岩溶地区公路工程地质勘察报告

'西部交通建设科技项目合同号：2002-318-000-18岩溶地区公路工程地质勘察与综合评价技术研究研究报告简本贵州省交通规划勘察设计研究院长沙理工大学中国矿业大学中国科学院武汉岩土力学研究所2006年12月-15- 1引言岩溶又称喀斯特（karst），在我国广泛分布，约占我国国土面积的1/3，其中裸露岩溶区面积130万平方公里，主要集中在贵州、云南、广西等省区，仅就贵州省而言，岩溶区面积就占其总面积的74%，黄果树瀑布和织金洞等许多著名的风景旅游区都处在岩溶发育地区。随着西部大开发的顺利进行，在岩溶地区修筑的高等级公路越来越多，不可避免的会遇到溶洞群、塌陷区、地下水害等岩溶病害，这些病害易使路基、桥基、隧道发生变形、甚至破坏，从而降低公路及结构物的安全性和可靠性。如何发现岩溶、评价岩溶以及如何处置岩溶就成了公路建设中必须面对的问题。图1-1岩溶路基塌陷图1-2路堑边坡溶洞为了较好地解决这些问题，2002年交通部将“岩溶地区公路修筑技术研究”成套课题列为西部交通建设科技项目。该课题由贵州省交通厅主持，根据研究内容分为四个子题，其中“岩溶地区公路工程地质勘察与综合评价技术研究”为第一子题，其研究单位面向全国招标。贵州省交通规划勘察设计研究院联合长沙理工大学、中国矿业大学和中国科学院武汉岩土所组成联合体参加了该课题的竞标并中标。项目研究工作从2002年7月开始。在收集文献的基础上，-15- 重点对贵州和广西岩溶地区公路工程地质勘察面临的问题及对策进行了实体工程的考察和调研。按照合同要求和专家意见，结合岩溶地区公路工程的特点，项目组拟订了“突出重点，兼顾一般”的研究思路，选定沪瑞国道主干线贵州境镇宁至胜境关公路部分区段，玉屏至三穗公路青溪大桥作为主要依托工程，在了解碳酸岩的物性参数、物理力学性质的前提下，开展以地球物理勘探方法为重点的综合工程地质勘察技术研究，以隐伏岩溶洞穴顶板稳定性评价为重点的综合评价技术研究。通过项目研究，取得了10项研究成果，其中在6个方面有所创新，发表论文9篇，申请专利2项。-15- 2典型岩土工程特性可溶岩、可以溶解可溶岩的水以及CO2是岩溶发育的基本条件。岩溶分布主要受岩性、地质构造、地形、气候等多种因素综合影响。西南地区碳酸盐岩分布广泛，地貌类型丰富，发育了典型的岩溶地貌类型，从云贵高原的高原岩溶地貌特征到贵州中部、东部、东南部及湖南西部的丘陵过渡区，再到广西、广东的下游峰林平原地区，岩溶地貌类型齐全，不同的地貌环境背景决定了岩溶区公路建设的特殊性。岩溶根据岩溶埋藏条件，将岩溶分为裸露型、浅覆盖型、深覆盖型、埋藏型四类。项目以贵州省为依托，总结了岩溶地区碳酸盐岩、红粘土等典型岩土体物性参数、微观结构和物理力学性质，为岩溶地区公路建设的勘察评价提供了重要的基础资料。2.1碳酸盐岩工程特性项目组在室内测定了研究区7类典型碳酸盐岩、23组岩样的声波速度，总结了声波速度与岩石密度的关系，得出了灰岩中纵波和横波的传播速度大于白云岩、纵横波速比能区分碳酸盐岩岩性的结论；测定了4类典型碳酸盐岩、20组岩样的介电常数，总结介电常数与孔隙率、含水率的关系。图2-1岩石横、纵波速度与密度关系图2-2岩石纵、横波速比与泊松比关系归纳的试验成果可供设计、工程地质勘察人员参考。还碳酸盐岩。从测试结果可以明显看出，随着频率的增加，介电常数减小，尤其在25MHz左右最为明显。