（地质工程专业论文）深圳地铁3号线工程岩溶洞穴勘察及病害处理技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国基础设施建设的不断发展，岩溶问题己成为南方岩溶地区突飞猛 进的公路、地铁建设、市政建设面临的主要地质问题。因此，在公路、地铁 建设、市政建设中迫切需要研究一套在岩溶地区行之有效的高精度、高准确 度的岩溶洞穴勘察方法技术，其探测结果可指导公路、地铁岩溶病害处理。 深圳地铁3 号线工程可溶岩分布段岩石的可溶性及岩溶化程度各异，岩 溶水文地质条件十分复杂，下伏溶洞对于高架桥梁桩基础稳定性影响较大。 开展对深圳地铁3 号线岩溶发育特征及其对工程影响研究，从而提出一套适 用于不同类型空洞的先进的勘察手段及病害处理技术，不但能为生产实践提 供依据，而且在进一步丰富岩溶发育地区对桥梁桩基选型及地面塌陷的处理 方面的认识，促进岩溶发育区地铁发展，有着重要的理论指导意义。 论文在野外现场地质调查和详细分析的基础上，并利用超高密度电阻率 法、联合电剖面法、甚低频电磁法、浅层地震法、地质雷达法、电磁波透视、 地球物理测井等一系列工程物探方法和机动钻探、抽水试验及地下水监测、 岩溶连通试验等工作方法，查明了深圳地铁3 号线可溶岩区段下伏岩溶溶洞 的空间位置、规模大小。 其次，通过对深圳地铁3 号线下伏溶洞失稳机理进行分析研究。在此基 础上，概化出了溶洞失稳的计算模型，计算了溶洞顶板所受荷载。并通过抗 冲切验算、抗剪验算和抗弯验算对溶洞顶板进行稳定性分析。 最后，根据稳定性评价结果，针对不同类型的下伏溶洞，提出岩溶病害 整治方案。 关键词：岩溶；病害处理；稳定性评价；深圳地铁3 号线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fi n f r a s t r u c t u r ei no u rc o u n t r y , t h eg r o w i n gh i g h w a y , s u b w a ya n dm u n i c i p a lc o n s t r u c t i o ni ns o u t h e mk a r s tr e g i o na r ef a c i n gt h em a i n g e o l o g i c a lp r o b l e m ，t h ek a r s tp r o b l e m t h e r e f o r e ，ah i g hp r e c i s e a n da c c u r a t e i n v e s t g a t i o nt e c h o n o l g yo fk a r s tc a v ei sb a d l yn e e d e di nt h eh i 曲w a y , s u b w a ya n d m u n i c i p a lc o n s t r u c t i o n t h ed e t e c t i o nr e s u l t sc a ng u i d et h ek a r s td i s a s t e rt r e a t m e n to f h i g h w a ya n ds u b w a y t h es o l u b l ea n dk a r s t i f i c a t i o na r ev a r i o u si nt h es h e n z h e nn 0 3s u b w a y e n g i n e e r i n g ，a n dt h eh y d r o g e o l o g yc o n d i t i o ni sc o m p l e xa n du n d e d y i n gk a r s tc a v eh a s al a r g ee f f e c to nt h es t a b i l i t yo fe l e v a t e db r i d g ep i l e s r e s e a r c ho nk a r s td e v e l o p m e n t f e a t u r e sa n di t sp r o j e c ti n f l u e n c eh a sb e e nd o n e a n dt h ea d v a n c e di n v e s t g a t i o n m e t h o da n dd i s a s t e rt r e a t m e n tt e c h o n o l g yw h i c hi sa p p l i c a b l eo fd i f f e r e n tk a r s tc a v e h a sb e e nr a i s e d n o to n l ym a yi tb et h eg u i d a n c eo fp r o d u c t i o np r a c