喀斯特地形主要工程地质问题及处理措施

金 磊，李福来

（中冀建勘集团有限公司，河北石家庄 050227）

在岩溶地形上或岩溶地形中设计结构的工程师面临的主要问题是：在尖顶岩头上开挖和平整地面的困难；地下空洞上方的屋顶坍塌、天坑上方的覆土沉降、在不规则或尖顶岩头上建造结构的困难、大坝水库的失水、地下水污染等。工程师们已经实践了许多解决方案，以解决这些问题，如：将结构物重新安置在更安全的地点，用混凝土填充空隙和裂缝，用灌浆和/或土工格栅改善地基，更换地基土，用刚性垫子或梁桥接空隙，使用深基础（打桩、钻孔井等），通过控制地表水和地下水等最大限度地减少未来的天坑发展。

1 喀斯特地形现场调查

岩溶地形是土木工程中必须评估的最困难的地面条件之一。常规方法，如：彻底的数据审查，以获得尽可能多的信息，包括地形和地质图、航空照片、灰岩坑图、水文地质报告、水井记录和以前的测试钻孔信息，是有用的，但还不够。这些来源应用于指示是否存在洞穴、灰岩坑和消失的溪流、断层、岩石质量、覆盖层深度和油井产量，这些可能预示岩石的溶解或破裂程度。调查之后，应由经验丰富的人员进行现场勘测，以验证和扩展初步（桌面）现场评估的结果。该阶段还应包括与熟悉该网站的人员进行访谈。随后的地下调查计划应使用各种勘探技术，如测试钻孔、探坑、空气轨道探头、地质雷达和地球物理测量（电阻率、微重力、电磁、地震折射等），以合理的努力和成本最大限度地获取数据。

1.1 方法的可靠性

传统实践表明，上述方法可能适用于kⅠ和kⅡ类岩溶场地的调查，即适用于更简单的情况。具有更成熟喀斯特（kⅢ-kⅤ级）的场地需要更严格的地面调查，由充分了解喀斯特复杂特征的多学科团队管理。没有两个喀斯特地点在地形和地质上完全相同，也没有任何方法是百分之百准确的。每个现场可能需要使用不同的调查方法组合。岩溶的一个主要困难是定位地下空洞。

表1 显示了在美国宾夕法尼亚州东部和新泽西州北部的喀斯特地区进行的天坑调查项目中各种调查方法的估计可靠性。在该项目中，12 家现场调查公司参与了该项目，采用了12种最常用的现场调查方法。对调查结果进行了统计处理，其在检测现有天坑和地下空洞（洞穴）方面的可靠性结果如表1所示。

表1 用于探测喀斯特地形中天坑和洞穴的各种现场调查方法的可靠性估计

如表1所示，所采用的方法均不适用于检测天坑和地下孔隙。有些人对第一个更好，有些人对第二个更好。下一段将简要讨论每种方法的fore和pro。

1.2 各种方法的简要说明

这些方法定位现有地下空洞的可靠性与所做探头的数量和空洞的大小直接相关。如果每个探头均完成至基岩表面，则Beacher 等人，1980 年估计的地面空洞定位概率为：

式中：Pr——检测空洞的概率；

n——均匀分布在区域As上的探头数量；

Aa——空洞本身的水平横截面积。

据统计估计，每公顷需要2500个探头的密度，才能有90%的机会在地面上定位一个直径为2.5m 的空洞。例如，在比利时，为了在喀斯特地区修建高架桥，为五个桥墩现场打开了31个钻孔，未发现地下空洞；在桥墩基础开挖过程中，发现了两个洞穴。第二阶段308个探测器用于更广阔区域的调查，没有发现更多的洞穴。该示例显示了通过探测定位地面空洞的困难。它还表明，只有在基础开挖后才能发现岩溶的真实地面条件。一般来说，每个桩脚和柱基下方的3~5 个探头可能是kⅠ-kⅢ级岩溶中的最佳选择，在kⅣ-kⅤ级岩溶中的尖顶处是必不可少的。

探测深度：探测深度是孔隙大小及其深度的函数。Waltham 和Fookes 2003 建议，在kⅠ-to-kiⅡ类岩溶中，在其岩溶分类中，宽度大于5m 的洞穴是不常见的，应满足深度为3.5m 的探测。关于桩尖下方基岩内的探测深度，工程实践差异很大，从北卡罗来纳州的2m 到佛罗里达州的5m，再到南非的4m，从基础下的4m（Waltham和Fookes，2003年）；一些钻孔应倾斜15°。

隧道：在岩溶石灰岩隧道开挖期间，也需要进行探测；在开挖循环之前，应从隧道表面钻入3~5个10~12m深的钻孔，以检查孔隙或过量地下水。

1.2.1 审查现有地图和航空照片

审查现有地图（地形、地质、灰岩坑清单、水文地质图和航空照片），提供检测地表岩溶特征（如灰岩坑）的良好方法；然而，其用于定位地下空洞的用途相当有限，需要用户的大量经验。

