關于巖溶區土洞成因及防治措施的探討

文/黃寶安 福建省第八地質大隊 福建 龍巖 364000

關于巖溶區土洞成因及防治措施的探討

文/黃寶安 福建省第八地質大隊 福建 龍巖 364000

土洞是可溶巖地區特有的不良地質作用形成的地下天然洞穴，已成為覆蓋型巖溶區工程建設的主要地質病害。本文通過對巖溶發育區土洞成因分析，判定方法探討，以及一些預防土洞塌陷發生的工程防治措施研究，對巖溶區預防土洞發展和塌陷發生，防災減災，確保人民生命財產安全具有重要的理論及工程意義。

土洞；塌陷；判定方法；防治措施

一、引言

土洞是覆蓋型巖溶區最常見的不良地質作用之一，它的發育和擴展，常常會引發地面變形或塌陷等地質災害，地面塌陷具有突發性、隱蔽性和征兆隱秘等特點，危害很大。龍巖市區屬淺覆蓋巖溶區，是因土洞造成地面塌陷的易發區，此類地質災害時有發生，塌陷多發生在人口稠密、地勢平坦的盆地中部主城區，主要沿隱伏斷裂構造尤其是導水斷層方向成群發育，對地面和地下建構筑物、道路及附屬設施、管網，以及村莊農田等造成嚴重破壞，給人民生命和財產造成巨大損失，并嚴重破壞地質環境，恢復治理很困難。

二、土洞成因

土洞的形成和發展是自然因素和人類工程活動共同作用的結果，巖溶地質條件是土洞形成的內因，是產生土洞的基本條件；人類工程活動是土洞發展的外因，會加劇土洞發展甚至誘發地面塌陷，給工程建設、地下空間開發等帶來嚴重安全隱患。

關于土洞的形成機理，目前有許多觀點及其理論，總的來說巖溶區的地質、地貌、構造、水文地質、巖溶發育情況是土洞形成的決定性因素。巖溶存在和地下水活動等是土洞的形成、發展以致產生塌陷的最活躍因素，直接影響著土洞的形成和發展的快慢。工程建設地基基礎施工和地下水開采等人為改變地下水動力條件等因素將造成下部巖溶排水通道復活，進一步加劇土洞發展，特別是地下水位在基巖面上下波動的幅度和頻度，對崩解和搬運土粒的速度有重要作用，是不良地質作用的“催化劑”。根據研究成果，土洞形成和發展與下列因素相關聯。

1、潛蝕作用

潛蝕作用是水對土的滲透、沖刷作用所產生的機械侵蝕，即在地表水和地下水的滲流力作用下，土體中的細顆粒在空隙通道中移動并被攜帶流失的一種機械作用。在巖溶區，土層受水動力條件變化影響較強烈，由于巖溶區地下水流速較快，當水力坡度達到臨界水力梯度時，土體中細顆粒被滲流遷移帶走，粗顆粒骨架不能支持其自重應力和附加應力時，即產生土洞。臨界水力梯度主要根據太沙基的滲流平衡理論并考慮土的凝聚力，采用公式JB=（γs/γ-1）（1-n）+c＇/γ進行估算判定，當土層中地下水滲流水力坡度大于臨界水力梯度時，土層開始產生潛蝕破壞，從上式可知，臨界水力梯度愈大，土體抗潛蝕的能力愈強，土的凝聚力對臨界水力梯度有著較大的影響，兩者呈正相關關系，龍巖盆地上部分布的沖洪積沉積粘性土有較大凝聚力，其臨界水力梯度較大，土體不易發生潛蝕現象且過程十分緩慢；但由于在基巖與第四系土層交接帶基本分布有一定厚度的含角礫粉質粘土，粗顆粒含量較高，細粒土尤其是粘粒含量少，土體抗潛蝕能力較弱，這就是土洞多在巖土交界部位發育的原因。

2、崩解作用

粘性土因沒入水中受水浸泡而發生離析散體的現象叫崩解，水進入土體空隙產生應力失衡，引起粒間擴散層增厚的速度不平衡即土體飽水狀況差異，因而產生了應力集中，使土體沿著斥力超過引力最大的面崩落下來。土體的成分、結構是影響其崩解性的主要因素。巖溶地區普遍有分布碳酸鹽巖系經紅土化作用形成的紅粘土，含有較多的親水礦物，其結構連結力較弱，易于水化，在地下水的作用下相對封閉空間易發生崩解作用。

3、真空吸蝕作用

當經潛蝕作用和崩解作用形成較小規模的土洞后，在相對封閉的土洞空間，地下水位大幅下降到土洞空腔底面下時，空腔上部便形成相對真空，此時真空腔膛對蓋層產生強大的抽吸力形成漩吸漏斗。真空吸蝕作用將進一步破壞土體的應力狀態，從而造成土洞的進一步發育和擴大。真空吸蝕作用是在巖溶區特定的地質——水文地質結構體系內，即巖溶真空地質環境中發生與發展的。

