云南炼厂岩溶地基稳定性分析

周丁恒

中铁第五勘察设计集团有限公司，北京102600

云南炼厂岩溶地基稳定性分析

周丁恒

中铁第五勘察设计集团有限公司，北京102600

岩溶地区地基稳定性是工程建设中关键性问题，依托中石油云南1 000万t/a炼油项目，对场地岩溶分布特征和充填物特性进行了详细分析与总结。结合场地岩溶洞隙发育规律和特征，将岩溶洞隙按跨度和顶板厚度进行分类，从中选取15个具有代表性溶洞建立天然基础和桩基础2种工况的三维有限差分模型，分析不同级别荷载作用下岩溶地基稳定性。研究结论：拟建场地岩溶发育最大特征是层状或垂直串珠状分布，该岩溶发育特征是一种持久性潜伏岩溶地质灾害，对工程建设具有较大的潜在隐患；半定量公式计算揭示场地岩溶地基对工程建设存在较大危害，其中板梁模型与其他5种方法差异较大；岩溶地基三维数值模拟结果可为工程建设提供重要依据。结论以期为类似工程地质条件地基处理提供借鉴与参考。

云南地区；岩溶地基；溶洞；分布特征；稳定性分析

岩溶地区地基稳定性是工程建设中关键技术问题之一，目前评判地基稳定性的方法主要有半定量经验法、不确定分析法及数值分析法等。近年来，关于岩溶地基稳定性的研究主要有：符策简[1]基于有限元预测桥基下溶洞及顶板的变形规律，采用钻孔多点位移计在施工荷载施加过程中对溶洞及顶板岩体的变形实施监测，验证了数值计算结果的合理性；韩红艳等[2]通过结构力学简化计算，半定量分析岩溶地区公路路基隐伏岩溶稳定性，得到稳定性和溶洞顶板、跨度和覆盖层厚度之间的关系；张俊萌等[3]模拟了地基土体在溶洞不断扩大过程中渐进塑性变形及位移场特性，并以无溶洞时地基极限承载力为标准设置5个不同桩端载荷等级，对比分析荷载等级和溶洞发育对围岩稳定性的耦合影响，总结了溶洞发育过程中顶板的破坏模式和机理；戴自航等[4]采用有限元软件ABAQUS对某室内模型试验进行了数值模拟，验证了三维有限元法进行洞室结构稳定性分析的可靠性；尚义敏等[5]基于数值模拟分析得出了变电站地基各个钻孔点岩溶顶板稳定性评价结果，并结合相关地质条件提出了相应的现场施工处理措施和防治对策；王良川[6]建立了岩溶区路基下伏溶洞有限元模型，利用数值模拟方法分析了公路一级车道荷载作用、地下水影响以及采用碎石填充溶洞等3种工况下岩溶路基中附加应力分布及变形规律；陈洪凯等[7]对36个不同尺寸的洞穴模型进行了数值分析，得到了关于地表拉压应力区范围的线性拟合公式，再依据地表压应力区范围和洞穴跨径大小将其分为Ⅰ型和Ⅱ型洞穴，对塌落体周界水平应力分布进行了修正，采用极限平衡理论得到了岩溶洞穴盖层塌落体稳定系数计算式；此外，还有部分文献[8-11]对数学方法如未确知测度理论在岩溶地基稳定性中的应用进行了研究。

本文依托中石油云南1 000万t/a炼油项目，对场地岩溶分布特征和充填物特性进行了详细分析与总结。结合场地岩溶洞隙发育规律和特征，将岩溶洞隙按跨度和顶板厚度进行分类，从中选取15个具有代表性溶洞建立天然基础和桩基础2种工况的三维有限差分模型，分析不同级别荷载作用下岩溶地基稳定性，得到了一些结论，以期为类似工程地质条件地基处理提供借鉴。

1 场地岩溶分布特征

1.1 场地岩溶分布特征

根据工程地质勘察报告等相关报告内容，场地岩溶发育位于其东部，主要发育层位为泥盆系中上统（D2+3）。岩溶勘察中共布置岩溶勘察钻孔821个，其中揭示溶洞钻孔为250个，见洞率为30.4%，整个勘察区属岩溶发育区。将整个岩溶勘察区分为7个岩溶发育区，岩溶勘察区溶洞具体分布情况列于表1中。

