巖溶地基地質勘察及地基處理方法研究

■ 大連市市政設計研究院有限責任公司 倪正田

巖溶地基勘察是海底隧道建設前期的重點準備工作，勘探巖溶地基是否存在溶洞、裂隙等情況，并對溶洞穩定性進行評估計算，是測定該地是否適合修建項目工程的重要前提。擬建大連灣海底隧道工程場地多數地段地處甘井子組和南關嶺組的碳酸鹽巖地層（巖性主要為白云質灰巖、石灰巖），工程場地多以巖溶地基為主，存在巖溶現象且地基形態復雜多樣，亟須對隧道工程建設所處位置進行地質勘探，評價地基穩定性，針對地基穩定定性、適宜性給出合理的施工處理措施方法和方案建議。本文結合大連灣海底隧道工程所選取的一試驗地塊，進行地質勘察及地基處理方法研究。通過對該地溶洞發育情況評估，計算出溶洞頂板抗壓強度及穩定性，并針對計算得出的相關結果，提出合理化改善建議，以期為類似項目提供借鑒與參考。

1.工程概況

大連灣海底隧道工程是貫徹落實國家全面振興東北老工業基地戰略，以PPP模式實施的重大民生工程，預算總投資達72億元，共設雙向六車道快速路，主線設計速度為60km/h，該隧道工程整體使用設計年限計劃為100年。北接岸工程擬在大連港外輪航修廠登陸，航道設置在該片海域之下，出入口計劃在南、北岸各設置兩處。工程主線路全長約5098m（K0+208 ～K5+306），需填海約525m，如圖1所示。

此次勘察試點為北接岸工程，該區域存在地下溶洞，需對該地下溶洞進行詳細勘察，了解溶洞發育特征。隧道擬建于溶洞之上，溶洞的穩定性直接影響隧道結構的穩定性。

2.場地工程地質條件

2.1 地質構造

根據《大連灣海底隧道建設工程項目場地地震安全性評價》（2015年）、《大連市活斷層探測與地震危險性評價（2009年版）》中工作區地震構造圖及《大連地區地質構造圖1:5萬》記載和此次勘察結果，擬建工程場地均未發現有活動斷裂和較大規模的構造形跡分布。擬建工程場地北側山中村～海茂村的的北東向逆斷層，其傾向SE154°，傾角67°，延伸約2.4km；南側為烈士山—炮臺山斷裂帶，其傾向SE168°，傾角40°，延伸約10.4km。

圖1 大連灣海底隧道路由示意圖

2.2 地基地質結構

經現場鉆探揭露，場地地層詳細分類見表1。

表1 場地地層地址特征

由表1可知，勘探揭露的基巖以中風化白云巖為主，且巖層表面均經歷了不同程度的風化。

2.3 巖溶地基發育情況

巖溶地基狀態不規則，存在大的裂隙、溶溝、溶洞，內部充填情況分為全充填、半充填、空洞等情況，溶洞頂板呈階梯狀分布，巖層以灰巖為主，溶洞頂板平均厚度為14.65m（表2），空洞最大高度達7m，溶洞底板分布有各種石塊，底板與頂板之間空隙無填充。

表2 巖溶地基溶洞頂板厚度統計

3.巖溶地基穩定性評價

3.1 巖溶地基特性

溶洞周圍巖體多以較硬巖層為主，具有較強的抗風化能力。根據溶洞勘察結果，頂板處不同巖體風化程度不同，總體風化程度較低，鉆孔巖芯多以柱狀排列，風化程度較輕。整體巖芯采取率達到90%以上，符合采取標準。從現場勘探情況來看，溶洞頂板見多處垂直縫隙，縫隙延伸長度較長，在11m以上，寬度在4.5m ～11m。根據以上勘探結果對溶洞進行抗壓強度檢測，抗壓平均值為35MPa。

3.2 穩定性評估

根據溶洞空洞最高處高度計算塌落高度，估算頂板的安全厚度：

由上述公式可得，塌落高度H為35m，遠大于溶洞空洞高度。

結合上文所述巖溶地基發育情況，按照梁板受力情況估算頂板厚度的安全度：

式中：H——頂板安全厚度；

M ——彎矩；

p ——頂板所承受的荷載；

b ——基礎寬度；

σ ——頂板巖體抗彎強度；

l ——溶洞跨度。

根據實際勘探情況，l（溶洞跨度）取最高值28m；σ（頂板抗彎強度）按抗壓平均值的1/8取值，即σ=35MPa/8=4375kPa；b（基礎寬度）按1m取值；溶洞頂板厚度按最大厚度取值18m，重度為28。計算過程如下：

