岩溶地区溶洞顶板稳定性分析

李道飞

（贵州省地矿工程勘察有限公司，贵州 贵阳 550001）

在溶岩地区，由于水的长期溶蚀作用，在岩层中形成溶洞、溶沟等现象，这种现象称之为岩溶。很多地区岩溶现象较发育，溶洞、石牙、溶蚀漏斗、溶蚀洼地、落水洞到处可见。这些地段路基的溶洞如果处理不好，容易导致路基下沉、开裂等病害，对路基稳定性有极坏的影响。溶洞有很多种，需要根据溶洞的发育程度实施不同的处理方法，加固顶板，预防溶洞对工程的危害。

1 溶洞的成因及类型

水侵蚀可溶性岩石形成岩溶现象。岩溶形成主要有四个最基本的条件：首先岩石要具有可溶性，其次冲击岩石的水要具有溶解能力，然后岩石要具有可透水性，最后水在岩石中要具有流动性。在建筑施工中，溶洞常被分为两类：无水及有水，这是根据溶洞对工程的影响来分的。漏斗很神奇，它是地表水不断冲蚀溶洞岩壁，使岩壁不断增大或由溶洞塌陷形成的漏斗状凹地，其横断面长度不等，最大可到数十米，深度有的只有1米左右，而有的可到达15 米，平面形状有的呈现圆形、扁圆形，有的不是规则的图形。有水的溶洞常会连接地下暗河，雨季到来的时候地下水会向上涌出，而地表上的积水也会流入地下暗河。在实际工程中常遇到的多为小型的溶洞，孔径和深度均不大；对大型的溶洞，道路选线时要尽量绕避，本文主要针对溶洞的顶板稳定性进行讨论。

2 岩溶路基发育情况及相应的处理措施

2.1 小溶洞顶板稳定性分析

堵塞。水有很强大的作用，它在流动过程中可以移动杂物，而水里面含有相关物质可以溶蚀物体，滴水穿石就是这个道理了。地表水在运动过程中对物体的移动和溶蚀可谓日积月累，效果相当强烈。相关处理措施如下。

对于路堑边坡上的干溶洞，洞内用片石填塞，洞口用干砌片石铺砌、砂浆勾缝或浆砌片石封闭。如图1。

图1

路基范围及路堑上方溶洞内如有填充物，应予以清除，然后用块片石填实，洞口用浆砌片石封闭，路基范围内涌水泉眼，应将涌水引入边沟、排水沟及截水沟。

路基基底或路基附近流量较大的暗河、落水洞、消水坑、涌泉等，设桥跨过；规模较小的设涵洞跨过或设挡土墙避开；路基以填方型式通过岩溶发育，多以溶槽、溶沟、石牙等型式存在时，应注意爆破清除基底部的部分沟槽等，然后重新回填夯实处理。如图2。

图2

图3

顶板加固。深而小的溶洞不便用洞内加固时，采用石盖板或钢筋混凝土盖板加固。对洞径小、顶板薄或岩层破碎的溶洞，采用爆破顶板用片石回填加固，如溶洞较深或须保持排水者，采用拱涵或板涵跨越。对路基范围内的地表塌陷，在不影响地下水排泄通道时，可采用回填夯实，并在地表整平后铺设土工格栅及土工布。对溶洞埋深较浅，洞顶板较薄的地段，采用钻孔注浆加固。注浆采用低压间歇定量或循环式灌注，目的是减少浆液流失，间歇时间可控制在7－8 小时。如图3。

对以路基型式通过深而小的溶洞不便使用洞内加固时，采用石盖板或钢筋砼盖板加固；对洞径小、顶板薄或岩层破碎的溶洞，采用爆破顶板用片石回填加固；洞口大时，采用桥梁跨越。如图4。

图4

图3、图4 为有顶板的路堑段溶洞钢筋砼盖板布置图。图中B 为路基设计宽度，H 为溶洞埋深，L 为推测最大跨度。当溶洞埋深H 不满足安全厚度要求，且溶洞为单个发育时，采用本图处理方式，跨度L≤6m 时采用30cm 厚钢筋砼板；6m＜L≤10m 时采用45cm 厚钢筋砼板；10m＜L≤13m 时采用60cm 厚钢筋砼板 （砼标号为C35）。钢筋砼板表面必须横向拉槽，槽深1.5cm，间距不大于3cm，并在上面设粘层。钢筋砼板在开挖和埋设过程中不得扰动下部的基层和垫层，与两端路面结构层连接处采用锯缝并用乳化沥青灌缝。

