喀斯特地形主要工程地質問題及處理措施

金 磊，李福來

（中冀建勘集團有限公司，河北石家莊 050227）

在巖溶地形上或巖溶地形中設計結構的工程師面臨的主要問題是：在尖頂巖頭上開挖和平整地面的困難；地下空洞上方的屋頂坍塌、天坑上方的覆土沉降、在不規(guī)則或尖頂巖頭上建造結構的困難、大壩水庫的失水、地下水污染等。工程師們已經實踐了許多解決方案，以解決這些問題，如：將結構物重新安置在更安全的地點，用混凝土填充空隙和裂縫，用灌漿和/或土工格柵改善地基，更換地基土，用剛性墊子或梁橋接空隙，使用深基礎（打樁、鉆孔井等），通過控制地表水和地下水等最大限度地減少未來的天坑發(fā)展。

1 喀斯特地形現場調查

巖溶地形是土木工程中必須評估的最困難的地面條件之一。常規(guī)方法，如：徹底的數據審查，以獲得盡可能多的信息，包括地形和地質圖、航空照片、灰?guī)r坑圖、水文地質報告、水井記錄和以前的測試鉆孔信息，是有用的，但還不夠。這些來源應用于指示是否存在洞穴、灰?guī)r坑和消失的溪流、斷層、巖石質量、覆蓋層深度和油井產量，這些可能預示巖石的溶解或破裂程度。調查之后，應由經驗豐富的人員進行現場勘測，以驗證和擴展初步（桌面）現場評估的結果。該階段還應包括與熟悉該網站的人員進行訪談。隨后的地下調查計劃應使用各種勘探技術，如測試鉆孔、探坑、空氣軌道探頭、地質雷達和地球物理測量（電阻率、微重力、電磁、地震折射等），以合理的努力和成本最大限度地獲取數據。

1.1 方法的可靠性

傳統實踐表明，上述方法可能適用于kⅠ和kⅡ類巖溶場地的調查，即適用于更簡單的情況。具有更成熟喀斯特（kⅢ-kⅤ級）的場地需要更嚴格的地面調查，由充分了解喀斯特復雜特征的多學科團隊管理。沒有兩個喀斯特地點在地形和地質上完全相同，也沒有任何方法是百分之百準確的。每個現場可能需要使用不同的調查方法組合。巖溶的一個主要困難是定位地下空洞。

表1 顯示了在美國賓夕法尼亞州東部和新澤西州北部的喀斯特地區(qū)進行的天坑調查項目中各種調查方法的估計可靠性。在該項目中，12 家現場調查公司參與了該項目，采用了12種最常用的現場調查方法。對調查結果進行了統計處理，其在檢測現有天坑和地下空洞（洞穴）方面的可靠性結果如表1所示。

表1 用于探測喀斯特地形中天坑和洞穴的各種現場調查方法的可靠性估計

如表1所示，所采用的方法均不適用于檢測天坑和地下孔隙。有些人對第一個更好，有些人對第二個更好。下一段將簡要討論每種方法的fore和pro。

1.2 各種方法的簡要說明

這些方法定位現有地下空洞的可靠性與所做探頭的數量和空洞的大小直接相關。如果每個探頭均完成至基巖表面，則Beacher 等人，1980 年估計的地面空洞定位概率為：

式中：Pr——檢測空洞的概率；

n——均勻分布在區(qū)域As上的探頭數量；

Aa——空洞本身的水平橫截面積。

據統計估計，每公頃需要2500個探頭的密度，才能有90%的機會在地面上定位一個直徑為2.5m 的空洞。例如，在比利時，為了在喀斯特地區(qū)修建高架橋，為五個橋墩現場打開了31個鉆孔，未發(fā)現地下空洞；在橋墩基礎開挖過程中，發(fā)現了兩個洞穴。第二階段308個探測器用于更廣闊區(qū)域的調查，沒有發(fā)現更多的洞穴。該示例顯示了通過探測定位地面空洞的困難。它還表明，只有在基礎開挖后才能發(fā)現巖溶的真實地面條件。一般來說，每個樁腳和柱基下方的3~5 個探頭可能是kⅠ-kⅢ級巖溶中的最佳選擇，在kⅣ-kⅤ級巖溶中的尖頂處是必不可少的。

探測深度：探測深度是孔隙大小及其深度的函數。Waltham 和Fookes 2003 建議，在kⅠ-to-kiⅡ類巖溶中，在其巖溶分類中，寬度大于5m 的洞穴是不常見的，應滿足深度為3.5m 的探測。關于樁尖下方基巖內的探測深度，工程實踐差異很大，從北卡羅來納州的2m 到佛羅里達州的5m，再到南非的4m，從基礎下的4m（Waltham和Fookes，2003年）；一些鉆孔應傾斜15°。

隧道：在巖溶石灰?guī)r隧道開挖期間，也需要進行探測；在開挖循環(huán)之前，應從隧道表面鉆入3~5個10~12m深的鉆孔，以檢查孔隙或過量地下水。

1.2.1 審查現有地圖和航空照片

審查現有地圖（地形、地質、灰?guī)r坑清單、水文地質圖和航空照片），提供檢測地表巖溶特征（如灰?guī)r坑）的良好方法；然而，其用于定位地下空洞的用途相當有限，需要用戶的大量經驗。

