金 磊，李福來(lái)

（中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050227）

在巖溶地形上或巖溶地形中設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的工程師面臨的主要問(wèn)題是：在尖頂巖頭上開(kāi)挖和平整地面的困難；地下空洞上方的屋頂坍塌、天坑上方的覆土沉降、在不規(guī)則或尖頂巖頭上建造結(jié)構(gòu)的困難、大壩水庫(kù)的失水、地下水污染等。工程師們已經(jīng)實(shí)踐了許多解決方案，以解決這些問(wèn)題，如：將結(jié)構(gòu)物重新安置在更安全的地點(diǎn)，用混凝土填充空隙和裂縫，用灌漿和/或土工格柵改善地基，更換地基土，用剛性墊子或梁橋接空隙，使用深基礎(chǔ)（打樁、鉆孔井等），通過(guò)控制地表水和地下水等最大限度地減少未來(lái)的天坑發(fā)展。

1 喀斯特地形現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

巖溶地形是土木工程中必須評(píng)估的最困難的地面條件之一。常規(guī)方法，如：徹底的數(shù)據(jù)審查，以獲得盡可能多的信息，包括地形和地質(zhì)圖、航空照片、灰?guī)r坑圖、水文地質(zhì)報(bào)告、水井記錄和以前的測(cè)試鉆孔信息，是有用的，但還不夠。這些來(lái)源應(yīng)用于指示是否存在洞穴、灰?guī)r坑和消失的溪流、斷層、巖石質(zhì)量、覆蓋層深度和油井產(chǎn)量，這些可能預(yù)示巖石的溶解或破裂程度。調(diào)查之后，應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富的人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，以驗(yàn)證和擴(kuò)展初步（桌面）現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估的結(jié)果。該階段還應(yīng)包括與熟悉該網(wǎng)站的人員進(jìn)行訪談。隨后的地下調(diào)查計(jì)劃應(yīng)使用各種勘探技術(shù)，如測(cè)試鉆孔、探坑、空氣軌道探頭、地質(zhì)雷達(dá)和地球物理測(cè)量（電阻率、微重力、電磁、地震折射等），以合理的努力和成本最大限度地獲取數(shù)據(jù)。

1.1 方法的可靠性

傳統(tǒng)實(shí)踐表明，上述方法可能適用于kⅠ和kⅡ類巖溶場(chǎng)地的調(diào)查，即適用于更簡(jiǎn)單的情況。具有更成熟喀斯特（kⅢ-kⅤ級(jí)）的場(chǎng)地需要更嚴(yán)格的地面調(diào)查，由充分了解喀斯特復(fù)雜特征的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)管理。沒(méi)有兩個(gè)喀斯特地點(diǎn)在地形和地質(zhì)上完全相同，也沒(méi)有任何方法是百分之百準(zhǔn)確的。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可能需要使用不同的調(diào)查方法組合。巖溶的一個(gè)主要困難是定位地下空洞。

表1 顯示了在美國(guó)賓夕法尼亞州東部和新澤西州北部的喀斯特地區(qū)進(jìn)行的天坑調(diào)查項(xiàng)目中各種調(diào)查方法的估計(jì)可靠性。在該項(xiàng)目中，12 家現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查公司參與了該項(xiàng)目，采用了12種最常用的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法。對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理，其在檢測(cè)現(xiàn)有天坑和地下空洞（洞穴）方面的可靠性結(jié)果如表1所示。

表1 用于探測(cè)喀斯特地形中天坑和洞穴的各種現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法的可靠性估計(jì)

如表1所示，所采用的方法均不適用于檢測(cè)天坑和地下孔隙。有些人對(duì)第一個(gè)更好，有些人對(duì)第二個(gè)更好。下一段將簡(jiǎn)要討論每種方法的fore和pro。

