浅析溶区含溶洞岩石基地稳定性

浅析溶区含溶洞岩石基地稳定性

王碧军

(中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆400037)

综合打分法是铁路工程建设中对于溶K含溶洞岩石基 地稳定性的经验总结，是一种行之有效的评价方法，此方法

摘要：影响溶洞岩石基地稳定性的主要因素有地质结构、

洞体形态、岩石性质、地下水存量等，在我国溶区特别是含溶 洞岩石复杂、多样、隐蔽等特点，在铁路工程建设中容易出现 基地塌陷、岩溶突出、涌水、涌砂等问题，这将严重影响工程 建设的质量和铁路的使用安全，极易导致伤亡事故的发生。 细化了对耑溶地面塌陷情况的打分分析，分别从岩溶塌陷动

力、塌陷物质和储运条件等5个方面来打分分析，根据得分 情况判断岩溶塌陷情况。《铁路工程不良地质勘察规程》给 因此，溶区基地问题是我们在铁路建设中面临的主要地质难 题之一，本文结合长沙地铁1号线，采用定性和定量分析，对 铁路建设中溶岩基地稳定性进行评估，指导工程的科学施工 与合理设计，保障铁路使用安全。关键词：溶洞岩石、发育机理、基地稳定性 中图分类号:U416. 16

文献标志码:B

文章编号：1672 -4011(2017)04 -0084 -03

DOI ： 10. 3969/j. issn. 1672 - 4011. 2017. 04. 038

1

溶区含溶洞岩石基地稳定性的研究现状

古今中外，溶洞分布都极为广泛，溶洞与人类生产生活 密切相关，随着社会的发展和人类建筑工程的活跃，岩溶灾 害问题较为突出，引起了社会各界的广泛关注c我们知道， 处理岩溶病害的的前提条件就是fP价溶区含溶洞岩石基地 稳定性，其评价结果关乎到铁路工程建设的整体设计和具体 施工，很大程度上影响铁路工程投资成本、施工质量和后期 使用安全。因此，工程技术人员和专家学者们在工程建设中 特别是铁路、公路工程建设中着重研究岩溶安全厚度及溶区 含溶洞岩石基地稳定性。目前关于研究溶区含溶洞岩石基 地稳定性主要有以下三种评价方法。

1)

定性评价。定性评价是一种凭借经验、性质的地质分

析方法，运用综合分析、分类比较、归纳演绎等方法对历史材

料做出“质”的逻辑分析，并对分析数据、材料进行逻辑和思 维加工，具体来说有综合分析法和经验比拟法等。在铁路工 程建设中根据已勘测的地质条件，结合工程建设特点对溶区 含溶洞岩石基地稳定性做出定性评价，此法简单易行，但是 容易受到决策者的主观影响，其评价结果具有随意性，因此， 一般在铁路工程初期选择建设场地或者评价溶区含溶洞岩 石基地稳定性时使用。

2)

半定量评价。在工程建设中往往只考虑某个或某几

个影响因素，采用简单计算求得计算模型运用到结果分析 中，在实际工程建设中半定量评价方法具有一定实用性，但 其准确性仍在不断探索和完善之中，半定量评价的方法有很 多，例如顶板厚度跨比法、估算顶板安全厚度法、散体理论分 析法、试验测试法等，其中比较有代表性的当属综合打分法。

收稿日期=2017 -02 -22

作者简介：王碧军（1985 -)，男，湖南湘乡人，本科，工程师，主要从事

路桥施工工作。

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出了具体评价标准，详见表1。

表1

岩溶地面塌陷分析参考标准表

序号

因素的水平

指标分值

1水位能在土、石界面上下波动402水位不能在土、石界面上下波动

203黏性土104砂性土205风化砂页岩106多元结构

207<10 m10810 〜20 m79>20 m

510平原、谷地、溶蚀洼地

1511谷坡、山丘

512審溶强烈发育、岩溶屮等发育10-1513

岩溶弱发育、岩溶微弱发育

5-9

总分：Z = 1 + 2+ 3+ 4+ 5+ 6+7+8+9+10 + 11+12 + 13注:1.当Z>90时为极易塌陷区，Z=71〜89为易塌陷区，ZS70 为不易塌陷区;2.如果近期产生过塌陷K，Z = 100;3.地表降水人渗 致塌地区，水的指标分应该为40。

