巖溶地基工程地質(zhì)勘察技術(shù)研究

代志坤,游思琴

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510630）

在巖溶地區(qū)開展工程建設(shè),往往容易伴隨地面塌陷、地理沉降等問題,究其根本主要是由于巖溶發(fā)育過程中地下將伴隨產(chǎn)生各種形狀、大小不等的溶洞、土洞,受到自然環(huán)境、人類活動(dòng)的影響,就會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)坍塌的發(fā)生,進(jìn)而損害地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。在這樣的背景下,溶巖地區(qū)的工程建設(shè)往往會(huì)涉及到財(cái)政、人文問題。為了盡可能降低溶洞、土洞對(duì)于工程建設(shè)的不利影響,就需要技術(shù)人員制定針對(duì)性的勘察方案,并以此為基礎(chǔ)開展分析評(píng)價(jià),減少巖溶地質(zhì)對(duì)于地基的破壞[2]。因此,建立完備科學(xué)、系統(tǒng)可靠的勘察方案,對(duì)于巖溶地區(qū)工程建設(shè)的開展具有突出的意義。

1 工程概況

以我國(guó)某船閘為例展開分析,該項(xiàng)目的閘墻選用無底板分離重力式設(shè)計(jì),且結(jié)構(gòu)上左右閘墻保持獨(dú)立。閘墻以直接擱置的方式布置于基巖之上,并與墻后填土、墻底巖層相互協(xié)作形成受力整體,保持結(jié)構(gòu)體系具有足夠的穩(wěn)定性。船閘的左側(cè)修建有一條公路。船閘修建于地層性質(zhì)比較復(fù)雜的石灰?guī)r之上,其間發(fā)育有比較豐富的溶洞、溶槽。該項(xiàng)目建成運(yùn)營(yíng)期內(nèi),受到上部荷載長(zhǎng)期作用,隱伏溶洞使得基礎(chǔ)逐漸薄弱,上部結(jié)構(gòu)發(fā)生崩塌的風(fēng)險(xiǎn)較為突出。

該船閘下部基巖主要為石炭系的統(tǒng)石橙子段灰?guī)r,且組成純凈、層厚夾層小。此外,該船閘地處河谷區(qū)域,地表、地下水發(fā)展比較豐富,兩者的循環(huán)活躍。所以,溶巖發(fā)育也就受到促進(jìn),巖層的產(chǎn)狀較為平緩,大多集中于20°～40°的范圍內(nèi)。基巖中存在陡傾裂隙的發(fā)育,并伴隨產(chǎn)生斷裂,地表、淺層有溶巖發(fā)育的跡象,且按照溶巖分區(qū)進(jìn)行劃分都屬于發(fā)育程度較強(qiáng)的水平。

運(yùn)行、檢修工況下閘墻的最不利水位組合見圖1。

圖1 運(yùn)行、檢修工況下閘墻的最不利水位組合

該項(xiàng)目的閘墻選用重力式結(jié)構(gòu),斷面形式為梯形。這一類型閘墻的主要特點(diǎn)在于借助結(jié)構(gòu)及上覆回填土的重力來保證墻體穩(wěn)定。這一結(jié)構(gòu)形式具有節(jié)省材料、施工要求低的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí)不考慮結(jié)構(gòu)抗拉能力。但由于采用梯形斷面,因此其對(duì)地基有較高。根據(jù)設(shè)計(jì)資料可以發(fā)現(xiàn),項(xiàng)目左、右閘墻的基礎(chǔ)寬度分別為3.9 m、4.6 m,船閘直接置于基巖之上,在設(shè)計(jì)時(shí)未能考慮溶洞對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在運(yùn)營(yíng)期內(nèi),閘墻內(nèi)的設(shè)計(jì)水位為62.7 m,左、右閘墻的墻后水位分別為60.2 m、57.7 m。

2 工程地質(zhì)勘察原則

（1） 在現(xiàn)場(chǎng)勘察工作正式開始前,應(yīng)搜集當(dāng)?shù)厮?、地質(zhì)資料。詳實(shí)的資料有助于幫助技術(shù)人員判定該地區(qū)是否存在巖溶風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上綜合考慮多項(xiàng)勘察手段,即可大致推斷成待研究地區(qū)的巖溶發(fā)展情況,進(jìn)而對(duì)地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成初步的印象,為后續(xù)提出檢測(cè)、治理方案提供支持[3]。