碳酸盐岩根据工程的要求，分别对灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩和白云岩、角砾状白云岩进行单轴压缩试验，-15- 岩石的应力应变曲线的形状大体上是类似的，一般可分为压密、弹性变形和向塑性变形过渡直到破坏这样3个阶段。图2-455、61、62岩样三轴试验曲线图2-3123#岩样单轴压缩试验曲线对于同一岩性的同一组三轴试验来说，低围压下，碳酸盐岩岩样的破坏应力低于高围压下岩样的破坏应力，随着围压的升高，达到破坏点的轴向应变值也相应增大，也就是说，围压高时，岩石破坏所需的应力更大，其相应的变形也越大。岩石裂隙微观形态的初步研究表明，显微研究与岩石力学实验的结果大体上是一致的，宏观与微观也是基本吻合的，但也存在着明显的差异。因此，鉴定微破裂的形态、力学性质、延伸与扩展性，判断原生孔隙、裂隙等在工程地质方面具有现实意义。2.2红粘土工程特性红粘土是一种超固结土，固结压力是在成土过程中，由溶蚀—交代形成的结构强度所决定的。残积红粘土是一种中—低压缩性土。红粘土工程特性在高含水量范围内主要受基质吸力控制，而随含水量的降低则更大程度的受控于土体的裂隙性，其转折点的位置在重型击实(干法备样)的最优含水量附近。残积红粘土的微观结构与矿物成分及其排列有极密切关系。残积红粘土颗粒具有水稳性。从微观上看，存在原生的方解石、白云石等碳酸盐岩矿物被粘土交代以及粘土矿物被铁矿物交代等演化现象。-15- 3工程地质勘察技术根据岩溶地区公路的特点，项目组针对不同勘察阶段勘察目的的不同，提出了不同勘察阶段优化的勘察技术组合方式以及勘探点、线、网的合理布置原则，创建了岩溶地区公路工程地质综合勘察技术体系，提高了效率，节省了成本。3.1工程地质勘察方法选择与要求根据公路工程建设的实际，岩溶地区公路工程地质勘察应该按四个勘察阶段来进行，即可行性研究勘察阶段、初步工程地质勘察阶段、详细工程地质勘察阶段和施工阶段岩溶勘察。项目针对岩溶地区公路建设复杂的环境条件，通过大量实体工程分析和依托工程验证，提出了工程地质调绘和钻探新的技术要求，明确了遥感图像中岩溶形态解译的典型特征，为现行《公路工程地质勘察规范》相关内容的修编提供了依据。图3-1镇宁至胜境关公路遥感图像课题组通过收集一些岩溶典型图像，结合中小比例尺野外调绘，对碳酸盐地层和典型岩溶形态的遥感影像特征进行了较为系统的总结，其研究成果已在“上海至瑞丽国道主干线贵州省镇宁至胜境关公路遥感工程地质调查报告”中得到了应用。-15- 钻探是工程地质勘察中普遍使用的有效手段，其揭示的资料是验证物探成果，评价场地、地基稳定性的主要依据。本次研究在总结前人研究成果的基础上，根据研究单位的经验，提出了岩溶地区公路工程地质钻探的一些基本要求。3.2地球物理勘探新技术应用研究3.2.1三维直流电法在岩溶地区公路勘察中首次应用三维直流电阻率法，实现了三维空间任意剖面的地质解释，提高了复杂条件下隐伏岩溶的勘察精度。图3-3试验点电极组合方式示意图图3-2试验点电极布置方案的示意图图3-4镇胜公路白泥洼Ⅰ号大桥三维电法野外试验现场及仪器（TMD）-15- 在电法勘探中，三维电法是上世纪九十年代在国际上兴起的一种新的方法，它将传统的单一断面接收变为多断面同时接收，从而多方位揭示异常地质体的特性，使单一断面成果的多解性减少，达到准确判断异常地质体性质的目的。本项目研究了三维电法在岩溶地区公路工程地质勘察中的应用，在镇宁至胜境关公路白泥洼Ⅰ号大桥的勘察中进行了试验。研究结果表明，对于地下异常较复杂的地区，可选择三维电法勘探。