表1 岩溶勘察区溶洞分布情况

建筑区域为层状岩溶的强发育区，地下溶洞层数分布情况如图1所示，溶洞间最大岩层厚度为8.9 m，最薄仅有0.1 m。尤其是发育十层以上的溶洞，洞间层厚多在几十厘米左右，最厚间距为3.2 m。

钻孔中的层状溶洞，具有第一层向下伏第二层、第三层、第四层或更深层呈垂直串珠状发育的特征。这种现象显示，在一个强岩溶发育区，出现如此多个多层状发育的溶洞，是一种具有持久性的潜伏岩溶地质灾害，对工程建设具有较大的安全隐患。

1.2 溶洞充填特征

根据钻孔资料统计分析，勘察区内溶洞充填物有四种类型：无充填的空洞、粉土夹粉砂、粉质黏土和碎石土。4种溶洞填充物类型所占比例见图2，绝大部分溶洞被粉质黏土充填或者为空洞，7个岩溶发育区溶洞充填情况如图3所示。

图1 场地地下溶洞层数分布

图2 溶洞充填物占比

图3 7个岩溶发育区溶洞充填情况

整个岩溶勘察区内，溶洞充填物的类型没有明显的分带性，主要原因为该区受构造运动的控制，出现反复的地壳整体升降，致使该地区曾经历过洞隙渗流带、溶洞潜流带和溶洞缓流带的反复变化，可认为该区发育过多期次的岩溶。此外，在勘察过程中发现不同类型的充填物在同一个溶洞共存的情况，也揭示了本区岩溶发育经历了不同期次的反复变化。

2 半定量方法分析

溶洞稳定性验算方法较多，本文采用顶板抗弯强度评价法、顶板抗剪强度评价法、塌落拱理论法、类比法、单跨梁模型和板梁模型6种经验公式计算分析溶洞稳定性，计算结果如图4所示。6种方法得出不稳定溶洞占250个钻孔遇见溶洞的比例分别为48.8%、44.4%、56.4%、64.0%、57.2%和17.2%，其中板梁模型与其他5种公式法计算结果差异较大。

图4 溶洞稳定性计算结果

对于同一溶洞，只有6种方法计算结果均为稳定时，该溶洞才可判定为稳定。依此原则可推断需要处理钻孔数为163个，需要处理比例为65.2%，163个不稳定溶洞钻孔分布如图5所示。初步判断拟建云南炼厂场地岩溶发育强，其隐伏溶洞群规模较大，对拟建工程建设危害巨大。

3 三维数值分析

3.1 模拟软件及方案

针对依托工程条件下岩溶地基稳定性的三维数值分析，采用模拟软件Flac3D，计算原理为三维有限差分法。

岩溶洞隙形成过程与人工开挖硐室区别在于自重应力作用下的溶洞周边的二次应力集中不显著，本次模拟过程设定为：一是以围岩替代岩溶洞隙空间后计算初始应力场；二是得到初始应力场后，将溶洞隙空间设为空（NULL），同时设初始位移场和初始速度场为0，再施加工程荷载，计算工程荷载引起的二次应力场；三是将初始应力场和工程荷载的二次应力场叠加，得到岩溶洞隙围岩的实际应力场；四是根据所得的实际应力场进行稳定性分析。

图5 不稳定溶洞分布

3.2 计算参数

勘察报告中的岩体参数仅有密度（2 700 kg/m3）和内摩擦角（50°），其他的参数参考《昆明机场岩溶对地基稳定性影响研究报告》中岩体物理力学指标的建议值（该地区岩溶发育特征与依托工程较相近），计算参数列于表2中。

表2 岩体的物理力学参数建议值

3.3 计算模型

溶洞计算模型是根据勘探钻孔资料所得出的地质剖面图，在假定其空间截面形态为圆形或椭圆形基础上建立的。针对岩溶洞隙的形态特征，将其总结为“I”型溶洞、“T”型溶洞、“L”型溶洞、“Lc”型溶洞、“S”型溶洞、反“S”型溶洞、“Y”型溶洞和“肠”状溶洞等基本类别。

