武汉可溶岩地区基坑地质结构分类与主要工程地质问题处置

冯建伟， 李 理， 孙 韬

(长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010)

武汉市地处江汉平原东部，区内可溶岩(碳酸盐岩)分布面积1 100 km2，占全市面积的13%。20世纪90年代以来，随着武汉市经济社会快速发展，大批大型市政、交通和高层建筑项目不断实施，同时又不断受到岩溶地质问题影响。1931年至今，武昌区丁公庙、阮家巷、陆家街中学、司法学校、烽火村(乔木湾)、光霞村，汉阳区轧钢厂以及江夏区马鞍山井田等地，发生至少15次岩溶地面塌陷[1-2]。岩溶问题不但影响工程建设，还会造成人员伤亡和巨大的经济损失。因此，众多学者和工程技术人员对武汉地区岩溶问题进行了积极的研究、探索和总结[3-16]。官善友等[3]提出武汉发育受区域地质构造控制的3个近EW向分布的碳酸盐岩条带。罗小杰[4]总结提出武汉碳酸盐岩“六带五型”的概念。张晓玉等[5]结合岩溶塌陷实例总结出武汉岩溶地面塌陷的特点，并提出相应的治理措施。众多学者对岩溶主要发育于基岩浅表层形成了共识，并对岩溶分布规律进行了统计分析，指出开展工程勘察应查明场地岩溶地质条件[6-16]。

2000年以前武汉市基坑工程深度一般为10～15 m[17]，2000年以后迅速加深到20～40 m以上。大量基坑工程不可避免地落到可溶岩地区，由于复杂的工程地质和水文地质条件，岩溶区的基坑施工开挖会引起不同于常规基坑的岩溶工程地质问题。目前武汉地区的岩溶研究主要集中在岩溶地面塌陷、岩溶分布和岩溶发育规律等方面，鲜有学者对可溶岩地区基坑工程地质问题进行系统研究。鉴于此，本文以武汉区域地质资料为基础，收集大量的勘察资料，经过地质综合对比和分析，提出可溶岩地区基坑的地质结构类型，并研究和总结基坑不同岩溶地质结构类型涉及的岩溶地质问题，以指导工程实践。

1 可溶岩地区岩组划分

武汉地区的地层从中志留统至全新统均有发育，主要有古生界的碎屑岩和可溶岩，中生界、古近系和新近系半成岩的碎屑岩，以及广泛分布于地表的第四系松散堆积层。研究表明，武汉地区内自北向南共分布有9个可溶岩条带(图1)。可溶岩地区的各种地层依据岩性、工程地质特性和厚度等，划分为土层和可溶岩两个岩组，土层岩组依据成因和塑性状态，进一步划分为黏性土、砂性土和软弱土3个岩组(表1)。

L1.天兴洲条带；L2.大桥条带；L3.白沙洲条带；L4.沌口条带；L5.军山条带；L6.汉南条带；L7.法泗条带；L8.马鞍山条带；L9.湖泗条带

表1 武汉可溶岩地区岩组类型

2 基坑工程岩溶地质结构

基坑工程按工程重要性分为一级、二级、三级3个重要性等级，按安全性分为一级、二级、三级3个安全等级[18-19]，按支护方式一般分为无支护基坑和有支护基坑两类。中国目前在设计、施工中通常以基坑挖深5 m[20]作为划分深基坑和浅基坑的界限，部分学者对基坑开挖深度分类也进行了探索研究，但在规程规范中没有明确的规定。

武汉可溶岩地区的覆盖层厚度变化较大，据统计厚度<20 m的区域约占50%，<30 m的区域约占90%。开挖深度超过20 m后，基坑底板进入可溶岩的概率变大。在不同地区和不同的开挖深度，基坑工程可能会出现不同的岩溶工程地质问题，不能仅依据开挖深度对基坑类型进行划分。为了更加准确地对岩溶基坑进行工程地质评价，采用基坑底板在岩溶地质结构中的相对位置对岩溶基坑进行类型划分，可分为岩溶浅基坑、岩溶深基坑、岩溶超深基坑。

(1) 岩溶浅基坑(Q)。基坑深度小，底板位于上部土层而未进入中部土层或下部可溶岩。其基本特点是基坑深度较浅，坑底以下残留的土层厚度较大，坑底距离下伏可溶岩顶面较远。除非有特殊情况，该类岩溶基坑与常规基坑的工程地质问题一致。

(2) 岩溶深基坑(S)。基坑深度较大，底板穿过上部土层而进入中部土层，或者相当于中部土层深度。其基本特点是基坑较深，虽然没有揭穿土层到达可溶岩，但底板距离下伏可溶岩顶面较近，或者中部为砂层时与下伏可溶岩有直接的地下水联系。该类基坑会受到下伏可溶岩的岩溶及其地下水的影响。

(3) 岩溶超深基坑(C)。基坑深度大，底板穿过所有覆盖土层而进入下伏可溶岩，底板位于可溶岩中。其基本特点是基坑很深，开挖除了揭穿上部土层中的上层滞水和砂层中的潜水或承压水外，还揭露了岩溶地下水，可能会引起岩溶地下水问题。