1.2.2 現場勘測

在地面或空中對現場進行目視檢查，是定位現有天坑和先前填充的天坑的良好做法。植被茂密可能會限制該方法的有效性。它不能用于定位沒有表面特征的現有地下孔隙。

2 巖溶地形上工程結構基礎的設計

一旦完成地下勘探并確定了結構的土方工程和設計參數，應將現場風險評估作為結構設計的一個組成部分。這應包括對現場未來沉降發(fā)生的概率（低、中、高）的全面定性評估。還應告知客戶其財產未來沉降的風險。

設計專業(yè)人員必須準備提供基礎備選方案，以減少或消除風險。一般來說，這些替代方案是：有或沒有土壤改良的規(guī)則淺擴展基礎、剛性墊層和坡梁以及深基礎（樁和橋墩）。

2.1 洞穴基礎

2.1.1 概述

巖溶中的地下空洞是不可預測的。此類地形中的每個場地都必須根據其地質和地貌進行單獨評估。巖溶洞穴工程結構的設計必須因地制宜。當地地圖和記錄可能顯示典型和最大可能洞穴大小；當地人也可能知道該地區(qū)較大的洞穴。

洞穴的最大尺寸定義了所需完好巖石覆蓋層的最小厚度和可能的探測深度?？λ固卦匠墒欤囱ㄔ酱?。當然，這條規(guī)則也有例外。幸運的是，與人類結構的有效壽命（50~100 年）相比，喀斯特過程非常緩慢。因此，如果在施工或裝載過程中空隙沒有立即坍塌，則未來坍塌的危險是有限的。例如，在斯洛文尼亞，巖溶空洞的發(fā)現和崩塌在道路建設過程中很常見，但在道路運營過程中隨后的崩塌非常罕見。

直徑10m的洞穴通常出現在kⅣ級巖溶中，但也可能出現在較不成熟的kiⅡ級巖溶中，甚至kⅡ級巖溶中。在較成熟的喀斯特（kⅤ級）中，較大的洞穴相當常見。許多位于淺層的大型洞穴，其入口向地表開放，可以通過直接觀察進行參觀和評估。

2.1.2 洞穴基礎設計方法

如果洞穴對規(guī)劃基礎至關重要，則用混凝土填充或用分級梁或板橋接。由于流入相鄰的溶洞或洞內的水流，在較淺深度的洞穴灌漿期間，可能會發(fā)生大量地面損失；這將增加基礎成本。為了避免這種情況，可以使用較厚灌漿的周邊灌漿帷幕。

在某些情況下，在可能的情況下，重新安置基腳或整個結構可能更經濟。

鉆孔樁或豎井應預制或澆筑在土工布套筒中，并建立在洞穴底部的固體巖石上。當洞穴足夠小時，此類樁的成本可能高于用水泥漿填充洞穴；這是由于無法排水、需要額外鉆孔、出現溝槽的巖石深度以及進行的巖石開挖，這是由于不合適的支承面，例如傾斜巖石、泥縫、空隙和風化帶。

在石膏洞中灌漿是不合適的，因為石膏的更大溶解速率允許在上覆工程結構的使用壽命內，在混凝土塞周圍挖掘新的空腔。

2.2 天坑上的基礎

存在許多可行的基礎支撐解決方案，有助于解決在具有天坑和巖溶空洞的土壤上放置結構的問題。最常用的兩種方法是天坑的開挖和回填，以及通過橋接或打樁將荷載轉移到健全巖石中。

最簡單但不一定是最經濟的解決方案是將天坑土開挖成巖石，并用砂礫石混合物和水泥漿回填。如果天坑底部的空洞較大，則可以用級配巖石填充物堵塞（堵塞）喉嚨，級配巖石填充物可以用厚水泥漿和/或不透水的土壤填充層（粘土）密封。然后，使用壓實的不透水材料將該區(qū)域恢復到地面，并用土工膜密封，以防止未來的水滲透。

為了防止天坑坍塌，關鍵因素是適當控制地表和土壤中的水流。如有可能，應盡量減少或消除水的向下滲透。潛在危險水流的來源包括停車場和道路區(qū)域的水、屋頂落水管、集水池、公用設施沿線的水流、回填、耕地和灌溉花園、不透水表面的徑流等。