（2） 對(duì)于地下構(gòu)造比較復(fù)雜的,應(yīng)充分采集資料信息,掌握測(cè)區(qū)及相鄰地區(qū)的地震數(shù)據(jù),尤其是需要對(duì)測(cè)區(qū)、鄰區(qū)的可控震源試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。如有必要,還可借助物理正演的方式來進(jìn)行模擬,尋求不同的解決措施,為后續(xù)施工方案的制定提供理論指導(dǎo)。

（3） 借鑒、學(xué)習(xí)鄰區(qū)同類項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)[4-5],結(jié)合勘探報(bào)告進(jìn)一步完善參數(shù)論證工作,以此來研判最佳施工因素。

（4） 深入研討地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn),綜合考慮質(zhì)量、成本、工期等的影響,選擇最佳的物探技術(shù)。在通過物探基本確定目標(biāo)靶區(qū)后,即可在該區(qū)域適當(dāng)布設(shè)鉆孔進(jìn)行檢測(cè),初步探查場(chǎng)區(qū)內(nèi)上覆第四系地層的性質(zhì),研判裂隙帶的空間位置及發(fā)展程度。

（5） 鉆探孔一般以完整基巖暴露出來為準(zhǔn),基巖孔以基巖面之下5～20 m 為標(biāo)準(zhǔn)。在本項(xiàng)目鉆探工序中選用XY-1 型工程鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè),并在鉆孔過程中取第四系覆蓋土層樣本開展標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測(cè),以此來明確其土體的性質(zhì)。需要注意的是,第四系地層內(nèi)的鉆進(jìn)工序應(yīng)保證在單次干鉆回次中進(jìn)尺深度小于1 m。

（6） 在各個(gè)鉆孔內(nèi),應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確測(cè)量其中的地下水初見及穩(wěn)定水位。遵照我國(guó)現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在鉆孔工序中應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位的變化,并采集足夠的土體樣本,為后續(xù)室內(nèi)試驗(yàn)提供支持,便于綜合研判第四系土層的性質(zhì)。

3 工程地質(zhì)調(diào)查

3.1 地形、地貌

項(xiàng)目地處山前準(zhǔn)平原,位于河流沖積扇之上,整體呈現(xiàn)出北高南低的地勢(shì)變化,但整體起伏較小、地勢(shì)較為平坦。根據(jù)已有的地質(zhì)勘察資料可以發(fā)現(xiàn),在該地區(qū)存在一條沿北西40°走向的斷裂,該斷層延伸發(fā)展貫穿整個(gè)市區(qū)。

3.2 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

擬建設(shè)場(chǎng)地存在復(fù)雜的地下構(gòu)造,受到劇烈造山運(yùn)動(dòng)的影響,造就了該地區(qū)的背斜、向斜構(gòu)造。

3.2.1 褶皺構(gòu)造 擬建設(shè)場(chǎng)地主要存在一道背斜、一道向斜的褶皺構(gòu)造,這兩處構(gòu)造主導(dǎo)著地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的主要特性,其產(chǎn)狀見表1。

近年來隨著光纖測(cè)試技術(shù)迅速發(fā)展，Kister等[14]對(duì)灌注樁中光纖光柵傳感器的埋設(shè)工藝進(jìn)行了研究，并給出了可行性評(píng)價(jià)，但沒有對(duì)光纖光柵傳感器在PHC管樁的應(yīng)用進(jìn)行研究.國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者將光纖傳感測(cè)試技術(shù)應(yīng)用至PHC管樁樁身軸力測(cè)試，魏廣慶等[15]對(duì)PHC管樁中傳感光纖的埋設(shè)工藝進(jìn)行了研究，在樁身表面開槽放入光纖后再用膠封裝，并將其應(yīng)用于PHC管樁樁身應(yīng)變的測(cè)試.寇海磊等[16]、秋仁東等[17]都采用在PHC管樁樁身表面刻槽預(yù)埋光纖光柵傳感器的埋設(shè)工藝，分別進(jìn)行了管樁貫入過程試驗(yàn)研究和水平載荷試驗(yàn)研究.

