下面文章在充分研究浙江省巖溶空間分布及發育規律的基礎上，開展了省內現有巖溶區高速公路勘察資料的統計分析，提取出橋址區巖溶發育規律特征，并以此為核心進行橋梁樁長設計輔助軟件開發，實現了橋址區巖溶三維地質建模以及樁長自主計算。

　　關鍵詞:巖溶,發育規律,三維,地質模型,樁長設計,輔助軟件,浙江

　　我國巖溶分布廣泛，類型眾多，是世界上巖溶面積最大的國家之一，以發育在碳酸鹽巖地區的巖溶計算，含裸露、覆蓋、埋藏三個類型在內，其總面積為344.3萬km2，占國土面積的1/3以上，主要分布在南方的云南、貴州、廣西、四川、湖南、湖北和廣東一帶以及北方的山西、山東、河南、河北一帶。浙江省的碳酸鹽巖主要分布于浙西北的錢塘江流域和太湖流域，即江山一紹興斷裂帶北西側，揚子陸塊東南緣錢塘復向斜之中。

　　浙江省巖溶雖不及貴州、廣西等地區發育，但有其獨特的自身特點，主要是以覆蓋型巖溶為主，巖溶地質災害具有很強的隱蔽性、突發性。浙江省作為我國的經濟發達地區，快速發展的社會經濟促使了對公路交通的巨大需求，其高速公路建設投入大、發展快。近年來，隨著山區高速公路建設步伐的加快，大批高速公路穿越浙西北巖溶地區，工程中也遇到了一系列的巖溶工程地質問題。

　　當橋梁基樁不可避免地要跨越巖溶地區時，其涉及的關鍵問題就是如何確定合理的樁長。樁長過長將極大增加施工難度，并直接影響工程進度及工程造價;而由于下伏溶洞的存在，樁長過短是否滿足承載力要求及基樁安全要求，亦是工程設計人員必須考慮的問題。本文收集了浙江省地區已建成和在建大部分巖溶區高速公路勘察資料，總結分析其巖溶發育規律，在此基礎上進行了橋梁樁長輔助軟件的開發，用于擬建橋梁區域的物探、鉆探、調查、設計等信息的綜合分析，輔助進行橋梁樁長設計。

　　1區域地質背景

　　1.1碳酸鹽巖分布區

　　浙江省的碳酸鹽巖主要分布于浙西北的錢塘江流域和太湖流域，碳酸鹽巖的空間分布地區北起長興，南至江山，東以江山-紹興深大斷裂為界，西至浙皖省界，總面積約3.95萬km2，為浙江總面積的35.3%。包括湖州、紹興、金華、衢州、杭州、紹興在內的6個省轄市，與安徽和江西兩省相鄰。其中碳酸鹽巖出露面積為2610km2，約占浙西北面積的6.6%。

　　區內地層從元古界到第四紀地層均有出露，主要包括中生界的白堊系、侏羅系地層，古生界的二疊系、石炭系、志留系、奧陶系、寒武系地層，以及元古界震旦系和前震旦系地層等，巖性以沉積巖為主，巖體結構多呈層狀，少量塊狀火成巖;第四紀地層主要包括殘坡積、上更新統坡沖積、沖洪積和全新統沖積層。

　　其中碳酸鹽巖出露的地層有震旦系西峰寺組，寒武系大陳嶺組、楊柳崗組、華嚴寺組、西陽山組，奧陶系硯瓦山組，石炭系黃龍組、船山組，二疊系棲霞組、茅口組，三疊系青龍組。受構造控制，研究區內碳酸鹽巖呈條帶狀沿北東方向展布，由于構造破碎，碳酸鹽巖的分布連續性較差。研究區內寒武-奧陶系碳酸鹽巖，在安吉-昌化-馬金一帶連續分布，分布面積較廣;石炭-二疊系灰巖主要沿杭州、桐廬、建德一帶斷續分布，零散出露于長興、吳興、江山、金華一帶。

　　1.2巖溶發育情況

　　巖溶的發育程度多為地形地貌、水動力作用、巖性、構造等多種巖溶發育控制因素多樣化耦合的結果，因此，浙西北地區巖溶發育也表現出不均一性和差異性。其中，起決定性的控制因素為巖性條件，其次為構造發育條件。巖性條件即碳酸鹽巖純度、節理裂隙發育程度、沉積歷史及其非灰巖夾層等，是直接控制巖溶發育強度的內在因素。

