淺談各種測(cè)試手段在探明溶洞發(fā)育規(guī)律中的綜合運(yùn)用

代東濤，張軍新，顏光輝，康景文

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610000)

隨著城市的快速發(fā)展，高層建筑、橋梁等重要建筑物的日益增多，其基礎(chǔ)多采用大口徑灌注樁，其樁端持力層是否存在溶洞及軟弱層將嚴(yán)重影響工程質(zhì)量［1］。重大工程建設(shè)項(xiàng)目也逐漸增多，對(duì)于工程前期基礎(chǔ)性地質(zhì)勘察要求也越來(lái)越高，用傳統(tǒng)鉆探勘察方法已經(jīng)不能滿足這類工程設(shè)計(jì)的需要。為了能夠在巖溶地區(qū)或是場(chǎng)地存在巖溶發(fā)育場(chǎng)地更好的探明場(chǎng)地巖溶發(fā)育特征及規(guī)律，綜合采用多種技術(shù)手段查明場(chǎng)地的溶洞，能夠有效地解決傳統(tǒng)鉆探技術(shù)手段以點(diǎn)帶面劃分復(fù)雜地質(zhì)帶來(lái)的漏判或劃分不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，并且能有效的解決傳統(tǒng)勘探手段難于解決的諸多巖土工程問(wèn)題，如不明物體、洞穴、破碎帶等在地下的分布特征、形態(tài)、埋深和空間位置等［2］。

為了更好的探明場(chǎng)地內(nèi)溶蝕空洞發(fā)育特征、發(fā)育規(guī)模及規(guī)律、成因，減少溶蝕空洞對(duì)建筑物的影響，應(yīng)合理選擇、優(yōu)化建筑物基礎(chǔ)形式。通過(guò)對(duì)采用綜合鉆探技術(shù)，省時(shí)、省費(fèi)用勘探精度高的特點(diǎn)，對(duì)空洞發(fā)育規(guī)律、特征和規(guī)模的掌握，分析空洞成因特征，更具有針對(duì)性和合理的選擇對(duì)空洞的治理方式。在對(duì)施工勘察基礎(chǔ)上，采用多種地質(zhì)測(cè)試方式查明空洞，為后期地基治理形式和空洞處理方法提供必要的依據(jù)。

1 工程概況

某擬建工程場(chǎng)地為7、8、9號(hào)樓分布范圍，地上共33層，高度99.9 m，剪力墻結(jié)構(gòu)，下設(shè)地下室2層，基底平均壓力約為585 kPa?，F(xiàn)以開挖至基底樁口標(biāo)高，絕大部分場(chǎng)地地形平坦，8號(hào)樓建筑邊線位置有一定的高差，各鉆孔孔口標(biāo)高為480.1～484.0 m，相對(duì)高差3.9 m。場(chǎng)地靠近府河，外側(cè)為成都三環(huán)路，交通方便。場(chǎng)地在勘察過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該場(chǎng)地泥巖結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，巖土破碎，在樁內(nèi)還發(fā)育大量的溶蝕空洞，規(guī)模較大(圖1)。

圖1 場(chǎng)地平面示意

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及鉆探調(diào)查，場(chǎng)地內(nèi)地層按從上到下依次為第四系全新統(tǒng)卵石層()和白堊紀(jì)上統(tǒng)灌口組泥巖(K2g)。

(2)白堊紀(jì)上統(tǒng)灌口組泥巖(K2g)。場(chǎng)地基巖為河湖相的紅色泥巖，以泥巖為主，含膏巖層。泥巖中含有角礫巖，成分為泥巖碎塊，次生石膏膠結(jié)形成。

泥巖中風(fēng)化裂隙發(fā)育，含薄層石膏和鈣芒硝，易被溶蝕呈0.5～8 cm的溶蝕裂隙和蟲蛀狀溶孔。與淺部風(fēng)化裂隙相互連通后，易接受降水、地表水補(bǔ)給，利于儲(chǔ)集和運(yùn)移地下水。特別是在龍泉山背斜西北翼、蘇碼頭背斜兩翼的巖層，受構(gòu)造應(yīng)力作用較強(qiáng)區(qū)域，泥巖裂隙發(fā)育，連通性好，在地表匯水條件好時(shí)，可取得較豐富的地下水。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及施工勘察成果，場(chǎng)地范圍內(nèi)第四系地層下分布有一條隱伏斷裂，該隱伏斷裂為蘇碼頭斷裂帶西側(cè)的次生斷裂構(gòu)造，稱為“包江橋斷裂”，為壓扭性逆斷層。該斷裂南起雙流縣中和鎮(zhèn)一帶，經(jīng)成都市東郊，延至青龍場(chǎng)一帶消失?？傮w走向約為10～35°，傾向南東，傾角約8～12°，屬蘇碼頭斷裂發(fā)展期的局部壓扭性小斷裂，屬非活動(dòng)性斷裂。場(chǎng)地處于該斷裂帶的東(上)盤［4-6］(圖2)。

