巖溶區(qū)橋梁工程地質(zhì)勘察方法

閆治利

[中路黃河（山西）交通科技集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006]

0 引言

巖溶區(qū)的分布范圍多在溶洞、地下河等水源豐富的區(qū)域。巖溶地貌的形態(tài)和發(fā)展具有隱蔽、復(fù)雜的特征，若不進(jìn)行有效勘察，則可能導(dǎo)致地表塌陷，從而影響整個(gè)施工項(xiàng)目的安全。巖溶區(qū)的勘測(cè)方法多種多樣，但要根據(jù)實(shí)際情況選用適宜的地質(zhì)勘探技術(shù)，以達(dá)到更好的勘探效果。通過對(duì)巖溶區(qū)成因、類型、規(guī)模、結(jié)構(gòu)形態(tài)、分布范圍、巖溶發(fā)育程度和水文特征等方面進(jìn)行研究，應(yīng)用科學(xué)的勘測(cè)技術(shù)和合理的施工方案，提供可靠的設(shè)計(jì)和施工數(shù)據(jù)。

1 巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀分析

巖溶發(fā)育的主要區(qū)域是云南、貴州、廣西和廣東等地區(qū)，地貌特征復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱，在施工中應(yīng)根據(jù)巖溶區(qū)的具體狀況進(jìn)行勘察。在物理化學(xué)條件下，可溶性鹽類具有獨(dú)特的地形特征，因而在土建工程施工中往往會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性差、滲水等問題。在施工前不進(jìn)行徹底檢查，會(huì)對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)度造成很大的影響[1]。當(dāng)前，巖溶區(qū)地區(qū)面臨的最大問題是石漠化，其成因是人為的過度開發(fā)和非正常的勞動(dòng)方式。巖溶區(qū)地區(qū)地形易受破壞，將增加土建工程的難度。

2 巖溶區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)地質(zhì)勘察的需要，可將巖溶區(qū)地質(zhì)劃分為下列類型。

2.1 覆蓋型

碳酸鹽巖石的表層厚度一般在十多米到幾十米之間，30m 以下的被稱為淺表，超過30m 的被稱為深度覆蓋。每一種土壤和砂礫都可以被稱為包覆層。為了確保這種基礎(chǔ)的穩(wěn)定，必須充分考慮上層建筑的結(jié)構(gòu)和底層的承載能力。

2.2 裸露型

這些巖石一般都是由土壤和少量的植物所覆蓋，大多數(shù)巖石都是裸露在外的，只有極薄的土壤。同時(shí)，還可以劃分為石芽基和溶洞基坑，這些基坑大多位于峽谷和河流谷地，因此基巖表面的起伏較大，容易造成地面建筑物的基礎(chǔ)滑移、不均勻沉降，從而影響工程建設(shè)。溶洞基礎(chǔ)的穩(wěn)定與地表結(jié)構(gòu)、巖溶性質(zhì)、溶洞分布范圍等因素有關(guān)，溶洞頂板對(duì)其安全性起著至關(guān)重要的作用。

2.3 埋藏型

巖溶區(qū)地貌是隨時(shí)間演變而成的，其地表往往高低不平、溝壑縱橫，加之地下水和地表水體的沖刷，使其強(qiáng)度受到了嚴(yán)重的損害，并在水流的動(dòng)態(tài)變化中出現(xiàn)了不同程度的裂縫和凹陷，從而對(duì)地表建筑物的穩(wěn)定造成一定的影響[2]。這些巖石位于深層，一般會(huì)被其他非溶解巖石所覆蓋，而埋藏式巖石則是更好的基礎(chǔ)。

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目概要

項(xiàng)目含多條國(guó)防光纜、一座天然氣及一座橋梁跨越省道。大橋的設(shè)計(jì)時(shí)速為60km，其上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁，長(zhǎng)度505m，設(shè)計(jì)15 個(gè)橋墩。樁基為樁基，其樁身直徑為1.8m，最大承載量為11500kN。根據(jù)工程的調(diào)查任務(wù)和設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行了初勘、詳勘和工程勘測(cè)。

3.2 在不同測(cè)量期內(nèi)的必要要求

首先對(duì)喀斯特地區(qū)的地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，依據(jù)其穩(wěn)定性和適應(yīng)性對(duì)喀斯特地區(qū)的洞穴分布、發(fā)育情況進(jìn)行調(diào)查。其次，在工程地質(zhì)調(diào)查中對(duì)巖溶洞穴的位置、規(guī)模、深度、巖溶堆積體型進(jìn)行分析，并對(duì)巖溶工程的地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行研究，為巖溶工程的地基規(guī)劃和巖溶防治工作奠定理論依據(jù)。最后，在工程勘測(cè)中對(duì)具體地區(qū)和具體問題進(jìn)行勘察。在采用大直徑樁時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行專門的檢測(cè)。