图3-5试验点YZ切面视电阻率分布（部分）3.2.2甚高频电磁波层析成像图3-6数值模拟的速度层析成像图3-7镇胜公路瓦窑大桥钻孔CT试验基于数值模拟、6个工程场地的试验，论证了甚高频电磁波相对介电常数和电阻率层析成像可以分辨出电性异常体的可能性和可靠性，结合甚高频电磁波速度和衰减、开发了“-15- 甚高频电磁波多参数层析成像技术”，编制相应的数据处理软件，以钻孔地质雷达作为主要仪器，总结出了单孔和跨孔甚高频电磁波层析成像的应用要点。解决了现有物探方法在溶洞及其充填物判断方面多解性的难题，不仅为岩溶地基稳定性的定量评价创造了条件，而且为岩溶顶板利用和岩溶洞穴处治提供了可靠依据。图3-8相对介电常数CT图图3-9相对电导率CT图3.3地球物理勘探方法综合应用研究采用数值模拟、实体模型试验等综合手段，研究了等偏移距剖面法、面波法、地质雷达法、电法等可用于浅部岩溶探测的重点物探方法对岩溶探测的适用性。图3-10实体模型试验场地基于6个现场场地综合试验对比分析，检验了多种物探方法在不同勘察阶段、对不同勘察对象的适用性和组合应用图3-11大冲隧道瞬变电磁试验图3-12K175岩溶路基段地质雷达试验-15- 效果,提出了适合于岩溶地区公路工程勘察的物探方法及其组合方式，并制定了合理的野外测线布置原则，显著提高了岩溶地区公路工程勘察中物探方法的精确性和符合率。4场地与地基稳定性综合评价技术将各项勘察方法所获得的资料进行系统整理、分析和总结，提出工程地质评价和结论，这是工程地质评价所要完成的工作。工程地质评价包括场地评价和地基评价：场地评价一般在初勘阶段完成，地基评价一般是在详勘阶段完成。4.1场地与地基稳定性综合评价指标和标准根据岩溶发育规律和公路特点，提出了岩溶发育程度、岩溶场地稳定性、岩溶地基稳定性的定性评价指标和评价标准。创建了公路工程岩溶场地地基稳定性综合评价体系，提出不同构筑物条件下的岩溶场地地基稳定性评价方法。4.1.1评价指标1）岩溶发育程度本项目将岩溶发育程度分为岩溶极强发育、岩溶强发育、岩溶中等发育、岩溶弱发育四级。对极强发育、岩溶强发育、岩溶中等发育、岩溶弱发育等级分别列出了一些判别条件，这些条件遵循由宏观到微观、由面到点、由表及里的认识过程。2）公路地基岩体基本质量岩石坚硬程度按岩石的饱和单轴抗压强度Rc划分，岩体完整程度按岩体完整性指数KV划分。KV一般用弹性波探测值。公路地基岩体基本质量等级的划分以计算求得岩体基本质量指标BQ作为分级定量依据。计算公式如下：-15- BQ=90+3RC+250KV4.1.2场地稳定性评价岩溶发育存在着严重的不均匀性，为了区别对待不同岩溶发育程度场地上的工程地质勘察工作，应对岩溶场地进行等级划分。岩溶场地的工程地质分区是以场地的稳定条件作为分区的基本原则。一般情况下，岩溶场地稳定性可按岩溶发育程度、岩溶水排泄状况以及岩溶场地其它不良地质情况进行评价。4.1.3地基稳定性评价根据已有的经验，从有利和肯定的角度提出当符合所列条件时，可不考虑岩溶稳定影响的几种情况，确定为稳定地基。根据场地稳定性、地基岩体基本质量等级、厚跨比、土层厚度等，对应于不同工程类型，稳定地基的判断标准有所不同。工程类型划分成三类：（1）公路路基、隧道岩溶地基；（2）小桥、涵洞和通道岩溶地基；（3）大中桥、特大桥岩溶地基。4.2岩溶洞穴顶板变形规律以模型试验和数值分析为基础，揭示了不同条件下溶洞顶板荷载——变形规律。1）物理模拟试验下面为模型1的断面图和压力位移曲线模型1：800×700×500椭球洞体：300×250-15- 图4-1模型1及其压力位移曲线2）数值模拟根据室内试验结果，并参阅类似材料试验数值模拟所采用的参数，对试验中洞穴的稳定性进行了数值模拟分析。