3)定量评价。随着现代计算机技术的不断发展，提供岩

溶发育形态和特征的各类参数逐渐丰富起来，定量评价法对 于勘测溶区含溶洞耑石基地稳定性具有重要意义，其中数值 模拟分析法已成为当下评价溶K含溶洞岩石基地稳定性热 门和趋势，此方法对于处理非均质、非线性、复杂边界等问题 适用性极强，成为了铁路工程研究的重点并得到广泛应用， 例如德国的非岩溶地区的高速磁悬浮列车、我国武广铁路客 运专线广东段，均在沿线岩溶塌陷地质模式上，开辟了溶K 含溶洞耑石基地稳定性的客观评价及有效预测途径^

2长沙市地铁1号线工程概况

长沙市地铁1号线系长沙市中心的交通主干线，南北走

向，全线起点彩霞路站，一期工程北起于长沙市开福区汽车 北站，全程约24. 56 km，其中地下线23. 21 km，高架线1. 15

km，过渡段0. 2 km，全线共设乍站20座，长沙市地铁1号线 具体技术路线见图1。根据地质勘察材料显示，岩溶M段主 要位于城南路站，里程CK18 +753. 10 -CK258.588,其中岩 溶区段里程为:左线 ZCK19 + 067. 000 - ZCK19 + 258. 588、右 线 YCK19 +091.000 -YCK19 +258. 588,岩溶区段总长度约

第43卷第 4 期 f h) !讨 Y〇1.43,N〇.42017 年 4 月________________________Sichuan Building Materials__________________________April ,2017

为402. 00 m，该段覆盖层以第四系Qb为主，下伏基岩为粉砂 耑类和灰耑，城南路站内有张性逆断层成北东走向穿过，爵 溶类型发育复杂，主要表现为溶沟、溶槽、溶隙、溶洞等，大部 分分布在畀石表M和上部，发育深度大、规模不一,呈无序 分布。

分布部位、规模大小、发育情况、含水规模、岩石裂缝等现象 时有发生，这对于地铁隧道施工和后期运营都带来很多障 碍。岩溶发育场所还具有隐蔽性特点，使得^^隧道开挖过程 中的事故具有突发性和不确定性，诱发掌子面突水、盾构机 塌落、地面塌陷等工程事故。

4溶区含溶洞岩石基地稳定性评价

影响溶区含溶洞岩石基地稳定性的因素很多，影响内因

的主要因素有:结构裂缝、岩石特征和地质构造等，外因主要 包括气候、温度、地下水存M等因此，在进行溶区容洞岩 图1技术路线图

3岩溶发育机理分析及其对地铁工程的影响

1)

■溶发育机理。①耑溶发育是内因与外因共同作用 的结果，影响内因的主要因素有:结构裂缝、岩石特征和地质 构造等，外因主要包括气候、温度、地下水存M等。岩溶发育 的最基本的条件就是岩性特征，岩性成分不同其发育机理也 不同e②自然界中断裂、褶皱等地质现象时有发生，而溶岩 发育与地质构造的规模、大小、方向紧密相关，由于力学作用 机制不同，导致岩石破碎的程度也不同。③水力作用对于熔 岩发育的影响主要体现在以下两个方面:一是使岩石表面的 物理力学发生变化引起结构面填充物的性质恶化;二是水力 作用渗透到岩体结构面，影响岩体结构的整体稳定性。目 前，就水力作用与熔岩工程而言，在地下水的活动过程中岩 体结构面的强度从上而下逐渐降低，同时，水位变化较大或 者承压水作用改变也会对溶岩结构层的应力状态产生很大 影响，进而影响溶区含溶洞岩石基地稳定性。

2)