1.2 各種方法的簡(jiǎn)要說(shuō)明

這些方法定位現(xiàn)有地下空洞的可靠性與所做探頭的數(shù)量和空洞的大小直接相關(guān)。如果每個(gè)探頭均完成至基巖表面，則Beacher 等人，1980 年估計(jì)的地面空洞定位概率為：

式中：Pr——檢測(cè)空洞的概率；

n——均勻分布在區(qū)域As上的探頭數(shù)量；

Aa——空洞本身的水平橫截面積。

據(jù)統(tǒng)計(jì)估計(jì)，每公頃需要2500個(gè)探頭的密度，才能有90%的機(jī)會(huì)在地面上定位一個(gè)直徑為2.5m 的空洞。例如，在比利時(shí)，為了在喀斯特地區(qū)修建高架橋，為五個(gè)橋墩現(xiàn)場(chǎng)打開(kāi)了31個(gè)鉆孔，未發(fā)現(xiàn)地下空洞；在橋墩基礎(chǔ)開(kāi)挖過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)洞穴。第二階段308個(gè)探測(cè)器用于更廣闊區(qū)域的調(diào)查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)更多的洞穴。該示例顯示了通過(guò)探測(cè)定位地面空洞的困難。它還表明，只有在基礎(chǔ)開(kāi)挖后才能發(fā)現(xiàn)巖溶的真實(shí)地面條件。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)樁腳和柱基下方的3~5 個(gè)探頭可能是kⅠ-kⅢ級(jí)巖溶中的最佳選擇，在kⅣ-kⅤ級(jí)巖溶中的尖頂處是必不可少的。

探測(cè)深度：探測(cè)深度是孔隙大小及其深度的函數(shù)。Waltham 和Fookes 2003 建議，在kⅠ-to-kiⅡ類巖溶中，在其巖溶分類中，寬度大于5m 的洞穴是不常見(jiàn)的，應(yīng)滿足深度為3.5m 的探測(cè)。關(guān)于樁尖下方基巖內(nèi)的探測(cè)深度，工程實(shí)踐差異很大，從北卡羅來(lái)納州的2m 到佛羅里達(dá)州的5m，再到南非的4m，從基礎(chǔ)下的4m（Waltham和Fookes，2003年）；一些鉆孔應(yīng)傾斜15°。

隧道：在巖溶石灰?guī)r隧道開(kāi)挖期間，也需要進(jìn)行探測(cè)；在開(kāi)挖循環(huán)之前，應(yīng)從隧道表面鉆入3~5個(gè)10~12m深的鉆孔，以檢查孔隙或過(guò)量地下水。

1.2.1 審查現(xiàn)有地圖和航空照片

審查現(xiàn)有地圖（地形、地質(zhì)、灰?guī)r坑清單、水文地質(zhì)圖和航空照片），提供檢測(cè)地表巖溶特征（如灰?guī)r坑）的良好方法；然而，其用于定位地下空洞的用途相當(dāng)有限，需要用戶的大量經(jīng)驗(yàn)。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)

在地面或空中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行目視檢查，是定位現(xiàn)有天坑和先前填充的天坑的良好做法。植被茂密可能會(huì)限制該方法的有效性。它不能用于定位沒(méi)有表面特征的現(xiàn)有地下孔隙。

2 巖溶地形上工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

一旦完成地下勘探并確定了結(jié)構(gòu)的土方工程和設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)將現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分。這應(yīng)包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)未來(lái)沉降發(fā)生的概率（低、中、高）的全面定性評(píng)估。還應(yīng)告知客戶其財(cái)產(chǎn)未來(lái)沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)專業(yè)人員必須準(zhǔn)備提供基礎(chǔ)備選方案，以減少或消除風(fēng)險(xiǎn)。一般來(lái)說(shuō)，這些替代方案是：有或沒(méi)有土壤改良的規(guī)則淺擴(kuò)展基礎(chǔ)、剛性墊層和坡梁以及深基礎(chǔ)（樁和橋墩）。

2.1 洞穴基礎(chǔ)