图4-2模型1网格图4-3加荷变形的网格图图4-4位移等值线图数值模拟和试验得到的位移曲线具有同样的趋势：（1）位移随着距加载中心的距离增大而降低。（2）洞型、顶部厚度和跨度都会对荷载作用下的洞体稳定性有较大的影响。图4-5模型2位移回归曲线图（3）从顶部的位移曲线形状来看，都具有三次函数的分布规律，可用三次回归函数来刻化。4.3典型岩溶洞穴顶板稳定性评价建立了溶洞顶板稳定性分析的二级模糊综合评判模型和基于地基岩体基本质量的定量评价模型。-15- 4.3.1二级模糊综合评判模型影响溶洞稳定性的因素很多，在模糊综合评判时，主要考察了顶板因素岩层构造、裂隙发育及胶结情况、岩石风化情况、岩芯完整性、溶蚀发育、岩体弹性模量、溶洞特征、溶洞充填情况、溶洞跨度、溶洞高度，加荷载的作用，共十一个影响因素，没有考虑地下水的影响。综合评判的计算模型为（4-1）式中：——二级评判权重的模糊集；——一级评判权重的模糊集，——一级评判评语集与因素集模糊关系，即评判矩阵。4.3.2定量评价法采用结构力学分析方法，包括抗弯验算、抗剪验算法。4.4溶洞顶板稳定性监测I组II组III组图4-6安装监测仪器首次将钻孔多点位移计测试技术应用于公路桥基加荷过程中岩溶洞穴变形监测，结合现场监测资料，评价岩溶桥基的稳定性，为溶洞顶板变形监控及稳定性评价提供了一种简单、可靠、经济的方法，-15- 图4-7各组多点位移计测点布置图解决了隐伏溶洞稳定性评价这一长期困扰工程界的难题。图4-8隧道类变形监测的方法及其装置开发了“隧道类工程变形监测方法及其装置”，实现了隧道、溶洞在复杂施工条件下洞体变形的无障碍地下测试，也适用于隧道、溶洞上方岩土工程施工过程中洞体变形的地表测试。为隐伏溶洞监测提供了一种新的装置，对溶洞上的工程安全具有重要意义。-15- 5经济社会效益开展岩溶地区公路工程地质勘察与综合评价技术的研究，完善岩溶地区公路工程地质勘察的规范，可以有效地解决岩溶地区公路工程病害问题，保证公路正确选线，节省投资，保障公路工程施工安全和营运安全。可见本项目的研究具有非常明显的经济和社会效益。-15- 6创新点1）从岩溶勘察和稳定性评价的需要出发，对贵州地区不同类型碳酸盐岩、不同充填物以及红粘土等典型岩土的分布及不同背景下的工程特性进行了研究；从微观结构的角度分析了岩样受力破坏前后的不同特征。2）根据岩溶地区公路的特点，对井地三维直流电阻率法的理论和技术进行研究，首次将三维（3D）的直流电阻率法勘探技术用于浅部岩溶勘探，为浅部岩溶勘探提供了新的技术。3）开发了用于溶洞探测的“甚高频电磁波多参数层析成像新技术”，以及“甚高频电磁波多参数层析成像数据处理软件”，拥有自主知识产权，解决了既有物探方法难以准确判断溶洞及其充填物的技术难题，为岩溶地基稳定性的定量评价创造了条件，为岩溶洞穴的工程处治提供了技术依据。4）提出了公路工程路基、桥基、隧道工程在不同勘察阶段多种勘察技术的有效组合方式以及勘探点、线、网的合理布置原则，形成了一套较为完善的岩溶地区公路工程地质综合勘察技术体系。5）针对隐伏溶洞，不能进入洞内进行监测的难题，将钻孔多点位移计测试技术首次应用于公路桥基加荷过程中岩溶洞穴顶板变形监测，为岩溶顶板稳定性评价提供了新的方法。6）开发了“隧道类工程变形监测方法及其装置”，为溶洞顶板变形监控及稳定性评价提供了一种新的手段。已申请国家专利。-15-'