3.3 鉆探勘察與布置

鉆探勘察：收集有關(guān)地區(qū)地質(zhì)圖、水文地質(zhì)、管線分布等數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)情況，綜合分析該地區(qū)的地質(zhì)情況，并對(duì)該地區(qū)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)不良及特殊巖土分布等情況進(jìn)行調(diào)查和分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的成果和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011），將5 個(gè)具有代表性的鉆眼分別設(shè)置在橋墩基礎(chǔ)樁處，采用鉆探、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察[3]。

詳細(xì)勘察：項(xiàng)目區(qū)域有多條國(guó)防光纜、一座天然氣管道、一座橋梁橫跨省。因施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜且受到多種因素的制約，在詳查橋跨方案中，依據(jù)初步勘察的鉆探數(shù)據(jù)、暫定橋跨的初步設(shè)計(jì)，采取了逐墩布孔的方法，將孔位設(shè)在樁上，但受限于場(chǎng)地施工的條件導(dǎo)致部分孔不能達(dá)到要求，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)節(jié)（在相鄰的樁位置），確保各孔均到位，共計(jì)11 孔。調(diào)查方法包括鉆探、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

施工調(diào)查：項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)已基本完工，樁基已進(jìn)場(chǎng)，場(chǎng)地也已基本平整。在勘察階段，依據(jù)設(shè)計(jì)的樁直徑和單樁荷載，結(jié)合不同區(qū)域的溶洞發(fā)展?fàn)顩r，進(jìn)行有針對(duì)性的施工調(diào)查。3～10 號(hào)橋墩的基巖為灰?guī)r，巖溶發(fā)育，高11.3m，巖層上下波動(dòng)大，采用一樁一孔的方式進(jìn)行施工；11～15 號(hào)墩臺(tái)下伏巖層為碳質(zhì)，巖溶不發(fā)育，不排除存在溶洞的可能性。

橋位確定后，首先沿橋位軸線布置物探，然后在物探異常區(qū)布置鉆探予以驗(yàn)證。物探方法宜采用高密度電法，該法適用于地質(zhì)體電性差異比較大的地區(qū)。通過物探測(cè)試和鉆探驗(yàn)證，較完整灰?guī)r的地電阻率一般較高，溶蝕裂隙和洞穴大致有空洞、充土和充水三種情況。充土和充水的溶蝕裂隙和洞穴的電阻率一般極低，而空洞部位電阻率異常偏高，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，勘探工作效率提高的同時(shí)，溶洞裂隙位置的準(zhǔn)確性也得到了提升。

4 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)狀況

4.1 地形

施工場(chǎng)地地形地貌多種多樣，地質(zhì)條件復(fù)雜。橋址多為丘間谷，部分為低洼丘陵。山嶺谷地地勢(shì)開闊，地勢(shì)平坦，標(biāo)高在68.0～70.0m 之間；低矮崗地的坡度比較平緩，以林木的冷杉幼樹為主要類型，在71.0～83.0m 范圍內(nèi)。

4.2 巖性

第四系（Q)：（1）人工填土（Q42ml）：呈現(xiàn)棕灰色、雜色，略帶濕潤(rùn)、土質(zhì)疏松，顆粒組成以黏土和少量的砂礫為主，夾含少量的植物根莖。該層厚度0～1.2m，多見于丘間河谷及水田。（2）全新統(tǒng)沖洪積層（）：呈現(xiàn)棕黃色、黃色，硬塑，中等韌性，中等干強(qiáng)度，中等壓縮性，夾角礫巖，其占比15%～20%，呈角形-半角形，粒徑為1.0～3.0mm，標(biāo)準(zhǔn)穿孔次數(shù)為N=12～17 次。 在5～15 號(hào) 橋 墩 處，其 厚 度 為0～17.5m。（3）上更新統(tǒng)殘坡積層（Q3el+dl）：呈現(xiàn)棕黃色，略微濕潤(rùn)，中密，礫石組成以灰石碎屑為主，粒度在2.0mm 以上者占60%，最大直徑為15.0mm，具有明顯的棱角，級(jí)配良好，磨圓度較差，縫隙填料以黏性土為主，重力觸探實(shí)測(cè)擊數(shù)N63.5=7～27 擊。該層主要分布于9、11～15 號(hào)橋墩，最大厚度為55.5m。

