浅谈岩溶地区地面塌陷及处理.docx

摘 要岩溶塌陷是指在岩溶地区，下部可溶岩层中的溶洞或上覆土层中的土洞，因自身洞体扩大或在自然与人为因素影响下，顶板失稳产生塌落或沉陷的统称。岩溶地区地面塌陷是一种较为常见的不良地质现象。引起塌陷的原因往往是由于岩溶地区地下普遍存在土洞，土洞埋藏浅、分布密、发育快，顶部土体强度低，它们对建筑物的稳定性影响很大，不同程度地威胁着建筑物的安全和正常使用。本文通过对兴业县城区周边地面塌陷及处理情况的分析，总结了岩溶地区地面塌陷的类型、特征，为岩溶地区勘察和地面塌陷的处理提供一些借鉴。关键词：岩溶地区；地面塌陷；稳定性；处理；检测浅 谈 岩 溶 地 区 地 面 塌 陷 及 处理1 工程实例兴业县地处广西东南部，北回归线以南，四周为低矮丘陵环绕，而城区位于岩溶盆地中部。兴业县城区及周边为地面塌陷多发区，2013年下半年，较多场地在地质勘探时发现较大土洞，而城区周边多处出现地面塌陷现象，甚至发生了多次因地面塌陷引起建筑物拉裂而造成的纠纷案件。如兴业县政府前面广场、中石油兴业油库、兴业县交通局新址、兴业县高中等场地，在勘探及建设时发现了直径815m土洞；又如兴业县环江村、庞村就出现了大面积下沉塌陷，造成了几十户居民房屋拉裂案例。为了查明兴业县城区及周边地面塌陷原因，我院在地面调查的基础上，整理归纳十多年来的地质勘探资料进行分析，发现兴业县城区及周边形成地面塌陷多发区主要是由于其特定岩溶地质条件和大量抽取地下岩溶水造成的。兴业县城区上覆土层主要为冲洪积黏性土、粉土、砂土层，土层强度普遍较低，下伏基岩主要为石灰岩，而基岩埋藏相对较浅为815m为主，浅部岩溶洞隙中等发育，遇洞率在30%60%间，溶洞顶板较薄且破碎较多，易崩塌；地下岩溶水丰富，出水量为20100立方左右。据查，兴业县大部分单位及居民饮用水均为抽采的地下岩溶水，如兴业县高中、兴业县医院、兴业县多家水泥厂等均打有水井抽取地下岩溶水，抽水量均在2080立方左右。经过长期采取地下水，溶洞顶板附加应力增加而崩塌，上覆土层不断被潜（冲）蚀流失形成土洞，土洞顶板失稳引起了地面塌陷。2 地面塌陷成因分析岩溶地区地面塌陷情况是一种非常普遍的现象，根据塌陷的形成机理，一般分为3种，分别为：岩溶地区上覆土层的塌陷、岩溶溶洞顶板塌陷及上覆土层和下伏基岩溶洞顶板同时塌陷。而岩溶基岩溶洞顶板塌陷多为早期形成，而上覆土层塌陷多为近期形成，而同时塌陷主要发生在岩溶洞隙埋藏浅的地段。通过对上述案例分析，形成地面塌陷的直接原因是先期岩溶顶板塌陷、上覆土体流失形成土洞后，上覆土体塌陷，而其根本原因是大量抽取地下水造成。由于土洞形成受地层岩性、水文地质、岩溶发育、地表排水以及人为改变地下水动力条件等诸多因素的影响，又决定了土洞和地面塌陷的不均性。下面通过对岩溶塌陷区的地层岩性、地质构造、水文地质情况的综合分析，探讨岩溶地区地面塌陷的成因条件：（1）地层岩性土洞是指埋藏在岩溶地区可溶性岩层的上覆土层内的空洞。当上覆有适宜被冲蚀的土体，其下有排泄、储存冲蚀物的通道和空间，地表水向下渗透或地下水位在岩土交界处附近作频繁升降运动时，由于水对土层的潜蚀作用，产生土洞和塌陷。而上述地区为岩溶地区，下伏基岩为可溶性较好的石灰岩，岩溶洞隙发育，地下水丰富，而上覆土层为冲洪积层，易被潜蚀，均具备了形成地面土洞和塌陷的地层条件。（2）地质构造 场地石灰岩节理裂隙发育,特别是上部岩石较破碎；岩层较倾斜,倾角3050，所以岩溶洞隙较一般地区发育。（3）水文地质 兴业县城区及周边，以前有两条小河交叉通过，所以上覆土层多为冲洪积黏性土、粉土、砂土层， 特别是岩层面多为粉土、软至流塑淤泥质土和砂土，富水性较强，水位埋深1.50-2.50m，水量较丰富，局部地下水流通性较强。