t i c e ，b u ta l s o e n r i c ht h ek n o w l e d g eo fb r i d g ep i l e sl o c a t i o na n dl a n dc o l l a p s e st r e a t m e n ti nk a r s t r e g i o n t b i sp a p e ri sb a s e do nf i e l d g e o l o g i c a li n v e s t g a t i o na n dd e t a i l e da n a l y s i s c o m b i n e dw i t hs e r i e so fe n g i n e e r i n gg e o p h y s i c ss u c ha sh i g hr e s o l u t i o nr e s i s t i v i t y m e t h o d ，t h ee l e c t r i c a lp r o f i l i n g ，v e r yl o wf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cv l f - e mm e t h o d ， s h a l l o ws e i s m i cm e t h o d g p rm e t h o d ，e l e c t r o m a g n e t i cw a v ep e r s p e c t i v ea n d g e o p h y s i c a l w e l ll o g g i n g ，a n dm a n e u v e r i n gd r i l l i n g ，p u m p i n gt e s t ，g r o u n d w a t e r m o n i t o t i n ga n dk a r s tc o n n e c t e dt e s tt of i n do u tt h el o c a t i o na n ds c a l eo fu n d e r l y i n g k a r s tc a v ei ns o l u b l es e c t i o no fs h e n z h e nn 0 3s u b w a y s e c o n d l y , c a l c u l a t i o nm o d e lo fc a v ei n s t a b i l i t yh a sb e e ng e n e r a l i z e db a s e do nt h e i n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo fu n d e r y i n gc a v e a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，t h el o a d i n go fc a v e r o o fh a sb e e nc a l c u l a t e d a n db ym e a n so fc h e c k i n gc o m p u t a t i o no fa n t i s h e a r c h a r a c t e r i s t i c s ，c h e c k i n gs h e a ra n db e n d i n gc a p a c i t y , a n a l y s i so nc a v er o o fs t a b i l i t y h a sb e e nd o n e f i n a l l y , t h ed i s a s t e rt r e a t m e n tp l a nh a s b e e nr a i s e db a s e do nt h es t a b i l i t y e v a l u a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tc a v et y p e k e yw o r d s ：k a r s t ，d i s a s t e rt r e a t m e n t ，s t a b i l i t ye v a l u a t i o n ，s h e n z h e nn o 3s u b w a y 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 略) 学位论文作者签名：彩聚舻匈 日期：2 0 - o 罗年i2 _ 月够e l 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 砷借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 学位论文作者签名：黜 日期：函储年1 3 月弘日 指导教师签名：1 最和一 日期。