鞍山市鐵西區巖溶地表塌陷形成條件及穩定性評價

劉 帥

（遼寧省冶金地質勘查研究院有限責任公司，遼寧 鞍山 114038）

鞍山市區位于遼東山地與下遼河沖積平原的過渡帶上，大地構造上屬東部斜坡帶，該區地勢總的特點南東高、北西低，由南東部剝蝕構造低山丘陵向北西部沖積平原傾斜，標高由500米以上，下降至10米～20米。隨著大規模的地下水資源開采，導致地表塌陷逐漸顯現[1]。加上枯水期來臨使得該區地下水位持續下降，地下水從有壓轉為無壓瞬間，出現“真空腔”，真空腔猶如吸盤一般抽吸著上覆巖體，頂板塌落出現塌陷，形成溶洞。為此主要介紹了該區域的空洞分布形態及穩定性狀態，為該區地質災害治理提供依據。

1 工程概況及地質概況

研究區的原始地貌為山前平原地帶，地形平坦，經人工改造，現地面標高在30.29m～30.87m。表層巖性為第四系覆蓋層，厚度約為52.0m～55.0m，下伏基巖主要為下古生界寒武系的上寒武統地層，巖性主要為灰色厚層狀灰巖夾黃綠色頁巖。厚度大于150m。區內主要斷裂為北西330°走向的大石頭—宋三臺子斷裂及其分支斷層，在工作區穿過，在勘查區東側還有一些與大石頭斷裂斜交的北東走向的小斷層。

2 研究區見洞情況及水文地質狀態

根據鉆探揭露和出現的位置結合物探工作獲得的資料分析本工作區的地下溶洞區按位置、埋深、性質存在以下幾種形態分布。現分述如下：勘查區內一處鉆孔見土洞，既ZK4號鉆孔，發育深度為52.00m，高為0.4m，洞內無充填；根據鉆探資料推測其為下部易塌陷產生次生土洞。本次勘查結果顯示第四系與基巖接觸帶見洞率較高，僅一個鉆孔未見溶洞。埋藏深度為52.20m～69.9m標高為-22.1至-39.4洞內均無充填，平均水位46m左右。采空區高度大多小于其寬度，說明研究區的碳酸鹽巖中礦層基本是沿層面發育的。

3 地質災害的形成條件

（1）巖性特性。本地區上部覆蓋層為第四系粉質粘土，厚度52.0m～55.0m，其下部部分含少量細沙，最大厚度為0.1m，下伏基巖主要為下古生界寒武系的上寒武統地層，礦物特性主要為灰色厚層狀灰巖夾黃綠色頁巖，竹葉狀灰巖夾鮞狀灰巖。厚度大于150m。從勘查結果及收集資料來看，本區礦層較為簡單，縱向變化不大，巖性對巖溶去的分不影響較小。

（2）斷裂。勘查區內主要斷裂為北西330°走向的大石頭—宋三臺子斷裂及其分支斷層，在工作區穿過，在勘查區東側還有一些與大石頭斷裂斜交的北東走向的小斷層。根據本次勘查物探工作查明本區內有兩條構造穿過。①F1斷裂，異常寬2m～6m，埋深約50m，走向為北西-南東，產狀近直立。②F2斷裂，異常寬4m～10m，走向為北西-南東，產狀近直立。溶洞均圍繞F1、F2發育。

4 地質災害影響因素

（1）水文地質條件變化。勘查區位于鞍山市鐵西水源降落漏斗范圍內，地下水活動強烈，升降頻繁，區內有兩條次生構造通過，當大量抽取地下水時礦層中的充填物易被潛蝕、搬運而形成空間，使含礫石粘土層塌落，形成較大空間，進而發展形成一連串的地質災害。

（2）地表荷載。通過現場初步勘查不難發現此處周圍建筑分布較復雜，涉及不同礦物質發育區，其基礎形式亦不是端承樁，并未打到基巖面以下，對下部空洞的穩定性帶來嚴重隱患。

5 塌陷區的穩定性初步評價

根據《工程地質手冊》，溶洞頂板塌陷后，塌落體積增大，當塌落至一定高度H時，空洞自行填滿，無需考慮對地基的影響，所需塌落的高度H按下式計算：

H0—塌落前洞體最大高度（m）；K—巖石松散（漲余）系數，石灰巖取1.2，粘土1.5；

根據上式，將揭露的鉆孔分別進行驗算，塌落高度H大于所揭露的空洞深度的處于不穩定狀態，揭露的空洞深度在H—1.5H之間的處在較穩定狀態，大于1.5H的為穩定狀態。

從評價結果上看，由于巖溶發育深度相差不大，地基穩定性與溶洞發育高度線性相關。

6 非穩定區在有荷載情況下的評價

空區的穩定性主要與上覆巖層的容重、內摩擦角、上部建筑的靜荷載有關，穩定深度的計算應分為地基穩定性和靜荷載兩部分。結合力學試驗成果分析進行穩定性驗算，結果如下：

根據《工程地質手冊》，當建筑物已建在空區上部時，可按式（2）驗算地基的穩定性

式中：H0為空區頂板的埋藏臨界深度，m；B為空區寬度，m。γ為頂板巖體容重，KN/m3。φ為內摩擦角°。

P0為上部建筑物對應地基的附加應力，KPa。

根據計算結果，上述鉆孔第四系覆蓋層厚度小于H的有ZK1、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6、ZK7、SK25、SK26、SK27、SK28，處于不穩定狀態。從評價結果上看，空區的寬度及上部是否有荷載是影響地基穩定性的主要因素。

7 結語

（1）對于上部存在厚層第四系覆蓋巖溶發育區應先查明構造發育情況及分布來確定物探工作的布置，同時查明該地區的地下水賦存條件。

（2）對于在巖溶發育區進行建設規劃及勘查應重點查明巖溶發育情況，應結合地質災害勘查方法來查該區地質條件。

（3）對于已存在的巖溶發育區應盡早開展巖溶勘查工作，及時發現及時治理，消除地質災害隱患。