地下水具有较好补给来源，除大气降雨渗入补给外，尚有原旧河床及区域水体侧向补给，补给量的大小取决于地表岩性，砂性土补给条件优于粘性土。地下水的水位变化与降雨强度基本一致，丰水季节水位上升，枯水季节水位下降。所以场地具备了地表水下渗，地下水流动的途径。而城区及周边大量打井抽取地下水，造成了地下水位的反复变化，形成了对上部土体不断潜蚀的地下水条件。综上所述，场地具备了可溶性岩层、具有溶解能力和足够流动的水、具有地表水下渗和地下水流动的途径、上覆土体强度较低易于潜蚀等形成溶洞和土洞的条件，所以该区域易产生土洞和地面塌陷不良地质作用。3 岩溶地区岩洞塌陷的稳定性分析 岩溶地区地面的稳定性评价实际上可以归结为岩溶顶板的稳定性评价，影响顶板稳定性的主要因素有：顶板埋藏深度及厚度；顶板的完整性；溶洞大小及充填情况。当场地存在有浅层洞体或溶洞群洞径大、洞内无充填或半充填、顶板较薄或较破碎、上覆土体较软弱等条件之一时，可判定为不稳定地基。该城区大部分岩溶地层节理裂隙发育，土洞、溶洞极其发育，溶洞顶板薄，规模大，地下水交替活动强烈，在自然条件下就有可能产生塌陷，加上大量抽取地下水和地面的工程建设，可能诱发并加剧岩溶塌陷，从而导致地面塌陷，从而引起地表建筑物及相邻建筑物开裂，危险性较大。如兴业县某局住宅楼，经勘察查明，场地上覆土层厚度为13m左右，但多为砂土及软弱土层，且下伏基岩为石灰岩，岩溶洞隙发育，顶板较薄，我院判定场地具备了产生土洞和塌陷条件，属于不稳定地基，不能采用天然地基土层作为持力层。但设计方却认为采用筏式基础后，可采用天然地基土层作为持力层。该住宅楼建成使用七年后，地基出现了塌陷，造成了建筑物整体倾斜。所以岩溶地区勘察时，应做好过细的岩溶稳定性调查工作，正确评价其稳定性，为地基与基础的设计提供准确的地质依据。4 处理措施 从前面的分析可以看出，岩溶地区地面塌陷的发生与地质构造、地层岩性以及地表及地下水的作用存在着密不可分的因果关系。在制定处理措施工前，应在认真地面调查的基础上，进行有针对性的钻探及物探工作。然后根据勘查结果，制定可行的处理措施。如下为我院十多年来对地面塌陷处理较成功的处理措施： （1）对于地表水作用下形成的土洞塌陷其形成往往与人类活动有关，在认真查明原因后，首先对地表水采取必要的截、堵措施，由于地表水冲蚀形成的土洞及塌陷一般较浅，可通过小型助探设备查明塌陷的影响范围后将地表塌陷范围进行地表水隔离，然后在塌陷范围内采用机械进行开挖，开挖后对基坑底部进行检查，确定达到设计深度和范围后先采用毛石回填约0.5m，然后再采用碎石类回填回填厚度0.5m，上部采用黏性土回填，并进行夯实。（2）对于地下水形成的土洞，应根据勘查资料查明土洞埋藏情况，然后再进行分类处理：对于浅埋土洞，洞体浅，其底部往往有松软土，当地下水位较高时采取全部清除回填的办法往往较困难，建议先采用挖掘机进行开挖，尽量挖除塌陷松软土，然后采用毛石挤压底部余泥，再采用水泥砂浆回灌厚度1.00m，目的是一方面利用水泥砂浆充填毛石空隙，二是在毛石上部形成一个1.00m封闭层。然后用黏性土回填。对于上覆土层较厚的深埋土洞，建议采用钻机打直径130mm大的钻孔，利用钻孔直接进行灌注水泥砂浆或细石混凝土，然后在塌陷范围内采用压力灌浆法灌注水泥浆和水玻璃进行处理。其方法为：在塌陷区布钻注浆孔，孔距2.00m，孔径75mm，采用花管法进行注浆，浆液采用水灰比0.50.8的水泥浆，并添加水玻璃，灌浆压力考虑在12MPa左右，隔孔、自上到下进行灌注。在灌浆过程中注意观察冒浆情况，如出现大量地面冒浆，应暂停注浆，然后根据冒浆情况调整控制灌浆压力及灌浆速率，并多次重复进行注浆，终止注浆条件为终孔注浆压力为2MPa并保持10分钟。