根据溶洞追踪孔揭示的断面，由概化的基本类别组成相应的计算模型。由于追踪孔断面数量有限，要建立确定性的三维溶洞形态特征和连接特征仍存在多解性，本次模型的建立主要根据已有的断面，采用准三维的方式来构建计算模型。其理论依据是：溶洞的发育扩展过程中，在一定的邻域范围内，小溶洞往往被较大的溶洞“袭夺”而导致该邻域范围内的溶洞以某一较大溶洞为主。以这种方式建立的计算模型与实际情况有一定差异，但计算模型仍反映了主要溶洞的三维形态特征。

结合场地岩溶洞隙发育规律和特征，在进行溶洞稳定性分析时，将岩溶洞隙的跨度和顶板厚度分类如表3和表4所示。

表3 岩溶洞隙跨度分类

表4 岩溶洞隙顶板厚度分类

按埋深分类中，本区仅有极个别小跨型溶洞，因此，选取代表性溶洞时，未对该类型的溶洞进行选取。按上述方法对溶洞进行分类后，再根据钻孔剖面资料，从中选取了15个代表性溶洞进行建模分析，基本情况如表5所示。

表5 代表性溶洞基本情况

由于篇幅原因，本文主要对模型7进行分析，模型7所在地层剖面图及计算模型如图6所示。

图6 典型剖面图及计算模型（模型7）

3.3.1 工程原型

模型7为3#区M96钻孔揭露的溶洞，洞跨为9m，最顶层溶洞顶板厚度为1.5 m，属大跨中厚层型溶洞；揭露溶洞层数为4层（剖面图中将其概化成3层），埋深为18.5 m，上覆土层厚度约17 m，填土荷载为323 kPa，外加荷载为160 kPa。

3.3.2 计算模型

计算模型将地基概化成两种情况，一种是天然基础，另一种是桩基础。M96钻孔（模型7所在钻孔）揭露的溶洞计算模型如图6（天然基础）和图7（桩基础）所示。桩基础的方形承台，长为8 m，宽为5 m，厚度为2 m；2根桩，桩径为1.5 m，边距分别为0.7 m和1.8 m，桩长为15 m，桩间距为5 m；计算方案列于表6中（外加荷载按160 kPa的倍数来取值）。

图7 M96钻孔揭露溶洞桩基础模型

3.4 稳定性评判标准

溶洞稳定性的评判依据如下：

（1）当溶洞顶板的底部、中部和顶部均不发生过大变形，破坏区面积很小，可判定为稳定。不需处理，可作持力层。

（2）溶洞顶板的底部发生过大变形，但中部和顶部均不发生过大变形，破坏区面积小而断续分布，可判定为较稳定。一般处理后可作持力层，如对溶洞周边围岩进行注浆加固或扩大基础，以减小附加应力等。

表6 M96钻孔揭露溶洞的计算结果

（3）溶洞顶板的底部、中部均发生较大变形，但顶部不发生过大变形，破坏区断续分布但面积较大，可判定为较不稳定。对规模较小的溶洞作一般处理；对规模较大的溶洞建议进行全面处理。

（4）溶洞顶板的底部、中部和顶部均发生过大变形，破坏区连续呈贯通状分布，可判定为不稳定。须全面处理，如填充、桩穿越等。

溶洞顶板的底部、中部或顶部的竖向位移大于6～12 mm时称为发生了过大变形。而在数值计算过程中，当迭代步数足够大后，溶洞顶板的底部、中部和顶部的竖向位移与计算时步关系曲线仍呈线性或非线性发展，而未能收敛时称为发生了过大变形。

3.5 计算结果分析

上部设计荷载为1倍时，两种基础下的破坏区面积较大，顶板均为较不稳定；荷载增加到3倍和5倍时，两种基础下的顶板不稳定。

15个代表性溶洞代表了场地大部分溶洞的岩溶类型，采用数值分析方法，将工程基础概化成天然基础和桩基础两种情况，再将工程荷载按160 kPa的1、3、5倍分别施加于模型之上，模拟溶洞顶板的受力与形变情况。现将15个代表性溶洞稳定性分析结果列于表7中。表中还列出了用公式法评价15个代表性溶洞的汇总结果，两种方法共同为工程的建设提供了重要依据。

