岩溶工程防治实例-工程地质与土工试验检测

一、工作任务

通过岩溶及其工程防治知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）理解岩溶的形态特征及其危害。

（2）掌握岩溶发育的基本条件和影响因素。

（3）掌握岩溶区主要工程地质问题及防治措施。

二、相关配套知识

（一）岩溶的概念

岩溶指地表水和地下水对可溶性岩石进行以溶蚀为主的作用所形成的地表和地下形态的总称，又称岩溶地貌。它以溶蚀作用为主，还包括流水的冲蚀、潜蚀，以及坍塌等机械侵蚀过程，这种作用及其产生的现象统称为喀斯特。

中国喀斯特地貌分布广、面积大，其中在桂、黔、滇、川东南、鄂西、湘西、粤北等地连片分布的就达 55 万平方千米，其中广西桂林山水、云南路南石林以形态奇特、景观优美闻名于世。

在岩溶地区，由于地上地下的岩溶形态复杂多变，给道路测设定位带来了相当大的困难。现有的公路、铁路会因地下水的涌出、地面水的泄水通道被阻塞而导致路基水毁；或因溶洞的坍顶，引起地面路基坍陷、下沉或开裂。但有时可利用某些形态，如利用“天生桥”跨越河道、沟谷、洼地，利用暗河、溶洞以扩建隧道。因此，在岩溶区修建道路，应认真勘察岩溶发育的程度和岩溶形态的空间分布规律，以便充分利用某些可利用的岩溶形态，避让或防治岩溶病害对路线布局和路基稳定造成的不良影响。

（二）岩溶的形态特征

在碳酸盐岩分布地区，溶蚀作用在地表和地下形成的一系列溶蚀现象称岩溶的形态特征。常见的有：

1.溶沟与石芽

地表水流沿着可溶性岩体坡面上的节理裂隙流动，溶蚀和冲蚀出纵横交错的凹槽和坑洼，凹槽为溶沟，沟间的突起为石芽。质纯层厚的石灰岩地区可形成非常高大的石芽，称为石林。

2.漏斗和落水洞

漏斗是岩溶发育地区的一种漏斗状洼地，平面为圆形或椭圆形，直径一般为数米至数十米，深数米至数十米。漏斗是地表水沿岩石裂隙下渗过程中，逐步溶蚀岩石，使上部岩石顶板塌落而形成的，故其底部常有坍塌物或流水带来的物质的堆积。

落水洞是流水沿裂隙进行溶蚀、机械侵蚀以及塌陷形成的近于垂直的洞穴，是地表水进入地下深处和地下河的通道，其形态不一，深度可达十几米到几十米，甚至达百余米。中国各地对落水洞称谓有无底洞、消水洞等名称。落水洞进一步向下发育，形成近于垂直的井状管道，称为竖井，又称天然井。

3.溶蚀洼地和坡立谷

由溶蚀作用为主形成的一种封闭、半封闭洼地称溶蚀洼地。其周围被石灰岩山丘包围，底部常附生着漏斗。溶蚀洼地也可由漏斗群不断扩大汇合而成，面积一般只有几平方千米到几十平方千米，洼地底部有厚约2～3 m的红土覆盖，上面常有耕地分布。

坡立谷是一种大型封闭洼地，也称溶蚀盆地。面积由数平方千米至数百平方千米，进一步发展则成溶蚀平原。坡立谷谷底平坦，常有较厚的第四纪沉积物，谷周为陡峻斜坡，谷内有岩溶泉水形成的地表流水至落水洞又降至地下，故谷内常有沼泽、湿地或小型湖泊。

4.干谷和盲谷

当地面河流某一段被地下伏流所袭夺，这一段河谷就变成了没有水的干谷。当地面河进入地下河入口而转变为暗河时，河谷的前方常为石灰岩壁所阻，岩壁的脚下是地下河入口，这种向前没有通路的河谷就叫盲谷。

5.溶 洞

溶洞是地下水沿可溶性岩体的各种构造面（层面、节理面或断裂面），特别是沿着各种构造面互相交叉的地方，逐渐溶蚀和侵蚀而开拓出来的地下洞室。当地下孔洞较小时，地下水运动缓慢，主要的作用是溶蚀。随着孔洞的不断扩大，地下水的运动随之加快，除溶蚀作用外，还产生机械侵蚀作用，地下通道因而迅速扩大。溶洞内常发育石钟乳、石笋和石柱等。规模较大的溶洞长达数十千米，洞内宽如大厅，窄处似长廊。