2.1.1 概述

巖溶中的地下空洞是不可預(yù)測(cè)的。此類地形中的每個(gè)場(chǎng)地都必須根據(jù)其地質(zhì)和地貌進(jìn)行單獨(dú)評(píng)估。巖溶洞穴工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須因地制宜。當(dāng)?shù)氐貓D和記錄可能顯示典型和最大可能洞穴大?。划?dāng)?shù)厝艘部赡苤涝摰貐^(qū)較大的洞穴。

洞穴的最大尺寸定義了所需完好巖石覆蓋層的最小厚度和可能的探測(cè)深度?？λ固卦匠墒?，洞穴越大。當(dāng)然，這條規(guī)則也有例外。幸運(yùn)的是，與人類結(jié)構(gòu)的有效壽命（50~100 年）相比，喀斯特過(guò)程非常緩慢。因此，如果在施工或裝載過(guò)程中空隙沒(méi)有立即坍塌，則未來(lái)坍塌的危險(xiǎn)是有限的。例如，在斯洛文尼亞，巖溶空洞的發(fā)現(xiàn)和崩塌在道路建設(shè)過(guò)程中很常見(jiàn)，但在道路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中隨后的崩塌非常罕見(jiàn)。

直徑10m的洞穴通常出現(xiàn)在kⅣ級(jí)巖溶中，但也可能出現(xiàn)在較不成熟的kiⅡ級(jí)巖溶中，甚至kⅡ級(jí)巖溶中。在較成熟的喀斯特（kⅤ級(jí)）中，較大的洞穴相當(dāng)常見(jiàn)。許多位于淺層的大型洞穴，其入口向地表開(kāi)放，可以通過(guò)直接觀察進(jìn)行參觀和評(píng)估。

2.1.2 洞穴基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法

如果洞穴對(duì)規(guī)劃基礎(chǔ)至關(guān)重要，則用混凝土填充或用分級(jí)梁或板橋接。由于流入相鄰的溶洞或洞內(nèi)的水流，在較淺深度的洞穴灌漿期間，可能會(huì)發(fā)生大量地面損失；這將增加基礎(chǔ)成本。為了避免這種情況，可以使用較厚灌漿的周邊灌漿帷幕。

在某些情況下，在可能的情況下，重新安置基腳或整個(gè)結(jié)構(gòu)可能更經(jīng)濟(jì)。

鉆孔樁或豎井應(yīng)預(yù)制或澆筑在土工布套筒中，并建立在洞穴底部的固體巖石上。當(dāng)洞穴足夠小時(shí)，此類樁的成本可能高于用水泥漿填充洞穴；這是由于無(wú)法排水、需要額外鉆孔、出現(xiàn)溝槽的巖石深度以及進(jìn)行的巖石開(kāi)挖，這是由于不合適的支承面，例如傾斜巖石、泥縫、空隙和風(fēng)化帶。

在石膏洞中灌漿是不合適的，因?yàn)槭嗟母笕芙馑俾试试S在上覆工程結(jié)構(gòu)的使用壽命內(nèi)，在混凝土塞周圍挖掘新的空腔。

2.2 天坑上的基礎(chǔ)

存在許多可行的基礎(chǔ)支撐解決方案，有助于解決在具有天坑和巖溶空洞的土壤上放置結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。最常用的兩種方法是天坑的開(kāi)挖和回填，以及通過(guò)橋接或打樁將荷載轉(zhuǎn)移到健全巖石中。

最簡(jiǎn)單但不一定是最經(jīng)濟(jì)的解決方案是將天坑土開(kāi)挖成巖石，并用砂礫石混合物和水泥漿回填。如果天坑底部的空洞較大，則可以用級(jí)配巖石填充物堵塞（堵塞）喉嚨，級(jí)配巖石填充物可以用厚水泥漿和/或不透水的土壤填充層（粘土）密封。然后，使用壓實(shí)的不透水材料將該區(qū)域恢復(fù)到地面，并用土工膜密封，以防止未來(lái)的水滲透。

