岩溶地基地质勘察及地基处理方法研究

■ 大连市市政设计研究院有限责任公司 倪正田

岩溶地基勘察是海底隧道建设前期的重点准备工作，勘探岩溶地基是否存在溶洞、裂隙等情况，并对溶洞稳定性进行评估计算，是测定该地是否适合修建项目工程的重要前提。拟建大连湾海底隧道工程场地多数地段地处甘井子组和南关岭组的碳酸盐岩地层（岩性主要为白云质灰岩、石灰岩），工程场地多以岩溶地基为主，存在岩溶现象且地基形态复杂多样，亟须对隧道工程建设所处位置进行地质勘探，评价地基稳定性，针对地基稳定定性、适宜性给出合理的施工处理措施方法和方案建议。本文结合大连湾海底隧道工程所选取的一试验地块，进行地质勘察及地基处理方法研究。通过对该地溶洞发育情况评估，计算出溶洞顶板抗压强度及稳定性，并针对计算得出的相关结果，提出合理化改善建议，以期为类似项目提供借鉴与参考。

1.工程概况

大连湾海底隧道工程是贯彻落实国家全面振兴东北老工业基地战略，以PPP模式实施的重大民生工程，预算总投资达72亿元，共设双向六车道快速路，主线设计速度为60km/h，该隧道工程整体使用设计年限计划为100年。北接岸工程拟在大连港外轮航修厂登陆，航道设置在该片海域之下，出入口计划在南、北岸各设置两处。工程主线路全长约5098m（K0+208 ～K5+306），需填海约525m，如图1所示。

此次勘察试点为北接岸工程，该区域存在地下溶洞，需对该地下溶洞进行详细勘察，了解溶洞发育特征。隧道拟建于溶洞之上，溶洞的稳定性直接影响隧道结构的稳定性。

2.场地工程地质条件

2.1 地质构造

根据《大连湾海底隧道建设工程项目场地地震安全性评价》（2015年）、《大连市活断层探测与地震危险性评价（2009年版）》中工作区地震构造图及《大连地区地质构造图1:5万》记载和此次勘察结果，拟建工程场地均未发现有活动断裂和较大规模的构造形迹分布。拟建工程场地北侧山中村～海茂村的的北东向逆断层，其倾向SE154°，倾角67°，延伸约2.4km；南侧为烈士山—炮台山断裂带，其倾向SE168°，倾角40°，延伸约10.4km。

图1 大连湾海底隧道路由示意图

2.2 地基地质结构

经现场钻探揭露，场地地层详细分类见表1。

表1 场地地层地址特征

由表1可知，勘探揭露的基岩以中风化白云岩为主，且岩层表面均经历了不同程度的风化。

2.3 岩溶地基发育情况

岩溶地基状态不规则，存在大的裂隙、溶沟、溶洞，内部充填情况分为全充填、半充填、空洞等情况，溶洞顶板呈阶梯状分布，岩层以灰岩为主，溶洞顶板平均厚度为14.65m（表2），空洞最大高度达7m，溶洞底板分布有各种石块，底板与顶板之间空隙无填充。

表2 岩溶地基溶洞顶板厚度统计

3.岩溶地基稳定性评价

3.1 岩溶地基特性

溶洞周围岩体多以较硬岩层为主，具有较强的抗风化能力。根据溶洞勘察结果，顶板处不同岩体风化程度不同，总体风化程度较低，钻孔岩芯多以柱状排列，风化程度较轻。整体岩芯采取率达到90%以上，符合采取标准。从现场勘探情况来看，溶洞顶板见多处垂直缝隙，缝隙延伸长度较长，在11m以上，宽度在4.5m ～11m。根据以上勘探结果对溶洞进行抗压强度检测，抗压平均值为35MPa。

3.2 稳定性评估

根据溶洞空洞最高处高度计算塌落高度，估算顶板的安全厚度：

由上述公式可得，塌落高度H为35m，远大于溶洞空洞高度。

结合上文所述岩溶地基发育情况，按照梁板受力情况估算顶板厚度的安全度：

式中：H——顶板安全厚度；

M ——弯矩；

p ——顶板所承受的荷载；

b ——基础宽度；

σ ——顶板岩体抗弯强度；

l ——溶洞跨度。

根据实际勘探情况，l（溶洞跨度）取最高值28m；σ（顶板抗弯强度）按抗压平均值的1/8取值，即σ=35MPa/8=4375kPa；b（基础宽度）按1m取值；溶洞顶板厚度按最大厚度取值18m，重度为28。计算过程如下：

