机场地基下隐伏溶洞稳定性判别及处理方法的探索

李叶成

（上海民航新时代机场设计研究院有限公司广州分公司 广东广州 510405）

1 引言

岩溶是可溶性岩石在水等条件下产生的化学溶蚀作用，产生的各种地质作用、形态和现象的总称。我国岩溶地区分布广泛，约占国土面积的1/3。由于溶蚀作用形成了地下架空结构，使得岩体的强度、稳定性、承载力都有一定程度的降低和破坏，此种岩溶地基常常会因为下伏溶洞顶板坍塌等，对工程建设危害很大。机场建设中对其处理特别重视。

2 隐伏溶洞的稳定性判别

机场地基下的隐伏溶洞的稳定性分析应结合场地分区、荷载情况、填挖高度、岩溶充填物、顶板厚度、顶板破碎情况、地下水等工程实际进行综合分析。在工程建设中一般根据按定性、定量等方法判别其稳定性。

2.1 隐伏溶洞的稳定性判别方法

对于隐伏溶洞，常用稳定性判别方法一般有以下几种：

（1）定性判别法，定性判别法是一种利用相似工程经验进行比较的判别方法，根据洞体的各种边界条件结合影响洞体稳定性的各种因素进行综合分析，做出大致的稳定性判别。或者根据洞体的各种边界条件结合当地相同条件下已有的成功、失败的工程实例进行比较，做出判别。该方法简便易行，但随意性较大，适用于一般简单或重要性等级较低的工程地基下隐伏溶洞的稳定性判别。

（2）半定量判别方法

一般半定量的判别方法有：荷载传递线分析法，结构力学分析法，溶洞顶板坍塌自行堵塞洞体法，成拱分析法等。

荷载传递线分析法：从构筑物基础边缘按30～45°扩散角向下作应力传递线，当溶洞位于应力传递线确定的范围以外时，一般认为溶洞不会危及构筑物的安全。

溶洞顶板坍塌自行堵塞洞体法：溶洞顶板被裂隙切割，呈块状、碎块状，溶洞顶板塌落后，塌落堆积物变得松散，体积变大，当塌落达到一定的高度，洞体可被松散的塌落堆积物自行填满，这种情况下不需要其考虑对地基稳定性的影响。

结构力学分析法：根据抗弯、抗剪验算结果，判别洞室顶板稳定性。当溶洞顶板达到一定的厚度，顶板的抗弯强度大于弯矩，抗剪强度大于剪应力时，溶洞顶板稳定。

成拱分析法：一般认为溶洞顶板岩体被裂隙切割，呈块状、碎块状，溶洞顶板塌落成拱状塌落，岩体及其上部荷载全部由拱自身承担，按普氏松散介质破裂拱理论，此时破裂拱高 H 为

式中：b——洞体跨度（m）；

Ho——洞体高度（m）；

φ——洞壁岩体的内摩擦角（°）；

f——洞体围岩的坚实系数，对松散介质，f=tanφ。

破裂拱高加上部附加荷载作用所需的足够岩体厚度才是溶洞顶板的安全厚度。若溶洞的顶板塌落呈拱形塌落，而拱角以下岩体稳定、完整、无横向移动的可能，则可以用石砌拱圈厚度加上足够的安全储备来类比，从而近似的确定拱顶的安全厚度。

（3）定量判别方法，一般是根据一些现有的条件或假设条件建立物理力学模型，然后根据模型进行相关分析计算的一种方法。

一般定量判别的方法有：稳定系数法、有限元数值分析法、应用统计法等，由于岩溶洞体的受力情况、围岩应力场的变化十分复杂，要比较准确的确定洞体破坏形式非常困难，另外由于现有探测方法的局限性，很难取得符合实际情况的岩体力学参数以及查清洞体与围岩的边界条件、性能指标等。因此，定量判别方法很难在工程实践中广泛应用。一般情况下半定量的判别方法在工程实践中应用范围较广。

根据上述定性、定量等判别方法结合昆明新机场、桂林机场以及白云机场、湖南武冈机场等工程经验，总结出一套针对机场范围内隐伏溶洞稳定性的判别方法。

2.2 具体采用三种方法进行

（1）根据溶洞顶板厚度判别

当位于飞行区道面影响区、填方边坡稳定影响区以及土面区的隐伏溶洞的顶板厚度H分别大于等于15m、15m、10m时，一般情况下可认为该溶洞不需要处理。当溶洞顶板厚度H分别小于15m、15m、10m时，按下述方法（2）继续进行判别。