　　浙西北地區主要碳酸鹽巖地層有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系五套地層，其中震旦系、寒武系、奧陶系地層中灰巖純度不高，且多有炭質、硅質頁巖、石英砂巖等夾層;石炭、二疊系均為純度較高的灰巖，但灰巖中抗蝕物質含量、燧石結核及非灰巖夾層石炭系地層較二疊系低。在巖溶發育規律上體現為:石炭系>二疊系>寒武系>奧陶系>震旦系，大型溶洞大部分都分布于石炭二疊系灰巖出露的區域，如金華雙龍洞、桐廬瑤琳仙境等。

　　區域上褶皺、斷層的走向往往控制了巖溶空間上的分布格局。向斜盆地巖溶發育，尤以向斜核部昀強烈，巖溶水較豐富;向斜倒置成嶺地區巖溶十分微弱，巖溶水水量貧乏，泉呈懸掛狀;向斜槽谷地區巖溶發育程度與巖溶水水量等僅次于前者，而優于后者;北東向斷層、灰巖與非灰巖接觸帶巖溶發育，往往是巖溶帶，控制巖溶方向及巖溶水流向;北西、北北西向斷層帶巖溶現象也較普遍，一般控制短淺地下暗河的分布。

　　2已建和在建高速巖溶發育規律分析總結

　　目前浙江省巖溶區內建成通車的高速有杭長、杭長北延、杭金衢、杭新景、黃衢南、紹諸、申蘇浙皖等多條高速，在建的有千黃高速、杭州繞城西復線，設計階段的有臨建高速、杭金衢拓寬等工程。這些工程在勘察施工中積累了大量的地質資料，為本文展開巖溶規律的研究提供了堅實的基礎。其中，杭長高速、杭長北延、申蘇浙皖高速均位于浙江北部湖州境內，巖溶發育路段范圍較少，零星分布，巖性以石炭-二疊系純度較高的灰巖為主。

　　杭金衢、杭新景、黃衢南高速主要位于浙西金華、衢州境內，巖溶發育路段范圍大，揭示地層多樣，各時代灰巖均有分布;杭金衢高速巖溶地層為寒武、奧陶系灰巖、白云巖，杭新景高速、黃衢南高速震旦、寒武、奧陶以及石炭、二疊系地層均有分布。千黃高速巖溶路段分布于杭州淳安境內，為寒武系灰巖。紹諸高速巖溶路段分布于紹興城南路段，為震旦系灰巖。發達的高速路網基本覆蓋了浙西北地區所有區市，沿線所揭示的巖溶發育類型齊全，其巖溶發育特征具有較好的代表性。

　　公路工程中，對于橋梁的勘察，有大量的鉆探、物探工作，施工階段更要進行逐樁鉆探，因此橋梁的勘察資料非常豐富，有條件進行細化研究。橋址區多位于河谷、平原或山間盆地，單個結構物一般同屬一個地貌單元，其地質、水文條件一致，在研究巖溶發育規律時可作為一個單元。在實際工程中也往往以每個橋梁為單位來評價其巖溶發育程度。

　　本文以單個橋梁為單位，對高速公路橋梁勘察資料進行大量分析，并對27座中橋、大橋的逐樁鉆探成果進行了統計。研究區橋位場地巖溶類型均為覆蓋型巖溶，巖溶的發育形態有以下特點:

　　(1)溶洞發育一般呈串珠狀，垂直發育為主，多與地表溶隙、溶蝕溝槽連通，充填或半充填狀，充填物較為單一，與上部覆蓋層基本一致，水平向連通較少。許多鉆孔表部揭示的溶洞實際為溶蝕溝槽的延伸。

　　(2)巖溶發育程度與深度密切相關，淺層巖溶發育，一定標高以下巖溶不發育，深度一般20～50m。

　　(3)溶洞規模整體較小，目前鉆孔揭示的最大單洞一般小于20m，最大33.1m，尚未發現有廳堂式大型巖溶洞穴。鉆孔揭示巖溶率均在40%以下，大部分集中在20%以下，總巖溶率與最大單洞呈正相關。巖溶發育程度與地層年代相關性不強，寒武系地層樣本最多，離散性也最大;石炭-二疊系地層揭示單洞洞徑在8.5～30.3m，而且總巖溶率不高的情況下單洞規模更大，但較寒武系地層來說并無明顯的規模差異。

　　3橋梁樁長設計輔助軟件的設計實現

　　本文在總結現有巖溶發育規律的基礎上，設計了一款用于巖溶樁長輔助設計的軟件，用于實現對巖溶區擬建橋梁區域的勘察資料綜合分析，幫助確定橋梁建設時的樁長。

　　3.1軟件功能設計

　　樁長設計輔助軟件共設置文件編輯、樁長計算、二維仿真、三維仿真四大功能模塊。其中文件編輯模塊用于鉆探、物探等資料的輸入，其中鉆探數據的為方便數據錄入匹配了理正勘察軟件數據庫文件，可直接調取理正數據庫文件。