1.2.2 现场勘测

在地面或空中对现场进行目视检查，是定位现有天坑和先前填充的天坑的良好做法。植被茂密可能会限制该方法的有效性。它不能用于定位没有表面特征的现有地下孔隙。

2 岩溶地形上工程结构基础的设计

一旦完成地下勘探并确定了结构的土方工程和设计参数，应将现场风险评估作为结构设计的一个组成部分。这应包括对现场未来沉降发生的概率（低、中、高）的全面定性评估。还应告知客户其财产未来沉降的风险。

设计专业人员必须准备提供基础备选方案，以减少或消除风险。一般来说，这些替代方案是：有或没有土壤改良的规则浅扩展基础、刚性垫层和坡梁以及深基础（桩和桥墩）。

2.1 洞穴基础

2.1.1 概述

岩溶中的地下空洞是不可预测的。此类地形中的每个场地都必须根据其地质和地貌进行单独评估。岩溶洞穴工程结构的设计必须因地制宜。当地地图和记录可能显示典型和最大可能洞穴大小；当地人也可能知道该地区较大的洞穴。

洞穴的最大尺寸定义了所需完好岩石覆盖层的最小厚度和可能的探测深度。喀斯特越成熟，洞穴越大。当然，这条规则也有例外。幸运的是，与人类结构的有效寿命（50~100 年）相比，喀斯特过程非常缓慢。因此，如果在施工或装载过程中空隙没有立即坍塌，则未来坍塌的危险是有限的。例如，在斯洛文尼亚，岩溶空洞的发现和崩塌在道路建设过程中很常见，但在道路运营过程中随后的崩塌非常罕见。

直径10m的洞穴通常出现在kⅣ级岩溶中，但也可能出现在较不成熟的kiⅡ级岩溶中，甚至kⅡ级岩溶中。在较成熟的喀斯特（kⅤ级）中，较大的洞穴相当常见。许多位于浅层的大型洞穴，其入口向地表开放，可以通过直接观察进行参观和评估。

2.1.2 洞穴基础设计方法

如果洞穴对规划基础至关重要，则用混凝土填充或用分级梁或板桥接。由于流入相邻的溶洞或洞内的水流，在较浅深度的洞穴灌浆期间，可能会发生大量地面损失；这将增加基础成本。为了避免这种情况，可以使用较厚灌浆的周边灌浆帷幕。

在某些情况下，在可能的情况下，重新安置基脚或整个结构可能更经济。

钻孔桩或竖井应预制或浇筑在土工布套筒中，并建立在洞穴底部的固体岩石上。当洞穴足够小时，此类桩的成本可能高于用水泥浆填充洞穴；这是由于无法排水、需要额外钻孔、出现沟槽的岩石深度以及进行的岩石开挖，这是由于不合适的支承面，例如倾斜岩石、泥缝、空隙和风化带。

在石膏洞中灌浆是不合适的，因为石膏的更大溶解速率允许在上覆工程结构的使用寿命内，在混凝土塞周围挖掘新的空腔。

2.2 天坑上的基础

存在许多可行的基础支撑解决方案，有助于解决在具有天坑和岩溶空洞的土壤上放置结构的问题。最常用的两种方法是天坑的开挖和回填，以及通过桥接或打桩将荷载转移到健全岩石中。

最简单但不一定是最经济的解决方案是将天坑土开挖成岩石，并用砂砾石混合物和水泥浆回填。如果天坑底部的空洞较大，则可以用级配岩石填充物堵塞（堵塞）喉咙，级配岩石填充物可以用厚水泥浆和/或不透水的土壤填充层（粘土）密封。然后，使用压实的不透水材料将该区域恢复到地面，并用土工膜密封，以防止未来的水渗透。

为了防止天坑坍塌，关键因素是适当控制地表和土壤中的水流。如有可能，应尽量减少或消除水的向下渗透。潜在危险水流的来源包括停车场和道路区域的水、屋顶落水管、集水池、公用设施沿线的水流、回填、耕地和灌溉花园、不透水表面的径流等。