圖2 成都平原位置及構(gòu)造［3]

工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，場(chǎng)地底部為鉆探資料表明場(chǎng)地內(nèi)白堊系泥巖等巖體在地質(zhì)構(gòu)造作用下破碎強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，有角礫巖出露，為地下水的運(yùn)移提供了良好的通道。沿裂隙形成溶蝕裂隙，在裂隙交叉的部位容易形成溶洞。

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，場(chǎng)地及周邊地區(qū)地下水類型分為成都平原第四系松散堆積孔隙水和紅層砂、礫、泥巖孔隙裂隙水。

成都平原第四系松散堆積孔隙水劃分為：(1)全新統(tǒng)沖洪積沙礫卵石孔隙潛水含水層；(2)上更新統(tǒng)冰水—流水堆積含泥沙礫石孔隙潛水含水層；(3)中下更新統(tǒng)冰水—流水含泥沙礫石孔隙含水層。

紅層砂、礫、泥巖孔隙裂隙水這一類型地下水水量一般較貧乏。白堊系下統(tǒng)、侏羅系中—上統(tǒng)地層為砂、泥巖互層，泥巖裂隙不發(fā)育，砂巖裂隙率0.3%～5.5%，因而富水性較差，泉水流量?jī)H為0.01～0.2 L/s。白堊系中—上統(tǒng)灌口組、夾關(guān)組以泥巖為主，夾薄層細(xì)砂巖和泥質(zhì)膠結(jié)的細(xì)砂巖。泥巖中風(fēng)化裂隙發(fā)育，含薄層石膏和鈣芒硝，易被溶蝕呈0.5～8 cm的溶隙和蟲蛀狀溶孔，與淺部風(fēng)化裂隙相互連通后，易接受降水、地表水補(bǔ)給，利于儲(chǔ)集和運(yùn)移地下水。特別是在龍泉山背斜西北翼、蘇碼頭背斜兩翼的巖層，受構(gòu)造應(yīng)力作用較強(qiáng)區(qū)域，沙、泥巖裂隙發(fā)育，連通性好，在地表匯水條件好時(shí)，可取得較豐富的地下水［4-6］。

勘察區(qū)間，因受相鄰場(chǎng)地施工降水影響，所測(cè)地下水位變化較大，勘探結(jié)束后，測(cè)得孔隙潛水穩(wěn)定水位埋深5.6～7.5 m，標(biāo)高為481.86～482.22 m。本次勘察為豐水期，場(chǎng)地豐水期正常水位埋深約2.0～3.0 m，相應(yīng)標(biāo)高為486.50 m左右。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，成都地區(qū)孔隙潛水位年變化幅度為1.5～2.0 m。

2.3.1 河水作用

在場(chǎng)地影響范圍內(nèi)，場(chǎng)地距離府河直線距離80 m，府河水位在486.38～485.73 m。由于場(chǎng)地下部基巖裂隙發(fā)育，府河水與場(chǎng)地水質(zhì)具有連通效應(yīng)，基巖裂隙水、卵石層孔隙水都具有很強(qiáng)連通。由于有府河水的穩(wěn)定水源補(bǔ)給，場(chǎng)地水位降至一定標(biāo)高后基本穩(wěn)定不變，同時(shí)場(chǎng)地的基巖裂隙內(nèi)，特別是含石膏層內(nèi)的裂隙水含量豐富，水量大，連通性好，為穩(wěn)定的地下水源區(qū)。

2.3.2 人工降水

在施工勘探時(shí)，該場(chǎng)地在進(jìn)行施工降水，采用管井法結(jié)合挖孔樁內(nèi)抽水法。據(jù)施工單位介紹，在采用上述辦法仍不能有效降低地下水至12.0 m以下。

在2011年4月26日22：00時(shí)停止降水11 h(27日9：00時(shí))后，地下水回升至挖孔樁口下0.8 m左右(絕對(duì)標(biāo)高約479.7 m)，隨即恢復(fù)降水工作。據(jù)施工單位介紹，每日抽水量約2 500 t，兩天后水位下降至挖孔樁口5.0 m左右(絕對(duì)標(biāo)高約475.5 m)。7、8、9號(hào)樓水位變化比較均勻，且?guī)缀跆幱诮y(tǒng)一標(biāo)高。據(jù)此推測(cè)：基巖內(nèi)裂隙于第四系砂卵石層中的孔隙潛水聯(lián)通性較好，為硫酸鹽類的融蝕提供了有利的通道條件。