為了防止天坑坍塌，關(guān)鍵因素是適當(dāng)控制地表和土壤中的水流。如有可能，應(yīng)盡量減少或消除水的向下滲透。潛在危險(xiǎn)水流的來(lái)源包括停車場(chǎng)和道路區(qū)域的水、屋頂落水管、集水池、公用設(shè)施沿線的水流、回填、耕地和灌溉花園、不透水表面的徑流等。

控制該地區(qū)的取水和降低地下水位也至關(guān)重要，尤其是在地下水位接近巖頭的地方；地下水位應(yīng)始終保持在巖頭以上。佛羅里達(dá)州的迪斯尼樂(lè)園就是一個(gè)很好的例子，它坐落在20~30m 的土壤上，覆蓋著軟的喀斯特石灰?guī)r，有許多天坑。他們通過(guò)密切監(jiān)測(cè)水井的抽水情況，并將地下水位或多或少保持在恒定的高度，設(shè)法避免了天坑沉降。在檢測(cè)到當(dāng)?shù)氐叵滤幌陆档牡胤?，關(guān)閉抽水，喀斯特地區(qū)應(yīng)禁止通過(guò)采石或隧道進(jìn)行排水。其他補(bǔ)救和預(yù)防天坑破壞的措施是在巖頭裂縫處進(jìn)行灌漿密封。這可能適用于巖溶等級(jí)kⅡ和kiⅡ，但在具有較大尖峰的kⅣ和kⅤ級(jí)中存在問(wèn)題。在最后一種情況下，在堵住下方的開(kāi)放裂縫后，可能需要使用水泥漿進(jìn)行“帽狀灌漿”。在壓力下使用低坍落度水泥漿進(jìn)行壓實(shí)灌漿，以置換和加固軟弱區(qū)域，可在地下水位以上使用。水泥漿在土壤中形成一個(gè)固體塊，跨越裂縫和尖頂。由于灌漿以不可控的方式流動(dòng)，其放置可能不那么有效。灌漿柱有時(shí)用于改善土壤—巖石接觸處的土壤條件。不建議使用壓力灌漿“填充所有空隙”，因?yàn)楣酀{的流動(dòng)和損失是不可控的。深層強(qiáng)夯通過(guò)從高處落下大重量來(lái)壓實(shí)土壤，這是有爭(zhēng)議的。該方法可能會(huì)降低土壤的滲透性并使土石洞屋頂坍塌，但如果不這樣做，則可能會(huì)增加未來(lái)空心屋頂坍塌的可能性。在kⅡ-kⅣ級(jí)巖溶中，可以通過(guò)將土工格柵鋪設(shè)到土壤中并結(jié)合適當(dāng)?shù)呐潘刂苼?lái)減少落水洞危害。

3 巖溶環(huán)境中的巖溶隧道

掘進(jìn)面臨兩個(gè)主要問(wèn)題：地下水淹沒(méi)和巖溶空洞坍塌，泥漿和水涌入開(kāi)挖。第一個(gè)問(wèn)題是通過(guò)隧道內(nèi)的控制排水降低地下水，或通過(guò)地面抽水使地面脫水，以及灌漿和降低巖體滲透性。排水可能會(huì)產(chǎn)生不利影響，例如：天坑的發(fā)育、土壤固結(jié)引起的地表沉降、地下水庫(kù)的枯竭，這反過(guò)來(lái)可能會(huì)影響更廣泛地區(qū)的農(nóng)業(yè)、沿海地區(qū)的海水入侵、地下水污染等。另一方面，在大空隙和高水頭下，灌漿很困難。

在礦井中，排水通常通過(guò)深井的大量抽水來(lái)管理，以保持每口井周圍的巨大凹陷錐，只要礦井在運(yùn)行。在隧道掘進(jìn)過(guò)程中遇到巖溶空洞確實(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)：可以通過(guò)橋接或填充空洞（如果空洞是空的），通過(guò)灌漿其軟填充材料來(lái)穩(wěn)定，然后通過(guò)隧道掘進(jìn)，或者在隧道面接近空洞之前通過(guò)預(yù)鉆孔等控制泥漿和地下水涌出來(lái)克服巖溶空洞。

