淺談巖溶地區(qū)地面塌陷及處理.docx

摘 要巖溶塌陷是指在巖溶地區(qū)，下部可溶巖層中的溶洞或上覆土層中的土洞，因自身洞體擴(kuò)大或在自然與人為因素影響下，頂板失穩(wěn)產(chǎn)生塌落或沉陷的統(tǒng)稱。巖溶地區(qū)地面塌陷是一種較為常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象。引起塌陷的原因往往是由于巖溶地區(qū)地下普遍存在土洞，土洞埋藏淺、分布密、發(fā)育快，頂部土體強(qiáng)度低，它們對建筑物的穩(wěn)定性影響很大，不同程度地威脅著建筑物的安全和正常使用。本文通過對興業(yè)縣城區(qū)周邊地面塌陷及處理情況的分析，總結(jié)了巖溶地區(qū)地面塌陷的類型、特征，為巖溶地區(qū)勘察和地面塌陷的處理提供一些借鑒。關(guān)鍵詞：巖溶地區(qū)；地面塌陷；穩(wěn)定性；處理；檢測淺 談 巖 溶 地 區(qū) 地 面 塌 陷 及 處理1 工程實例興業(yè)縣地處廣西東南部，北回歸線以南，四周為低矮丘陵環(huán)繞，而城區(qū)位于巖溶盆地中部。興業(yè)縣城區(qū)及周邊為地面塌陷多發(fā)區(qū)，2013年下半年，較多場地在地質(zhì)勘探時發(fā)現(xiàn)較大土洞，而城區(qū)周邊多處出現(xiàn)地面塌陷現(xiàn)象，甚至發(fā)生了多次因地面塌陷引起建筑物拉裂而造成的糾紛案件。如興業(yè)縣政府前面廣場、中石油興業(yè)油庫、興業(yè)縣交通局新址、興業(yè)縣高中等場地，在勘探及建設(shè)時發(fā)現(xiàn)了直徑815m土洞；又如興業(yè)縣環(huán)江村、龐村就出現(xiàn)了大面積下沉塌陷，造成了幾十戶居民房屋拉裂案例。為了查明興業(yè)縣城區(qū)及周邊地面塌陷原因，我院在地面調(diào)查的基礎(chǔ)上，整理歸納十多年來的地質(zhì)勘探資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)興業(yè)縣城區(qū)及周邊形成地面塌陷多發(fā)區(qū)主要是由于其特定巖溶地質(zhì)條件和大量抽取地下巖溶水造成的。興業(yè)縣城區(qū)上覆土層主要為沖洪積黏性土、粉土、砂土層，土層強(qiáng)度普遍較低，下伏基巖主要為石灰?guī)r，而基巖埋藏相對較淺為815m為主，淺部巖溶洞隙中等發(fā)育，遇洞率在30%60%間，溶洞頂板較薄且破碎較多，易崩塌；地下巖溶水豐富，出水量為20100立方左右。據(jù)查，興業(yè)縣大部分單位及居民飲用水均為抽采的地下巖溶水，如興業(yè)縣高中、興業(yè)縣醫(yī)院、興業(yè)縣多家水泥廠等均打有水井抽取地下巖溶水，抽水量均在2080立方左右。經(jīng)過長期采取地下水，溶洞頂板附加應(yīng)力增加而崩塌，上覆土層不斷被潛（沖）蝕流失形成土洞，土洞頂板失穩(wěn)引起了地面塌陷。2 地面塌陷成因分析巖溶地區(qū)地面塌陷情況是一種非常普遍的現(xiàn)象，根據(jù)塌陷的形成機(jī)理，一般分為3種，分別為：巖溶地區(qū)上覆土層的塌陷、巖溶溶洞頂板塌陷及上覆土層和下伏基巖溶洞頂板同時塌陷。而巖溶基巖溶洞頂板塌陷多為早期形成，而上覆土層塌陷多為近期形成，而同時塌陷主要發(fā)生在巖溶洞隙埋藏淺的地段。通過對上述案例分析，形成地面塌陷的直接原因是先期巖溶頂板塌陷、上覆土體流失形成土洞后，上覆土體塌陷，而其根本原因是大量抽取地下水造成。由于土洞形成受地層巖性、水文地質(zhì)、巖溶發(fā)育、地表排水以及人為改變地下水動力條件等諸多因素的影響，又決定了土洞和地面塌陷的不均性。