如男年心月眵日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 资料表明，全球岩溶地区的面积约占陆地面积的1 2 ，大部分分布在资 源丰富、人口稠密的地区。在中国，若按碳酸盐岩的分布面积( 含埋藏在非 可溶岩之下者) ，可达到3 4 6 3 1 0 6k m 2 ；而按碳酸盐岩出露面积计，有9 0 7 x 1 0 5 k m 2 ，其中，中国西南部云、贵、桂、为主体，包括川、鄂、湘部分地区的岩 溶高原占5 0 1 0 5k m 2 ，北方山西高原及邻近省区占4 0 7 1 0 5k m z l l 】( 袁道先 等，1 9 9 4 ) 。 随着人类社会不断向前发展，城市化的进程逐渐加快，人口向城市高度集 中，交通拥挤就表现得尤为突出。地铁作为一种快速、正点、安全的交通工 具应运而生，并可能成为未来城市主要的公共交通工具。岩溶问题就己成为 南方岩溶地区城市建设过程中面临的主要问题。因此，在地铁及城市市政建 设中迫切需要研究一套在岩溶地区行之有效的高精度、高准确度的溶洞勘察 方法技术，其探测结果可指导地铁及城市市政岩溶病害处理。 已有勘察成果资料显示，深圳地铁3 号线工程岩溶主要分布于龙岗区，岩 性主要为灰岩、大理岩。因地层岩性不均一，岩石的可溶性及岩溶化程度各 异，岩溶水文地质条件十分复杂，岩溶发育对深圳地铁3 号线高架桥梁桩基 础及路基稳定性影响较大。因此，开展对深圳地铁3 号线工程岩溶发育特征 及其对工程影响研究，具有重要的工程意义，其研究成果可直接为深圳地铁3 号线工程设计及施工提供科学的依据。同时，通过综合勘察方法探测岩溶， 提出适用于不同类型空洞的先进的勘察、处理方法，并在实际应用中优选出 技术上先进、经济上合理的勘察方法和处理技术，为生产实践提供帮助，这 对进一步丰富岩溶发育地区对桥梁桩基选型及地面塌陷的处理方面的认识， 促进岩溶发育区地铁发展，有着重要的理论指导意义。 1 2 国内外研究现状 岩溶地区面积辽阔，主要分布在地中海沿岸、东欧、中东、中国南部、东 南亚、美国东南部和中美洲等人口稠密的地区，这些地区人类工程活动强烈， 面临的岩溶灾害问题也非常突出，并已引起国际社会的普遍关注。目前，在 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 地铁及城市市政建设中对于岩溶问题的研究主要集中在洞穴勘察手段、洞穴 稳定性评价、病害处理技术等方面的研究。 1 2 1 岩溶洞穴勘察手段研究 地铁及城市市政建设中对于岩溶、岩溶塌陷的勘测手段一直是人们努力探 索的问题。查明下伏溶洞的空间位置、规模大小对于工程来说至关重要，但 到目前为止，国际上还没有专门从事这项工作的勘察机构和组织，也未建立 相应的技术规程或行业标准。从目前岩溶勘测手段来看，国内外主要采用以 地球物理勘探为主的探测技术。 美国t e c h n o s 地质与地球物理咨询公司总结了至1 9 7 1 年以来从事地球物 理勘探的经验，于2 0 0 4 年出版了( ( s u r f a c eg e o p h y s i c a l m e t h o d s ，系统分析了 1 4 种探测方法，就隐伏岩溶问题，他们认为首选方法是地震面波、地质雷达 和微重力法，其次是地震折射波、地震反射波法、电阻率成像、天然电场、 频率域电磁法等1 2 j ( 彭世寿，2 0 0 7 ) 。 目前，中铁二院雷旭友等利用超高密度电阻率法探测土洞和岩溶等复杂地 质问题，取得了较好的效果，并广泛应用于各条铁路线的勘察之中。 1 、地质雷达 胡晓光( 1 9 9 4 ) 应用地质雷达在柳州机场土洞勘察中，查找到六个土洞异 常的其中两个1 3 1 。从剖面上的行波时间特征可清楚地观察到土洞地段的电磁波 波组特征呈弧形状；正常地段的电磁波波组特征呈平直形状；从行波频幅特 征可知，土洞地段的电磁波波组呈低频强振幅，正常地段的电磁波波组为相 对高频振幅；李玮等( 1 9 9 5 ) 以几个工程实例阐述了采用地质雷达探测岩溶 的方法及效果，对影象作了新的见解，考虑岩石的潮湿、风化、完整程度的 溶洞几乎没有呈规则的球状或椭球状的，认为溶洞在雷达图象上几乎不可能 反映出规则的“拱”形异常而是呈现出“云雾”状、“虎皮花斑”状、“条带”状的阴 影为岩溶异常1 4 ；美国学者e d z i s m a n 等( 2 0 0 5 ) ，在佛罗里达州西部中心， 用地质雷达和标贯试验( s p t ) 探测了9 3 个点的数据，先用地质雷达确定异 常点，随后用s p t 验证。经验证，地质雷达探测确定的大约8 0 与落水洞有 关的异常点与实际相符合1 5 1 ；夏照华等( 2 0 0 5 ) 以京珠国道粤境高速公路甘塘 至翁城段地质雷达勘察为例，运用地质雷达进行地下溶洞勘察，能探测到埋 深4 1 0 m 的溶洞大小以及溶洞顶板的厚度1 6 1 ；葛双成等( 2 0 0 5 ) 从岩溶地质特 点和雷达反射特征分析以及实际工程的探测成果表明：岩溶地区具备雷达探 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 测的地质地球物理基本前提，探地雷达反射图像中较明显地分辨出覆盖层、 灰岩及其发育的溶洞和溶蚀带1 7 1 。