深度探讨岩溶地区工程地质勘察的合理方法

2023-01-16

岩溶又名喀斯特, 是可溶性岩层 (石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等) 以被水溶解为主要的化学溶蚀作用, 并伴随以机械作用而形成沟槽、裂隙、洞穴等一系列现象和作用的总称。我国的岩溶地区分布十分广泛, 以广西、四川、云南、贵州最为发育, 其余如湖南、广东、浙江、江苏、山东、山西等地均存在规模大小不同的岩溶地区。由于地表水和地下水的溶蚀作用, 发育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态, 破坏了岩石的完整性, 大幅度地降低了岩石的强度和稳定性, 从而影响着建筑物的安全。另外, 岩溶的发育给工程建设带来了一定的复杂性。而岩溶问题与许多工程有关, 诸如水利水电工程、公路和铁路工程、桥梁工程、工业与民用建筑工程、地质灾害的防治与环境保护工程、旅游资源的综合开发工程等等。由此可见岩溶与工程建设的关系十分密切。在岩溶地区首先掌握岩溶的形态特征、发育规律及分布状况, 认识不同岩溶作用的特点, 以便充分利用有利条件, 对不利因素采取相应的措施, 确保建筑物的基础可靠地建立在岩溶体上, 这是一项非常有意义的工作。

1 研究的现状

由于岩溶发育的不均一性和复杂性, 随着桩基础在岩溶地区的普遍应用, 使勘察、设计、施工都面临着许多新问题。有不少工作者已经在这些方面总结出很多工程建设实践经验, 一些学者也做了不少的研究工作。例如, 对溶洞顶板稳定性的研究, 有学者提出了视溶洞顶板为梁板 (悬臂梁、简支梁、两端固定梁) 、塌落拱、压力拱等的溶洞顶板稳定厚度计算方法;有学者根据弹性体内存在孔洞, 在双向均匀应力场的作用下孔洞边界上的应力集中现象, 按椭圆形水平坑道的计算公式求解溶洞周边的切向应力, 以此来判断溶洞顶板的稳定性, 有学者用平面问题的有限单元法对溶洞进行应力分析。有学者采用有限元——无界元耦合分析的方法, 对岩溶临空面稳定性进行了研究。有学者对覆盖型岩溶区的桩基础稳定性进行评价。本文通过调查收集资料, 并对这些资料进行整理、分析和研究, 总结出岩溶地区工程地质勘察的合理方法。

从空间问题角度, 在理论上为溶洞顶板稳定性的分析以及桩基嵌岩临界深度问题提供一条研究途径。

2 岩溶工程地质合理的勘察方法

不同地质时代的可溶性岩层, 在漫长的地质作用下形成的岩溶形态千差万别, 错综复杂, 如溶洞、溶沟、溶槽、地下暗河等。由于岩溶在空间上发育的不均一性, 造成岩溶地区的地质情况非常复杂, 因此在进行岩溶勘察时, 仅靠传统的地质方法 (如槽探、坑探) 难以得到满意结果。因为对岩溶认识不足勘察方法不对路, 工程处理不当, 在一些城市 (如济南、广州、南海等) 发生了工程失误现象, 造成极大的损失, 因而了解岩溶地区的地质, 查清地下岩溶的分布情况, 为工程提供可靠的地质资料是至关重要的。由此可见, 岩溶地区工程地质勘察有着十分重要的作用, 而合理的勘察方法也就成为人们所关注的问题。本文通过广泛地收集工程资料和前人的研究资料, 对这些资料进行整理、分析和研究, 总结出适用于岩溶地区工程地质勘察的方法, 如钻探、遥感技术、地球物理勘探、静力触探等。现分述如下。

2.1 钻探

钻探是广泛应用于工程地质勘察的勘探手段。除地形条件对机具安置有影响外, 几乎任何条件下均可使用钻探方法。钻探工作的目的是要了解一定深度范围内的岩溶发育情况, 尤其当地表无岩溶现象或有覆盖层时, 要在地质调查和物探成果的基础上, 结合工程要求去指导钻孔布置。工程地质勘察中使用的钻探方法较多, 因而要根据具体情况选用适宜的钻探方法, 此外, 为了利用钻孔更好地了解地下地质情况, 配合钻探, 往往要进行钻孔压水试验或抽水试验等水文地质工作。条件允许时, 还可采用物探测井、钻孔摄影、井下电视等技术手段, 以配合了解钻孔周围的地质情况。