控制該地區(qū)的取水和降低地下水位也至關重要，尤其是在地下水位接近巖頭的地方；地下水位應始終保持在巖頭以上。佛羅里達州的迪斯尼樂園就是一個很好的例子，它坐落在20~30m 的土壤上，覆蓋著軟的喀斯特石灰?guī)r，有許多天坑。他們通過密切監(jiān)測水井的抽水情況，并將地下水位或多或少保持在恒定的高度，設法避免了天坑沉降。在檢測到當地地下水位下降的地方，關閉抽水，喀斯特地區(qū)應禁止通過采石或隧道進行排水。其他補救和預防天坑破壞的措施是在巖頭裂縫處進行灌漿密封。這可能適用于巖溶等級kⅡ和kiⅡ，但在具有較大尖峰的kⅣ和kⅤ級中存在問題。在最后一種情況下，在堵住下方的開放裂縫后，可能需要使用水泥漿進行“帽狀灌漿”。在壓力下使用低坍落度水泥漿進行壓實灌漿，以置換和加固軟弱區(qū)域，可在地下水位以上使用。水泥漿在土壤中形成一個固體塊，跨越裂縫和尖頂。由于灌漿以不可控的方式流動，其放置可能不那么有效。灌漿柱有時用于改善土壤—巖石接觸處的土壤條件。不建議使用壓力灌漿“填充所有空隙”，因為灌漿的流動和損失是不可控的。深層強夯通過從高處落下大重量來壓實土壤，這是有爭議的。該方法可能會降低土壤的滲透性并使土石洞屋頂坍塌，但如果不這樣做，則可能會增加未來空心屋頂坍塌的可能性。在kⅡ-kⅣ級巖溶中，可以通過將土工格柵鋪設到土壤中并結合適當的排水控制來減少落水洞危害。

3 巖溶環(huán)境中的巖溶隧道

掘進面臨兩個主要問題：地下水淹沒和巖溶空洞坍塌，泥漿和水涌入開挖。第一個問題是通過隧道內的控制排水降低地下水，或通過地面抽水使地面脫水，以及灌漿和降低巖體滲透性。排水可能會產生不利影響，例如：天坑的發(fā)育、土壤固結引起的地表沉降、地下水庫的枯竭，這反過來可能會影響更廣泛地區(qū)的農業(yè)、沿海地區(qū)的海水入侵、地下水污染等。另一方面，在大空隙和高水頭下，灌漿很困難。

在礦井中，排水通常通過深井的大量抽水來管理，以保持每口井周圍的巨大凹陷錐，只要礦井在運行。在隧道掘進過程中遇到巖溶空洞確實是一個挑戰(zhàn)：可以通過橋接或填充空洞（如果空洞是空的），通過灌漿其軟填充材料來穩(wěn)定，然后通過隧道掘進，或者在隧道面接近空洞之前通過預鉆孔等控制泥漿和地下水涌出來克服巖溶空洞。

4 規(guī)劃

減少喀斯特場地開發(fā)風險開發(fā)喀斯特碳酸鹽巖下的場地最經濟的方法是通過現場調查確定問題場地，并在場地問題區(qū)域規(guī)劃重要建筑物的位置、大小和類型。這意味著，如果已知問題場地的空中范圍，可能會將最重要的構筑物放置在施工現場最安全的部分，并將問題區(qū)域留給非關鍵設施，如高爾夫球場、徒步小道、停車場、公園、道路、草地等。將巖溶結構風險降至最低的其他方法有：避免該地區(qū)的（無襯砌）滯留池/池塘，除非希望使用此類池進行地下水補給。然而，這是有風險的，因為它會增加水頭和流速，并可能污染土壤和巖石。

在可能的情況下，設計措施以保持地下水位與開發(fā)前的水位一致，以避免地面平整，但如果這樣做，則應反映遠離結構的地面排水。避免在淺基礎附近或下方放置公用設施。如有必要，將其放置在混凝土管道組中。提供防水雨水溝，并將屋頂排水溝直接連接到其中。密封路面路緣和集水池。不允許在未鋪砌或未襯砌的溝渠或洼地（池塘）中出現集中水流。如果可能的話，使用始終有襯里的貯水池，并使其遠離施工。對現場調查、土方工程和基礎施工進行專業(yè)觀察和檢查，以檢查地下材料，并在初步設計中提出變更建議，以降低風險。

5 結論

從前面的討論中得出的結論是：喀斯特地形非常復雜，難以分類，并且是地面或地下構筑物施工的困難地面。如果不采取適當的措施，這是一個真正的挑戰(zhàn)，可能會成為工程師的噩夢。

傳統的現場調查方法僅適用于結構簡單的年輕巖溶；對于更成熟的巖溶，這些方法都不是百分之百準確的。這需要由一個多學科團隊進行更嚴格的地面調查，該團隊充分認識到喀斯特的復雜特征。尤其是地下空洞的位置非常困難。沒有兩個喀斯特地區(qū)在地形、地質和結構上完全相同。現場風險評估應先于任何設計，并應估計未來沉降的可能性。巖溶地形上的工程設計必須適應巖溶的成熟度。各種基礎替代方案，如覆蓋土壤上的擴展基礎，有或沒有土壤改良，剛性墊和分級梁；深基礎（樁或鉆孔橋墩）；喀斯特地區(qū)實行地表水和地下水控制以及天坑發(fā)育等。應用的基礎類型對于每個巖溶場地都是獨特的，取決于巖溶的成熟度和結構以及預測的基礎荷載。沉降最危險的場地是那些與天坑上方的地基相連的場地?？刂埔蛩厥牵核ㄟ^覆土滲透和超載。為避免沉降而采取的主要措施是：控制喀斯特地區(qū)的地表水和地下水。