因此，采用探地雷达技术可用于探测灰岩顶 底界深度、岩溶发育范围及充填性质或塌陷情况。 2 、微重力测量 2 0 世纪7 0 年代末，美国就把微重力测量用于寻找油田并取得了成功。其 后前苏联和印度尼西亚等国家也应用这一技术寻找油田、地热及研究地球动 力学等问题。近年来，微重力测量广泛应用于溶洞、地下空洞的调查，尤其 是岩溶区的调查。大量测量结果表明：微重力勘探效果较好，国外已有部门 将微重力勘探定为岩溶发育区普查、详查的重要方法之一。 微重力测量的局限性在于干扰因素较多，如地形起伏、覆土厚度和密度变 化、近地表物质的不均匀性等。需认真加以分析，才能取得去伪存真的结果。 3 、地震勘探 目前，国内外主要采用地震折射法、高分辨反射法和钻孔地震层析成像 等方法来进行地下空洞探测。美国佛罗里达州三个空洞的探测结果表明：地 震折射波法、地震折射扇形排列法野外操作简便、快速、解释简单、成本低 廉，对探测浅部空洞效果较好，这两种方法的局限性在于探测深度有限，地 表干扰影响较大【8 】( 杨峰，2 0 0 4 ) 。 过去美国的地震探测侧重于地下洞穴塌陷机理以及某些洞穴引起地表变 形致使建筑物破坏等情况研究，最近十几年己扩展到隐伏空洞探测。2 0 世纪 7 0 年代中期美国西部7 0 号高速公路曾发生大规模塌陷，堪萨斯州地质研究所 对该地区作了大量探测工作，其中最为有效的是利用浅层地震法来勘测该区 地下地质情况。近年来该所在匹兹堡进行了多次地震反射测量，试图进一步 查明可能引起地面沉陷的地下洞穴。探测工作是在进行过大量钻探的地区进 行，采用了高分辨地震反射法，配有模拟数字转换和低阻滤波设备，探测结 果确定出了地下空洞的埋深和分布范围及顶底板分布情况。说明高分辨地震 反射方法对探测洞穴是有效的1 5 ( 杨峰，2 0 0 4 ) 。 另外，据报道日本v i c 公司开发研制的“g r 一8 1 0 ”全自动地下勘探系统【8 1 0 1 ( d j o n g m a n s ，1 9 9 3 ；s t e h f e s t ，1 9 7 0 ；杨峰，2 0 0 4 ) 该方法不仅代表日本目前对地 下空洞、埋设物勘察的技术水平，也代表了当前的世界先进水平。这种地下 勘探系统可用于地基勘探、滑坡调查、断层探测、填筑地基勘探、地震地基 勘察及地下埋设物勘察等方面。其中地下埋设物勘察包括空洞调查、铺路形 状调查、构筑物老朽程度探查、防护堤、护岸勘察、土木结构的基础形状勘 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 察以及考古遗迹勘察等。这种勘探手段被称为高精度、高效率、低成本、高 质量的地下勘探系统，仅用1 1 0 的钻探费用和1 2 0 的钻探时间就能完成有效 的勘探。 4 、直流电法勘探 电法勘探是以岩土的电性差异为基础，利用仪器观测天然或人工的电场变 化或岩土体电性差异，来解决某些地质问题的物探方法，国外探测地下空洞 常用的电法勘探方法有电阻率法、充电法和自然电场法。电阻率法作为传统 的电法在探测岩溶中被广泛应用，它具有较好的垂向分辨率，适合于浅部和 深部空洞的探测1 8 1 ( 杨峰，2 0 0 4 ) 。美国在利用有线电极电阻率法探测煤矿采 空区处于领先地位，利用这种方法可以成功确定下伏岩溶的空间位置及规模 大小f l l 】( 吴其斌，1 9 9 3 ) 。 目前，高密度电法是迄今为止最有效的电阻率法，尤其是数据采集技术和 改进使数据采集更迅速，可增大剖面覆盖面积，在强干扰的环境下，以高信 噪比探测物体。它不仅可以有效地探测空洞、圈定空洞的空间位置，而且能 探测充泥洞穴和充水空洞。在美军航道工程试验所完成的空洞勘察成果中， 自动电阻率系统( 高密度电法) 获得了明显的效果。它也是日本山区物探中 常用的方法，各公司的做法不尽相同；地质计测株式会社采用的是温纳装置； o y o 公司采用偶极装置。两种装置灵敏度大、精度高，一般不会遗留探测异 常不能确定的问题1 8 1 ( 杨峰，2 0 0 4 ) 。美国学者m j s r o t h 等( 1 9 9 9 ) 在宾夕 法尼亚州东北的n o r t h a m p t o nc o u n t y 碳酸岩覆盖层区域，运用多电极电阻率 ( 高密度电法) 探测并确定与落水洞有关的塌陷异常体，但对确定塌陷异常 体及空洞尺寸还需要进一步研究1 1 2 。认为用三维电阻率测试可能解决这些问 题；朱清耀( 2 0 0 5 ) 应用高密度电法探测土洞，电法揭示其电性多为相对低 电阻状态，呈似等轴状、长轴状，异常大小不一扪。 