　　樁長計算軟件參照《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTGD63-2007)結合數據庫讀取的鉆探數據進行樁力計算。二維仿真模塊結合了CAD的二次開發技術，可輔助進行物探成果的人機交互解譯，并將解譯成果以虛擬鉆孔的形式返回數據庫。

　　三維仿真模塊為該軟件的核心功能模塊，用于將鉆探以及物探解譯的成果通過插值計算，獲得巖溶體的三維形態，在輸入樁基坐標及直徑后，可根據巖溶形態與樁基的空間關系，獲得建議樁長值。軟件采用C/S架構對整個系統進行功能實現，部分功能基于CAD平臺進行二次開發，系統架構主要分為交互層、功能邏輯層、模型算法層、數據管理層四部分。

　　(1)交互層:主要實現前臺UI界面的設計和數據、圖表的頁面展示與人機的交互部分。包括數據的輸入輸出、三維地質模型的可視化展示等。

　　(2)功能邏輯層:主要包括各模塊功能的具體實現。

　　(3)模型算法層:主要包括地質體三維建模的模型庫以及樁長計算、建模等算法的庫。

　　(4)數據管理層:主要利用數據庫對所有涉及的數據進行統一分類的集中管理。

　　3.2巖溶區三維地質模型

　　巖溶區三維地質模型的刻畫是軟件的核心功能，包括地表形態、基巖面以及溶洞的三維形態。地表、基巖面的數據插值采用距離冪次反比法(IDW)，該方法是建立在區域化變量理論的基本原理基礎上的，即假設待插值的空間點屬性值在一定的研究范圍內具有相關性。IDW對于未采樣點的估計值是未采樣點屬性真值的無偏估計。

　　對于溶洞三維形態刻畫，基于鉆探及物探解譯的虛擬鉆孔資料，邊界以錐形尖滅，根據巖溶形態分布規律，進行以下條件的約束，使其更符合實際形態:

　　(1)鉆孔揭示高度小于20m的溶洞，相鄰鉆孔孔距小于20m，若標高相近可視為同一溶洞，孔距大于20m則視為不同溶洞。(基于統計溶洞規模80%小于20m，以水平向為小規模巖溶發育主要方向的最不利因素考慮)

　　(2)鉆孔揭示高度大于20m的溶洞，相鄰鉆孔孔距不小于垂直洞高，標高在同一范圍內，則視為相同溶洞，孔距大于垂直洞高，則視為不同溶洞。(基于巖溶發育呈串珠狀，垂直方向為長軸方向的規律下，水平垂直長度一致的最不利因素考慮)

　　(3)基于巖溶發育呈串珠狀，垂直方向為長軸方向的規律下，水平垂直長度一致的最不利因素考慮，縱向揭示大于40m溶洞，橫向若無約束邊界，其延伸寬度最大等于縱向長度。

　　(4)基于實際巖溶形態在樁基設計條件下的概化，對于連續溶洞間殘留的夾層灰巖，由于其厚度薄，穩定性不足，無法作為樁基持力層，在溶洞刻畫時將夾層上下溶洞歸并為一層。經運算后繪制的地層通過DirectX接口顯示地層。DirectX，(DirecteXtension，簡稱DX)是由微軟公司創建的多媒體編程接口。由C++編程語言實現，遵循COM。

　　4結語

　　(1)浙江地區巖溶主要呈條帶狀分布于浙西北地區，按時代有三疊、二疊、石炭、奧陶、寒武、震旦系，巖溶發育程度受地形地貌、水文條件、地層巖性、構造等條件影響，從橋址區巖溶分析來看，整體巖溶發育規模均較小，最大可見溶洞僅33.1m，總體巖溶率大部分在20%以下，成因時代造成的差異性不明顯。

　　(2)在橋梁樁長設計輔助軟件的設計中，將浙江地區巖溶發育規律量化為具體參數，作為刻畫巖溶三維地質建模的原則，在實際運行中，取得了較好的效果。對浙江地區巖溶區橋梁樁基設計的配跨長度選取、樁基類型選擇、樁長確定有非常好的指導輔助作用，對于其它相似地區也具有指導意義。

　　但該軟件也有很多不足之處，比如由于鉆孔數據密度有限，刻畫的巖溶三維形態邊角尖銳，與實際形態有差異;僅對浙江等巖溶發育規模較小的地區適用性較好，可通過更多地區的樣本資料分析，拓展軟件適用范圍。

　　參考文獻:

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　　推薦期刊：山西建筑創刊于1975年，由山西省住房和城鄉建設廳主管，山西省建筑科學研究院主辦，面向國內外公開發行，是山西省建設行業唯一的一份國家級刊物，山西省一級期刊。