岩溶洞隙稳定性分析方法浅析①

庞从天

摘 要：确定溶洞顶板的安全厚度是洞隙稳定性分析的主要目的。为给岩溶区的洞隙稳定性分析提供参考，阐述了洞隙稳定性问题与地下隧道工程的围岩稳定性问题的关系，对岩溶区洞隙稳定性分析方法进行了总结。最后指出，工程地质类比法和结构力学解析法，虽然是目前溶洞顶板的稳定性分析的两种主要方法，但是，由于影响溶洞顶板稳定性的因素较多，因此，洞隙顶板的安全厚度不宜采用单一的方法来确定，建议应在多种方法计算结果的基础上综合确定，必要时，应采用数值分析法进行验证。

关键词：岩溶 溶洞 顶板安全厚度 稳定性分析

中图分类号：TU42 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）0073-02

在岩溶发育地区的建筑物地基中，岩溶作用可能会导致地基中的岩溶洞裂隙的大量分布，因此，研究其稳定性对工程建设具有重要的指导和实际意义。

目前，在工程建设中的洞隙稳定性分析的主要方法和原理可见于《工程地质手册》（第4版）[1]或《岩土工程手册》[2]中，其中在岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）[3]和《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[4]也有相关的标准和要求。但是不同教材和规范所介绍的方法基本大同小异。由于影响洞隙稳定性的因素较多，至少涉及洞隙顶板的岩体完整性、洞隙尺寸大小、几何发育形状、岩石强度及顶板上部的荷载大小等因素。而目前的各种分析方法都经过一定的简化，仅考虑其中少数几个影响因素，且每一种分析方法在理论和实践中都不可避免地存在其局限性，因此，洞隙稳定性一般要求采用多种方法进行分析，并将不同方法的结果进行比对，以综合确定洞隙的稳定性。

1 洞隙稳定性影响因素分析

溶洞稳定性问题与隧道的围岩稳定性问题相类似。不同之处是，溶洞是漫长的岩溶作用条件下形成的，属于地质演变的结果，而隧道则是在相对短暂的时间内，能由人工开挖形成，因此，两者在应力条件和地质条件上存在如下差别。

（1）两者的天然应力状态不同。隧道的埋深范围较大，有的隧道埋深可能只有几十米，而有的则可能埋深数百米，且同一隧道随着穿越不同的地貌，其埋深范围变化也很大，例如，隧道进出口附近，其埋深不过几十米，但隧道穿越山体中部时，其埋深可能达几百米。如沪昆高铁在穿越雪峰山的隧道时，最大埋深可达300 m以上。由于隧道埋深的变化范围较大，其天然应力即包括岩土体的自重应力场，也包括地质构造应力。

对于岩溶区的建筑工程来说，建筑对场地的影响深度较小，岩溶处理深度一般不大。根据工程经验，建筑场地的桩长设计不超过50 m，可见建筑场地的岩溶处理深度一般也不超过50 m。也就是说，岩溶建筑场地所处理的大多数是浅层的岩溶洞隙。浅层洞隙的应力分布有两个显著的特点，一是由于浅层洞隙顶部往往存在一定的岩溶水裂隙通道，洞隙顶部和岩面存在数量不等的贯通或不贯通的岩溶裂隙，从而导致洞隙顶板的应力分布范围较广；一是由于岩石属于脆性材料，且裂隙的存在降低了岩体的完整性，且浅层洞隙顶板较薄，难以形成有效的拱作用，这些因素均使得其受拉能力不如隧道围岩的受拉能力。

（2）二次应力集中。隧道开挖是在短暂的时间内完成的，相对于地质构造来说，可视为瞬时开挖。在开挖过程中，围岩原有的地质构造应力大部分尚未释放。随着构造应力的释放和自重应力的作用，隧道围岩可能会产生冥想的二次应力集中现象，从而对围岩的稳定性带来十分不利的影响。

溶洞形成是十分缓慢的过程，其洞隙周围岩体的应力随着溶洞的形成早已经基本甚至完全释放，若没有新的地质构造运动的影响，基本不会出现二次应力集中现象，因此，在洞隙稳定性分析时，通常不考虑二次应力集中的不利影响。

（3）地层岩性。隧道围岩具有多样性，在各种岩石中基本都可以开挖隧道，但是，溶洞主要发生在岩溶区，其岩性以可溶岩为主。可溶岩的种类很多。但地球上的可溶岩主要以碳酸盐岩为主，硫酸盐和卤岩分布不多，研究洞隙稳定性事实上主要就是研究碳酸盐岩的洞隙稳定性。

（4）地下水。隧道开挖对围岩的地下水赋存状态影响巨大，造成地下水径流路径的突变，且开挖后，隧道围岩应力的快速释放，导致了围岩裂隙增大，地下水流速增大，围岩所受的地下水动力对围岩的稳定性的不利影响十分敏感。溶洞是在地下水的溶解和侵蚀作用下形成的，这个过程十分缓慢，地下水的动力变化基本不存在突变过程，因此，溶洞对于地下水的作用敏感程度明显不高。