6.暗河与天生桥

岩溶地区地下沿水平溶洞流动的河流称为暗河。它是岩溶地区地下水汇集、排泄的主要通道。近地表的溶洞或暗河顶板塌陷，有时残留一段呈桥状形态的洞顶，称天生桥。

（三）岩溶发育的基本条件和影响因素

1.岩溶发育的基本条件

岩溶发育必须具备以下4个条件：

1）可溶岩层的存在

可溶性岩层是岩溶发育的物质条件，可溶性岩石有3类：碳酸盐类岩石（石灰岩、白云岩、泥灰岩等）、硫酸盐类岩石（石膏、硬石膏和芒硝）、卤素盐类岩石（钾、钠、镁盐岩石等）。岩石的可溶性取决于岩石的岩性。纯石灰岩地区的岩溶最为发育。

2）可溶岩必须是透水的

碳酸盐岩具原生孔隙和构造裂隙，才能使水进入岩层内部进行溶蚀。

3）具有侵蚀能力的水

水的溶蚀能力与水中CO2含量密切相关。纯水几乎不能溶解石灰岩，当水中CO2增加时，其溶解能力大大提高。由于水中 CO2主要来源于土壤层中的微生物，因此岩溶强度随深度增加而变弱。此外随着水温增高，进入水中的 CO2扩散速度增大，使岩溶加强，故热带石灰岩溶蚀速度比温带、寒带快。

4）岩溶水的运动与循环

岩溶地区地下水的循环与交替运动是造成岩溶的必要条件。岩溶水随深度不同有不同的运动特征及作用结果。从地面往下分别为：

（1）垂直循环带。此带位于地面以下、潜水面之上。平时无水，降雨时地表水沿裂隙向下渗流，侵蚀岩层中的裂隙，形成竖向的漏斗、落水洞和竖井等岩溶形态。(www.xing528.com)

（2）过渡循环带。此带位于垂直循环带与水平循环带之间，潜水面随季节而变化。雨季潜水面升高，此带变为水平循环带的一部分，旱季潜水面下降，此带又变为垂直循环带的一部分，是两者之间的一个过渡带。此带既发育有竖向的岩溶形态，又发育有水平的岩溶形态。由于岩层裂隙随深度增加而减少，此带以水平岩溶形态为主。

（3）水平循环带。此带介于地下潜水最高水位与最低水位之间。高水位时地下水以水平运动为主，低水位时以垂直运动为主，因此，此带内既有垂直溶洞也有水平溶洞发育。

（4）深部循环带。此带位于地下深处，在水平循环带之下，由于地层的裂隙极不发育，地下水的运动也很缓慢，因此，这一带的岩溶作用是很微弱的，多为蜂窝状的溶孔。

2.影响岩溶发育的因素

影响岩溶发育的因素很多，除上述基本条件外，岩溶发育还受岩层产状、地质构造和地壳运动的控制。

1）岩层产状的影响

可溶岩和非可溶岩的相互位置及产状对可溶岩中是否有岩溶发育有重要影响。例如：接近水平产状的可溶岩，其上若有不透水的非可溶岩覆盖，则可溶岩中无岩溶发育；反之，若可溶岩在非可溶岩之上，则地下水透过可溶岩在底部被阻，沿两者接触面流动，岩溶多发生在可溶岩下部岩石中。

岩层产状陡倾甚至直立时，可溶岩与非可溶岩相间排列，则两者接触面附近的可溶岩受溶蚀作用强烈，常有一系列漏斗、落水洞及岩溶泉出露。

2）地质构造的影响

褶曲、节理和断层等地质构造控制着地下水的流动通道，地质构造不同，岩溶发育的形态、部位及程度都不同。

背斜轴部张节理发育，地表水沿张节理下渗，多形成漏斗、落水洞、竖井等垂直洞穴。

向斜轴部属于岩溶水的聚水区，两翼地下水集中到轴部并沿轴向流动，故水平溶洞及暗河是其主要形态。此外，向斜轴部也有各种垂直裂隙，故也会形成陷穴、漏斗、落水洞等垂直岩溶形态。