石炭系下新統(tǒng)石磴子段（C1d1），（1）強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r：巖體表面有較大的起伏，其巖體質(zhì)量等級(jí)為V。最大揭露厚度為3.5m，主要集中在5～9 號(hào)橋墩。（2）中風(fēng)化石灰?guī)r：灰黑色，原巖構(gòu)造清楚，有細(xì)碎的碎塊，有較大的撞擊聲響，巖層有較大的起伏，巖溶較強(qiáng)烈，巖層的平均空隙比68.9%、34%、34%，天然抗壓強(qiáng)度32.1～44.5MPa。已探測(cè)到的最大巖石厚度是16.4m，主要分布在2～10 號(hào)墩段。（3）溶洞：大部分是完全充填的，部分是半充填的，充填的是軟黏土、角礫等，棕紅、棕灰色，雜色，洞頂高度為0.8～23.9m，其主要分布在2～10 號(hào)墩段。（4）全風(fēng)化碳質(zhì)灰?guī)r：灰黑色，原巖的構(gòu)造已經(jīng)完全損壞，巖芯為殘積土。厚度在0～2.8m，在10～15 號(hào)橋墩附近發(fā)現(xiàn)。（5）強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)灰?guī)r：灰黑色，原巖已基本破壞，巖芯破裂，呈碎塊、短柱狀，可以用手捏碎。動(dòng)重力觸探彈N63.5=9～32 擊。主要分布在10～15 號(hào)墩臺(tái)段，厚度為1.5～14.5m。（6）中風(fēng)化碳質(zhì)灰?guī)r，是一種可溶巖體，勘探范圍內(nèi)基本沒有溶洞。巖體單軸飽和壓縮強(qiáng)度范圍在13.3～19.4MPa，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ類。最大揭露深度為16.0m，主要分布在10～15 號(hào)墩臺(tái)鉆孔。

5 巖溶區(qū)橋梁工程地質(zhì)勘察技術(shù)分析

5.1 主要勘察方法

定性評(píng)價(jià)法主要有綜合分析與經(jīng)驗(yàn)類比兩種方法，主要依據(jù)以下幾點(diǎn)進(jìn)行研究。第一，巖體的基本情況及特征：巖層厚度、巖體裂縫、溶洞的基本情況、溶洞的充填情況、巖體強(qiáng)度。第二，地下水情況：地下水分布、埋藏條件、是否存在沖蝕、是否存在水流等。這一方法在地質(zhì)條件普遍的巖溶區(qū)工程勘察中的早期階段是常用的。

半定量評(píng)價(jià)法又稱“入頂板厚度跨比和頂板安全厚度估計(jì)”。采用該方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)無需考慮頂板的真實(shí)形狀和基本荷載及頂板性質(zhì)，而主要依據(jù)頂板的厚度和橫向投影的間距，并計(jì)算出相應(yīng)的比例。以此作為勘探工作的重要參考，該方法具有較好的計(jì)算效率，但其不足之處在于無法100% 地確保精度[4]。所以，在應(yīng)用這一方法時(shí)要認(rèn)真地進(jìn)行計(jì)算，盡量降低問題的發(fā)生。一般情況下，在巖體相對(duì)穩(wěn)定、巖溶特性較好的區(qū)域進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量。

5.2 關(guān)鍵勘察技術(shù)

鉆井技術(shù)是目前勘探工作中較為常用的一種勘探技術(shù)手段，它的適用面很廣，而且在實(shí)際工程中其受外部環(huán)境的影響相對(duì)較少。利用鉆井技術(shù)可以全面地認(rèn)識(shí)地下巖層的巖溶區(qū)發(fā)展?fàn)顩r。在采用鉆井技術(shù)進(jìn)行巖溶勘探時(shí)應(yīng)注意鉆孔的實(shí)際位置，保證其合理的定位，從而保證測(cè)量資料的準(zhǔn)確性。

靜力觸探技術(shù)通過采用壓力設(shè)備將探頭有效地插入地下，通過測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)層的慣性阻力進(jìn)行科學(xué)的測(cè)量，得到巖溶區(qū)的覆蓋土層和充填物的物理基本形態(tài)，從而得到巖溶區(qū)地層的基本物理特性。

在土壤承載能力不強(qiáng)的地方，可以在巖溶區(qū)地區(qū)進(jìn)行覆蓋式巖溶地質(zhì)勘察。利用該技術(shù)，可以在不同的地質(zhì)條件下，進(jìn)行各種技術(shù)的探測(cè)，并將其與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，提高工程地質(zhì)勘探的精度。