（5）稳定性评价对象不同。隧道的围岩稳定性是以开挖洞室周围的岩体为研究对象，旨在确保地下开挖空间在正常状态下的使用安全，因此，在稳定性分析时，整体稳定性和局部稳定性均要进行评价。溶洞稳定性主要的研究对象为溶洞顶板的稳定性，侧重于对溶洞顶板的整体稳定性评价。

综上所述，溶洞的稳定性评价不仅需要对其岩体的裂隙结构特征进行分析，也要对特定的洞隙形态在特定工程荷载或其它外部附加应力作用下的顶板稳定性进行分析评价。

2 完整围岩的洞隙稳定性分析方法

当顶板岩层比较完整时，将溶洞围岩看作一个结构自承重体系，根据溶洞洞体形态、完整程度、裂隙情况进行内力分析，求得H，再考虑增加适当的安全系数，便为顶板安全厚度。这其中所涉及的岩体强度参数有计算抗弯强度、抗剪强度和抗拉强度的，对石灰岩而言，按《工程地质手册》提供的经验值分别为：抗拉/抗压=1/20、抗剪/抗压=1/12、抗弯/抗压=1/8。H值主要有以下几种确定方法。

（1）类比法。当顶板岩层比较完整时，对于水平顶板可根据“厚跨比”评价其稳定性。通过工程类比，较完整顶板安全厚度的厚跨比最小值为0.50～0.87，也有的工程取1.0。当某溶洞的顶板厚跨比大于相应的计算值时，即认为是安全的。

（2） 单跨梁模型。当厚跨比h/L<0.5时，按单跨梁力学模型计算。根据结构力学有：

（1）

（2）

（3）

式中：M、Q分别为最大弯矩和剪力；α、β分别为最大弯矩和剪力系数，按表1确定；[σ]、[S]分别为岩体抗弯强度和抗剪强度容许值；P为荷载，包括顶板自重、上覆土体自重和外部荷载；l为洞隙跨度；b为板梁宽度。

（3）板梁模型。适用于洞顶板完整、岩层较厚、强度较高、洞跨较小、剪力为主要控制条件的情况。按顶板受剪切估算其安全厚度H。根据极限平衡条件，可得：

（4）

式中：L为岩溶的平面周长，按式（5）计算。

（5）

3 破碎围岩的洞隙稳定性分析方法

当顶板严重风化，裂隙发育，且有可能坍塌的情况，将溶洞围岩看作散体结构来进行分析。方法有以下几种。

（1）类比法。当顶板岩层完整性较差时，可通过“厚高比”评价其稳定性。根据工程经验，当某溶洞的顶板厚度与其跨度之比>5.0时，认为是安全。

（2）普氏破裂拱法。按破裂拱概念估算，可计算出破裂拱高度H，此时将破裂拱高度加适当的安全系数，便为顶板安全厚度。

（6）

式中：H0为洞隙高度；a为洞隙半宽；φ为内摩擦角；f为岩体坚固系数，按式（7）确定。

（7）

式中：Rc为岩体饱和单轴抗压强度。

（3）经验公式法。松散层坍塌后形成的空洞，造成围岩强度降低，围岩应力重新分布及空洞应力释放，形成松弛带，具有平衡拱作用。松弛带产生的围岩压力高度即松弛带垂直荷载的高度，据大量隧道塌方统计，其经验公式为：

（8）

式中：H为破坏拱高度或垂直荷载高度；S为围岩类别；W为洞宽系数，按式（9）确定；B为洞隙宽度；i为系数，当B<5时，i=0.2，当B≥5时，i=0.1。

（9）

（4）洞顶坍塌堵塞法。当洞顶坍塌后，塌落体体积增大，当坍落到一定高度时，洞体自行填满，无需考虑洞隙对地基的影响，此时将塌落高度加适当的安全系数，便为顶板安全厚度。

（10）

式中：K为岩体胀余系数，石灰岩一般取K=1.2。

蒋继昭（1997）对坍塌填塞法进行了改进，用下式（11）计算溶洞顶板厚度：

（11）

式中：λ为洞形修正系数，为安全起见，一般取λ=1.0；α为顶板岩层风化完整性修正系数，一般取α=0.3；β为洞内充填物修正系数；H0、H1为洞内无充填物段和充填物段高度；K为岩体胀余系数，石灰岩一般取K=1.2。

（5）坍塌平衡法。

根据坍塌岩体的平衡条件可导出坍塌高度H如式（12）：

（12）

式中：Ka为侧压力系数，按式（13）计算；θ为滑移面摩擦角，一般取θ=0.9ψ；

（13）

4 结语

岩溶洞隙稳定性分析的目的主要是估算溶洞顶板的安全厚度。工程地质类比法和结构力学解析法，虽然是目前溶洞顶板的稳定性分析的两种主要方法，但是，由于影响溶洞顶板稳定性的因素较多，因此，洞隙顶板的安全厚度不宜采用单一的方法来确定，建议应在多种方法计算结果的基础上综合确定，必要时，应采用数值分析法进行验证。

参考文献

[1]《工程地质手册》编委会.工程地质手册[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[2]《岩土工程手册》编委会.岩土工程手册[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范（GB50021-2001）[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[4]中华人民共和国建设部.建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.