春溶与地铁工程的影响。地铁工程形式多种多样，分为地下车站、地面车站、地下隧道、地面线、高架桥等几种 形式，地铁线路周围的地质条件和岩石构造对地铁工程建设 的影响很大，所以在施工过程中要严格把控工程勘察、设计、 监测等各个环节。其中地下车站和地铁隧道对于溶岩稳定 性的反映最为敏感，为保障工程施工和使用安全，溶岩稳定 性问题成为地铁施工建设中亟需解决的难题。①溶耑对地 铁车站的影响。地铁车站在施工过程中一般采用明挖法，由 于开采部位的熔岩发育情况和发育规模不同，地层补偿力不 足，导致在基地开挖中基坑失稳，引起周边建筑物沉降，再有 水力作用导致溶岩施工过程中出现基坑涌水、涌砂现象，引 起地下水位下降，诱发地面沉降和熔岩塌陷Q:②岩溶对地铁 隧道的影响s溶区或者岩溶地层的结构都极其复杂，其岩溶

石基地稳定性的分析中要考虑多方因素，如表2所示0

表2

岩溶空洞稳定性分析

因素

场地石灰岩岩溶空洞发育M况

是否有利

洞体形态与 埋藏条件

曼串珠分布，埋藏较浅不利

岩性与厚度岩关阶灰者、白云质灰岩、质坚、性脆、致密有利

裂隙情况节理、裂隙较发育，节理而常见铁锈色不利

顶板情况顶板裂隙较发育、顶板厚度较小不利

填充情况

流塑〜软塑状黏圭

不利

地下水

地表水缺乏，地下水稳定。水中pH值对混 凝土结构均无侵蚀性。

有利

1)

岩性特征对溶K含溶洞岩石基地稳定性的影响0

石的坚硬程度和完整程度决定岩体稳定性和承载力，岩性特 祉表现为岩石的结晶状态、辑以产状、物质组成等，当岩5质 纯、硬度高、呈厚以大块时，溶洞轴线与岩石走向呈较小角度 正交或者斜交时，溶区含溶洞岩石基地稳定性较好。反之，

走向陡斜或者直立，水流走向下倾，坍塌抗滑阻力减小， 其溶岩稳定性相对较差。

2)

构造发育对溶区含溶洞岩石基地稳定性的影响。岩地基失稳主要表现为地面塌陷，塌陷过程中地质构造褶 皱、断裂，形成孔隙及节理裂缝，岩溶物质成分在这一“天然 物质转移通道”中不断溶解和搬运，日积月累形成较大溶洞， 在内力与外力共同作用下，使得溶区含溶洞岩石基地稳定性 遭到破坏$结构分散的构造岩石断裂面较为粗糙，裂口较 大、孔隙较宽、岩石基地稳定性较差;岩石完整性好、褶皱平 缓、地下水赋存条件差的趋于，溶岩很难发育，溶区含溶洞岩 石基地失稳可能性减小^

3)

洞体发育对溶M含溶洞晨石基地稳定性的影响3

体发育情况主要体现在岩溶洞穴的埋藏深度、覆盖厚度等方 面，其中溶洞的内在性质体现在洞体发育的形态特征和规模 大小。

般而言，洞体规模小，呈竖向延伸、井状单体分布、

埋藏较深，溶洞在受到外力时易失去平衡，对其基地稳定性 不利;岩溶洞穴的顶板呈板状或拱状其抗压作用较大，对其 基地稳定性有利（见表3

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:

可

Vol.43,N〇.4 April,2017

表3

溶洞跨度/m

10864

溶洞形状10 X 10 X 108x8x85x5x54x4x4

(T

Sichuan Building Materials

hi

第43卷第 4 期2017 年 4 月

溶洞跨度与顶板安全厚度表（路基填土高度2 m)

顶板安全厚度/m

7. 86.964.6

在铁路隧道开挖施工中，在强大荷载的外力扰动作用下，打 破了岩溶洞穴原有的稳定性，岩层强度减小，使基地稳定性 遭到破坏。

5结语

我国铁路工程的建设事关国计民生，是我国城市美化、

将溶洞跨度与顶板安全厚度二者进行拟合，得到如下曲 线，见图

市容建设的关键环节，本文采用定性分析法、定量分析法对 溶区含溶洞岩石基地稳定性进行探讨，从地质结构、洞体形 态、岩石性质、地下水存tt等几个方面，探究其对溶洞基地稳 定性的影响s在实际施工中，还应结合工程实际提高其准确 性，指导工程的科學施工与合理设计，保障铁路使用安全。

[ID：004160]