超高密度电阻率法是a u s t r a l i az zr e s i s t i v i t yi m a g i n g 研发中心积近十年 的研究成果提出的全新的电阻率法勘探理念，是电法勘探从手工时代向计算 机时代的一次跨越式发展，采用一次布极，采集所有可能组合电极间的电位 信息，信息量较常规电法在信息量上翻了4 0 倍以上，并且避开视电阻率概念， 利用处理软件直接反演获取断面真电阻率值。针对目前还没有行之有效的地 面物探方法可以勘探清楚的土洞和岩溶等复杂地质问题。 5 、电磁法勘探 目前，主要采用瞬变电磁法( t e m 法) 和可控音频大地电磁测深法 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( c s a m t ) 来进行地下溶洞的勘探。瞬变电磁法为时间域电磁法，它是利用 不接地回线通以脉冲电流向地下发射一次脉冲磁场，使地下低阻介质在此脉 冲磁场激励下产生感应涡流，感应涡流产生二次磁场；利用接收仪器及接收 线圈观测断电后的二次磁场，通过研究二次场的特征及分布，可获得地下地 质体的分布特征。该种方法可以确定地下溶洞等的空间特征和分布范围，它 具有快速简便、成本较低的特点，但是受地表覆盖物的影响较大。美国、欧 洲的一些国家己将地质雷达作为空洞探测中一种必备的常规手段。该方法具 有很高的分辨能力，适合于低导覆盖的地区，可比较准确地确定出地下空洞 的埋藏深度、轮廓大小，其探测深度较浅，一般为1 0 m 左右，在干燥的石英 砂土覆盖区可达3 0 m ，而瞬变电磁场法和井中电法可反映较大深度的溶洞( 工 程地质手册，第四版) 。可控音频大地电磁测深法是在大地电磁法和音频大地 电磁法的基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法。它所观测电磁场的 频率、场强和方向可由人工控制。该方法具有勘探深度范围大( 根据不同地 质目的及实地地电条件，其勘探深度限定在o 0 3 2 5 k m 范围内的某个区段) 、 分辩力高、低阻敏感性、地形影响小、场源影响小、抗干扰能力强、设计灵 活、高效便捷等特点。中铁二院在深埋岩溶隧道勘测中广泛利用该方法。 综上所述，美国、俄罗斯、日本、中国等国家在岩溶勘查手段方面已经取 得了较为满意的成果。美国较全面地发展了电法、电磁法、微重力及地震勘 察技术，其中以浅层地震勘探最为突出。2 0 世纪7 0 年代以地震折射波法为主， 8 0 年代则发展了地震反射波法，以高分辨地震反射法为代表；俄罗斯利用直 流电法及瞬变电磁法工作对采空区的勘探具有代表性；日本在工程物探仪器 研制方面推出过多种具国际先进水平的新产品。如2 0 世纪8 0 年代，日本v i c 公司开发研制出了“g r 一8 1 0 ”瑞利波全自动地下勘探系统，在勘察地下空洞方 面因其特别有效而独领风骚；英、法等欧洲国家用来探明地下空洞、老窖采 空区的方法有微重力法、自动电阻率法、地面地质雷达法及浅层地震勘探法 等；我国在高分辨率地震勘探及电法勘探用于探查地下空洞方面取得了许多 新的成果。铁道部门在地下空洞勘察方面积累了许多实践经验，中铁二院工 程集团有限责任公司在勘察南昆铁路、内昆铁路、水柏铁路的过程中也取得 了空洞勘察研究的大量新的成果。 1 2 2 岩溶洞穴稳定性评价 岩溶洞穴稳定性评价是进行岩溶病害处理的前提条件，随着地铁、城市市 政建设等系列工程建设步伐的加快，对于岩溶区溶洞稳定性评价研究也越来 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 越多的引起了重视。目前，对于岩溶洞穴稳定性评价的方法主要有三种：定 性评价、半定量评价、定量评价。 l 、定性评价 定性评价方法是目前运用较为广泛的方法，该种方法一般适用于初勘阶段 选择场地及一般工程地基稳定性分析评价，主要方法有包括综合分析法、经 验比拟法t - 7 1 ( 周建普等，2 0 0 3 ) 。综合分析法主要是采用多种影响下伏溶洞稳 定的因子来进行综合考虑，最后对岩溶的稳定性做出评价。目前一般采用的 因子主要有岩性及厚度、裂隙状况、岩体产状、洞穴形态与埋藏条件、顶板 情况、充填情况、地下水等1 1 7 1 ( 周建普等，2 0 0 3 ) 。 赵永骅( 1 9 8 5 ) 根据塌陷成因机理，塌陷条件洞、土、水三者的相互关系， 综合考虑场地内地层岩性、岩溶化程度、地质构造、水文地质条件等诸因素， 将场地划分为“基本稳定”、“较稳定”、“可能塌陷”三个区1 1 8 1 。 万志清等( 2 0 0 3 ) 对土洞形成的地下水动力条件进行了定量化研究，导出 了土洞形成的起始水动力条件，通过理论推导给出了临界水位降深、临界地 下水流速及临界抽水涌水量的表达式，通过控制抽水的降深及涌水量，以尽 量减少土洞的形成1 1 9 。 吴治生( 2 0 0 6 ) 通过对地表塌陷机理，特别是潜蚀成因的研究，对塌陷成 因的分析，充分重视人为因素在塌时空中的重要作用1 2 0 l 。认为，近期地表塌陷 除少量是地质时期，历史时期的产物之外，大量都是与人为因有关的同期，甚 至是同步的产物，没有人为活动，地表塌陷是有限。