2.2 遥感技术的应用

遥感技术是根据电磁辐射的理论, 应用现代技术中的各种探测器, 对远距离目标辐射来的电磁波信息进行接受, 传送到地面接收站加工处理成遥感资料 (图象或数据) 用来探测识别目标物的整个过程。它是建立在现代物理学、数学、电子计算机技术和地学规律基础之上的。具有调查面积大, 重复性好等特点, 遥感图像能宏观而真实地反映地表特征和各种地质现象的空间关系, 遥感影像视域广阔、信息量大, 在识别岩溶地貌形态、岩溶层组划分及地质构造特征等方面, 具有其它勘测方法所不及的优点, 尤其更适用于我国南方裸露型岩溶地区。

地球资源卫星遥感 (MSS.TM, SPOT) 、航空遥感、热红外遥感、侧视雷达遥感等, 在70年代引进我国以后, 被广泛应用于岩溶地区工程地质勘察。遥感在新建铁路选线、水利水电工程区域稳定性评价、岩溶水库渗漏分析等方面都发挥了重要作用, 在红水河、清江流域规划和大瑶山铁路隧道选线中获得了较好的效果。

2.3 地球物理勘探

地球物理勘探 (简称物探) 理场的各种参数进行地质解译, 是通过获得天然的或人工的物具有一定的“透视性”。它不仅可以在地面测量, 而且可以在地下测量 (例如在钻孔中、中或其间) 以及地下 (钻孔勘察所研究空间的岩溶分布、隧道等) 与地面之间的测量隧道

以洞穴进行探测。由于信息技术特别适用于对岩体中复杂的岩溶、电子计算机技术的引进, 使物探方法得到了很大的发展。目前, 适用于岩溶勘察的物探方法主要有电阻率法、微重力法、钻孔电磁波透视法、五极纵轴电测深法、地震层析成像技术、瞬变电磁法、地质雷达等。本文在总结资料的基础上, 对各种方法的优缺点、勘察效果和适用条件如表1所示。

由表1可以看出, 每一种方法的应用都有其应用的前提, 只有在满足前提条件下的勘察效果才会是好的。因此, 在确定使用何种方法之前, 正确地分析判断建筑场地的地质情况是非常重要的。同时, 根据大量实践的经验认为, 在不同的地质条件下, 进行不同的勘察, 采用综合物探, 可以取得更好的效果。从上述的总结可以看出, 将物探应用到工程地质勘察中, 能降低勘察成本缩短勘察工期, 提高勘察工作质量。尽管如此, 我们还是不能忽略钻探作为最基本的工程地质勘察的勘探手段所发挥的重要作用。如柳州市银都大厦所处的位置是典型的岩溶发育区, 因为存在一种错误的观念认为钻探是“一孔之见”, 所以不相信钻探, 于是出现了用物探替代设计要求的孔底作超前钻孔检测基岩情况的决策失误, 结果导致做补充勘察和补强基础, 造成工期延长, 投资增大。每种方法都有各自的优缺点及适用条件, 应取长补短, 互为补充。大量的工程实践表明, 物探定性配合钻探定量能更好地了解工程地质情况, 为设计提供准确的依据。

2.4 静力触探

静力触探手段在工程地质勘察中主要是用来确定软土、粘性土和砂类土的承载力。把静力触探用于覆盖型岩溶工程地质勘察, 在长 (春) 大 (连) 铁路瓦房店路基塌陷病害整治工程提供了实践经验。在一定的地层条件下, 静力触探手段解决了其他勘探手段未能解决的问题, 取得了良好的效果。在覆盖型岩溶工程地质勘察中, 静力触探手段主要是查明第四系覆盖层中有无隐蔽土洞存在;土洞的规模及埋藏位置;疏松裂隙带的分布及其范围等。其方法是:在依据钻探物探资料进行了初步稳定性分区的基础上有针对性的布置静力触探孔, 结合具体情况, 解释静力触探PS-h (PS:贯入阻力, h:探测深度) , 有是否出现异常值来推测有无土洞或裂隙带。静力触探方法得到的成果分析资料的准确性和可靠性, 在勘探期间和紧接着的设计与施工中, 都得到充分的证实。

覆盖型岩溶工程地质勘察, 在钻探、物探手段受到技术上和经济上的限制以及场地的限制, 无法满足要求时, 为了探明覆盖层中潜蚀作用的分布范围和强度, 可以采用静力触探方法。根据不同勘察设计阶段、不同工程性质及地层条件, 在综合勘探中合理使用静力触探手段可以提高勘测质量、缩短勘测周期。通过静力触探与地质雷达相结合来探明土层中隐伏土洞与扰动土层的效果显著。

摘要：本文基于笔者多年从事工程勘察的相关工作经验, 从西南地区常见的岩溶地质出发, 探讨了岩溶地区工程地质勘察的方法, 论文研究探讨了钻探, 遥感技术等四种新方法, 全文是笔者长期工作基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：岩溶地区,工程地质勘察,地球物理,勘探