孙路 梁勇

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳550081）

1 概述

1.1 岩溶分布概述

岩溶(又称喀斯特)在世界上广泛分布,其分布总面积约51×106万km2,约占地球总面积的10%;不同气候带、不同海陆区域均有岩溶地貌发育,较具有代表的地域有中国西南地区、越南北部、南斯拉夫狄那里克阿尔卑斯山区、意大利和奥地利交界的阿尔卑斯山区、法国中央高原、俄罗斯乌拉尔山、澳大利亚南部、美国肯塔基和印第安纳州、古巴及牙买加等。中国是世界上最大的岩溶地区之一,岩溶地貌在中国分布广、面积大,主要分布在云贵高原和四川西南部。中国现代岩溶是在燕山运动以后准平原的基础上发展起来的,老第三纪时,华南为热带气候,峰林开始发育,华北则为亚热带气候,当时长江南北却为荒漠地带,是岩溶发育很弱的地区,新第三纪时,中国季风气候形成,华南保持了湿热气候,华中变得湿润,岩溶发育转向强烈,尤其是第四纪以来,地壳迅速上升,岩溶地貌随之迅速发育,类型复杂多样。

1.2 岩溶机理

岩溶是指可溶性岩石在侵蚀性的流动水流作用下产生的各种地质作用、形态和现象的总称,因此岩溶发育需具备三个条件:

其一，岩石为可溶,可溶岩包括碳酸盐类岩石(灰岩和白云岩)、硫酸盐类岩石(石膏、芒硝)和卤素类岩石(岩盐等),其中碳酸盐类岩石在我国分布最多, 在该类岩石中发生的岩溶现象最为普遍。

其二，水流有侵蚀性且量要充足,岩溶的发生过程即是一个化学反应的过程,水流的侵蚀性需要水具有侵蚀离子,以碳酸岩盐为例需具有H+, 在自然条件下该离子主要来自于CO2溶于水后产生,因此,足够的CO2是岩溶发育的保障。溶解反应是一个平衡反应,要想溶解反应一直进行,需提供源源不断的水流,反应过程如下:

CO2+H2O+CaCO3葑(HCO3)2Ca(可溶)

其三，水流需具有动力性,即需具有地表水下渗、地下水流动的通道,如孔隙、裂隙、褶皱、断层破碎带等。

1.3 影响岩溶发育的因素

岩性、地质构造、地形地貌、地表水体、气候等对岩溶的发育都有影响, 一般情况下岩层厚度大且纯度高时岩溶发育规模大且岩溶种类齐全;地质构造发育区域岩溶相对强烈;地形平缓低洼地带,岩溶发育较为强烈,多以溶洞、落水洞、竖井等为主,而地形陡峻的斜坡或坡顶,多以溶沟、溶槽、石芽等为主;地表水体与岩层面反向或斜交时,岩溶易发育;在气候湿润、降雨丰沛的地区,地表水、地下水补给充足,岩溶易发育。

1.4 岩溶形态

1.4.1 岩体中岩溶形态

在地表直接清晰可见的岩溶形态主要为溶沟、溶槽、石芽、竖井、落水洞、漏斗、岩溶洼地、岩溶谷地、孤峰和峰林;地下岩溶的形态和规模难以准确查明,其主要表现为溶洞和暗河。[1]

1.4.2 土体中岩溶形态

土体中的岩溶形态主要为土洞,其指位于可溶岩地区可溶岩上覆土层中的空洞,其为岩溶作用的产物,土洞发育规模大时可能导致地表塌陷。

2 工程实例

实例1:该工程为房建工程,位于某城区空地区域,场地原为林木区域,场地内上空无高压线通过,场地下无不利埋藏物;场地东侧约60m 为市政道路; 拟建物西北侧约200m 处为建筑工地,拟建场地东侧距离拟建建筑物边线15.00～39.5m 为已建成轨道交通二号线, 拟建物地下室底板标高与轨道交通二号线隧洞底标高最大高差为23.1m,根据该轨道线的保护要求,本拟建物施工过程中不宜采用旋挖钻、冲击钻等大型机械施工。根据详勘资料,场地下伏基岩为三叠系下统大冶组(T1d)地层,岩性为灰色薄～中厚层灰岩,岩层产状为96°∠16°,场地岩溶类型和形态主要表现为溶沟、溶槽及溶洞,溶洞呈串珠状发育,钻孔遇溶洞率34.7%,最大洞高22.5m,埋深位于地下0.5～24m 不等,根据当地规范,场地岩溶整体呈强发育,根据钻孔揭露,典型地质剖面如下:

图1 某房建项目场地岩溶典型地质剖面图

对于该岩溶, 较为可靠的地基处理方法为采用桩基穿透,施工方法适宜采用旋挖成孔,后经专家评审,由于场地紧邻轨道交通线,受轨道交通保护线的要求,不适宜采用机械旋挖,地基处理方法改为采用梁(板)进行跨越。