表1 褶皺構(gòu)造統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 斷裂構(gòu)造 斷裂帶1 位于場(chǎng)區(qū)西北向約650 m處,該斷裂為全新世活動(dòng)期,走向?yàn)镹E25～35°,傾向?yàn)镹W,其最大角度為70～80°,全長(zhǎng)共計(jì)35 km。

斷裂帶2 為該地區(qū)長(zhǎng)約40 km 的一條主要逆斷層斷裂,走向?yàn)镹E30°,傾向?yàn)镹W,其最大角度為70～80°。

3.3 水文地質(zhì)條件

擬建項(xiàng)目的地下水類型主要有三種,其一為第四系內(nèi)的松散巖類孔隙水；其二為奧陶系的巖溶裂隙水；除此之外,還有一類存量較少的石炭- 二迭系碎屑巖類裂隙孔隙水。

擬建項(xiàng)目地處當(dāng)?shù)亟紖^(qū)地帶,為一類較為典型平原水文區(qū)。參考以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及地質(zhì)勘察報(bào)告,主要考慮該地區(qū)第四系松散巖類孔隙水及奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙水兩類地下水的影響。

3.3.1 第四系松散巖類孔隙水 這一類地下水在洪積砂、礫及卵石中分布最為廣泛。在不同地層之間往往存在多個(gè)含水層且沒有穩(wěn)定的隔水層,水力聯(lián)系比較密切,大多為潛水- 微承壓水。這一類地下水的類型主要為HCO3-Ca,單位涌水量不大于10 m3/h,且礦化度低于0.5 g/L。

地質(zhì)勘察報(bào)告發(fā)現(xiàn),該地區(qū)的第四系土層為一類富水土層,為當(dāng)?shù)毓I(yè)、農(nóng)業(yè)用水的重要來源,近些年由于市政規(guī)劃調(diào)整控制用數(shù)量,使得地下水開采量逐年下降。

大氣降水在不斷匯聚后以地表水的形式向下滲透,成為地下水的主要供給源。同時(shí),受到工業(yè)、農(nóng)業(yè)開采的影響,地下水部分排泄,而多余的水量則會(huì)以越流補(bǔ)給的形式向下伏基巖進(jìn)行滲透。在擬建設(shè)場(chǎng)地范圍內(nèi),地下水流向呈現(xiàn)出自自北西向南東的趨勢(shì),其水力坡度約為1‰～2%‰。同時(shí),由于該地區(qū)存在居民大量開采地下水的現(xiàn)象,因此在該地區(qū)產(chǎn)生了水力漏斗,這給地下水的流向帶來了一定的影響。

3.3.2 奧陶紀(jì)碳酸鹽巖類巖溶裂隙水 地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)下伏基巖為奧陶系地層,這一地層中的石灰?guī)r上覆第四系土層。該地區(qū)石灰?guī)r的巖溶裂隙發(fā)育程度比較大且伴隨較好的連通性、導(dǎo)水性,其地下水的主要類型為HCO3-CaMg,且礦化度低于0.4 g/L。這一層地下水是北部水廠開采的主要層位。根據(jù)已有的勘察記錄,其埋深約為38.0 m。

其主要補(bǔ)給來源為上層地下水向下滲透。人工開采行為將導(dǎo)致裂隙水發(fā)生大量流失。該地區(qū)的流向大致為自北東向南西,由此也就構(gòu)成了降水徑流補(bǔ)給- 開采排泄型的結(jié)構(gòu)。

總體來看,場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在兩層含水層,這也就導(dǎo)致了地下隔水層存在薄厚不均勻的問題,容易發(fā)生相互貫通。其中第四系孔隙水能夠跨越越流“天窗”,向基巖中進(jìn)行補(bǔ)給。這一類水文環(huán)境,很容易引發(fā)巖溶的發(fā)育。

4 物探工作的開展

在該項(xiàng)目立項(xiàng)之初,為綜合考慮水文地質(zhì)的影響,便針對(duì)巖土進(jìn)行了全面的勘察,項(xiàng)目共計(jì)鉆孔263 個(gè),其鉆孔深度最大達(dá)到50 m,以此為基礎(chǔ)編制了相應(yīng)的勘察報(bào)告。盡管地質(zhì)勘察報(bào)告顯示在地下50 m 范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r層,但在工程的勘察中發(fā)現(xiàn)了部分殘積土層,且隨著鉆孔深度的提升石灰?guī)r風(fēng)化碎屑的占比逐漸增大。

基于地質(zhì)勘察報(bào)告,結(jié)合地質(zhì)調(diào)查分析,同時(shí)考慮到當(dāng)?shù)嘏飸舾脑斓男枨?此外由于工程建設(shè)達(dá)到一定的規(guī)模。因此,經(jīng)過參建單位多方研討,最終決定對(duì)擬建場(chǎng)地展開巖溶地質(zhì)重點(diǎn)勘察。

