云南省高原型岩溶地基稳定性和适宜性评价

2022-12-05许汉华，谢雨霖，槐以高，眭素刚，肖经光，李小双

人民长江 2022年11期

许汉华，谢雨霖，槐以高，眭素刚，肖经光，李小双

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650051； 2.云南省岩土工程与地质灾害重点实验室，云南昆明 650051； 3.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000； 4.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000)

0 引言

对岩溶发育程度进行划分与评价，不仅是防灾减灾的重要手段，同时也是保证工程顺利进行的必要工作。在开展评价工作前需对岩溶的发展状况进行勘察，目前对于岩溶区的勘察手段以及防范措施已经有了大量的先进技术[1-4]。针对不同的岩溶地质状况需作出不同的处理，张巍研究了深圳地铁16号线某区间的岩溶处理方法[5]；李喜等针对武汉市白沙洲长江两岸的岩溶提出了相应的防治对策[6]；杨元丽等则研究了黔中地区浅覆盖型岩溶[7]；韩庆定等探究了佛山市高明区三洲盆地的岩溶发育特点[8]。通过学者们对岩溶发展规律的深入分析，研究所得成果可以使工程的评价工作顺利进行[9-10]。目前对于岩溶地质的稳定性评价多使用半定量评测法，这些方法在于结合岩溶发展的特性，深入研究实际工程背景与岩溶灾害形成的关系并进行预测，在许多实际工程中已经得到应用[11-12]。符勋等对信丰场地地基稳定性进行分析，并表示结合整体评价和局部评价对工程评价更有利[13]；熊天杰等对重庆市武隆区民用机场工程地质特性及岩溶地基进行了综合评价，并建议加强施工验证[14]；刘彬等对京杭大运河徐州段某码头工程进行了分析评价，提出的预防措施应用效果良好[15]。

本文就昆明长水国际机场的扩建工程，结合实际工程项目的地形地貌特征分析了该地岩溶的发育程度，使用半定量评测法对场地条件的稳定性和适宜性进行分区并提出相应处理建议。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌

机场扩建区位于滇东高原盆地区昆明岩溶高原湖盆亚区。地形北高南低，北部海拔2 800～3 000 m，向南降至2 000～2 200 m，属金沙江流域。整体上岩溶发育。

区域最高点为净空区中国民用航空老巴山雷达站西南侧山峰，高约2 347 m；最低点为东北端葛藤沟沟底，高约2 020 m，区域内的最大高差为327 m。地势从西北部(净空区)向东南方向(飞行区)降低。

研究区发育有4条大的沟谷，若干条小的冲沟及支沟，从南向北依次为石将军冲沟、花箐村冲沟、小高坡冲沟(为花箐沟下游冲沟)、藤条沟冲沟。在花箐村冲沟与小高坡冲沟之间，发育有两条相对较小的冲沟。所有冲沟整体上呈树枝状分布，其中石将军冲沟属于宝象河滇池流域，其余冲沟属于杨官庄水库花庄河牛栏江流域。

1.2 区域地层构造

区域地层属扬子区地台型沉积，区内广泛发育古生代-新生代沉积岩系，其中古生界地层较发育，尤以二叠系分布最为广泛，出露面积约占研究区的1/2。古生代以海相沉积为主，末期为陆相火山喷发沉积，中、新生代为湖盆或山间、山麓堆积。

研究区位于康滇古陆之东坡，长期处于海陆交互状态，地层均发育不全，各岩系间均为假整合接触。

1.3 水文地质条件

扩建地总体上属于金沙江流域，场区的地表分水岭位于断裂附近马鞍山一带(见图1)。以分水岭为界，南部属于滇池流域的宝象河水系，北侧属于牛栏江流域的花庄河水系。

图1 机场周边水系

在宝象河水系研究区范围内无较广的地表水分布，处于旱季时流域内基本无地表水，仅在个别地段有人工开挖水塘，范围小，水深浅，水量受季节影响小。雨季时在二龙坝村一带的赶猪箐、李子箐一带的沟内会形成地表水，在石将军、华新水泥厂一带形成地表水，流量小，持续时间短。地表水汇集后进入槽河，在大板桥汇入宝象河。

通过本次勘察得出该区域地下水文特征为：断层以南石将军园艺场岩溶区的岩溶水，主要含水层为二叠系阳新组和石炭系威宁组灰岩，受岩溶作用和风化作用控制，整体上浅部渗透性强，富水性弱，深部渗透性降低，一般为中等-弱渗透性，富水性中等-弱。大气降水及生活用水补给基岩裂隙水，最后岩溶水经过地下径流朝青龙洞、黄龙洞、龙泉寺方向排泄。

断层以北的小高坡乌撒庄岩溶区岩溶水，主要含水层为泥盆系海口组和寒武系双龙潭组白云岩(白云质灰岩)，受岩溶作用和风化作用构造控制，整体上浅部渗透性相对强，富水性中等-弱，深部渗透性相对较低，一般为中等-弱渗透性，富水性中等-弱。受相关条件控制，大部分属于地下水的补给和径流区，仅乌撒庄石乾寺附近为排泄区，以泉的形式排泄[16]。