（2）根据溶洞顶板坍塌自行填塞洞体判别

根据溶洞顶板坍塌自行填塞洞体需要的岩体厚度对溶洞顶板的稳定性进行判别：

H′=H0/（Ki-1）

式中：H′——填满洞体所需要的塌落高度；

Ki——顶板上岩土（石）松散系数，对岩石取1.1～1.3，视坍落后块度定；对土取1.05～1.10；

H0——溶洞的最大高度；

H——溶洞顶板厚度；

若H≥H′，则认为该溶洞不需要处理；

若 H＜H′，按下述方法（3）继续进行判别。

（3）按顶板厚度与溶洞洞径之比进行判别

对于飞行区道面影响区、填方边坡稳定影响区：若H/D≥1（顶板完整），或H/D≥1.5（顶板破碎），则认为该溶洞不需要进行处理，否则应采取工程措施对其处理。

对于土面区：若H/D≥0.7（顶板完整），或H/D≥1（顶板破碎），则认为该溶洞不需要进行处理，否则应采取工程措施对其处理。

式中：H——溶洞顶板厚度；

D——溶洞洞泾。

根据上述判别方法判别结果为需要进行处理时，可参考下述方法进行处理。

3 隐伏溶洞的处理方法

根据工程经验处理不稳定性溶洞的方法有清爆夯填、强夯、注浆（混凝土）、桩基础等。结合经济性、处理效果、施工便捷程度等综合分析、比较。机场荷载一般是大面积填土荷载，对机场地基一般按沉降和差异沉降进行控制，所以桩基础处理机场地基下不稳定溶洞综合效应较低，一般不做优先考虑。对埋深较浅（小于5m）的不稳定溶洞，采用清爆夯填处理。清爆夯填施工简单，工程造价较低，处理效果较好，处理浅层不稳定溶洞可以作为首选方案。对埋深中等（5～10m）的不稳定溶洞，清爆难度较大，改用强夯处理，将不稳定溶洞夯塌。强夯施工简单、造价低、处理深度可以达到十几米深，对处理埋深中等的溶洞时可做首选考虑。当洞体埋深较深（大于10m），强夯施工难度较大，效果不佳，采取注浆（混凝土）法处理，对全填充溶洞采用袖阀管注浆处理，对无填充溶洞采用灌注低标号混凝土处理。

（1）对埋深小于5m的溶洞处理

可以采用清爆夯填法进行处理。具体为：先清除溶洞顶板覆土层，再对溶洞顶板进行爆破，再清除爆破后的溶洞顶板破碎物以及洞内软弱填充物，最后回填相应的土石料，回填压实方式可采用强夯，示意图如图1。

（2）对埋深大于5m但小于10m的隐伏溶洞处理

采用强夯法处理。根据洞体埋深不同，采取相应能级进行强夯处理使不稳定溶洞自行坍塌。清除洞内不满足要求的填充物，并分层回填相应的土石料，回填压实方式可采用强夯。

示意图如图2。

（3）对深度大于10m溶洞的处理

图1

图2

对于全充填的溶洞采用注浆法处理。先通过钻机在地层中钻孔，将溶洞、裂隙尽量暴露出来，再用灌浆机械把预制的水泥浆液压入地层中。对于半充填、无充填的溶洞采用灌注混凝土结合注浆法处理。先通过钻机在地层中钻孔，将溶洞、裂隙尽量暴露出来，再通过高压混凝土泵泵送预制低标号混凝土。待混凝土初凝并达到一定的强度（一般为7d）后，再采用袖阀管注浆法对未完全充填部分和孔隙进行进一步充填处理。

示意图如图3。

图3

4 结论

在灰岩地区，溶洞较发育时，机场地基下的不稳定溶洞对机场整体的稳定性、安全性影响很大，地基处理时需要重点考虑。溶洞处理前需要查明全场溶洞发育特征、水文情况等然后对溶洞进行稳定性判别，针对不稳定溶洞采取清爆夯填、强夯、注浆（混凝土）法处理。以上结论是根据相关工程经验结合相关文献总结所得，不足之处请指正。