4、地表水下滲、地下水位升降對土洞發育擴大的影響

在土洞形成發育直至產生地面塌陷過程中，地下水或地表水的活動是最重要、最直接的影響因素，地表水向下滲透、人工降、排水改變了地下水流場、流態、流速、波動頻率和水力梯度，會加速土洞發育與發展。

三、土洞判定方法

覆蓋型巖溶區土洞很常見，但大多隱伏于地下，通過地基開挖能直接揭露土洞的工程實例很少，僅極個別工程能在基坑開挖過程中揭示出來，其平面形狀多為近橢圓形，豎向呈不規則的“井筒”狀，充填物上部為過飽和流塑狀態的粘性土，下部為含少量角礫粉質粘土，結構極為松軟；有部分土洞是通過地表塌陷進行觀察獲取相關信息，如某建筑地基開挖時局部發現土色暗淡、結構松軟等異常，初判屬土洞拱頂影響區，雨天后異常范圍發生塌陷，經人工開挖揭露發現為土洞塌陷，平面呈不規則的奇特形狀，其上部為空洞，往下呈不規則的管道狀向深部延伸。以上淺埋表層土洞可進行直觀判定，但實際工作中能直接觀察土洞分布、大小和空間形態的甚是罕見。

本地區大部分土洞隱伏于土層下部，主要通過鉆探等手段揭露出來，實際工作中如何判斷和界定土洞，現行的有關規范及其它參考資料尚無明確的判定標準，目前土洞界定還是停留在經驗階段，由于各巖土工程師掌握的尺度不盡相同，劃分標準差異較大。但筆者認為總的原則是既不能過于麻木，更不能“草木皆兵”。比如龍巖盆地基巖與上覆土層交界部位普遍分布有厚度不大的含角礫粉質粘土，其結構較松軟，但鉆探施工未出現大量漏水（漿）或“掉鉆”等情況，大部分勘察報告將該層籠統地劃分為沖填土洞，埋藏深部也進行加固處理，大大提高了工程建設成本。

對于不能直接揭露的土洞，筆者建議從以下幾個方面進行判定，可根據勘察時鉆探情況結合原位測試等方法進行判定，場地若有土洞分布，鉆進過程中將會出現異常狀況，如孔內突然全泵量漿液漏失并伴隨進尺奇快、鉆具自沉甚至出現“掉鉆”，以及上部孔壁失穩、坍塌等現象（并常發生埋鉆等情況），而且鉆探取芯困難。根據原位測試方法進行判斷，可按堆積物成分及性狀，宜采用靜力觸探、輕型動力觸探或十字板試驗等方法判定。相關試驗在今后工作中有條件時可進行進一步研究，建立相關關系，制定地方性標準。

四、土洞防治方法和措施

土洞的發展會造成地面塌陷，其破壞后果嚴重，土洞治理目前主要靠在當地探索的地方經驗，總的原則應貫徹“以防為主，防治結合”的方針，主要是針對土洞成因的三要素（水、土體和巖溶通道洞隙、洞穴）制定合理防治措施，達到堵截水流、強化土層（含洞內沉積物）、填堵巖溶通道的防治效果和目的。具體方法可采用：填堵鑲補法、楔狀填塞法、置換填充擠鑒于土洞形成與水作用關系密切，首先應限制地下水開采和加強對地下工程施工的管理，防止因抽吸地下水以及深基坑開挖大幅降水、樁基礎施工和地基處理等造成水位頻繁升降形成土洞。

密法、跨越法、強夯法、灌注（填）法、深基礎法、控制抽水強度法、疏排圍改治理法、阻堵法、平衡地下水和氣壓力法，以及綜合手段防治法等，按不同性質、埋深、充填堆積物掏空情況，并考慮地面建筑物使用周期等情況選用。

對于因地下水作用為主因形成的土洞塌陷，通常采用回填和壓力灌漿措施能夠防止塌陷程度和塌陷范圍的發展。淺部可采取清除松軟土，拋填片石（塊石）的方擠淤法處理，優點是就地取材，成本較低廉，缺點是不確定因素多，存在一定質量風險，需要進行質量檢驗和檢測；當地下水位較高時，可采用下部采用壓力罐漿處理，上部殘余土換填碎石、粘性土置換夯實，兩者相結合的處理方法。對于上覆土層較厚的深埋土洞塌陷，可在塌陷范圍內充填砂礫石，深部用砂、礫石或細石混凝土灌填，或直接采用壓力灌漿法處理。對于范圍較小的土洞塌陷，在條件允許的情況下，還可以采用梁、板跨越等結構措施，通過加強上部結構剛度，提高基底標高（寬基淺埋），減小基礎對洞體上部土層的附加壓力。

五、結語

不同巖溶區的水文地質、工程地質條件不盡相同，土洞形成可能以其中某種作用為主，或者多種作用同時并存，但無論如何水的作用是土洞形成和發展的最重要因素，限制人為改變地下水動力條件是防治土洞塌陷的關鍵措施。

（1）龍巖盆地水文、工程地質勘探報告（2）工程地質手冊（第四版）