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/姻进

2

图3

3 4 5 6

跨度/m

7 8 9 10 11

参考文献：[1 ]

母进伟，W明堂，梁军林，等，耑溶路基病害与处置技术国内外 研究现状[J].中国W溶，2015,24(2) :89 -95.[2]

程晔.岩溶K高速公路路桥基础稳定性评价方法^应川研究 [D].长沙:湖南大学，2015.[3]

溶洞顶板厚度与跨度关系图（路基填土高度2 m)

此外，洞体填充物较为密实、承载力较大的填充物，可以 承担较重荷载，使得洞体稳定性较好。

4)地下水作用对溶区含溶洞岩石基地稳定性的影响^ 地下水处于不断补给、循环、排泄、流动的变化状态，在这一 过程中通过溶解作用于熔畀物质，流动过程中产生一定动力 导致土质细颗粒被带走，从而改变了溶洞周围的地质构造， 使其岩体结构面的应力状态及强度减弱，日积月累，导致溶 洞顶板失去支撑外加外力作用而坍塌，因此，地下水流动缓 慢、存量少，对于溶洞看石基地稳定性有利;反之，则不利于 其稳定性。

5 )其他因素对溶区含溶洞岩石基地稳定性的影响，地 表层人工大幅度降水、交通运输、加载振动、人工爆破、地下 开采、基坑开挖、地震等因素使地质结构产生一些临空面，从 而降低了溶洞岩石原有的承载力，导致溶洞地基塌陷。例如(上接第79页）

要求。分析认为，粧侧过早出现冒浆与粧长较短有关，单一

粧端注浆时，其注浆影响长度即可达到粧端以上12 m，在进 行桩端注浆时，粧侧相应范围内已注满浆液，本工程作为安 全储备的粧侧注浆无法正常注人，应属于正常情况。由于场 地内的卵石细颗粒土含量较大，加之粧侧土为透水性 差（弱透水或者微透水），粧基成孔过程中采用的泥浆护壁阻 力较小，试粧的注浆量与注浆压力不能达到理论值。

黉明堂，项世军.近20年来中围岩溶塌陷研究回顾[J].中国

地质灾害 1 防治7:报，1997，8 (S1) : 150 - 153.[4]

杨立忠s王建秀.属外岩溶塌陷研究的发展及我属的研究现状

[J].中国地质灾害与防治学报，1997,8(S1) :6 -10.[5]

雷明堂，蒋小珍.岩溶塌陷研究现状、发展趋势及其支撑技术

方法[J].中国地质灾害与防治学报，1997,8(S1):1 -5.[6]

郭春竹，王莉，王洪涛.中N岩溶生态地质研究[J] *生态环境

2015,14(2) :275 -281.[7]

范秋艳，秦凤荣.鸯溶地区溶洞顶板稳定性分析[j].耑心VJ，

与工程学报，2012,21(4):349 -365.

6结语

1)

钻孔灌注粧技术可以显著减少粧长，提高单粧承

力，特别是勘探深度范围内，中间土层具备作为粧端持力Ji 时，效果尤其明显。

2)

不到要求时，应在粧基检测前，及早采取措施，包含修改 设计〇

3) 基粧长度较短时（12 m左右），不宜考虑粧侧注浆对承载力的贡献;如采用单一粧端注浆，建议对后注浆竖向增

粧基大面积施工过程中，如出现注浆量、注浆压力

5应对措施

1)

强段贡献的竖向承载力进行折减;当基粧成孔时采用了泥浆

对于试粧结果基本达到设计预期的区域，考虑粧基施

护壁或地基土为饱和土时，根据规范计算的后注浆单粧承载

工与场地土力学性质的离散型，适当调低单桩承载力特征值

力特征值应一并考虑折减。 [ID: 004126 ]

使用。

2) 对于试粧及补充试粧结果均不能达到预期的区域，按 参考文献：照试粧结果指导设计与施工;并对重点E域进行施工勘察， 详细查明场地土的分布及岩土特性，分析原因Q

[1]

石中明.灌注桩后注浆技术在卵石层屮的应川研究[•)].公土 工程技术，2016, 30(6) :310 -312.[2] JGJ 94 -2008建筑桩基技术规蒗[S].

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