2 场区地基岩溶发育情况

2.1 地基岩溶发育程度

将场地岩溶发育程度分为强发育、中等发育、微发育3个等级。同时在经过勘察后，整体上岩溶区共计布置钻孔495个，其中40个钻孔见溶洞，平均见洞率约8.1%，岩溶钻探进尺约4 235.8 m，溶洞及溶蚀裂隙累计进尺约85 m，整体线溶率约2.0%，不同地层岩溶发育程度不同，各地遇洞率不一致，同时在平面上各地溶蚀漏斗(洼地)发育密度也存在一定的差异。

根据基底可溶岩的纯度和见洞率、线溶率，以相关规范为基准将场地岩溶发育程度划分为3个等级，根据上覆土层的成因细分为10种不同亚类，垂向上分为3个岩溶发育程度带。岩溶发育程度等级和分类见表1。

表1 岩溶发育程度分区

2.2 地基岩溶平面分区

场地内岩溶发育程度的差异不仅表现在不同时代的碳酸盐岩地层中，在同一时代相近岩性的地层中也存在一定的程度差异。场地岩溶主要集中分布于断裂、褶皱发育的区域，不同岩性接触带附近(地层界线附近)以及沟谷(冲沟)底部地表水汇集径流区域，在地形坡度较陡地段岩溶相对不发育。在不同岩性接触带及构造断裂接触带附近岩溶相对发育(见图2)，主要表现为溶蚀洼地，且一般情况下长轴方向平行于构造线。

注：F10为断层及编号；为第四系坡残积层；为第四系人工填土层；P1y1为二叠系下统阳新组；∈1l为寒武系龙王庙组；P1d为二叠系倒石头组；C2w为石炭系威宁组。

3 场地岩溶稳定性和适宜性评价

3.1 场地岩溶稳定性评价

3.1.1定性分析

岩溶发育区构成场地地基主要由P1y白云岩、C2w石灰岩、D2h白云质灰岩、∈2s、∈2l白云岩组成，基岩面高度变化大，覆盖层红黏土厚度不均，为土岩组合地基。据物探及钻探揭露，地下溶洞较多，但未发现明显的呈水平层状发育的岩溶形态。本次揭露到的溶洞主要发育在场地内大面积分布的P1y、C2w及D2h白云质灰岩、∈2s白云岩地层中。钻探揭露溶洞45个。多数溶洞为黏性土及碎石充填，仅少量无充填。场地岩层为厚层石灰岩以及白云岩且无软弱夹层，地下岩溶分布规模较小，多具充填物，溶洞顶板塌陷的可能性相对较小。上覆红黏土中仅见到一个土洞发育，天然溶洞基本稳定，未发现大面积地面塌陷及其对已有建筑物的损坏，岩溶地基基本稳定。

3.1.2理论计算

对区域内的岩溶地基情况，决定通过钻探和物探等勘察手段来展现内部溶洞规模情况，以此为标准来制定不同情形从而进行适宜性的半定量评价。

通过钻探、物探等物理手段勘察，假设区域地下溶洞内无充填，按照溶洞的规模划分，使用结构力学近似分析法验算来确定溶洞的顶板厚度，岩溶地基顶板厚度假定计算参数见表2，填土厚度为10，20，30，40 m，荷载分别为200，400，600，800 kPa。

表2 岩溶地基顶板厚度假定计算参数

根据工程地质手册，使用结构力学近似分析法对物探和勘探过程中所发现的未填充溶洞进行必要的分析，对每个时代的可溶岩分别选取一个溶洞按照以下2种方法计算分析。

(1) 按顶板抗弯厚度验算，计算公式如下：

(1)

式中：q为每延米均布荷载，kPa/m；L，b为岩溶洞的长、短径，m；σ为岩体弯曲应力，取灰岩抗压强度的10%，kPa。

(2) 使用顶板抗剪的安全厚度进行验算，其计算公式如下：

(2)

式中：F为上部荷载传至顶板的竖向力，kN；G为顶板岩土自重，kg；U为洞体平面周长，m；frv为顶板岩体的抗剪强度，取灰岩、白云岩抗压强度的10%，kPa。

计算结果见表3，可以看出理论计算的结果都是满足相关要求的。受时间及工作量的限制，本次分析未考虑到真空的吸蚀作用，但根据经验，真空吸蚀是造成岩溶塌陷的最主要因素之一，在填方后，填筑地面被封闭，虽然地下补给减少，但发生真空吸蚀机会将增大，而且初步了解到东飞行区浑水塘-长水村槽谷地带的数个水塘可能存在真空吸蚀现象，表明实验区存在真空吸蚀的条件。