表7 代表性溶洞稳定性分析汇总与对比

4 结论与建议

基于云南地区某拟建大型工程岩溶地基的溶洞分布特征及地基稳定性的系统分析，初步结论与建议如下：

（1）场地岩溶层状发育强烈。从钻孔揭示的溶洞发育资料可证明，拟建场地是层状或垂直串珠状的地下岩溶发育区，是一种持久性潜伏岩溶地质灾害，对工程建设具有较大的潜在隐患。

（2）通过6种公式法计算，初步判断拟建场地岩溶发育，其隐伏溶洞群规模较大，对拟建工程建设危害巨大。通过计算结果比较可知，板梁模型与其他公式法判定结果有较大差异。

（3）结合场地岩溶洞隙发育规律和特征，将岩溶洞隙按跨度和顶板厚度进行分类，从中选取15个具有代表性的溶洞进行三维数值模拟分析，其计算结果可为拟建工程建设提供重要依据。

[1]符策简.岩溶地区隐伏溶洞顶板稳定性及变形分析[J].岩土力学，2010，31（S2）：288-292.

[2]韩红艳，吴燕舞，黑亮，等.岩溶路基溶洞顶板稳定性分析[J].工程地质学报，2012，20（6）：1 078-1 082.

[3]张俊萌，方从启，朱俊峰.桩基下岩溶顶板稳定性有限元阶段分析[J].工程地质学报，2014，22（1）：78-85.

[4]戴自航，范夏玲，卢才金.岩溶区高速公路路堤及溶洞顶板稳定性数值分析[J].岩土力学，2014，35（S1）：382-390.

[5]尚义敏，刘会武，罗林，等.黄石冶钢变电站岩溶地基稳定性分析[J].安全与环境工程，2014，21（4）：34-37.

[6]王良川.岩溶区路基下伏溶洞顶板稳定性分析及加固处理[J].矿冶工程，2015，35（5）：17-21.

[7]陈洪凯，梁丹，董平.岩溶洞穴土质盖层稳定性分析方法及应用[J].地下空间与工程学报，2016，12（2）：546-552.

[8]周扬，张小军，韩明.灰关联分析法在岩溶稳定性分类中的应用[J].武汉理工大学学报，2012，34（5）：117-121

[9]曹文贵，李媛，翟友成.基于Info-Gap理论的基桩下伏岩溶顶板稳定性的主动分析方法[J].岩石力学与工程学报，2013，32（2）：393-400.

[10]宁树理，康虔，张新兵.基于未确知测度理论的岩溶路基稳定性分析[J].山东农业大学学报（自然科学版），2016，47（1）：118-123.

[11]康虔，王新民，蒲浩，等.基于变权-未确知测度理论的岩溶路基稳定性分析[J].东北大学学报（自然科学版），2016，37（3）：435-439.

Stabilityanalysis ofkarst foundation in Y unnan refineryproject

ZHOU Dingheng
China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600，China

Stability of karst foundation is a key problem for engineering construction.Based on the karst foundation treatment of PetroChina 10 million t/a oil processing project in Yunnan Province，distributing character of the karst and feature of filling materials are analyzed and summarized in detail.Combined with development rules and character of the karst caves，the karst caves are classified according to cave span and roof thickness.Fifteen typical karst caves are chosen and three-dimensionalfinite difference models of those caves under two conditions of naturalfoundation and pile foundation are built.Stability of the karst foundation under different load conditions is analyzed.Some conclusions are drawn.Firstly，the apparent character of karst development in this proposed site is layered or verticalbeaded type.The karst development under that character is one type of persistently potential geological disaster and it is also one large potential risk for engineering construction.Secondly，semi-quantitative formula method reveals that the karst foundation is dangerous to engineering construction.And calculation results of slab-beam model are different from those of other five models.Finally，three-dimensional numerical calculation results of the karst foundation can provide an important basis for this project.The experience and results could be referred in foundation treatment under similar geotechnicalcondition.

Yunnan region；karst foundation；karst cave；distributing character；stability analysis

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.011

周丁恒（1984-），男，安徽安庆人，2008年毕业于同济大学，硕士，现主要从事地基处理、地下工程研究与设计方面的工作。

2016-11-04；

2017-01-24

中国石油工程建设公司科学研究与技术开发项目（CPECC 2011KJ22）支持。

Email：cugtj0206@qq.com