2.4 不良地質(zhì)現(xiàn)象

場(chǎng)地存在的地質(zhì)物理現(xiàn)象主要為場(chǎng)地泥巖溶蝕空洞，溶蝕空洞范圍較大，形成的溶蝕空洞大小不一，但溶蝕的規(guī)模較大，一般的溶蝕規(guī)模不具有可比性，同時(shí)溶蝕空洞具有一定的連通性。

3 綜合技術(shù)手段對(duì)場(chǎng)地空洞的發(fā)育特征調(diào)查

3.1 場(chǎng)地勘探手段發(fā)現(xiàn)空洞

根據(jù)建筑物的最初基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)，在開挖基礎(chǔ)樁的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)樁內(nèi)泥巖結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，巖土破碎，在樁內(nèi)還發(fā)育大量的溶蝕空洞，規(guī)模較大。通過(guò)對(duì)場(chǎng)地的一樁一孔的勘探，場(chǎng)地溶蝕空洞發(fā)育，最主要發(fā)育在7、8、9號(hào)樓。

本場(chǎng)地共進(jìn)行了一樁一孔的施工勘察共226個(gè)施工孔樁，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有67個(gè)孔樁發(fā)現(xiàn)有溶蝕空洞，占到29.65%。所揭露的溶洞的發(fā)育規(guī)模大小不一，部分溶洞發(fā)育規(guī)模較大，達(dá)到8.4 m。部分溶洞及溶隙呈串珠狀發(fā)育，大多為空洞，少數(shù)為半充填，充填物為紅褐色細(xì)砂等溶蝕物質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)高，溶蝕空洞位置基本上發(fā)育在樁身及樁底附近。

根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)溶洞發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)(表1)，揭露的67個(gè)溶洞多發(fā)育在地下10～15 m的深度內(nèi)，其中約65.67%的溶洞埋深為10～15 m，34.33%的溶洞埋深為0～10 m。對(duì)鉆探溶洞按照發(fā)育深度及大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中小型溶洞和大型溶洞相對(duì)發(fā)育，占到52.70%和20.95%，而中型及中偏大型分別占到14.86%和11.49%(表2)。

表1 鉆探孔中溶洞發(fā)育統(tǒng)計(jì)

表2 場(chǎng)地內(nèi)一樁一孔溶洞發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，本場(chǎng)地內(nèi)溶洞高度在0.3～8.4 m之間，平均溶洞高為1.65 m左右。其中7號(hào)樓最大溶洞為8.4 m凈高，最小為0.3 m凈高；8號(hào)樓最大溶洞為4.4 m凈高，最小為0.3 m凈高；9號(hào)樓最大為8.4 m凈高，最小為0.3 m的凈高。根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)溶洞的高度，若將溶洞分成大型溶洞(洞高≥2 m)、中偏大型溶洞(1.5 m≤洞高＜2 m)、中型溶洞(1 m≤洞高＜1.5 m)和小型溶洞(洞高＜1 m)4類，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，場(chǎng)地內(nèi)溶洞以小型為主，占溶洞總數(shù)的46.03%；其次為中型溶洞和大型溶洞，分別占總數(shù)的30.16% 和22.22%；中偏大型溶洞占總數(shù)的7.94%。

3.2 高密度電法調(diào)查空洞

通過(guò)對(duì)建筑場(chǎng)地7、8、9號(hào)樓場(chǎng)地存在大量溶蝕空洞，其中7號(hào)樓和9號(hào)樓發(fā)育最為嚴(yán)重。工程中采用了勘察方法主要為高密度電法進(jìn)行勘察，采用高密度的測(cè)點(diǎn)，一次性布設(shè)幾十根乃至上百根電極，并按一定的電極排列方式進(jìn)行觀測(cè)。在資料處理上使用瑞典RES2DINV軟件進(jìn)行分析，首先將表層受地形影響的壞點(diǎn)剔除，采用最小二乘法進(jìn)行多次反演，最后得出高密度電法色譜圖，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，對(duì)異常進(jìn)行合理判斷。根據(jù)此方法，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行勘探線布置及物探成果見圖3。