并进行了稳定性划分， 划分为划分稳定区、相对稳定区、不稳定区、塌陷区，在整治过程中可以按 其稳定性、危害程度有对性、有重点地整治。 罗强等( 2 0 0 6 ) 根据已查明的地质条件，对影响溶洞稳定性的各种因素( 地 质构造、岩层产状、溶洞大小、形状、顶板厚度、洞内充填情况、地下水活 动等) 并结合基底荷载情况，对贵州镇宁至水城公路草火洞大桥下伏溶洞的 稳定性做出了评价1 2 1 1 。 叶闻文( 2 0 0 8 ) 以广东省花都体育馆高层建筑的岩土工程勘察为例，在定 性分析场区岩溶发育规律的基础上，采用物探溶洞异常率，钻孔溶洞能见率、 钻孔垂向溶洞率等3 项定量指标，将场区划分为岩溶强烈发育不稳定区，岩 溶次强发育较不稳定区，岩溶中等发育较稳定区和岩溶微弱发育稳定区，为 高层建筑场地合理布局提供了依据1 2 2 1 。 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 、半定量评价 目前已有一些对洞体稳定性分析评价的定量方法，但是由于洞体受力状 况、围岩应力场的演变十分复杂，要确定洞体破坏形式和取得符合实际的岩 体力学参数又很困难，加之收到探测手段的局限，很难查清洞体与围岩的边 界条件与性能指标。因此，定量评价方法的应用在工程实践中受到很大的限 制，而半定量的评价方法较为实用，并且目前也在不断的探索提高。 ( 1 ) 顶板厚度跨比法( 计峻松，1 9 8 6 ) 该法常用于稳定围岩。根据近似的水平投影跨度l 和顶部最薄处厚度h ， 求出厚跨比h l ，作为安全厚度评价依据，不考虑顶板形态、荷载大小和性质。 因水平洞顶比拱形差，故取近似水平状态的肌作为估算安全厚度的最小比 值，由经验知h l o 5 是安全的，一般可取h l 1 0 作为安全界限1 2 3 】。 ( 2 ) 估算顶板安全厚度法 对稳定围岩，将溶洞围岩视为结构自承重体系，据洞体形态、完整程度、 裂隙情况进行内力分析，所得h 再加适当安全系数，即为顶板安全厚度。 结构力学近似分析法 a 、按梁板抗弯估算安全厚度( 李斌，1 9 8 9 ) 结合顶板厚跨比值，抗弯厚度的估算可采用梁板拱的简化计算模型 2 4 1 。 当厚跨比h l o 5 ，按拱计算，可近似为圆拱。在内力分析后根据岩石力 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 学指标进行应力验算，对于石灰岩，前苏联工程地质手册按表1 1 关系取值。 当洞顶按近拱形时，不论h l 如何，均可按拱形进行计算。 b 、按梁板抗剪估算安全厚度 当洞顶完整、岩层较厚、强度较高，但洞跨较小、剪力为主要控制因素时， 采用这种估算法。设路基或桥基范围内溶洞顶板总荷载( 自重和附加荷坳) 为q ，该范围内顶板抗剪力为t ，据极限平衡条件： q - t = qt = 砌l ，则h = 曰瘟 式中：z 为岩体允许抗剪强度的1 1 1 2 ，见表1 1 。 l 为溶洞的平面周长。 散体理论分析法 借助于隧道工程设计中采用的松散介质力学平衡理论，结合地质条件，简 化引用。 a 、坍塌填塞法( 李智毅，1 9 9 0 ) 适用于顶板严重风化，裂隙发育，有可能坍塌的溶洞、土洞1 2 5 1 。该方法认 为洞项坍塌后，塌落体体积增大，当塌落到一定高度时，洞体自行填满，无 需考虑其对地基的影响，塌落高度再加造当的安全系数，便为顶板安全厚度。 设溶洞体积为v o ，高为h o ，坍塌体积为v ，高为h ，岩石碎胀系数为k ( 石 灰岩一般取1 2 ) ，由假定得： v k = v o + y ，则v = v o 一砂 若溶洞断面接近矩形和锥形，则计算式分别简化为： h = h o ( k - 1 ) 和h = 3 h o ( k 一1 ) 有学者对塌塞法进行了改进，用下式计算溶洞项板安全厚度h ： h = 2 t r ( h o + + m ) ( k 一1 ) 式中h 为溶洞稳定时所需顶板厚度，m ；h o 为溶洞无充填物洞段高度，m ； 为洞内充填物修正系数；k 为岩石碎胀( 松散) 系数，一般取k = i 2 3m 为 溶洞充填物厚度，m ；2 为洞形修正系数，为安全计可取名= 1 ；口为顶板岩石 风化完整性修正系数，一般取口= 0 3 。 当溶洞顶板厚度大于h 时，溶洞稳定，反之则不稳定。 b 、经验公式法( 陈国亮，1 9 8 3 ) 松散层坍塌形成空洞，引起围岩强度降低，围岩应力重分布及空洞应力释 放，形成松驰带，具有平衡拱作用，。据大量隧道塌方统计，经验公式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 h = 0 4 5 x w x 2 6 - 5 式中h 为垂直荷载计算高度，m ：w 为空洞宽度影响系数；s 为围岩类别。 c 、坍塌平衡法( 蒋继昭，1 9 9 7 ) 根据坍塌平衡条件1 2 7 1 可以导出下面公式： h = b ( 2 舌x t 9 8 ) 式中h 为洞顶以上维持坍塌体平衡的最小稳定厚度，m ；b 为空洞宽度， m ；孝为侧压力系数，孝= 留2 ( 4 5 。