賀州某校園地面塌陷成因分析及治理方法

汪 旭（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣西總隊，廣西 桂林 541002）

巖溶地貌區(qū)域引起地面塌陷常見因素為巖溶塌陷，雖然引發(fā)的危害通常較小，但其發(fā)生突然性、隨機性強等特點，使塌陷區(qū)域及周邊的基礎設施、人員生命與財產(chǎn)處在被威脅中，若不治理，則繼續(xù)發(fā)生塌陷災害的潛在風險始終存在。

當發(fā)生巖溶地面塌陷，特別是在人員密集區(qū)域發(fā)生塌陷后，就需要緊急處理塌陷位置，盡快恢復場地使用功能。本文通過工程案例[1]，介紹巖溶塌陷發(fā)生后的范圍判斷，結合巖溶發(fā)育特征進行地層穩(wěn)定性分析，擬定治理措施，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷工程的治理效果。

1 工程背景

2021年4月，賀州市某校園一建筑墻面出現(xiàn)裂縫并逐漸擴大，數(shù)天后周邊硬化地面發(fā)生沉降，出現(xiàn)環(huán)形裂縫，寬0.1cm～1cm，長1cm～3m，旁邊村道半幅路面也出現(xiàn)環(huán)形裂縫，錯斷處最大下沉約6cm，可見路面底部脫空，學校宿舍樓整體向西輕微傾斜，與教學樓的接縫處出現(xiàn)4cm寬裂縫，經(jīng)判斷地面塌陷由地下巖溶塌陷所至，塌陷區(qū)位于校園內(nèi)，平面近圓形，直徑約15m，面積約180m2。

查閱學校規(guī)劃建設、勘察資料[2]發(fā)現(xiàn)場地原始地形為平緩山丘；修建學校時場地已經(jīng)平整，現(xiàn)狀坡度約2.2%。塌陷區(qū)東側約1.1km為賀江支流沙田河，塌陷區(qū)及周邊水流均由西向東匯排入沙田河。塌陷區(qū)西側約40m為既有水塘，水塘近圓形，寬約50m，常年有水，春季降雨頻繁，水塘每年由排洪涵管向東排水，排洪涵管穿過塌陷區(qū)。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 場地巖土層分布及其性質(zhì)

依據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、勘察資料[1]及本次鉆探工作并結合野外調(diào)查，場地內(nèi)揭示的主要地層為第四系人工堆積成因的素填土，第四系沖洪積成因含卵礫石粉質(zhì)黏土，下伏基巖為泥盆系東崗嶺階上段（D2d2）石灰?guī)r，由新至老分述如下：

圖1 塌陷場地衛(wèi)星影像圖

2.1.1 素填土①（Q4ml）

灰褐、灰黃、雜色，稍濕，土體結構呈松散狀態(tài)，主要成分為黏性土，含砂顆粒，局部地段卵石、塊石、碎磚、混凝土塊等，硬質(zhì)含量約10%～15%，場地表層為厚約10cm～30cm水泥地面，土質(zhì)均勻性及密實度差，人工回填形成，回填時間約4年，校園外素填土回填年限大于10年，自重固結未完成，高壓縮性。該層本次鉆探所有孔均揭露有分布，揭露厚度0.2m～3.6m。

2.1.2 含卵礫石粉質(zhì)黏土②（Q4al+pl）

沖洪積形成，黃、褐黃、局部褐紅、灰褐等色，土質(zhì)均勻性一般，一般含約20%～40%卵石、礫石，一般粒徑為10mm～30mm，個別大于15cm，礦物成分主要為長石、石英等，磨圓度較好，大多呈橢圓狀，土體切面較粗糙，稍有光澤反應，無搖震反應，干強度高，韌性中等。根據(jù)野外土芯鑒別及試驗可分為三個亞層，無明顯分界線，呈漸變過渡。

（1）硬塑狀含卵礫石粉質(zhì)黏土②1：稍濕-濕，硬塑狀態(tài)，手按壓指印不明顯，土質(zhì)均勻性一般，局部地段卵礫石含量50%以上，變相為圓礫。該層做標準貫入測試6次，修正后的標準貫入錘擊數(shù)為14.6擊/30cm～18.3擊/30cm，平均16.4擊/30cm。受卵石影響，錘擊數(shù)相對較高，該層土屬于中等壓縮性土。層厚6.1m～15.6m。

（2）可塑狀含卵礫石粉質(zhì)黏土②2：稍濕～濕，可塑狀態(tài)，手按壓指印明顯，土質(zhì)均勻性一般，該層做標準貫入測試6次，修正后的標準貫入錘擊數(shù)為8.4擊/30cm～16.5擊/30cm，平均13.1擊/30cm，標準值10.5擊/30cm。受卵石影響，錘擊數(shù)相對較高，該層土屬于中壓縮性土。層厚1.9m～13.3m。

（3）軟塑狀含卵礫石粉質(zhì)黏土②3：濕，軟塑狀態(tài)，手按壓指印輕松明顯，土質(zhì)均勻性一般。該層做標準貫入測試6次，修正后的標準貫入錘擊數(shù)為0.7擊/30cm～6.2擊/30cm，平均3.2擊/30cm，標準值1.4擊/30cm。該層土屬高壓縮性土。層厚3.1m～8.5m。

2.1.3 石灰?guī)r③

泥盆系東崗嶺階上段（D2d2）石灰?guī)r，呈灰色～灰白色，微風化，礦物成分主要為方解石，厚層狀構造，隱晶質(zhì)結構，鈣質(zhì)膠結，膠結程度較好；節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部可見溶蝕現(xiàn)象。根據(jù)巖石的完整程度劃分為二個亞層：