圖3 勘探線布置及成果分布

勘探成果表明，建筑地基下伏空洞總體連通性不強(qiáng)，呈隨機(jī)分布，且大小不一。

由于電磁干擾，地形條件惡劣及地表地質(zhì)體的電性不均勻分布以及其他不利因素影響，會(huì)造成反演結(jié)果的視電阻率、反演深度甚至是地下地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)和形態(tài)與地下真實(shí)情況存在較大差異。因此本次工作采用一定交叉和重復(fù)的測(cè)網(wǎng)模式，來(lái)保證物探成果資料質(zhì)量可靠，物性參數(shù)正確，更便于綜合分析。

為了更準(zhǔn)確的了解場(chǎng)地溶洞的發(fā)育特征，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行物探工程(圖4)，對(duì)核實(shí)場(chǎng)地溶洞的發(fā)育分布的大致范圍，掌握異常位置，為進(jìn)一步核實(shí)溶洞的發(fā)育規(guī)律。

圖4 場(chǎng)地異物探異常區(qū)

3.3 鉆探手段核實(shí)空洞空間位置

根據(jù)對(duì)物探探明場(chǎng)地溶蝕空洞區(qū)，采用XY-1型鉆機(jī)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行鉆探核實(shí)。通過(guò)鉆探孔的勘探表明，溶洞最大規(guī)模達(dá)到14.1 m，最小的為0.3 m，與一樁一孔的施工勘察基本吻合。從表3可見場(chǎng)地巖溶發(fā)育大小不均，分別鉆探深度范圍內(nèi)，從孔底標(biāo)高以下，在5～15 m發(fā)育較多，在0～5 m、15～25 m發(fā)育較少，由此可見受溶蝕嚴(yán)重的部分深度范圍在泥巖強(qiáng)風(fēng)化內(nèi)，同時(shí)巖土也相對(duì)破碎。

表3 場(chǎng)地內(nèi)鉆探孔溶洞發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)

3.4 全孔壁數(shù)字成像分析的溶蝕特性

通過(guò)對(duì)鉆孔溶蝕空洞的統(tǒng)計(jì)及鉆孔巖心存在溶蝕空洞的分析，場(chǎng)地在10～15 m間存在較為嚴(yán)重的溶蝕，其中部分深度較深或處于較淺位置。全孔壁數(shù)字成像表明，場(chǎng)地中存在由硫酸鹽溶融形成的空洞在場(chǎng)地分布存在多層，局部溶洞存在連通。而場(chǎng)地溶蝕嚴(yán)重，溶蝕具有一定的連續(xù)性(圖5)。

從影像資料整理，鉆孔中巖心溶蝕呈45°的溶蝕，半橢圓型，形如刀割狀。進(jìn)一步對(duì)全孔壁數(shù)字成像溶蝕空洞的統(tǒng)計(jì)分析，場(chǎng)地鉆孔溶蝕深度主要在10～15 m間存在較為嚴(yán)重的溶蝕，其中局部存在輕微溶蝕，如表4所示。

3.5 地下水對(duì)場(chǎng)地溶蝕的作用

鉆探資料表明基巖內(nèi)溶孔、溶洞、溶蝕裂隙十分發(fā)育，這些通道有利于巖溶裂隙水的儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)；鉆探終孔后穩(wěn)定水位與初見水位變化不大，表明松散巖類孔隙水與巖溶裂隙水有較強(qiáng)的水力聯(lián)系。此外，在部分溶洞內(nèi)分布有紅褐色粉質(zhì)黏土等充填物，且多呈半充填狀態(tài)，也表明巖溶裂隙水與松散巖類孔隙潛水之間有較強(qiáng)的水動(dòng)力聯(lián)系。

圖5 22號(hào)孔三維成像溶蝕柱狀

表4 全孔壁數(shù)字成像成圖鉆孔溶蝕深度統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)勘察區(qū)間水體進(jìn)行水質(zhì)分析，宏觀上分析，府河水中的Mg2+離子摩爾當(dāng)量百分比相對(duì)較高，總硬度較小，水質(zhì)類型為HCO3--Ca2+·Mg2+·Na1+型水，顯示了典型的地表水特征。而7號(hào)樓、9號(hào)樓Mg2+陽(yáng)離子摩爾當(dāng)量百分比較小，水質(zhì)類型為SO42--Ca2+·Na1+型，顯示了與石膏巖充分溶解后的水及深循環(huán)地下水的特征。從微觀上分析，7號(hào)樓的21、24、37號(hào)孔及9號(hào)樓的77號(hào)孔總硬度較小，顯示了地表水進(jìn)入后混合老巖溶水的特征?？梢?，場(chǎng)地地下水具有流動(dòng)性(表5)。