一# 2 ) ；矽为松散体的内摩擦角，( 。) ；0 为 滑移面的摩擦角，秒 9 0 为极易塌陷区，7 1 8 9 为易塌陷区， i 5 时，岩溶地基稳定；当聪1 时，岩溶地基不稳定。 ( 2 ) 普氏压力拱理论分析法1 3 0 州l ( 刘国喜，2 0 0 5 ；彭柏兴等，1 9 9 9 ( a ) ， 1 9 9 9 ( b ) ) k 适用于上覆岩土层厚度h ( 2 o 2 5 ) h 1 的深埋洞体，在岩土体中可以形 成自然平衡拱( 压力拱、塌落拱) ，压力拱高h 1 与洞跨度2 b 和洞高h o 以及土 层内摩擦角及坚固系数f 1 有关，压力拱高h 1 和承载力p x 可以由下式计算出。 = 【b + h o x t g ( 4 5 。一矽2 ) 】z p x = 1 rx t g ( 4 5 。一2 ) x ( h x 一啊) 一2 q ，】t t = 【易+ ( + 冬) x t g ( 4 5 。一罢) 】 g ：华一i 2 【易+ h o x t g ( 4 5 。一等) 式中正= 增矽，可根据地质条件对进行修正后使用；h x 为形成压力拱的 岩土体厚度，m ；k 为安全系数，岩石取1 5 - 2 0 ，土取1 0 ；l ，为压力拱平 均跨度，m ；幺为半个压力拱自重；7 为岩土体的容重，k n m 3 ；尺。为岩土极 限抗压强度，岩石取r = 1 0 0 0 0 t g o ，土取r = 1 3 0 0 0 t g 驴，k p a 。 假设空洞上有均布荷载q ，当q 只时，曰全部由压力拱承担，作用于洞 项垂直荷载q ，= 纸；当q 只时，q ，= 如+ 口一只，此时需要对空洞承载力进 行验算，才能判断洞体是否稳定。 王滨等( 2 0 0 5 ) ，以唐山市体育场岩溶塌陷为例，利用地下洞室开挖的普 氏平衡拱理论确定开口岩溶洞穴上方覆盖层土体的天然平衡拱高度公式 3 2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 3 ) 数值模拟分析法 传统的岩溶稳定性评价方法是从覆岩的性质、应力分布入手，研究破坏机 理、塌陷的分带性、地表移动和变形的计算、移动速度和移动过程的持续时 间、位移的观测方法、观测网的设置原则等，对于后期的位移预测多是探讨计 算方法。目前较常用的是定性和半定量的分析方法，其分析主要分为岩溶区( 采 空区) 顶板稳定分析和采空区地基稳定性分析。 近年来，随着计算机的发展，数值模拟计算方法有了长足的进步，已经成为 岩石力学研究和工程计算的重要手段，对岩溶区围岩的研究均取得了较多的成 果。现在的数值模拟方法主要有有限差分法、有限单元法、边界元法、半解 析解法、离散法、无界元法以及上述各种方法的耦合等。另外，可拓方法、地 下岩土工程的非线性稳定性理论、系统分析方法和弹性理论应力分析等方法， 也用于评价岩溶区或是采空区的稳定性1 3 3 ( 黄彰荣，2 0 0 7 ) 。 程星( 2 0 0 2 ) 运用三维数值模拟的方法，对静荷载下的土洞塌陷进行了专 门性研究。通过研究提出了该种条件下土洞的致塌机制，并运用数值模拟的 方法，对致塌过程进行了验证。他指出了：对于这种类型的致塌，岩溶致塌 中的土洞可以在水面以上由地表水的下渗而产生；静力的加载不是土洞致塌 的敏感因素；当土洞位于地下水位以上时，地表水的下渗导致材料的力学性 质降低才是致塌的最敏感因素1 3 4 1 。 丁春林等( 2 0 0 3 ) 在评估某新建机场滑行道路基稳定性，采用地层结构模 型，按弹塑性有限元理论分析未加固和加固路基在飞机重力荷载作用下的力 学响应 3 5 1 。 黄彰荣( 2 0 0 7 ) 采用了f l a c 数值模拟方法，对某高速公路路基下伏岩溶 区围岩的稳定性进行了各种不利条件下的分析比较，通过数值模拟结果表明， 该方法能较好地评价岩溶地区围岩的稳定性 3 2 1 。 于贺艳( 2 0 0 7 ) 在综合归纳武广铁路客运专线广东段英德境内线路沿线岩 溶塌陷地质模式基础上，采用三维数值分析方法，对水位下降致塌过程进行 了数值模拟研究，探讨了a n s y s 、f l a c 3 d 三维数值模拟应用于岩溶塌陷的模 拟技术及方法，为岩溶塌陷的客观评价及预测开辟了有效途径，。 德国的h e i n zk o n i e t z k y ，j o h a n n e sw i l l ，j e n sh e i n r i c h ，在他们的c o u p l e d t h r e e d i m e n s i o n a la n a l y s i so ft h es l a bf o u n d a t i o nf o rt h em a g n e t i cl e v i t a t i o n t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( t r a n s r a p i d ) i ng e r m a n y r 3 8 1 一文中用a n s y s 成功地对 德国的非岩溶地区高速磁浮列车产生的振动进行了三维数值模拟，并考虑了 水位因素1 3 1 ( 程星，2 0 0 2 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 4 ) 应用统计法 上述各种分析方法，都是针对洞全单体而言。