表3 岩溶地基顶板厚度假定计算结果

3.1.3经验判断

在铁路建设上相关部门的工程经验是要求实际工程中的顶板厚度需高于溶洞跨度的0.5倍，只有这种情况下才可以认定溶洞是处于安全状态。铁路是振动荷载，而机场主要是静荷载，铁路部门的经验参数相对机场来讲，理论上是偏安全的。由于受技术要求中勘探点线及勘察工作量、时间约束，本次勘察未查明洞径大小(跨度)、走向。综合考虑到场区的地形地貌、地层、地质构造、水文地质特征和岩溶发育规律，本次勘察假设洞径等于洞高，并呈圆形发育。

本次钻孔揭露的未充填的溶洞和充填软塑状黏性土的溶洞主要有17个，具体情况和初步稳定性判断见表4。

表4 西飞行区溶洞稳定性经验判定

3.1.4整体讨论

通过定性分析对研究区的岩溶有了初步勘定，但作为评价议决过于理想化，为此使用半定量评价进行了理论计算，虽然得出了稳定的结论，但计算过程中没有考虑岩体结构面的影响，仅把岩体按整体块状考虑。若考虑到岩体的完整程度(破碎-极破碎)，σ，frv取灰岩、白云岩抗压强度的0.05时，对顶板厚度要求变化也不是很大。但这只是理论计算，需详勘阶段结合相关试验和分析、验算，故理论计算的结果偏于不安全。

为更有利于评价工程建设，再结合相关部门的经验判断，根据场地内钻探揭露溶洞的情况分析，区域内只有较小的概率会发生大规模岩溶塌陷，在天然状态下岩溶地基基本稳定，除中大型溶洞外，一般可不作特殊处理。在工程状态下，初步判断大部分地段基本稳定，少部分岩溶强发育地段或溶洞洞径较大地段不稳定。

3.2 场地工程建设适宜性评价

根据区内地质灾害发育程度(强发育、中等发育和弱发育3个等级)、工程建设过程中可能遭受的地质灾害和建设中可能引发的地质灾害可能性大小(可能性大、中、小3个等级)以及拟建设项目的重要性等级(重要、较重要、一般建设项目)，把建设场地的地质灾害危险性分为大、中、小3个等级。

根据规划总图及现场调查，拟建项目岩溶分布区域主要位于飞行区，且多为将来的填方区，填方最大厚度约40 m，平均填方厚度约20 m。根据目前探查到的岩溶发育情况，实验区未见规模较大的厅堂式溶洞，近80%左右的溶洞中充填有黏性土，约20%的溶洞为半充填或无充填。在实验区西南部，石将军园艺场岩溶区多为裸露型岩溶，覆盖层厚度小，如果地表不进行封闭处理，在汇水面积较大地段，一旦地表水下渗，可能会继续带走灰岩顶部的黏性土，导致地面下沉或局部发生塌陷。在小高坡，乌撒庄岩溶区岩溶多为覆盖型，虽然覆盖层厚度相对较大，但地表水下渗带走灰岩顶部的黏性土，导致地面下沉或局部发生塌陷的可能性还是存在的。在中部马鞍山-花箐村-西冲村南面一带，覆盖层厚度相对大，地表水下渗量小，能带走的灰岩顶部的黏性土量少。整体上在岩溶强发育地段发生中等及小型岩溶塌陷的可能性为中等-大，在岩溶中等-强发育区发生中等及小型岩溶塌陷的可能性为小-中等，在岩溶微发育区，发生岩溶塌陷的可能性小。导致地面下沉或局部发生塌陷的可能性还是存在的。同时在溶洞顶板厚度相对较大地段，在后续项目建设过程中，发生大规模溶洞坍塌危及机场安全的可能性较小。而拟建飞行跑道、联络道、停机坪及土面区整体上重要性等级为重要，故把拟建项目范围内的岩溶地质灾害危险性分为大、中、小3个等级，具体分级见表5。

表5 岩溶塌陷地质灾害危险性分区

在此基础上，要求机场周边一定范围内，机场道面标高以上建构筑物(含山体)的高度不能大于某一限定的高度，这样一个范围称为机场的净空处理区。在本次改扩建初步勘察标段的范围内，根据前规划功能，分为净空区和飞行区2部分。净空区由于限高，需挖高填低，为将来机场建设的主要填料来源区。飞行区为主要的工程建设区，根据飞行区岩溶发育程度及岩溶地质灾害的危险性，对飞行区工程建设的适宜性进行了划分，共分为适宜、基本适宜和适宜性差3个等级。具体的场地适宜性分区见表6。

表6 工程建设适宜性分区

整个道面区占地面积约12.93 km2；岩溶地质灾害危险性大，其中工程建设适宜性差的区域面积有约1 776 147 m2，占飞行区总面积的13.7%；其中岩溶地质灾害危险性为中等且工程建设适宜性为基本适宜的区域面积占飞行区总面积的10.6%，总共约1 366 920 m2；岩溶地质灾害危险性较小以及工程建设适宜性为适宜的区域面积约占飞行区的42.7%，约5 523 987 m2；非岩溶发育区面积约4 264 396 m2，占飞行区面积的33.0%；适宜和基本适宜的区域共占飞行区的86.3%，判定场地工程建设整体适宜性为基本适宜，分区图见图3。