控制该地区的取水和降低地下水位也至关重要，尤其是在地下水位接近岩头的地方；地下水位应始终保持在岩头以上。佛罗里达州的迪斯尼乐园就是一个很好的例子，它坐落在20~30m 的土壤上，覆盖着软的喀斯特石灰岩，有许多天坑。他们通过密切监测水井的抽水情况，并将地下水位或多或少保持在恒定的高度，设法避免了天坑沉降。在检测到当地地下水位下降的地方，关闭抽水，喀斯特地区应禁止通过采石或隧道进行排水。其他补救和预防天坑破坏的措施是在岩头裂缝处进行灌浆密封。这可能适用于岩溶等级kⅡ和kiⅡ，但在具有较大尖峰的kⅣ和kⅤ级中存在问题。在最后一种情况下，在堵住下方的开放裂缝后，可能需要使用水泥浆进行“帽状灌浆”。在压力下使用低坍落度水泥浆进行压实灌浆，以置换和加固软弱区域，可在地下水位以上使用。水泥浆在土壤中形成一个固体块，跨越裂缝和尖顶。由于灌浆以不可控的方式流动，其放置可能不那么有效。灌浆柱有时用于改善土壤—岩石接触处的土壤条件。不建议使用压力灌浆“填充所有空隙”，因为灌浆的流动和损失是不可控的。深层强夯通过从高处落下大重量来压实土壤，这是有争议的。该方法可能会降低土壤的渗透性并使土石洞屋顶坍塌，但如果不这样做，则可能会增加未来空心屋顶坍塌的可能性。在kⅡ-kⅣ级岩溶中，可以通过将土工格栅铺设到土壤中并结合适当的排水控制来减少落水洞危害。

3 岩溶环境中的岩溶隧道

掘进面临两个主要问题：地下水淹没和岩溶空洞坍塌，泥浆和水涌入开挖。第一个问题是通过隧道内的控制排水降低地下水，或通过地面抽水使地面脱水，以及灌浆和降低岩体渗透性。排水可能会产生不利影响，例如：天坑的发育、土壤固结引起的地表沉降、地下水库的枯竭，这反过来可能会影响更广泛地区的农业、沿海地区的海水入侵、地下水污染等。另一方面，在大空隙和高水头下，灌浆很困难。

在矿井中，排水通常通过深井的大量抽水来管理，以保持每口井周围的巨大凹陷锥，只要矿井在运行。在隧道掘进过程中遇到岩溶空洞确实是一个挑战：可以通过桥接或填充空洞（如果空洞是空的），通过灌浆其软填充材料来稳定，然后通过隧道掘进，或者在隧道面接近空洞之前通过预钻孔等控制泥浆和地下水涌出来克服岩溶空洞。

4 规划

减少喀斯特场地开发风险开发喀斯特碳酸盐岩下的场地最经济的方法是通过现场调查确定问题场地，并在场地问题区域规划重要建筑物的位置、大小和类型。这意味着，如果已知问题场地的空中范围，可能会将最重要的构筑物放置在施工现场最安全的部分，并将问题区域留给非关键设施，如高尔夫球场、徒步小道、停车场、公园、道路、草地等。将岩溶结构风险降至最低的其他方法有：避免该地区的（无衬砌）滞留池/池塘，除非希望使用此类池进行地下水补给。然而，这是有风险的，因为它会增加水头和流速，并可能污染土壤和岩石。

在可能的情况下，设计措施以保持地下水位与开发前的水位一致，以避免地面平整，但如果这样做，则应反映远离结构的地面排水。避免在浅基础附近或下方放置公用设施。如有必要，将其放置在混凝土管道组中。提供防水雨水沟，并将屋顶排水沟直接连接到其中。密封路面路缘和集水池。不允许在未铺砌或未衬砌的沟渠或洼地（池塘）中出现集中水流。如果可能的话，使用始终有衬里的贮水池，并使其远离施工。对现场调查、土方工程和基础施工进行专业观察和检查，以检查地下材料，并在初步设计中提出变更建议，以降低风险。

5 结论

从前面的讨论中得出的结论是：喀斯特地形非常复杂，难以分类，并且是地面或地下构筑物施工的困难地面。如果不采取适当的措施，这是一个真正的挑战，可能会成为工程师的噩梦。

传统的现场调查方法仅适用于结构简单的年轻岩溶；对于更成熟的岩溶，这些方法都不是百分之百准确的。这需要由一个多学科团队进行更严格的地面调查，该团队充分认识到喀斯特的复杂特征。尤其是地下空洞的位置非常困难。没有两个喀斯特地区在地形、地质和结构上完全相同。现场风险评估应先于任何设计，并应估计未来沉降的可能性。岩溶地形上的工程设计必须适应岩溶的成熟度。各种基础替代方案，如覆盖土壤上的扩展基础，有或没有土壤改良，刚性垫和分级梁；深基础（桩或钻孔桥墩）；喀斯特地区实行地表水和地下水控制以及天坑发育等。应用的基础类型对于每个岩溶场地都是独特的，取决于岩溶的成熟度和结构以及预测的基础荷载。沉降最危险的场地是那些与天坑上方的地基相连的场地。控制因素是：水通过覆土渗透和超载。为避免沉降而采取的主要措施是：控制喀斯特地区的地表水和地下水。