褶曲翼部是水循环强烈地段，岩溶一般均较发育，尤以邻近向斜轴部时为最甚。

断层破碎带，结构松散，缺乏胶结，有利于地下水渗透溶解，是岩溶强烈发育地带。

3）地壳运动的影响

正如河流的侵蚀作用受侵蚀基准面控制一样，地下水对可溶岩的溶蚀作用同样受侵蚀基准面的控制。而侵蚀基准面的改变则由地壳升降运动所决定。因此，地壳相对上升、侵蚀基准面相对下降时，岩溶以下蚀作用为主，形成垂直的岩溶形态；而地壳相对稳定、侵蚀基准面一段时间也相对不变时，地下水以水平运动为主，形成较大的水平溶洞。地壳升降和稳定呈间歇交替变化，垂直和水平溶洞形态也交替变化。水平溶洞成层发育，每层溶洞的水平高程与当地河流阶地高程相对应，是该区地壳某个稳定时期的产物。

（四）岩溶区的主要工程地质问题

岩溶对建筑物稳定性和安全性有很大影响。在岩溶发育地区进行工程建设，经常遇到的工程地质问题主要是地基塌陷、不均匀下沉和基坑、洞室涌水等。

1.地基塌陷问题

岩溶发育地区，由于岩体内部常有暗河、溶洞，当溶洞的规模大、埋深浅、溶洞顶板承受不了上覆建筑物的载荷时，就会出现溶洞顶板坍塌、地基失稳，使建筑物遭到破坏。

2.不均匀下沉问题

由于地表岩溶作用，石灰岩表层溶沟发育，纵横交错的溶沟之间多残留有锥状或尖棱状的石芽，使石灰岩基面高低不平，形成石芽地基。石芽间的溶沟又常被土充填，造成岩溶区的土层厚度变化大，孔隙比高，强度较低，压缩性较高，易引起地基的不均匀沉降而影响建筑物的稳定性。因此，在石芽地基上修建建筑物时，必须查清基岩的埋深、起伏情况、覆盖土层的压缩性及石芽的强度。

3.洞室涌水

岩溶地区的岩体中有许多裂隙、暗河和溶洞，在进行基坑、隧道、水库、大坝等工程活动时，若挖穿了暗河或地表水下渗通道，则可能会遇到地下突然涌水而导致基坑、隧道等工程的排水困难甚至工程被淹没，也可能因岩溶渗漏而造成水库无法蓄水，给工程施工和使用造成重大损失和灾难。

（五）防治措施

对岩溶和岩溶水的处理措施可以归纳为堵塞、疏导、跨越、加固等几个方面。

1.堵 塞

对基本停止发展的干涸的溶洞，一般以堵塞为宜。如用片石堵塞路堑边坡上的溶洞，表面以浆砌片石封闭。对路基或桥基下埋藏较深的溶洞，一般可通过钻孔向洞内灌注水泥砂浆、混凝土、沥青等加以堵塞，提高其强度，见图3-16（a）。对位于洞室周边、路基基底的开口干溶洞，当溶洞的体积较小时，亦可用片石填塞或灌浆处理，见图3-16（b）。

2.疏 导

对经常有水或季节性有水的洞室工程，一般宜疏不宜堵，应采取因地制宜、因势利导的原则处理。路基上方的岩溶泉和冒水洞，宜采用排水沟将水截流至路基外。对于路基基底的岩溶泉和水洞，设置集水明沟或渗沟，将水排出路基。对隧道中的岩溶水，可集中引入隧道边沟或中心排水沟排出。水量过大时可用平行导坑排水。

3.跨 越

对位于路线下方的开口干溶洞，当溶洞的体积较大或深度较深时，可采用构造物跨越。对有顶板但顶板强度不足的干溶洞，可炸除顶板后进行回填，或设构造物跨越。对直径较小的深埋土洞，因其稳定性好，危害性小，可不处理洞体，而仅在洞顶上部采取梁板跨越。尤其是有暗河存在时，切不可盲目注浆填堵，阻塞水的通道。

4.清基加固

为防止基地溶洞的坍塌及岩溶水的渗漏，对靠近建筑物的溶洞，应予以加固。常见加固措施有：① 洞径大，洞内施工条件好时，可采用浆砌片石支墙、支柱等加固。② 深而小的溶洞不能使用洞内加固办法时，可采用石盖板或钢筋混凝土盖板加固洞口，见图3-16（c）。③ 对洞径小、顶板薄或岩层破碎的溶洞，可采用爆破顶板用片石回填的办法处理。④ 对于有充填物的溶洞，宜优先采用注浆法、旋喷法进行加固等。

图3-16 溶洞处理措施

在建筑物使用期间，应经常观测岩溶发育的方向，以防岩溶作用继续发生。