实例2:该工程为市政桥梁工程,位于某开发建设新区,场地平坦开阔,四周地上、地下无既有物。根据详勘资料,场地下伏基岩为三叠系下统谷脚组(T1g)灰岩夹泥质条带,岩层产状为340°∠6°,岩层相对较缓,场地岩溶类型主要表现为溶槽及溶洞,溶洞呈串珠状、廊道状发育,洞内软塑至流塑状粘土充填,钻孔遇溶洞率24.03%,最大洞高20.0m,埋深位于地下2.0～40m 不等,根据当地规范,场地岩溶整体呈强发育,岩溶最发育区域位于该桥梁的桥台区域,根据钻探及物探结果,桥台区域典型岩溶地质剖面如下:

图2 某桥梁桥台区域岩溶典型地质剖面图

对于该桥台的岩溶地基,由于桥梁荷载较大,此外由于岩溶的复杂性,该桥台采用桩基穿透的方式对岩溶进行处理,处理效果甚佳,目前该桥梁安全稳定。

3 岩溶地基处理方法探讨

岩溶形态多样且其发育无序, 此外其规模和边界特别是地下岩溶难以精确查明,这给岩溶地基的处理带来很大难度,同时处理效果也难以控制,根据我国多年的工程建设经验及研究,对岩溶地基的处理主要有四种方法,即填垫法、加固法、跨越法、桩基法[2],对各种方法探讨如下:

3.1 填垫法处理岩溶地基

该方法又细分为充填法、换填法、挖填法和垫褥法,其本质是对溶洞软弱充填物清除后直接采用块石、片石、砂、混凝土等进行充填或换填或者是对浅埋溶洞揭穿后再进行充填或换填;该方法适用于规模不大的裸露性的岩溶土洞、浅埋型的岩溶土洞、溶沟、溶槽、石芽以及基底下岩溶顶板较薄的溶洞,使用该方法时需对溶洞软弱充填物清除彻底,以防后续发生不均匀沉降。对于基底下宽度不大的深溶槽,可清除槽内一定深度的充填物、洗净岩壁、横截刻槽(槽距约200mm),嵌入钢筋,然后回填混凝土或水泥砂浆。

3.2 加固法处理岩溶地基

该方法即是对不稳定的岩溶地基岩土体或地基的稳定性可能影响拟建物安全稳定的岩溶地基岩土体进行加固处理。该方法细分为灌浆加固、顶柱加固、强夯加固、挤密加固、注浆加固,其中对埋深较大的土洞可采用灌浆加固法, 加固时按先四周后中间的加固顺序进行;对于需利用岩溶顶板但顶板较薄时,采用顶柱法对岩溶顶板进行支撑加固; 对于大面积存在土洞或岩溶塌陷区域,难以做到按点处理时,采用强夯法对场地整体进行夯实处理;对于充填有深厚软土的大面积岩溶区域,当清淤换填成本较高时可采用桩或钢管嵌入下覆坚硬地层内, 从而挤密松软层而形成稳定性好强度高的复合地基; 对于受地质构造或人类活动而导致的岩体破碎带可采用注浆法对岩体进行加固处理。

3.3 跨越法处理岩溶地基

对于岩溶规模大采用其它地基方式难以处理或处理成本高时可采用该方法对岩溶地基进行处理, 根据跨越结构形式不同可分为板体跨越、梁体跨越、拱体跨越,当连续的大面积需采用跨越时适宜采用板体进行跨越, 当跨越的宽度方向较窄时适宜采用梁进行跨越;对于上部结构荷载大,采用梁跨越时,改变跨越结构的受力方式即采用拱体进行跨越。

3.4 桩基法处理岩溶地基

对于岩溶规模大或发育层数多或岩溶发育复杂,其平面发育边界难以准确确定时, 适宜采用桩基法将上部拟建物荷载传递到溶洞底部稳定基岩上, 由于溶洞内多有软塑至流塑状粘土充填且孔桩较深,桩基成孔时,优选机械成孔保证施工安全,若采用人工开挖成孔,需做好护壁措施及专项施工措施。

4 结论

本文通过简述岩溶机理、岩溶形态并通过工程实例引出岩溶地基的处理方法,在工程实践中常用且可靠的方法是填垫法、加固法、跨越法、桩基法,本文对这四种岩溶地基处理方法进行了探讨,提出了不同岩溶条件下适合的地基处理方法,当然,岩溶地基的处理方法还可能还受周边环境约束。在工程实践中,我们主要处理对拟建工程有影响的岩溶, 若岩溶距拟建工程远或施工开挖过程中已被清除等对拟建工程无影响情况时, 可不进行处理,此外在工程选址时应尽量避开大规模且复杂的岩溶场地,以免付出大量的岩溶地基处理代价。