东黄山国际小镇串珠状隐伏溶洞顶板稳定性研究

李飞飞，牛真茹

(1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101； 2.天津华北地质勘查总院，天津 300181)

1 引 言

我国可溶岩面积分布广泛，据统计裸露于地表的碳酸盐岩面积约有 90.7万km2，加上覆盖与埋藏于地下的碳酸盐岩，可溶岩分布面积达 346.3万km2，约占全国国土面积的三分之一[1]。随着我国基础设施建设步伐越来越快，规模越来越大，工程规划或选址往往难以避开岩溶区，岩溶区地质条件通常比较复杂，尤其处于覆盖型岩溶地区的隐伏溶洞，埋深较大，隐蔽性较强，分布规律难以查明，造成潜伏易发隐患，对工程建设危害较大[2，3]。

由于影响岩溶发育的诱因众多，影响因素复杂，目前国内针对岩溶地基稳定性的研究经历了从定性—半定量—定量的过程[4，5]。其中，定性评价方法主要有影响因素分析法、专家系统评价法、经验比拟法[6，7]等；半定量评价方法相对定性评价方法更加准确合理，形式相对简单，应用较为广泛，包括顶板安全厚度估算法、荷载传递线交汇法、顶板厚跨比法[8～11]等；定量评价方法一般使用数值模拟来分析溶洞顶板的稳定性问题，常用的模拟方法主要是有限元与数值流形两种方法[12～14]。此外，部分学者[15，16]提出了视溶洞顶板为梁板、塌落拱或压力拱的溶洞顶板来计算稳定厚度的方法，对岩溶的研究更趋于多元化和科学性。

东黄山国际小镇在建设过程中出现了一些岩溶工程地质问题。例如：某跨河桥梁工程，采用钻孔灌注桩基础，施工过程中发现地下溶洞洞体较大，进而采用抛填片石+注浆工艺对溶洞进行处理，既给施工增加了困难又增加了工程处理费用；某桥梁工程施工过程中，因一侧桥台下 2.5 m揭露溶洞，不得不调整原来设计方案，基础形式由原来的扩大基础改为桩基础。本次研究采用多种勘察手段相结合的手段对研究区岩溶发育形态、分布规律进行研究，在确定影响溶洞顶板稳定性因素的基础上，选取代表性的溶洞，采用定性评价方法和3种半定量评价方法对溶洞顶板安全厚度进行判别，对溶洞地基进行稳定性评价，从而来分析岩溶发育对工程建设的影响。

2 场地地下岩溶探查

地下岩溶探查主要采用工程钻探、高密度电法物探相结合的方法对研究区岩溶发育特征、充填情况、分布规律进行研究。

2.1 地质钻探

根据钻孔揭露岩溶情况，地下岩溶发育类型主要为溶洞、溶蚀裂隙和小溶孔等，大多在埋深 5 m～15 m范围内揭露。本次研究共收集854个有效勘探孔，勘探孔基本覆盖整个研究区，其中有71个勘探孔揭露溶洞，揭露溶洞数117个，地下溶洞为垂向多层串珠状溶洞，一般为2层～3层，最多达5层(典型剖面图见图1)钻孔揭露溶洞洞高大多为 0.1 m～3.0 m，个别洞高达 4.0 m以上，溶洞顶部基岩较为破碎，溶蚀裂隙发育。溶洞充填物多为粉质黏土夹砂砾石，占比约81%。

图1 典型溶洞发育地质剖面图

2.2 高密度电法物探

选取岩溶区某平整场地，外业共布设测线长度 3 240 m，共布设电极648个。部分物探成果如图2、图3所示。

从图2测线视电阻率剖面图(一)可以看出，整体上剖面为相对较连续的低阻异常，在地表附近表现为高阻，在距离测线起点 82 m～87 m处、105 m～110 m处均表现为低阻异常，埋深 8 m～11 m和 10 m～ 13 m处，推测可能为充水或充泥溶蚀形成的溶洞。从图3测线视电阻率剖面图(二)可以看出，整体上剖面为相对较连续的低阻，在距离测线起点 46 m～48 m处和 73 m～78 m处，表现为异常高阻，埋深约 5 m～ 7 m，推测可能为无充填的干洞。

图2 测线视电阻率剖面图(一)

图3 测线视电阻率剖面图(二)