4 規(guī)劃

減少喀斯特場(chǎng)地開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)發(fā)喀斯特碳酸鹽巖下的場(chǎng)地最經(jīng)濟(jì)的方法是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定問(wèn)題場(chǎng)地，并在場(chǎng)地問(wèn)題區(qū)域規(guī)劃重要建筑物的位置、大小和類型。這意味著，如果已知問(wèn)題場(chǎng)地的空中范圍，可能會(huì)將最重要的構(gòu)筑物放置在施工現(xiàn)場(chǎng)最安全的部分，并將問(wèn)題區(qū)域留給非關(guān)鍵設(shè)施，如高爾夫球場(chǎng)、徒步小道、停車場(chǎng)、公園、道路、草地等。將巖溶結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)降至最低的其他方法有：避免該地區(qū)的（無(wú)襯砌）滯留池/池塘，除非希望使用此類池進(jìn)行地下水補(bǔ)給。然而，這是有風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)樗鼤?huì)增加水頭和流速，并可能污染土壤和巖石。

在可能的情況下，設(shè)計(jì)措施以保持地下水位與開(kāi)發(fā)前的水位一致，以避免地面平整，但如果這樣做，則應(yīng)反映遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的地面排水。避免在淺基礎(chǔ)附近或下方放置公用設(shè)施。如有必要，將其放置在混凝土管道組中。提供防水雨水溝，并將屋頂排水溝直接連接到其中。密封路面路緣和集水池。不允許在未鋪砌或未襯砌的溝渠或洼地（池塘）中出現(xiàn)集中水流。如果可能的話，使用始終有襯里的貯水池，并使其遠(yuǎn)離施工。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、土方工程和基礎(chǔ)施工進(jìn)行專業(yè)觀察和檢查，以檢查地下材料，并在初步設(shè)計(jì)中提出變更建議，以降低風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

從前面的討論中得出的結(jié)論是：喀斯特地形非常復(fù)雜，難以分類，并且是地面或地下構(gòu)筑物施工的困難地面。如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧@是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，可能會(huì)成為工程師的噩夢(mèng)。

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法僅適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的年輕巖溶；對(duì)于更成熟的巖溶，這些方法都不是百分之百準(zhǔn)確的。這需要由一個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)進(jìn)行更嚴(yán)格的地面調(diào)查，該團(tuán)隊(duì)充分認(rèn)識(shí)到喀斯特的復(fù)雜特征。尤其是地下空洞的位置非常困難。沒(méi)有兩個(gè)喀斯特地區(qū)在地形、地質(zhì)和結(jié)構(gòu)上完全相同?，F(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)先于任何設(shè)計(jì)，并應(yīng)估計(jì)未來(lái)沉降的可能性。巖溶地形上的工程設(shè)計(jì)必須適應(yīng)巖溶的成熟度。各種基礎(chǔ)替代方案，如覆蓋土壤上的擴(kuò)展基礎(chǔ)，有或沒(méi)有土壤改良，剛性墊和分級(jí)梁；深基礎(chǔ)（樁或鉆孔橋墩）；喀斯特地區(qū)實(shí)行地表水和地下水控制以及天坑發(fā)育等。應(yīng)用的基礎(chǔ)類型對(duì)于每個(gè)巖溶場(chǎng)地都是獨(dú)特的，取決于巖溶的成熟度和結(jié)構(gòu)以及預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)荷載。沉降最危險(xiǎn)的場(chǎng)地是那些與天坑上方的地基相連的場(chǎng)地。控制因素是：水通過(guò)覆土滲透和超載。為避免沉降而采取的主要措施是：控制喀斯特地區(qū)的地表水和地下水。