，應對基坑側壁及周邊環(huán)境采用適當?shù)闹酢⒓庸毯捅Ｗo措施。目前，國內巖溶地區(qū)主要采用錨桿(錨索)支護、噴射混凝土支護、噴錨網(wǎng)支護、灌漿加固支護和抗滑樁支護等五種支護措施。由于巖溶地區(qū)地質條件較為復雜，建議采取以上一種或者多種支護措施。

3.5 坑底穩(wěn)定問題

當基坑底板下部溶洞埋深淺、規(guī)模大，且溶洞上方有集中荷載時，容易引發(fā)溶洞頂部坍塌、地基失穩(wěn)。因此，應分析判斷溶洞頂板的穩(wěn)定性，計算(估算)頂板安全厚度極限值。由于影響頂板安全厚度的因素眾多，現(xiàn)行設計規(guī)范尚未對此有明確規(guī)定。工程界通常認為，基坑開挖未破壞溶洞頂板，且溶洞上部無集中荷載時，開挖卸荷有利于頂板穩(wěn)定，可以認為溶洞頂板是穩(wěn)定的(圖2-a)；當基坑開挖破壞了溶洞頂板，經過分析判斷頂板不穩(wěn)定，需采取工程處理措施(圖2-b)。目前溶洞頂板穩(wěn)定性分析常用的方法有定性分析、經驗類比、定量評價和數(shù)值仿真分析等。

圖2 基坑溶洞地基示意圖

對于影響基坑底板穩(wěn)定的溶洞，應根據(jù)其位置、大小、埋深、圍巖穩(wěn)定性和水文地質條件等綜合分析，因地制宜地采取處理措施。對于洞口較小的溶洞，可采用換填、鑲補、嵌塞等方法，挖除洞中的軟弱充填物，回填碎石、塊石、素混凝土或灰土等，以增強地基的強度和完整性。對于洞口較大的溶洞，可采用梁、板、拱等結構跨越，跨越結構應有可靠的支撐面，梁式結構在巖石上的支承長度應大于梁高的1.5倍，也可輔以漿砌石等堵塞措施。對于規(guī)模較大的溶洞，可采用洞底支撐，必要時采用樁基。對于底板下埋藏較深的溶洞，可通過鉆孔向溶洞中灌注水泥砂漿、混凝土、瀝青和硅液等來堵填溶洞。

4 結語

(1)武漢可溶巖地區(qū)的工程地質條件和水文地質條件復雜，依據(jù)巖性和工程地質特性將研究區(qū)的地層劃分為黏性土、砂性土、軟弱土和可溶巖4個巖組。根據(jù)基坑工程的深度特點和4個巖組在剖面上的組合關系，將基坑工程的巖溶地質結構分為18種類型。

(2)對于武漢地區(qū)不同巖溶地質結構和不同開挖深度的基坑工程，施工時會引發(fā)不同的巖溶工程地質問題，主要有巖溶地下水的坑底隆起、突涌水和抗浮問題，以及基坑邊坡、坑底穩(wěn)定等問題。針對各種巖溶工程地質問題提出了相應的工程處置措施，對指導工程實踐具有重要意義。