下面通過對巖溶塌陷區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)情況的綜合分析，探討巖溶地區(qū)地面塌陷的成因條件：（1）地層巖性土洞是指埋藏在巖溶地區(qū)可溶性巖層的上覆土層內(nèi)的空洞。當(dāng)上覆有適宜被沖蝕的土體，其下有排泄、儲存沖蝕物的通道和空間，地表水向下滲透或地下水位在巖土交界處附近作頻繁升降運動時，由于水對土層的潛蝕作用，產(chǎn)生土洞和塌陷。而上述地區(qū)為巖溶地區(qū)，下伏基巖為可溶性較好的石灰?guī)r，巖溶洞隙發(fā)育，地下水豐富，而上覆土層為沖洪積層，易被潛蝕，均具備了形成地面土洞和塌陷的地層條件。（2）地質(zhì)構(gòu)造 場地石灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育,特別是上部巖石較破碎；巖層較傾斜,傾角3050，所以巖溶洞隙較一般地區(qū)發(fā)育。（3）水文地質(zhì) 興業(yè)縣城區(qū)及周邊，以前有兩條小河交叉通過，所以上覆土層多為沖洪積黏性土、粉土、砂土層， 特別是巖層面多為粉土、軟至流塑淤泥質(zhì)土和砂土，富水性較強(qiáng)，水位埋深1.50-2.50m，水量較豐富，局部地下水流通性較強(qiáng)。地下水具有較好補(bǔ)給來源，除大氣降雨滲入補(bǔ)給外，尚有原舊河床及區(qū)域水體側(cè)向補(bǔ)給，補(bǔ)給量的大小取決于地表巖性，砂性土補(bǔ)給條件優(yōu)于粘性土。地下水的水位變化與降雨強(qiáng)度基本一致，豐水季節(jié)水位上升，枯水季節(jié)水位下降。所以場地具備了地表水下滲，地下水流動的途徑。而城區(qū)及周邊大量打井抽取地下水，造成了地下水位的反復(fù)變化，形成了對上部土體不斷潛蝕的地下水條件。綜上所述，場地具備了可溶性巖層、具有溶解能力和足夠流動的水、具有地表水下滲和地下水流動的途徑、上覆土體強(qiáng)度較低易于潛蝕等形成溶洞和土洞的條件，所以該區(qū)域易產(chǎn)生土洞和地面塌陷不良地質(zhì)作用。3 巖溶地區(qū)巖洞塌陷的穩(wěn)定性分析 巖溶地區(qū)地面的穩(wěn)定性評價實際上可以歸結(jié)為巖溶頂板的穩(wěn)定性評價，影響頂板穩(wěn)定性的主要因素有：頂板埋藏深度及厚度；頂板的完整性；溶洞大小及充填情況。當(dāng)場地存在有淺層洞體或溶洞群洞徑大、洞內(nèi)無充填或半充填、頂板較薄或較破碎、上覆土體較軟弱等條件之一時，可判定為不穩(wěn)定地基。該城區(qū)大部分巖溶地層節(jié)理裂隙發(fā)育，土洞、溶洞極其發(fā)育，溶洞頂板薄，規(guī)模大，地下水交替活動強(qiáng)烈，在自然條件下就有可能產(chǎn)生塌陷，加上大量抽取地下水和地面的工程建設(shè)，可能誘發(fā)并加劇巖溶塌陷，從而導(dǎo)致地面塌陷，從而引起地表建筑物及相鄰建筑物開裂，危險性較大。如興業(yè)縣某局住宅樓，經(jīng)勘察查明，場地上覆土層厚度為13m左右，但多為砂土及軟弱土層，且下伏基巖為石灰?guī)r，巖溶洞隙發(fā)育，頂板較薄，我院判定場地具備了產(chǎn)生土洞和塌陷條件，屬于不穩(wěn)定地基，不能采用天然地基土層作為持力層。但設(shè)計方卻認(rèn)為采用筏式基礎(chǔ)后，可采用天然地基土層作為持力層。該住宅樓建成使用七年后，地基出現(xiàn)了塌陷，造成了建筑物整體傾斜。所以巖溶地區(qū)勘察時，應(yīng)做好過細(xì)的巖溶穩(wěn)定性調(diào)查工作，正確評價其穩(wěn)定性，為地基與基礎(chǔ)的設(shè)計提供準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)。4 處理措施 從前面的分析可以看出，巖溶地區(qū)地面塌陷的發(fā)生與地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性以及地表及地下水的作用存在著密不可分的因果關(guān)系。