巖溶地基地質(zhì)勘察及地基處理方法研究

■ 大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 倪正田

巖溶地基勘察是海底隧道建設(shè)前期的重點(diǎn)準(zhǔn)備工作，勘探巖溶地基是否存在溶洞、裂隙等情況，并對(duì)溶洞穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，是測(cè)定該地是否適合修建項(xiàng)目工程的重要前提。擬建大連灣海底隧道工程場(chǎng)地多數(shù)地段地處甘井子組和南關(guān)嶺組的碳酸鹽巖地層（巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r），工程場(chǎng)地多以巖溶地基為主，存在巖溶現(xiàn)象且地基形態(tài)復(fù)雜多樣，亟須對(duì)隧道工程建設(shè)所處位置進(jìn)行地質(zhì)勘探，評(píng)價(jià)地基穩(wěn)定性，針對(duì)地基穩(wěn)定定性、適宜性給出合理的施工處理措施方法和方案建議。本文結(jié)合大連灣海底隧道工程所選取的一試驗(yàn)地塊，進(jìn)行地質(zhì)勘察及地基處理方法研究。通過對(duì)該地溶洞發(fā)育情況評(píng)估，計(jì)算出溶洞頂板抗壓強(qiáng)度及穩(wěn)定性，并針對(duì)計(jì)算得出的相關(guān)結(jié)果，提出合理化改善建議，以期為類似項(xiàng)目提供借鑒與參考。

1.工程概況

大連灣海底隧道工程是貫徹落實(shí)國(guó)家全面振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略，以PPP模式實(shí)施的重大民生工程，預(yù)算總投資達(dá)72億元，共設(shè)雙向六車道快速路，主線設(shè)計(jì)速度為60km/h，該隧道工程整體使用設(shè)計(jì)年限計(jì)劃為100年。北接岸工程擬在大連港外輪航修廠登陸，航道設(shè)置在該片海域之下，出入口計(jì)劃在南、北岸各設(shè)置兩處。工程主線路全長(zhǎng)約5098m（K0+208 ～K5+306），需填海約525m，如圖1所示。

此次勘察試點(diǎn)為北接岸工程，該區(qū)域存在地下溶洞，需對(duì)該地下溶洞進(jìn)行詳細(xì)勘察，了解溶洞發(fā)育特征。隧道擬建于溶洞之上，溶洞的穩(wěn)定性直接影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)《大連灣海底隧道建設(shè)工程項(xiàng)目場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》（2015年）、《大連市活斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)（2009年版）》中工作區(qū)地震構(gòu)造圖及《大連地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖1:5萬(wàn)》記載和此次勘察結(jié)果，擬建工程場(chǎng)地均未發(fā)現(xiàn)有活動(dòng)斷裂和較大規(guī)模的構(gòu)造形跡分布。擬建工程場(chǎng)地北側(cè)山中村～海茂村的的北東向逆斷層，其傾向SE154°，傾角67°，延伸約2.4km；南側(cè)為烈士山—炮臺(tái)山斷裂帶，其傾向SE168°，傾角40°，延伸約10.4km。

圖1 大連灣海底隧道路由示意圖

2.2 地基地質(zhì)結(jié)構(gòu)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露，場(chǎng)地地層詳細(xì)分類見表1。

表1 場(chǎng)地地層地址特征

由表1可知，勘探揭露的基巖以中風(fēng)化白云巖為主，且?guī)r層表面均經(jīng)歷了不同程度的風(fēng)化。

2.3 巖溶地基發(fā)育情況

巖溶地基狀態(tài)不規(guī)則，存在大的裂隙、溶溝、溶洞，內(nèi)部充填情況分為全充填、半充填、空洞等情況，溶洞頂板呈階梯狀分布，巖層以灰?guī)r為主，溶洞頂板平均厚度為14.65m（表2），空洞最大高度達(dá)7m，溶洞底板分布有各種石塊，底板與頂板之間空隙無(wú)填充。

表2 巖溶地基溶洞頂板厚度統(tǒng)計(jì)

3.巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 巖溶地基特性

溶洞周圍巖體多以較硬巖層為主，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力。根據(jù)溶洞勘察結(jié)果，頂板處不同巖體風(fēng)化程度不同，總體風(fēng)化程度較低，鉆孔巖芯多以柱狀排列，風(fēng)化程度較輕。整體巖芯采取率達(dá)到90%以上，符合采取標(biāo)準(zhǔn)。從現(xiàn)場(chǎng)勘探情況來(lái)看，溶洞頂板見多處垂直縫隙，縫隙延伸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在11m以上，寬度在4.5m ～11m。根據(jù)以上勘探結(jié)果對(duì)溶洞進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，抗壓平均值為35MPa。

3.2 穩(wěn)定性評(píng)估

根據(jù)溶洞空洞最高處高度計(jì)算塌落高度，估算頂板的安全厚度：

由上述公式可得，塌落高度H為35m，遠(yuǎn)大于溶洞空洞高度。

結(jié)合上文所述巖溶地基發(fā)育情況，按照梁板受力情況估算頂板厚度的安全度：

式中：H——頂板安全厚度；

M ——彎矩；

p ——頂板所承受的荷載；

b ——基礎(chǔ)寬度；

σ ——頂板巖體抗彎強(qiáng)度；

l ——溶洞跨度。

根據(jù)實(shí)際勘探情況，l（溶洞跨度）取最高值28m；σ（頂板抗彎強(qiáng)度）按抗壓平均值的1/8取值，即σ=35MPa/8=4375kPa；b（基礎(chǔ)寬度）按1m取值；溶洞頂板厚度按最大厚度取值18m，重度為28。計(jì)算過程如下：