3 岩溶地基稳定性评价

针对溶洞顶板稳定性评价，目前尚无规范可遵循，国内外土木工程中对岩溶地基稳定性评价主要采用定性分析及定量分析方法。

3.1 定性评价

影响岩溶地基稳定性的因素很多，主要有：地层岩性、结构面及组合情况、溶洞大小、形态及埋藏情况、溶洞充填情况、地下水赋存状态、荷载情况等。

本次研究根据东黄山国际小镇岩溶发育特征及主控因素分析的基础上，依据《工程地质手册》(第五版)[17]，选取影响岩溶地基稳定性的因素进行评价，如表1所示。

岩溶地基稳定性定性评价结果 表1

续表1

3.2 半定量评价

(1)按顶板坍塌自行填塞判别

研究区揭露约81%的溶洞被粉质黏土夹砂砾石充填，其余为无充填的空洞。对无充填或半充填的溶洞，其洞体顶板岩土层的稳定性可根据自行填满洞体所需的塌落高度来验算：

(1)

式中：H′—洞体自行填满所需的塌落高度；

K—岩石松散(涨余)系数，石灰岩K取1.2，黏土K取1.05；

H0—塌落前洞体最大高度；

H—洞体顶板以上岩土高。

若H≥H′，则认为该洞穴处于稳定状态，可不考虑其对岩溶地基的影响；若H

图4 溶洞塌落计算示意图

按顶板坍塌自行填塞判别溶洞判别溶洞顶板稳定性统计表 表2

(2)按顶板抗弯安全厚度判别

当顶板跨中有裂缝，顶板两端支座处岩石坚固完整时，按悬臂梁计算：

(2)

根据前期勘察成果，溶洞顶板溶蚀裂隙一般较为发育，非溶洞发育区顶板岩层相对完整，计算模型按悬臂梁计算，顶板受力弯矩M按式(2)进行计算，溶洞力学模型可简化为图5所示。当顶板岩体抗弯厚度H小于顶板岩体厚度H2时，判别为稳定，反之判别为不稳定。根据计算结果，区内稳定溶洞112个，不稳定溶洞为27个，不稳定溶洞占总数量23.1%，判别结果如表3所示。

图5 溶洞计算力学模型

按顶板抗弯安全厚度判别溶洞顶板稳定性统计表 表3

(3)按顶板抗剪安全厚度判别

当顶板具有一定厚度，岩体抗剪强度大于剪力时，洞室顶板稳定。

根据极限平衡条件：

T≥P

(3)

T=H3×S×L

(4)

(5)

P—溶洞顶板所受总荷载(kN)，可取顶板厚H的岩体自重、顶板上覆土体自重和顶板上附加荷载之和；

T—溶洞顶板的总抗剪力(kN)；

L—溶洞平面的周长(m)；

S—岩体抗剪强度(kPa)，石灰岩一般取抗压强度大小的1/12。

当顶板岩体抗剪厚度H3大于顶板岩体厚度H时，判别为不稳定，反之判别为稳定，根据计算，区内揭露117个溶洞均为稳定溶洞，判别结果如表4所示。

按顶板抗剪安全厚度判别溶洞顶板稳定性统计表 表4

4 结 论

(1)研究区岩溶发育以覆盖型串珠状溶洞为主，在垂向上具有分层性，一般为2层～3层，最多达5层，钻孔揭露溶洞洞高大多为 0.1 m～3.0 m，个别洞高达 4.0 m以上，溶洞顶部基岩较为破碎，溶蚀裂隙发育，溶洞充填物多为粉质黏土夹砂砾石，占比约81%。

(2)按定性评价的方法判别，区内岩溶发育大多对地基稳定性不利，由于区内钻孔揭露溶洞多为充填型溶洞，占比约81%，对地基稳定性较为有利；此外，区内地下溶洞以垂直形态为主，洞体直径约 0.2 m～6.5 m，平均 1.5 m，溶洞相对较小，对地基稳定性较为有利。

(3)按顶板抗剪安全厚度判别方法判别，区内117个溶洞，均为稳定状态。

(4)按顶板坍塌自行填塞判别方法评价得出场区内的117个溶洞中，稳定溶洞84个，不稳定溶洞为33个，不稳定溶洞占总数量的28.2%。

(5)按顶板抗弯安全厚度判别，区内117个溶洞中，稳定溶洞90个，不稳定溶洞为27个，不稳定溶洞占总数量的23.1%。