在該物探工作中,總共布設(shè)了10 條地震測(cè)線,其探測(cè)的總長(zhǎng)度達(dá)到了6 317 m,試驗(yàn)激發(fā)點(diǎn)、信號(hào)接收點(diǎn)分別有11 個(gè)、1 520 個(gè)。

為了保證測(cè)區(qū)被完全覆蓋,本次物探初始布設(shè)10條地震測(cè)線,其走向?yàn)闁|西向,并布置試驗(yàn)物理點(diǎn)、生產(chǎn)物理點(diǎn),其數(shù)量為11 個(gè)、1 520 個(gè)?？紤]場(chǎng)區(qū)內(nèi)地形條件比較復(fù)雜且為兼顧地震地質(zhì)要求,綜合評(píng)價(jià)本次探測(cè)工作的基本目的,認(rèn)定該物探方案符合要求。

為了確保物探結(jié)果的真實(shí)可靠,在采集工作中應(yīng)當(dāng)基于生產(chǎn)組織要求進(jìn)一步細(xì)化質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn),并將各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控要點(diǎn)落實(shí)到位。特別地,地震波采集可分解為測(cè)量、放線、儀器操作等內(nèi)容。若上一工序不滿足要求應(yīng)不允許開展后續(xù)工序,嚴(yán)格把控質(zhì)量。

5 鉆探驗(yàn)證

通過物探技術(shù),能夠顯著提升工程勘察的效率與精度,特別是在巖溶地基的勘察中,有助于快速掌握巖溶發(fā)育程度,為后續(xù)治理工作的開展提供可靠參考。但需要注意的是,物探結(jié)果并不能完全代表勘察結(jié)果,地震波在傳導(dǎo)過程中受到多種細(xì)微因素的影響,不可避免地會(huì)出現(xiàn)偏差,因此在物探后還應(yīng)采取鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。在本次鉆探工作中,共計(jì)布置鉆孔4 個(gè),其鉆孔深度約為70～80 m。此外,還同步進(jìn)行了土工試驗(yàn)、原位測(cè)試,得到原狀樣本38 個(gè)、擾動(dòng)樣本445 個(gè)、巖樣15 個(gè),開展標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)44 次。

5.1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)

借助原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn),研究人員最終綜合得出結(jié)論。其中第一層雜填土在自重作用下的固結(jié)作用未完全完成,無法給定相應(yīng)的承載能力。而其它各部分則可按照天然地基進(jìn)行使用。綜合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、土工試驗(yàn)等的結(jié)果,得出該場(chǎng)地的主要性質(zhì)參數(shù)見表2。各土層承載力大小見圖2。

圖2 各土層承載力特征值

表2 各層土的物理力學(xué)性質(zhì)

5.2 巖溶發(fā)育情況

四個(gè)孔位的鉆探結(jié)果見表3。鉆探結(jié)果發(fā)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的第四系厚度大于47.0 m,且根據(jù)土層巖性的不同可大致歸為雜填土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂及卵石等。下伏基巖主要為石灰?guī)r,屬于奧陶系碳酸鹽系。地下淺層中第四系地層具有較為穩(wěn)定、可靠的巖性,其中基巖裂隙發(fā)育程度較大,風(fēng)化帶分布的厚度不一,大致表現(xiàn)為漏斗狀。

表3 鉆孔揭露基巖情況

基于鉆孔勘察的結(jié)果,YZK1、YZK2 及YZK3 在基巖面位置出現(xiàn)嚴(yán)重的漏漿現(xiàn)象,且不返漿。YZK4 在基巖面位置存在輕微的漏漿,且部分返漿,在深60.0 m 的位置存在嚴(yán)重漏漿但其可返水,終測(cè)水位為44.0 m。以上四個(gè)孔位附近均發(fā)現(xiàn)基巖水位漏斗,使得地下構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生改變,促進(jìn)破碎化的發(fā)展,由此可認(rèn)定為巖溶地基的高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。

6 結(jié)論

以我國(guó)某工程建設(shè)項(xiàng)目為例展開分析,首先借助地質(zhì)調(diào)查、工程勘察得到了初始資料,以此確立了開展巖溶勘察的重要性,并初步擬定了勘察計(jì)劃。本研究在物探的基礎(chǔ)上,綜合原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)及鉆探等方式,秉承“物探先行、鉆探驗(yàn)證”的基本原則,確定了該地區(qū)的巖溶風(fēng)險(xiǎn)。