由上述計(jì)算可得，溶洞頂板厚度需≥20.76m才能保證安全，但根據(jù)勘探結(jié)果，溶洞頂板平均厚度為14.65m，最大厚度18m，二者數(shù)值皆小于20.76m，說(shuō)明巖溶地基穩(wěn)定性相對(duì)較差，加上該溶洞頂板厚度不均勻，周圍裂縫延伸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，裂縫發(fā)育相對(duì)嚴(yán)重，需對(duì)溶洞地基進(jìn)行處理后方可修建隧道。

4.巖溶地基勘察及處理方法

勘探報(bào)告顯示，該溶洞洞穴整體高度大于3m，且洞穴面積較大，由于試驗(yàn)段場(chǎng)地緊臨海域，受海水潮汐影響大并伴有海水倒灌現(xiàn)象。鑒于此，未采用人工挖孔樁，而采用旋挖鉆成孔方式填充溶洞，借助樁的作用支撐溶洞洞穴，提高溶洞頂板的抗壓強(qiáng)度。對(duì)于溶洞裂隙，通常采用水泥漿灌注方式進(jìn)行填充，最大化程度彌補(bǔ)裂隙、洞穴。以下將詳細(xì)闡述溶洞填充處理方式及裂隙填充處理方式，充分考慮并解決巖溶洞隙受潮汐影響水泥漿液隨潮汐流失的不利情況。

4.1 溶洞填充處理

如上文所述，溶洞填充采用旋挖鉆孔樁方式，為保證單樁承載力符合施工規(guī)范，巖溶部位的樁體潛入完整巖層的深度需大于樁徑的5倍，加上該工程地下溶洞充填有較多松軟堆積物，厚度達(dá)到3.6m，由于松軟堆積物較多、厚度較大，不利于旋挖孔樁施工，需根據(jù)場(chǎng)地情況，上部松散土體采用2cm壁厚的鋼護(hù)筒護(hù)壁處理設(shè)計(jì)施工方案，避免鉆孔穿過松軟堆積物時(shí)出現(xiàn)縮徑的概率。

為此，特采取如下處理措施：旋挖鉆孔位置的測(cè)量與放線→樁機(jī)就位與護(hù)筒埋設(shè)→樁位復(fù)測(cè)→鉆頭鉆進(jìn)土層→鉆至溶洞底部→鉆進(jìn)C20素混凝土、持力層→終孔清底自檢→安放鋼筋籠→導(dǎo)管安放→灌注混凝土。其中，鉆進(jìn)土層和鉆至溶洞底部需要進(jìn)行垂直度檢測(cè)、糾偏，同時(shí)檢測(cè)標(biāo)高、持力層合格之后方可進(jìn)行下一步工作，鉆孔過程中需要進(jìn)行渣土的清運(yùn)工作。成孔驗(yàn)收完成之后進(jìn)行下一孔洞的鉆制，同時(shí)進(jìn)行鋼筋籠的安放澆筑工作，控制鋼筋籠的標(biāo)高及首灌量。

4.2 巖溶裂隙處理

根據(jù)潮汐變化，將單個(gè)旋噴樁施工分為常水位標(biāo)高以下的Ⅰ段樁和常水位標(biāo)高以上的Ⅱ段樁的兩段樁段施工，其中包括在漲潮階段先完成常水位標(biāo)高以下的Ⅰ段樁施工。通過先進(jìn)行常水位標(biāo)高以下的Ⅰ段樁施工，為Ⅱ段樁施工提供施工基礎(chǔ)，通過退潮階段中水面高度從高潮位降至常水位標(biāo)高以下之后，以及在下一次漲潮階段中低潮位漲至常水位之前，完成常水位標(biāo)高以上至設(shè)計(jì)標(biāo)高的Ⅱ段樁施工，可以消除常水位標(biāo)高以上的由于潮汐變化帶來(lái)的水泥漿流失問題。

對(duì)于巖溶裂隙，通常采用灌注水泥漿的形式填補(bǔ)巖溶裂隙，施工前注意材料的選擇，選擇水質(zhì)潔凈的水源及符合材料標(biāo)準(zhǔn)的灰料，避免因材料質(zhì)量問題導(dǎo)致施工質(zhì)量問題。材料選擇完成后，按照工程施工規(guī)定的1：0.6 ～0.6：1比例進(jìn)行水灰配比，泥漿配制好后方可進(jìn)行施工。施工時(shí)注意觀察不同裂隙吃漿情況，對(duì)于吃漿量較大裂隙，需控制一下灌注收發(fā)，循序漸進(jìn)、少量多次的灌注。此次灌漿施工取得初步成效，裂隙基本填充完畢，并未出現(xiàn)明顯的漏漿現(xiàn)象，同時(shí)，采用水泥漿灌注保證了巖層的整體性，提升了巖層的視覺觀感。

5.結(jié)語(yǔ)

海底隧道工程建設(shè)項(xiàng)目施工難度較大，對(duì)于地下巖溶地基處理需采取合適的施工方法，施工前應(yīng)先勘探巖溶地基地質(zhì)情況，了解巖溶發(fā)育情況，借助公式計(jì)算了解巖溶地基強(qiáng)度及穩(wěn)定性。大連灣海底隧道建設(shè)工程巖溶地基穩(wěn)定性較差，溶洞裂隙較多且延伸程度較深，采用旋挖鉆成孔樁方式填充地下溶洞，采用灌注水泥漿方式填補(bǔ)溶洞裂隙，取得了較好的效果。由此可見，在巖溶地基施工建設(shè)中，需全面掌握巖溶地基的復(fù)雜性，保證科學(xué)施工，提高施工質(zhì)量，提高地基的穩(wěn)定性。