巖溶地區溶洞頂板穩定性分析

李道飛

（貴州省地礦工程勘察有限公司，貴州 貴陽 550001）

在溶巖地區，由于水的長期溶蝕作用，在巖層中形成溶洞、溶溝等現象，這種現象稱之為巖溶。很多地區巖溶現象較發育，溶洞、石牙、溶蝕漏斗、溶蝕洼地、落水洞到處可見。這些地段路基的溶洞如果處理不好，容易導致路基下沉、開裂等病害，對路基穩定性有極壞的影響。溶洞有很多種，需要根據溶洞的發育程度實施不同的處理方法，加固頂板，預防溶洞對工程的危害。

1 溶洞的成因及類型

水侵蝕可溶性巖石形成巖溶現象。巖溶形成主要有四個最基本的條件：首先巖石要具有可溶性，其次沖擊巖石的水要具有溶解能力，然后巖石要具有可透水性，最后水在巖石中要具有流動性。在建筑施工中，溶洞常被分為兩類：無水及有水，這是根據溶洞對工程的影響來分的。漏斗很神奇，它是地表水不斷沖蝕溶洞巖壁，使巖壁不斷增大或由溶洞塌陷形成的漏斗狀凹地，其橫斷面長度不等，最大可到數十米，深度有的只有1米左右，而有的可到達15 米，平面形狀有的呈現圓形、扁圓形，有的不是規則的圖形。有水的溶洞常會連接地下暗河，雨季到來的時候地下水會向上涌出，而地表上的積水也會流入地下暗河。在實際工程中常遇到的多為小型的溶洞，孔徑和深度均不大；對大型的溶洞，道路選線時要盡量繞避，本文主要針對溶洞的頂板穩定性進行討論。

2 巖溶路基發育情況及相應的處理措施

2.1 小溶洞頂板穩定性分析

堵塞。水有很強大的作用，它在流動過程中可以移動雜物，而水里面含有相關物質可以溶蝕物體，滴水穿石就是這個道理了。地表水在運動過程中對物體的移動和溶蝕可謂日積月累，效果相當強烈。相關處理措施如下。

對于路塹邊坡上的干溶洞，洞內用片石填塞，洞口用干砌片石鋪砌、砂漿勾縫或漿砌片石封閉。如圖1。

圖1

路基范圍及路塹上方溶洞內如有填充物，應予以清除，然后用塊片石填實，洞口用漿砌片石封閉，路基范圍內涌水泉眼，應將涌水引入邊溝、排水溝及截水溝。

路基基底或路基附近流量較大的暗河、落水洞、消水坑、涌泉等，設橋跨過；規模較小的設涵洞跨過或設擋土墻避開；路基以填方型式通過巖溶發育，多以溶槽、溶溝、石牙等型式存在時，應注意爆破清除基底部的部分溝槽等，然后重新回填夯實處理。如圖2。

圖2

圖3

頂板加固。深而小的溶洞不便用洞內加固時，采用石蓋板或鋼筋混凝土蓋板加固。對洞徑小、頂板薄或巖層破碎的溶洞，采用爆破頂板用片石回填加固，如溶洞較深或須保持排水者，采用拱涵或板涵跨越。對路基范圍內的地表塌陷，在不影響地下水排泄通道時，可采用回填夯實，并在地表整平后鋪設土工格柵及土工布。對溶洞埋深較淺，洞頂板較薄的地段，采用鉆孔注漿加固。注漿采用低壓間歇定量或循環式灌注，目的是減少漿液流失，間歇時間可控制在7－8 小時。如圖3。

對以路基型式通過深而小的溶洞不便使用洞內加固時，采用石蓋板或鋼筋砼蓋板加固；對洞徑小、頂板薄或巖層破碎的溶洞，采用爆破頂板用片石回填加固；洞口大時，采用橋梁跨越。如圖4。

圖4

圖3、圖4 為有頂板的路塹段溶洞鋼筋砼蓋板布置圖。圖中B 為路基設計寬度，H 為溶洞埋深，L 為推測最大跨度。當溶洞埋深H 不滿足安全厚度要求，且溶洞為單個發育時，采用本圖處理方式，跨度L≤6m 時采用30cm 厚鋼筋砼板；6m＜L≤10m 時采用45cm 厚鋼筋砼板；10m＜L≤13m 時采用60cm 厚鋼筋砼板 （砼標號為C35）。鋼筋砼板表面必須橫向拉槽，槽深1.5cm，間距不大于3cm，并在上面設粘層。鋼筋砼板在開挖和埋設過程中不得擾動下部的基層和墊層，與兩端路面結構層連接處采用鋸縫并用乳化瀝青灌縫。