由上述计算可得，溶洞顶板厚度需≥20.76m才能保证安全，但根据勘探结果，溶洞顶板平均厚度为14.65m，最大厚度18m，二者数值皆小于20.76m，说明岩溶地基稳定性相对较差，加上该溶洞顶板厚度不均匀，周围裂缝延伸长度较长，裂缝发育相对严重，需对溶洞地基进行处理后方可修建隧道。

4.岩溶地基勘察及处理方法

勘探报告显示，该溶洞洞穴整体高度大于3m，且洞穴面积较大，由于试验段场地紧临海域，受海水潮汐影响大并伴有海水倒灌现象。鉴于此，未采用人工挖孔桩，而采用旋挖钻成孔方式填充溶洞，借助桩的作用支撑溶洞洞穴，提高溶洞顶板的抗压强度。对于溶洞裂隙，通常采用水泥浆灌注方式进行填充，最大化程度弥补裂隙、洞穴。以下将详细阐述溶洞填充处理方式及裂隙填充处理方式，充分考虑并解决岩溶洞隙受潮汐影响水泥浆液随潮汐流失的不利情况。

4.1 溶洞填充处理

如上文所述，溶洞填充采用旋挖钻孔桩方式，为保证单桩承载力符合施工规范，岩溶部位的桩体潜入完整岩层的深度需大于桩径的5倍，加上该工程地下溶洞充填有较多松软堆积物，厚度达到3.6m，由于松软堆积物较多、厚度较大，不利于旋挖孔桩施工，需根据场地情况，上部松散土体采用2cm壁厚的钢护筒护壁处理设计施工方案，避免钻孔穿过松软堆积物时出现缩径的概率。

为此，特采取如下处理措施：旋挖钻孔位置的测量与放线→桩机就位与护筒埋设→桩位复测→钻头钻进土层→钻至溶洞底部→钻进C20素混凝土、持力层→终孔清底自检→安放钢筋笼→导管安放→灌注混凝土。其中，钻进土层和钻至溶洞底部需要进行垂直度检测、纠偏，同时检测标高、持力层合格之后方可进行下一步工作，钻孔过程中需要进行渣土的清运工作。成孔验收完成之后进行下一孔洞的钻制，同时进行钢筋笼的安放浇筑工作，控制钢筋笼的标高及首灌量。

4.2 岩溶裂隙处理

根据潮汐变化，将单个旋喷桩施工分为常水位标高以下的Ⅰ段桩和常水位标高以上的Ⅱ段桩的两段桩段施工，其中包括在涨潮阶段先完成常水位标高以下的Ⅰ段桩施工。通过先进行常水位标高以下的Ⅰ段桩施工，为Ⅱ段桩施工提供施工基础，通过退潮阶段中水面高度从高潮位降至常水位标高以下之后，以及在下一次涨潮阶段中低潮位涨至常水位之前，完成常水位标高以上至设计标高的Ⅱ段桩施工，可以消除常水位标高以上的由于潮汐变化带来的水泥浆流失问题。

对于岩溶裂隙，通常采用灌注水泥浆的形式填补岩溶裂隙，施工前注意材料的选择，选择水质洁净的水源及符合材料标准的灰料，避免因材料质量问题导致施工质量问题。材料选择完成后，按照工程施工规定的1：0.6 ～0.6：1比例进行水灰配比，泥浆配制好后方可进行施工。施工时注意观察不同裂隙吃浆情况，对于吃浆量较大裂隙，需控制一下灌注收发，循序渐进、少量多次的灌注。此次灌浆施工取得初步成效，裂隙基本填充完毕，并未出现明显的漏浆现象，同时，采用水泥浆灌注保证了岩层的整体性，提升了岩层的视觉观感。

5.结语

海底隧道工程建设项目施工难度较大，对于地下岩溶地基处理需采取合适的施工方法，施工前应先勘探岩溶地基地质情况，了解岩溶发育情况，借助公式计算了解岩溶地基强度及稳定性。大连湾海底隧道建设工程岩溶地基稳定性较差，溶洞裂隙较多且延伸程度较深，采用旋挖钻成孔桩方式填充地下溶洞，采用灌注水泥浆方式填补溶洞裂隙，取得了较好的效果。由此可见，在岩溶地基施工建设中，需全面掌握岩溶地基的复杂性，保证科学施工，提高施工质量，提高地基的稳定性。