4 工程處理措施

在掌握巖溶土洞的分布規(guī)律和發(fā)育情況的條件下，應(yīng)盡量避開強(qiáng)烈發(fā)育地段。對(duì)一般巖溶土洞地段，也必須通過(guò)場(chǎng)地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，確定其對(duì)建筑物的危害程度，必要時(shí)應(yīng)采取可靠的處理措施，以保證建筑物安全使用。此外，在巖溶地區(qū)與建筑物地基穩(wěn)定性密切相關(guān)的地下水宜疏不宜堵。

如果建筑場(chǎng)地和地基經(jīng)過(guò)工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，屬于不穩(wěn)定的巖溶地基，又不能避開，就必須進(jìn)行認(rèn)真的處理。應(yīng)根據(jù)巖溶的形態(tài)、工程要求和施工條件等，因地制宜地選擇處理措施。

對(duì)于溶蝕空洞的治理，一方面要對(duì)溶蝕性水體進(jìn)行封閉或者減少水力梯度，減小其對(duì)場(chǎng)地巖體的腐蝕；一方面對(duì)溶蝕空洞進(jìn)行封填，防止水體進(jìn)一步溶蝕。本場(chǎng)地的防治措施如下：

表5 勘察區(qū)間場(chǎng)地地下水水質(zhì)分析

(1)對(duì)于本工程施工開挖出的孔樁暴露出石膏應(yīng)在回填過(guò)程中用防腐蝕材料進(jìn)行嚴(yán)格封閉。對(duì)場(chǎng)地中較深，空洞較大的距離樁底較近的應(yīng)加深開挖封閉。

(2)在該地層上修建水工建筑物的過(guò)程中應(yīng)使用抗腐蝕性材料，特別是抗硫酸鹽腐蝕的混凝土，對(duì)混凝土的抗腐蝕性應(yīng)做出針對(duì)性設(shè)計(jì)。

(3)改變場(chǎng)地徑流特征，減少溶蝕水對(duì)場(chǎng)地地層的影響，對(duì)溶蝕空洞進(jìn)行封閉回填，并采用灌漿等方式增加徑流路徑。

(4)改變場(chǎng)地持力層基礎(chǔ)形成，對(duì)場(chǎng)地地基進(jìn)行處理(大直徑素混凝土樁復(fù)合地基等)或采用樁基(鉆孔灌注樁等)等適宜的基礎(chǔ)形式，以保證建筑物的安全。

5 結(jié)論與建議

(1)場(chǎng)地巖溶發(fā)育，溶蝕嚴(yán)重，溶洞連通性不強(qiáng)，呈隨機(jī)分布，且大小不一。有的規(guī)模巨大，有的規(guī)模較小，但整體上規(guī)模小的埋深較淺，規(guī)模較大的溶蝕土洞，一般埋深較大。

(2)場(chǎng)地內(nèi)存在不良地質(zhì)現(xiàn)象，存在大量溶洞，范圍較大，溶洞發(fā)育不規(guī)律，存在多變性，部分規(guī)模較大，具有連通性。整體上溶洞發(fā)育大小不一，存在多層發(fā)育，且深度不一，集中在10～15 m間，其余深度也存在溶洞，部分深度較深。巖體溶蝕主要是侵蝕性水與可溶蝕性巖造成。

(3)本場(chǎng)地屬于樁筏基礎(chǔ)地基，而擬建建筑物為高層建筑，對(duì)地基穩(wěn)定性要求較高，為石膏質(zhì)泥巖層存在溶蝕空洞，基礎(chǔ)不能坐落在泥巖溶蝕空洞上，必須對(duì)其進(jìn)行治理。

(4)場(chǎng)地內(nèi)地下水動(dòng)力條件復(fù)雜，巖溶平面發(fā)育不均，且存在形成土洞的工程地質(zhì)條件，對(duì)擬建建筑的穩(wěn)定性影響較大，需根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)場(chǎng)地地基進(jìn)行處理(大直徑素混凝土樁復(fù)合地基等)或采用樁基(鉆孔灌注樁等)等適宜的基礎(chǔ)形式，以保證建筑物的安全。同時(shí)對(duì)場(chǎng)地存在的溶蝕性空洞進(jìn)行封閉回填，增加水體的滲流路徑，減小水力梯度。

(5)建議對(duì)于場(chǎng)地存在的溶蝕空洞采用灌填法和挖孔墩樁進(jìn)行處理。即建議采用大直徑混凝土灌注置換樁復(fù)合地基處理，較為適宜。同時(shí)為進(jìn)一步節(jié)約工期和造價(jià)，結(jié)合工程情況考慮采用旋挖機(jī)械成樁工藝，對(duì)空洞應(yīng)另做專項(xiàng)處理。