地球物理勘探技術(shù)是根據(jù)物理的基本理論，根據(jù)巖體的基本性質(zhì)、密度、放射性等物理要素，采用相應(yīng)的方法，對(duì)所探測(cè)的區(qū)域進(jìn)行水文地質(zhì)勘察，保證勘探工作的正常進(jìn)行。在巖溶區(qū)地區(qū)開展物探工作，可以有效地提高勘探工作的效率，并在一定程度上加強(qiáng)高科技儀器的使用，從而使勘探工作更加精確。做好技術(shù)與裝備的協(xié)調(diào)，可以全面掌握地下巖溶區(qū)的分布狀況，合理地進(jìn)行分布。近年來，隨著科技水平的提高，有關(guān)部門對(duì)勘探技術(shù)和方法的研究也越來越深入，并逐步走向成熟。而且，物探技術(shù)還可以和其他技術(shù)手段相結(jié)合，提高勘探的精確度。

隨著我國(guó)空間技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感技術(shù)在巖溶區(qū)地區(qū)和工程建設(shè)中得到了越來越多的應(yīng)用。遙感技術(shù)以電磁輻射為手段來測(cè)量被探測(cè)對(duì)象，并通過各種遙感手段來獲取有關(guān)的數(shù)據(jù)。在應(yīng)用遙感技術(shù)的時(shí)候，可以對(duì)長(zhǎng)距離目標(biāo)進(jìn)行勘察，并能有效地確?？辈斓木龋沟孛婧偷刭|(zhì)的基本特性得到全面的展示。

5.3 工程經(jīng)驗(yàn)

喀斯特地質(zhì)是一類具有特殊性的工程地質(zhì)，其復(fù)雜性和可變性使勘察設(shè)計(jì)工作面臨一些難題?？碧焦ぷ鲬?yīng)從整體到局部，由宏觀到微觀，循序漸進(jìn)。也就是說，勘探工作應(yīng)該是分期進(jìn)行的。首次勘探采取了物探和鉆探相結(jié)合的方法，詳細(xì)勘查依據(jù)巖溶發(fā)育狀況及地基布置。在施工勘察階段，根據(jù)地質(zhì)條件，在喀斯特發(fā)育的區(qū)域內(nèi)，可考慮一樁（承臺(tái)）的多孔結(jié)構(gòu)。每一勘察階段的深度均應(yīng)符合設(shè)計(jì)、規(guī)范的規(guī)定，施工人員應(yīng)熟悉該項(xiàng)目，具有相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)，合理應(yīng)用勘探技術(shù)，分析其成因，掌握其地質(zhì)結(jié)構(gòu)。保證所提交的調(diào)查報(bào)告具有科學(xué)性和合理性。在一個(gè)承臺(tái)工程中，在施工勘察階段，其鉆孔深度必須達(dá)到單樁的設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合前期的調(diào)查數(shù)據(jù)，綜合確定一次最小的控制深度?？辈旃ぷ饕从嘘P(guān)規(guī)定編制，并對(duì)每一層的巖土進(jìn)行詳細(xì)的描述、采樣、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在施工勘察階段，在設(shè)計(jì)中使用大直徑嵌巖樁時(shí)，要對(duì)基巖表面的深度、溶洞的深度、溶洞的充填狀況、巖體的風(fēng)化狀況、完全性等進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量。巖溶區(qū)橋梁樁基后期驗(yàn)槽：按一量（測(cè)量沖樁或挖樁深）、二測(cè)（依據(jù)前期勘測(cè)的鉆孔數(shù)據(jù)，確認(rèn)樁底是否在設(shè)計(jì)持力層內(nèi)）、三看（看沖樁、挖孔樁底部的巖層，是否為土層）、四聽（聽沖樁震動(dòng)回彈聲）進(jìn)行。巖溶區(qū)的橋梁工程中通常有很深的鉆孔，在巖溶區(qū)強(qiáng)烈發(fā)育的區(qū)域內(nèi)，以溶洞、溶槽、溶溝為主，溶洞多為串珠狀，施工地質(zhì)情況復(fù)雜，鉆井困難，必須挑選有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員，并嚴(yán)格遵守有關(guān)的技術(shù)規(guī)范，才能取得較為精確的地質(zhì)勘察成果[5]。在巖體變化大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，要與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交流，了解設(shè)計(jì)的目的，并確定合適的樁長(zhǎng)。在編制報(bào)告時(shí)要綜合考慮地形地貌、地質(zhì)巖性發(fā)育條件及土工試驗(yàn)成果，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，進(jìn)行全面的論證，并給出對(duì)場(chǎng)地工程地質(zhì)狀況的合理評(píng)估與建議。

6 結(jié)語

巖溶區(qū)地區(qū)工程地質(zhì)勘測(cè)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，在開展工程地質(zhì)勘測(cè)時(shí)要根據(jù)具體的工程地質(zhì)情況，科學(xué)地選取合適的勘探技術(shù)，做到“因地制宜”。在建設(shè)項(xiàng)目前做好工程地質(zhì)勘察，可以有效降低不穩(wěn)定因素，節(jié)省投資，確保項(xiàng)目的正常進(jìn)行。