在制定處理措施工前，應(yīng)在認(rèn)真地面調(diào)查的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有針對性的鉆探及物探工作。然后根據(jù)勘查結(jié)果，制定可行的處理措施。如下為我院十多年來對地面塌陷處理較成功的處理措施： （1）對于地表水作用下形成的土洞塌陷其形成往往與人類活動有關(guān)，在認(rèn)真查明原因后，首先對地表水采取必要的截、堵措施，由于地表水沖蝕形成的土洞及塌陷一般較淺，可通過小型助探設(shè)備查明塌陷的影響范圍后將地表塌陷范圍進(jìn)行地表水隔離，然后在塌陷范圍內(nèi)采用機(jī)械進(jìn)行開挖，開挖后對基坑底部進(jìn)行檢查，確定達(dá)到設(shè)計深度和范圍后先采用毛石回填約0.5m，然后再采用碎石類回填回填厚度0.5m，上部采用黏性土回填，并進(jìn)行夯實。（2）對于地下水形成的土洞，應(yīng)根據(jù)勘查資料查明土洞埋藏情況，然后再進(jìn)行分類處理：對于淺埋土洞，洞體淺，其底部往往有松軟土，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時采取全部清除回填的辦法往往較困難，建議先采用挖掘機(jī)進(jìn)行開挖，盡量挖除塌陷松軟土，然后采用毛石擠壓底部余泥，再采用水泥砂漿回灌厚度1.00m，目的是一方面利用水泥砂漿充填毛石空隙，二是在毛石上部形成一個1.00m封閉層。然后用黏性土回填。對于上覆土層較厚的深埋土洞，建議采用鉆機(jī)打直徑130mm大的鉆孔，利用鉆孔直接進(jìn)行灌注水泥砂漿或細(xì)石混凝土，然后在塌陷范圍內(nèi)采用壓力灌漿法灌注水泥漿和水玻璃進(jìn)行處理。其方法為：在塌陷區(qū)布鉆注漿孔，孔距2.00m，孔徑75mm，采用花管法進(jìn)行注漿，漿液采用水灰比0.50.8的水泥漿，并添加水玻璃，灌漿壓力考慮在12MPa左右，隔孔、自上到下進(jìn)行灌注。在灌漿過程中注意觀察冒漿情況，如出現(xiàn)大量地面冒漿，應(yīng)暫停注漿，然后根據(jù)冒漿情況調(diào)整控制灌漿壓力及灌漿速率，并多次重復(fù)進(jìn)行注漿，終止注漿條件為終孔注漿壓力為2MPa并保持10分鐘。同時對于經(jīng)過處理的巖溶塌陷區(qū)在條件允許的情況下還可以通過考慮在設(shè)計時采用梁、板等跨越結(jié)構(gòu)處理，加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)剛度，提高基底標(biāo)高，減小基礎(chǔ)對洞上部上層的附加壓力。5 質(zhì)量檢測經(jīng)處理后的巖溶塌陷區(qū)，不進(jìn)行建設(shè)建筑物或路基的，可不進(jìn)行檢測，但如需作為建筑物或路基的建設(shè)場地的，應(yīng)進(jìn)行檢測，檢驗其處理效果。然后根據(jù)檢測結(jié)果，結(jié)合設(shè)計要求進(jìn)行綜合分析評定，確定穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求后才能進(jìn)行建設(shè)。檢驗方法有：一是采用鉆探取芯檢驗；二是進(jìn)行物探檢測；三是采用載荷試驗進(jìn)行檢測。采用鉆探取芯和載荷試驗是較為常用的方法。6 效果評價 （1）對于地表水作用下形成的土洞塌陷，由于處理措施的直觀性，在對地表水進(jìn)行有效截堵措施后，經(jīng)開挖和回填夯實塌陷處理效果最為明顯，塌陷隱患已徹底消除。