2.2 大溶洞頂板穩定性分析

天然狀態下穩定性分析。在進行相關的工程施工時，由于工程設備的影響，造成大溶洞的底部堆積了大量從溶洞壁上掉落的石釧乳堆積成一個個小丘，從溶洞的整體來看，該溶洞在自然狀態下仍然是穩定的。由于溶洞內巖層產狀近水平，基巖從下至上呈懸臂狀層疊，至洞頂部為一完整板狀巖層，這種結構受力類似于拱橋，天然狀態下風化灰巖抗壓強度大于作用在懸臂基巖和拱頂處跨中板狀巖層上的圍巖壓力，整個受力體系處于平衡狀態，洞體穩定。

溶洞充填物穩定性分析。大溶洞底部充填物主要由三部分組成，最底層為洞穴底部早期就有的植物、小塊石等，中間一層為新堆積下的流軟塑狀粘土，最上面一層則是坍塌后沉積的大的石頭。第一、二層堆積物由于沉積早，比較薄，土壤相對較軟，而新塌陷下來的大石塊由于相互力的作用，互為支撐，互相沖擊，一般不會發生沉降現象，下沉的話也是小幅度的，并出現在小石塊分布較多的部位，這種沉降極不均勻。由于大溶洞發育程度較好，時間較長，形成了許多溶蝕通道，并通向地下河，而坍塌物較大塊，堆一起形成了很大的空隙，水能從中流走，排水效果良好。

2.3 用半定量評價分析溶洞頂板穩定性

對溶洞安穩定性評價及處理方法，目前尚無規范可遵循。根據有關巖溶方面的理論分析和工程實踐方面的例子，為消除地基穩定性隱患，預防巖溶地面塌陷的形成，以保持地基的穩定，有必要針對巖溶的不同發育情況提出穩定性評價及相應的治理措施。

半定量評價方法是根據物探和鉆探所查明的溶洞的成因、埋藏深度、洞體規模（洞高、洞體最大寬度和面積）等詳細資料，對溶洞的穩定性進行如下分析。根據溶洞的洞體高度進行預測，當溶洞發生塌陷時，產生的松散體，可以充填擴容后的洞體，乃至洞體被完全堵塞，頂板不再塌陷，這時所需的塌陷高度為H，計算如下：

KV1=V0＋V1

式中：K——土 （巖）體的漲余系數，一般為1.05～1.15；V0——塌陷前的洞體體積；V1——可能塌陷的土（巖）體體積。

坍塌前，假定洞體底面積為F，在塌陷過程中一般不會變化或變化很小。洞體頂板塌陷后一般形成柱體，塌陷高度為H，則V1=FH，設洞體高度為h0，則V0=Fh0。如取K=1.10，代入上式則得H=10h0。根據勘察資料，即可得出所需塌陷高度H。如果洞體埋深大于H，并考慮留有5m 的安全厚度，則認為洞體即使塌陷也波及不到地面形成塌陷。

根據洞體頂板的完整性和密實性、 洞體頂板厚度與洞體最大寬度的比值關系進行預測。參照相關規范，若洞體頂板完整或密實，在利用洞體頂板作為地基時，若洞體的頂板厚度與洞體最大寬度之比大于1，一般認為洞體是穩定的。若洞體頂板破碎或松散，則考慮應有較大的安全系數，即當洞體的頂板厚度與洞體最大寬度之比大于2 時，可認為洞體是穩定的。

根據以上分析，對巖溶區溶洞的處理按以下原則考慮：首先按溶洞的天然頂板埋深H 進行判定。對于溶洞，當其頂板厚度H 大于20m 時，不處理。當溶洞的天然頂板厚度H 小于規定時，按下面的方法(洞體高度h0 與上覆層的厚度H 關系)繼續判別：

①若H＞10h0＋5m，則不處理。

②若H≤10h0＋5m，則按下面的方法繼續判別：若溶洞洞體頂板完整，且頂板厚度H/洞體最大寬度D≤1；溶洞洞體頂板破碎，且頂板厚度H/洞體最大寬度D≤2，均需進行處理。若溶洞洞體頂板完整，且頂板厚度H/洞體最大寬度D＞1；或溶洞洞體頂板破碎，且頂板厚度H/洞體最大寬度D＞2，可不處理洞體。

3 結語

在巖溶地區進行施工操作時，應認真考察分析溶洞的分布狀況、形狀大小、深度以及發育程度。根據溶洞發育程度，布置鉆孔檢查，寫出盡量詳細的報告，為頂板的穩定性分析提供可靠的依據，優化選擇施工地點。地基的處理要適應頂板結構的造型，同時頂板結構也要適應地基及基礎的變形，地基、基礎及頂板結構是協同工作的整體，不可顧此失彼。因此，在處理溶洞的同時，還要適當加強基礎及頂板結構的整體性和剛度，使整體效果達到最好。

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