2.2 大溶洞顶板稳定性分析

天然状态下稳定性分析。在进行相关的工程施工时，由于工程设备的影响，造成大溶洞的底部堆积了大量从溶洞壁上掉落的石钏乳堆积成一个个小丘，从溶洞的整体来看，该溶洞在自然状态下仍然是稳定的。由于溶洞内岩层产状近水平，基岩从下至上呈悬臂状层叠，至洞顶部为一完整板状岩层，这种结构受力类似于拱桥，天然状态下风化灰岩抗压强度大于作用在悬臂基岩和拱顶处跨中板状岩层上的围岩压力，整个受力体系处于平衡状态，洞体稳定。

溶洞充填物稳定性分析。大溶洞底部充填物主要由三部分组成，最底层为洞穴底部早期就有的植物、小块石等，中间一层为新堆积下的流软塑状粘土，最上面一层则是坍塌后沉积的大的石头。第一、二层堆积物由于沉积早，比较薄，土壤相对较软，而新塌陷下来的大石块由于相互力的作用，互为支撑，互相冲击，一般不会发生沉降现象，下沉的话也是小幅度的，并出现在小石块分布较多的部位，这种沉降极不均匀。由于大溶洞发育程度较好，时间较长，形成了许多溶蚀通道，并通向地下河，而坍塌物较大块，堆一起形成了很大的空隙，水能从中流走，排水效果良好。

2.3 用半定量评价分析溶洞顶板稳定性

对溶洞安稳定性评价及处理方法，目前尚无规范可遵循。根据有关岩溶方面的理论分析和工程实践方面的例子，为消除地基稳定性隐患，预防岩溶地面塌陷的形成，以保持地基的稳定，有必要针对岩溶的不同发育情况提出稳定性评价及相应的治理措施。

半定量评价方法是根据物探和钻探所查明的溶洞的成因、埋藏深度、洞体规模（洞高、洞体最大宽度和面积）等详细资料，对溶洞的稳定性进行如下分析。根据溶洞的洞体高度进行预测，当溶洞发生塌陷时，产生的松散体，可以充填扩容后的洞体，乃至洞体被完全堵塞，顶板不再塌陷，这时所需的塌陷高度为H，计算如下：

KV1=V0＋V1

式中：K——土 （岩）体的涨余系数，一般为1.05～1.15；V0——塌陷前的洞体体积；V1——可能塌陷的土（岩）体体积。

坍塌前，假定洞体底面积为F，在塌陷过程中一般不会变化或变化很小。洞体顶板塌陷后一般形成柱体，塌陷高度为H，则V1=FH，设洞体高度为h0，则V0=Fh0。如取K=1.10，代入上式则得H=10h0。根据勘察资料，即可得出所需塌陷高度H。如果洞体埋深大于H，并考虑留有5m 的安全厚度，则认为洞体即使塌陷也波及不到地面形成塌陷。

根据洞体顶板的完整性和密实性、 洞体顶板厚度与洞体最大宽度的比值关系进行预测。参照相关规范，若洞体顶板完整或密实，在利用洞体顶板作为地基时，若洞体的顶板厚度与洞体最大宽度之比大于1，一般认为洞体是稳定的。若洞体顶板破碎或松散，则考虑应有较大的安全系数，即当洞体的顶板厚度与洞体最大宽度之比大于2 时，可认为洞体是稳定的。

根据以上分析，对岩溶区溶洞的处理按以下原则考虑：首先按溶洞的天然顶板埋深H 进行判定。对于溶洞，当其顶板厚度H 大于20m 时，不处理。当溶洞的天然顶板厚度H 小于规定时，按下面的方法(洞体高度h0 与上覆层的厚度H 关系)继续判别：

①若H＞10h0＋5m，则不处理。

②若H≤10h0＋5m，则按下面的方法继续判别：若溶洞洞体顶板完整，且顶板厚度H/洞体最大宽度D≤1；溶洞洞体顶板破碎，且顶板厚度H/洞体最大宽度D≤2，均需进行处理。若溶洞洞体顶板完整，且顶板厚度H/洞体最大宽度D＞1；或溶洞洞体顶板破碎，且顶板厚度H/洞体最大宽度D＞2，可不处理洞体。

3 结语

在岩溶地区进行施工操作时，应认真考察分析溶洞的分布状况、形状大小、深度以及发育程度。根据溶洞发育程度，布置钻孔检查，写出尽量详细的报告，为顶板的稳定性分析提供可靠的依据，优化选择施工地点。地基的处理要适应顶板结构的造型，同时顶板结构也要适应地基及基础的变形，地基、基础及顶板结构是协同工作的整体，不可顾此失彼。因此，在处理溶洞的同时，还要适当加强基础及顶板结构的整体性和刚度，使整体效果达到最好。

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