但處理時要注意兩點，一是地表水的截堵應(yīng)該與疏排相結(jié)合，防止塌陷區(qū)再次積水；二是處理前對塌陷范圍必須做詳細(xì)調(diào)查，確定準(zhǔn)確的塌陷影響區(qū)，以免開挖和處理范圍不夠?qū)е露嗡莓a(chǎn)生。 （2）對于由地下水形成的土洞塌陷，由于隱伏洞穴的結(jié)構(gòu)和形成過程的復(fù)雜性，采用回填和壓力灌漿措施能夠保證防止塌陷程度和塌陷范圍的發(fā)展，但仍需要對處理地段進(jìn)行觀測。同時，建議在通過塌陷處理區(qū)的設(shè)計上采用梁、板等跨越通過?？傮w上看，經(jīng)過對在勘測過程中出現(xiàn)的不同的塌陷類型進(jìn)行分析并采取不同的處理措施進(jìn)行處理后，在此段范圍內(nèi)的巖溶塌陷已基本得到了控制，經(jīng)過現(xiàn)場沉降觀測，處理效果達(dá)到預(yù)期目的。7 結(jié)論及個人建議 在巖溶地區(qū)如何查明及解決好地面塌陷，一直是工程地質(zhì)勘察、設(shè)計及施工需要解決的問題。 （1）在巖溶地區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)勘察時，首先應(yīng)對區(qū)域地質(zhì)有深入的了解，了解巖溶的成因及發(fā)育過程，分析區(qū)域構(gòu)造的演變過程。 （2）應(yīng)充分重視野外地質(zhì)調(diào)繪，地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)現(xiàn)象，尤其對地質(zhì)構(gòu)造控制的負(fù)地形及地形低處等微地貌變化點做重點調(diào)繪。輔助以針對性的鉆探及物探，查明包括斷層構(gòu)造、節(jié)理構(gòu)造等的規(guī)模。 （3）巖溶地區(qū)地面塌陷中地表水及地下水起著重要的作用，因此，需要根據(jù)巖溶地區(qū)地下水賦存的條件及地下水的類型與特征，在詳細(xì)的水文地質(zhì)測繪的基礎(chǔ)上，采用綜合勘探手段，查明水文地質(zhì)情況，地下水的類型、分布規(guī)律，地表水及泉水出露位置、高程、流量，應(yīng)充分考慮到構(gòu)造、巖性、地形等條件對地下水的補(bǔ)給、排泄、儲存的控制作用，綜合分析地表水及地下水對場地巖溶發(fā)育的影響。這是查明巖溶發(fā)育和地面塌陷及其對勘察、設(shè)計及施工的影響的關(guān)鍵問題。 （4）土洞塌陷雖然具有不均勻性和突發(fā)性，但只要認(rèn)真分析，還是有其特定的規(guī)律可尋。一般土洞塌陷的發(fā)育地點都有以下幾個特點：上覆土層較薄，強(qiáng)度較低，地表水下滲條件較好：下部基巖為可溶性石灰?guī)r，淺部巖溶洞隙發(fā)育；基巖面起伏變化大，巖面上覆土體強(qiáng)度較底；地表人為活動，主要是人工降水頻繁，大量抽取地下水，形成降水漏斗。（5）不同成因類型造成的地面塌陷要認(rèn)真調(diào)查分析造成塌陷的原因及塌陷形成的不同狀態(tài)，分別采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧簩τ诘乇硭纬傻耐炼?，其形成往往與人類活動有關(guān)，此類塌陷要認(rèn)真查找原因?qū)Φ乇硭扇”匾慕亍⒍麓胧?，由于地表水沖蝕形成的土洞及塌陷一般較淺，因此可采用開挖后回填進(jìn)行處理。地下水形成的淺埋土洞，洞體淺，其底部往往有松軟土，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，其厚度可能較大全部清除困難，可在余土上拋石夯實，再采用水泥砂漿回灌厚度1.00m，目的是一方面利用水泥砂漿充填毛石空隙，二是在毛石上部形成一個1.00m封閉層，避免形成二次塌陷；對于上覆土層較厚的深埋土洞，采用鉆機(jī)打直徑130mm大的鉆孔直接進(jìn)行灌注