对于整个岩溶区地基稳定性 的评价，学者寥如松根据岩溶塌陷成因和形成条件1 4 5 - 4 6 ( 寥如松，1 9 8 9 ；寥如 松，1 9 9 0 ) ，应用数学地质方法，提出了一种定量评价和预测岩溶塌陷的方法 一逐步判别分析法。同时，项式均( 1 9 8 7 ) 等在应用地质定性分析基础上结 合多元统计的定量方法，得出一种对岩溶塌陷区发展趋势预测和评价的有效 方法1 4 7 1 。 1 2 3 岩溶洞穴病害处理技术研究 在岩溶洞穴稳定性评价研究的基础上进行岩溶洞穴病害处理是工程项目 最终的目的。而采用什么样的方法、手段对岩溶洞穴病害进行合理的、科学 的、节约的处理一直是国内外专家、学者、工程技术人员不断探求的问题， 特别是进入2 0 世纪7 0 年代以来，召开了多次与岩溶有关的国际会议，使世 界各国的研究者有机会交流和商讨解决这一路基病害问题的经验与方法。例 如，1 9 7 3 年，国际工程地质协会在西德汉诺威首次举行了“岩溶塌陷与沉陷： 与可溶岩有关的工程地质问题”国际讨论会，会上交流的4 7 篇论文重点讨论 了欧洲地区特别是在蒸发岩地区的地面塌陷、分布规律、勘测技术和防治措 施；1 9 7 8 年，美国在宾夕法尼亚州的赫尔锡市召开了岩溶地区工程地质讨论 会，重点讨论了岩溶地面塌陷问题；1 9 8 4 、2 0 0 3 年先后在美国佛罗里达州、 密苏里州、肯塔基州和阿拉巴马州举行了九届“m u l t i d i s e i p l i n a r yc o n f e r e n c e o n s i n k h o l e sa n dt h ee n g i n e e r i n ga n de n v i r o n m e n t a li m p a e t so fk a r s t ( 岩溶塌陷和 岩溶的工程与环境影响多学科国际讨论会) ”【s 】( 邓家喜，2 0 0 6 ) 。 同时，国内外相关的著作也相继出版，如1 9 9 6 年，美国学者g e o r g e s o w e r s 编写了( ( b u i l d i n go ns i n k h o l e s ：d e s i g n a n dc o n s t r u c t i o no ff o u n d a t i o n si nk a r s t t e r r a i n ( 塌陷上的建筑物一岩溶区的基础设计与施工) ，全面介绍了岩溶塌陷 的机理和防治问题。中国工程院院士卢耀如1 9 9 9 年著有岩溶水文地质环境 演化与工程效应研究，总结了4 0 多年所做的理论探索和工程实践。研究分 岩溶水文地质环境的宏观地质背景演化、岩溶水文地质环境区域性特征对比 和重点开发地区岩溶水文地质环境基本特征与工程效应研究；2 0 0 4 年，英国 学者t o n y w a l t h a m 等组织来自各国的2 0 多位专家编写了s 玳k h o l e sa n d s u b s i d e n c e ：k a r s ta n dc a v e r n o u sr o e k si ne n g i n e e r i n ga n dc o n s t r u e t i o n ( 塌i j 自 与沉陷一岩溶与洞穴发育岩体中的工程与建设) 系统介绍了工程活动中岩溶 隐患的处置问题1 4 8 1 ( 邓家喜，2 0 0 6 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 李有庆( 1 9 9 8 ) 利用注浆法对浙赣铁路分宜彬江段( k 7 7 8 + 3 5 0 - - - 6 0 5 ) 岩 溶路基塌陷病害地段进行了工程整治，达到了预期的效果1 5 2 i 。 王翱( 2 0 0 4 ) 利用注浆、灌注水泥砂浆、钢筋混凝土盖板等措施成功地整 治了株洲至六盘水铁路k 4 0 1 岩溶路基工点位于株六线k 4 0 1 + 2 4 0 - 6 9 0 段路 基下部的岩溶病害1 5 1 1 。 。 张耀军等( 2 0 0 4 ) 对干溪沟隧道溶洞采用旋喷桩进行了病害政治。经过质 量检验，桩体密实、竖直、排列整齐、桩距符合要求，桩体强度大于5m p a ， 地基密实，地基承载力符合设计要求，加固后桩基桩端完整，桩底持力层较 好，承载力全部大于设计极限承载力f 5 3 1 。 邓家喜等( 2 0 0 5 ) 通过对病害成因分析，认为形态极不规则的岩溶岩体和 多变的岩溶水是造成病害的根本原因，提出了以尺度划