武汉可溶岩地区地质结构以覆盖型岩溶为主。覆盖型岩溶根据上部土层岩组的不同划分为3类：第Ⅰ类上部为黏性土为主，下部为可溶岩；第Ⅱ类上部为砂性土为主，下部为可溶岩；第Ⅲ类上部为软弱土为主，下部为可溶岩。在实际基坑开挖中，通常揭露两种或者三种土层岩组，根据各土层岩组的上下组合关系，第Ⅰ类覆盖型岩溶划分为黏喀型(Ⅰ1)、黏砂喀型(Ⅰ2)、黏泥喀型(Ⅰ3)3个亚类，第Ⅱ类覆盖型岩溶划分为砂喀型(Ⅱ1)、砂黏喀型(Ⅱ2)2个亚类。

每一种基坑类型的岩溶地质结构可进一步划分为6种亚类，3大基坑类型总计为18种岩溶地质结构类型(表2)。

表2 武汉可溶岩地区基坑地质结构类型表

3 主要岩溶工程地质问题及处置

可溶岩地区的基坑开挖会引发不同于常规基坑的岩溶工程地质问题，目前武汉最常见的是岩溶塌陷问题，而对边坡稳定、坑底稳定等其他岩溶问题重视不够。岩溶地下水会引发坑底隆起、突涌水和抗浮问题，溶沟溶槽和溶洞会引发基坑边坡稳定和坑底稳定问题。

3.1 岩溶地下水的坑底隆起问题

基坑底下有岩溶承压含水层。随着基坑开挖，含水层上覆土层的厚度减小，当坑底剩余土层不足以抵抗承压水压力时，坑底就会隆起，甚至被水击穿造成突涌。因此，当基坑坑底剩余土层较薄时应进行抗承压水突涌验算[19]，若验算不满足要求，应采取降水或坑底注浆加固等措施，其公式为：

Kty×Hw×γw≤D×γ

(1)

式中：Kty为抗坑底突涌稳定安全系数；D为基坑底至承压含水层顶板的距离，m；γ为D范围内土的平均天然重度，kN/m3；Hw为承压水水头高度，m；γw为水的重度，取值为10，kN/m3。

岩溶承压水引起的坑底隆起问题可能会发生于QⅠ2、QⅢ、SⅠ1、SⅠ3、SⅡ2和SⅢ等地质结构类型中，而超深基坑在中下部随着开挖坑底剩余土层减小也会产生坑底隆起问题。

3.2 岩溶地下水的突涌水问题

突涌水是可溶岩地区基坑工程施工过程中常见的工程地质问题，轻者影响施工，重者影响基坑安全。在基坑施工前应预测岩溶涌水发生的部位及涌水量，以采取有效的防治措施。

基坑岩溶涌水量的预测，除了一般的裂隙性涌水量预测之外，主要的是集中管道性涌水量和最大涌水量预测，常用的涌水量预测方法主要有水均衡法、水文地质解析法与水文地质比拟法[21]。水均衡法应用水均衡原理，通过研究某一均衡区在一定均衡期内地下水量的收入与支出之间的关系，建立地下水均衡方程，从而计算预测基坑涌水量。其计算公式如下：

(2)

式中：Q为涌水量，m3/s；A为均衡区集水面积，km2；α为入渗系数；X为降水量，mm；d为均衡期天数，d；S为涌入基坑水量占地下水径流总量的份额。

当基坑发生岩溶突涌水问题时，在施工阶段主要考虑抽、排水，永久处理方法主要有导引法、封堵压盖法、驱赶推挤法、闸阀封闭法及帷幕灌浆法等。岩溶突涌水问题在超深基坑中都有可能发生，在深基坑中坑底被水击穿也会造成。

3.3 岩溶地下水的抗浮问题

地下水会对地下工程产生浮力，当地下水浮力大于地下工程自重和覆土压力时，地下工程可能会上浮。地下工程上浮是非常严重的工程事故，轻者开裂，严重者工程报废。国家相关标准和规程均明确了“当地下水位高于地下室基础底板时，应进行抗浮稳定性验算”[22]。

当地下结构底板为刚性时，抗浮稳定按下式[22]进行计算确定：

(3)

式中：Kf为计算区域整体的抗浮稳定性系数；∑W为计算区域总抗浮力标准值,kN；A为计算区域的底板面积,m2；∑Ff为计算区域地下结构底板所承受的浮力标准值总和,kN/m2。

地下工程抗浮设计等级为甲级时，施工期抗浮稳定性系数应>1.05，使用期其系数应>1.10。

地下结构抗浮稳定性计算时，首先要确定抗浮设防水位。现行规范《建筑工程抗浮技术标准》[22]、《高层建筑岩土工程勘察规程》[23]等对于抗浮设防水位规定了取值原则，但实际操作不是很容易。工程技术人员出于安全保守考虑通常会取最高水位作为抗浮设防水位，这种处理虽然简单，但可能会造成巨大的工程浪费。更可取的方式是进行长期地下水位观测，并结合区域水文、气候条件、地形地貌、地下水类型和地下水补给排泄条件等因素综合确定抗浮设防水位。