同时对于经过处理的岩溶塌陷区在条件允许的情况下还可以通过考虑在设计时采用梁、板等跨越结构处理，加强上部结构刚度，提高基底标高，减小基础对洞上部上层的附加压力。5 质量检测经处理后的岩溶塌陷区，不进行建设建筑物或路基的，可不进行检测，但如需作为建筑物或路基的建设场地的，应进行检测，检验其处理效果。然后根据检测结果，结合设计要求进行综合分析评定，确定稳定性满足设计要求后才能进行建设。检验方法有：一是采用钻探取芯检验；二是进行物探检测；三是采用载荷试验进行检测。采用钻探取芯和载荷试验是较为常用的方法。6 效果评价 （1）对于地表水作用下形成的土洞塌陷，由于处理措施的直观性，在对地表水进行有效截堵措施后，经开挖和回填夯实塌陷处理效果最为明显，塌陷隐患已彻底消除。但处理时要注意两点，一是地表水的截堵应该与疏排相结合，防止塌陷区再次积水；二是处理前对塌陷范围必须做详细调查，确定准确的塌陷影响区，以免开挖和处理范围不够导致二次塌陷产生。 （2）对于由地下水形成的土洞塌陷，由于隐伏洞穴的结构和形成过程的复杂性，采用回填和压力灌浆措施能够保证防止塌陷程度和塌陷范围的发展，但仍需要对处理地段进行观测。同时，建议在通过塌陷处理区的设计上采用梁、板等跨越通过。总体上看，经过对在勘测过程中出现的不同的塌陷类型进行分析并采取不同的处理措施进行处理后，在此段范围内的岩溶塌陷已基本得到了控制，经过现场沉降观测，处理效果达到预期目的。7 结论及个人建议 在岩溶地区如何查明及解决好地面塌陷，一直是工程地质勘察、设计及施工需要解决的问题。 （1）在岩溶地区进行工程地质勘察时，首先应对区域地质有深入的了解，了解岩溶的成因及发育过程，分析区域构造的演变过程。 （2）应充分重视野外地质调绘，地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质现象，尤其对地质构造控制的负地形及地形低处等微地貌变化点做重点调绘。辅助以针对性的钻探及物探，查明包括断层构造、节理构造等的规模。 （3）岩溶地区地面塌陷中地表水及地下水起着重要的作用，因此，需要根据岩溶地区地下水赋存的条件及地下水的类型与特征，在详细的水文地质测绘的基础上，采用综合勘探手段，查明水文地质情况，地下水的类型、分布规律，地表水及泉水出露位置、高程、流量，应充分考虑到构造、岩性、地形等条件对地下水的补给、排泄、储存的控制作用，综合分析地表水及地下水对场地岩溶发育的影响。这是查明岩溶发育和地面塌陷及其对勘察、设计及施工的影响的关键问题。 （4）土洞塌陷虽然具有不均匀性和突发性，但只要认真分析，还是有其特定的规律可寻。一般土洞塌陷的发育地点都有以下几个特点：上覆土层较薄，强度较低，地表水下渗条件较好：下部基岩为可溶性石灰岩，浅部岩溶洞隙发育；基岩面起伏变化大，岩面上覆土体强度较底；地表人为活动，主要是人工降水频繁，大量抽取地下水，形成降水漏斗。（5）不同成因类型造成的地面塌陷要认真调查分析造成塌陷的原因及塌陷形成的不同状态，分别采取适当的处理措施：对于地表水形成的土洞，其形成往往与人类活动有关，此类塌陷要认真查找原因对地表水采取必要的截、堵措施，由于地表水冲蚀形成的土洞及塌陷一般较浅，因此可采用开挖后回填进行处理。地下水形成的浅埋土洞，洞体浅，其底部往往有松软土，当地下水位较高时，其厚度可能较大全部清除困难，可在余土上抛石夯实，再采用水泥砂浆回灌厚度1.00m，目的是一方面利用水泥砂浆充填毛石空隙，二是在毛石上部形成一个1.00m封闭层，避免形成二次塌陷；对于上覆土层较厚的深埋土洞，采用钻机打直径130mm大的钻孔直接进行灌注