由上述計算可得，溶洞頂板厚度需≥20.76m才能保證安全，但根據勘探結果，溶洞頂板平均厚度為14.65m，最大厚度18m，二者數值皆小于20.76m，說明巖溶地基穩定性相對較差，加上該溶洞頂板厚度不均勻，周圍裂縫延伸長度較長，裂縫發育相對嚴重，需對溶洞地基進行處理后方可修建隧道。

4.巖溶地基勘察及處理方法

勘探報告顯示，該溶洞洞穴整體高度大于3m，且洞穴面積較大，由于試驗段場地緊臨海域，受海水潮汐影響大并伴有海水倒灌現象。鑒于此，未采用人工挖孔樁，而采用旋挖鉆成孔方式填充溶洞，借助樁的作用支撐溶洞洞穴，提高溶洞頂板的抗壓強度。對于溶洞裂隙，通常采用水泥漿灌注方式進行填充，最大化程度彌補裂隙、洞穴。以下將詳細闡述溶洞填充處理方式及裂隙填充處理方式，充分考慮并解決巖溶洞隙受潮汐影響水泥漿液隨潮汐流失的不利情況。

4.1 溶洞填充處理

如上文所述，溶洞填充采用旋挖鉆孔樁方式，為保證單樁承載力符合施工規范，巖溶部位的樁體潛入完整巖層的深度需大于樁徑的5倍，加上該工程地下溶洞充填有較多松軟堆積物，厚度達到3.6m，由于松軟堆積物較多、厚度較大，不利于旋挖孔樁施工，需根據場地情況，上部松散土體采用2cm壁厚的鋼護筒護壁處理設計施工方案，避免鉆孔穿過松軟堆積物時出現縮徑的概率。

為此，特采取如下處理措施：旋挖鉆孔位置的測量與放線→樁機就位與護筒埋設→樁位復測→鉆頭鉆進土層→鉆至溶洞底部→鉆進C20素混凝土、持力層→終孔清底自檢→安放鋼筋籠→導管安放→灌注混凝土。其中，鉆進土層和鉆至溶洞底部需要進行垂直度檢測、糾偏，同時檢測標高、持力層合格之后方可進行下一步工作，鉆孔過程中需要進行渣土的清運工作。成孔驗收完成之后進行下一孔洞的鉆制，同時進行鋼筋籠的安放澆筑工作，控制鋼筋籠的標高及首灌量。

4.2 巖溶裂隙處理

根據潮汐變化，將單個旋噴樁施工分為常水位標高以下的Ⅰ段樁和常水位標高以上的Ⅱ段樁的兩段樁段施工，其中包括在漲潮階段先完成常水位標高以下的Ⅰ段樁施工。通過先進行常水位標高以下的Ⅰ段樁施工，為Ⅱ段樁施工提供施工基礎，通過退潮階段中水面高度從高潮位降至常水位標高以下之后，以及在下一次漲潮階段中低潮位漲至常水位之前，完成常水位標高以上至設計標高的Ⅱ段樁施工，可以消除常水位標高以上的由于潮汐變化帶來的水泥漿流失問題。

對于巖溶裂隙，通常采用灌注水泥漿的形式填補巖溶裂隙，施工前注意材料的選擇，選擇水質潔凈的水源及符合材料標準的灰料，避免因材料質量問題導致施工質量問題。材料選擇完成后，按照工程施工規定的1：0.6 ～0.6：1比例進行水灰配比，泥漿配制好后方可進行施工。施工時注意觀察不同裂隙吃漿情況，對于吃漿量較大裂隙，需控制一下灌注收發，循序漸進、少量多次的灌注。此次灌漿施工取得初步成效，裂隙基本填充完畢，并未出現明顯的漏漿現象，同時，采用水泥漿灌注保證了巖層的整體性，提升了巖層的視覺觀感。

5.結語

海底隧道工程建設項目施工難度較大，對于地下巖溶地基處理需采取合適的施工方法，施工前應先勘探巖溶地基地質情況，了解巖溶發育情況，借助公式計算了解巖溶地基強度及穩定性。大連灣海底隧道建設工程巖溶地基穩定性較差，溶洞裂隙較多且延伸程度較深，采用旋挖鉆成孔樁方式填充地下溶洞，采用灌注水泥漿方式填補溶洞裂隙，取得了較好的效果。由此可見，在巖溶地基施工建設中，需全面掌握巖溶地基的復雜性，保證科學施工，提高施工質量，提高地基的穩定性。