目前，在地下工程中比较常用的抗浮措施有降水抗浮、配重抗浮、锚杆抗浮、抗拔桩抗浮、围护结构与主体结构相连接共同抗浮等。

3.4 基坑边坡稳定问题

岩溶基坑施工开挖由于揭露溶沟溶槽溶缝、土岩分界面和溶洞等，具有潜在的不稳定性。基坑边坡不稳定变形主要有以下3种情形：

(1) 土岩分界面剪切滑动。当上部为土层，下部为可溶岩，在土岩分界面低洼处局部分布有红黏土时，由于低洼处常是地下水汇集场所，且分界面附近地下水升降频繁，在地下水的作用下该处的红黏土一般呈软塑状甚至流塑状，其抗剪能力弱，基坑开挖若未及时采取支护措施，上覆土体在侧向力作用下向基坑内位移、变形，进一步发展会沿着软弱红黏土层剪出造成边坡失稳。

(2) 不稳定岩体变形。溶沟、溶槽和溶缝等的存在会破坏岩体的完整性，导致岩体整体稳定性降低。这些不完整岩体与岩层面或构造面组合，可能会引发基坑边坡变形或者失稳。此外，在基坑开挖揭露溶沟、溶槽和溶缝后，地表及地下水向沟槽缝内汇集，不断发生软化和淘蚀，沿着沟槽缝形成软弱面或淘蚀面。随着软弱面及淘蚀面不断扩大，孤立岩体在地下水或者上覆岩土体重力作用下，会发生拉裂或倾倒破坏。

(3) 溶洞充填物坍塌。当溶洞内充填软弱土体或粉土等时，基坑开挖过程中揭露溶洞出现涌泥会给施工带来困难。溶洞即使被力学性质较好的岩土体填充，仍是基坑边坡薄弱部位，极有可能会发生坍塌；相对周边岩体承载力较差，易使基坑支撑结构失稳。

为保证岩溶基坑工程施工及周边环境的安全，应对基坑侧壁及周边环境采用适当的支挡、加固和保护措施。目前，国内岩溶地区主要采用锚杆(锚索)支护、喷射混凝土支护、喷锚网支护、灌浆加固支护和抗滑桩支护等五种支护措施。由于岩溶地区地质条件较为复杂，建议采取以上一种或者多种支护措施。

3.5 坑底稳定问题

当基坑底板下部溶洞埋深浅、规模大，且溶洞上方有集中荷载时，容易引发溶洞顶部坍塌、地基失稳。因此，应分析判断溶洞顶板的稳定性，计算(估算)顶板安全厚度极限值。由于影响顶板安全厚度的因素众多，现行设计规范尚未对此有明确规定。工程界通常认为，基坑开挖未破坏溶洞顶板，且溶洞上部无集中荷载时，开挖卸荷有利于顶板稳定，可以认为溶洞顶板是稳定的(图2-a)；当基坑开挖破坏了溶洞顶板，经过分析判断顶板不稳定，需采取工程处理措施(图2-b)。目前溶洞顶板稳定性分析常用的方法有定性分析、经验类比、定量评价和数值仿真分析等。

图2 基坑溶洞地基示意图

对于影响基坑底板稳定的溶洞，应根据其位置、大小、埋深、围岩稳定性和水文地质条件等综合分析，因地制宜地采取处理措施。对于洞口较小的溶洞，可采用换填、镶补、嵌塞等方法，挖除洞中的软弱充填物，回填碎石、块石、素混凝土或灰土等，以增强地基的强度和完整性。对于洞口较大的溶洞，可采用梁、板、拱等结构跨越，跨越结构应有可靠的支撑面，梁式结构在岩石上的支承长度应大于梁高的1.5倍，也可辅以浆砌石等堵塞措施。对于规模较大的溶洞，可采用洞底支撑，必要时采用桩基。对于底板下埋藏较深的溶洞，可通过钻孔向溶洞中灌注水泥砂浆、混凝土、沥青和硅液等来堵填溶洞。

4 结语

(1)武汉可溶岩地区的工程地质条件和水文地质条件复杂，依据岩性和工程地质特性将研究区的地层划分为黏性土、砂性土、软弱土和可溶岩4个岩组。根据基坑工程的深度特点和4个岩组在剖面上的组合关系，将基坑工程的岩溶地质结构分为18种类型。

(2)对于武汉地区不同岩溶地质结构和不同开挖深度的基坑工程，施工时会引发不同的岩溶工程地质问题，主要有岩溶地下水的坑底隆起、突涌水和抗浮问题，以及基坑边坡、坑底稳定等问题。针对各种岩溶工程地质问题提出了相应的工程处置措施，对指导工程实践具有重要意义。