（1）較破碎灰?guī)r③1：較破碎，呈灰色～灰白色，微風化，巖體較破碎，巖芯多為塊狀、碎塊狀，裂隙較發(fā)育，溶蝕面發(fā)育，巖芯采取率為40%～50%。分布于部分巖石鉆孔，為溶洞頂板，“鷹嘴巖”及裂隙、溶槽處的灰?guī)r，巖體穩(wěn)定性差，主要結構面為節(jié)理、裂隙、層面及溶蝕面。

（2）較完整灰?guī)r③2：較完整，呈灰色～灰白色，微風化，礦物成分主要為方解石，厚層狀構造，隱晶質(zhì)結構，鈣質(zhì)膠結，膠結程度較好；節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部可見溶蝕現(xiàn)象，多為方解石脈、黏土及含鐵礦物充填。巖芯呈柱狀，質(zhì)硬性脆，屬較硬巖，巖石采取率為80%～90%。屬較硬巖，巖體完整程度為較完整，巖體基本質(zhì)量等級屬III類。

2.1.4 溶洞（含溶蝕裂隙）③

鉆探鉆孔均有揭露，分布于灰?guī)r③層中，洞深0.2 m～7.4m不等，根據(jù)溶洞埋深無規(guī)律，上部以充填軟塑黏性土及砂卵石為主，無法取出土芯，鉆探期間易垮孔，下部溶洞以空洞，無充填為主，鉆探期間多掉鉆。

土層分布特征、基巖埋藏條件、巖溶發(fā)育狀況等如圖2所示為本項目1條地層鉆探剖面圖[1]。

圖2 地層鉆探剖面圖

2.2 彈性波CT判斷溶洞分布

針對塌陷區(qū)范圍采用孔對彈性波CT，調(diào)查發(fā)生坍塌及裂縫區(qū)域巖溶發(fā)育情況，以發(fā)生塌陷處為中心布設6個勘查孔，完成剖面測線12條，孔內(nèi)水位測試時位于6m左右，發(fā)射深度采取8m。由彈性波CT成果可知，在彈性波CT測線范圍內(nèi)巖溶發(fā)育范圍多位于巖面附近5m左右，表現(xiàn)為大面積低反演波速區(qū)，推斷巖溶表現(xiàn)特征為洞高小，延伸范圍大，并多有串珠狀發(fā)育特征。物探分析巖溶發(fā)育狀況、分布等如圖3所示本項目1條彈性波CT檢測剖面結果[1]。

圖3 彈性波CT分析地層空隙發(fā)育分布圖

由物探圖可知，顏色不均勻（密度不同）的位置，特別是紅線區(qū)域存在土洞、巖洞、空隙區(qū)域等。

3 工程水文地質(zhì)條件

塌陷區(qū)及周邊地下水主要為松散巖類孔隙水（第四系沖洪積層中的孔隙水）及碳酸鹽巖裂隙溶洞水。孔隙水主要賦存于沖洪積層的含卵礫石粉質(zhì)黏土中，水量較豐富，多具季節(jié)性特點，補給源為大氣降水，多向地勢低洼地帶，部分向下部基巖裂隙滲透。碳酸鹽巖隙溶洞水主要賦存于灰?guī)r節(jié)理、網(wǎng)狀裂隙及溶洞，補給源主要為大氣降水、地表水下滲或經(jīng)落水洞等通道直接灌入；徑流流程較長，呈層流狀態(tài)沿巖石節(jié)理、網(wǎng)狀裂隙或溶洞的通道緩慢移動向低洼處排泄出。

根據(jù)本次鉆探揭露的情況，所有鉆孔在水位穩(wěn)定后量測均有地下水，地下水位埋深約5.5m～8.0m，高程約為98.41m～100.71m，勘查區(qū)內(nèi)地下水位埋深較淺。主要接受大氣降水及相鄰地下水補給。地下水與場地西側水塘存在相互補給關系。

根據(jù)調(diào)查尋訪，西側約40m為既有水塘，水塘近圓形，寬約50m，常年有水，春季降雨頻繁，水塘每年由排洪涵管向東排水，排洪涵管穿過塌陷區(qū)。場地東側約1.1km為賀江支流沙田河，塌陷區(qū)場地及周邊水流均由西向東匯排入沙田河。地下水位的常年升降變化，將帶走土層泥砂及溶洞內(nèi)充填物，形成土洞或空洞，是造成本次巖溶塌陷的重要因素。

4 地面塌陷因素及穩(wěn)定性分析

4.1 巖溶發(fā)育程度

通過對場地的物探及鉆探發(fā)現(xiàn)該處地層的巖溶發(fā)育程度具有以下特點：

（1）勘查區(qū)內(nèi)灰?guī)r（可溶巖）分布連續(xù)，地表為含卵礫石粉質(zhì)黏土所覆蓋，從學校宿舍樓至塌陷坑外，其下伏基巖起伏較大，巖面坡度約15°～30°。

（2）淺層巖溶強烈發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶洞和溶溝溶槽為主。鉆探中遇洞（槽）32個，巖土分界線附近均發(fā)現(xiàn)有溶洞。

結合區(qū)域資料，綜合判斷塌陷區(qū)的巖溶為強烈發(fā)育，是形成本次巖溶塌陷的基礎因素。

4.2 地面塌陷影響因素分析

通過4.1分析，得到本場地巖溶強烈發(fā)育，故巖溶塌陷是造成地面塌陷的主要因素。原因一：地下水運動帶走淺層溶洞內(nèi)的充填物形成真空負壓，同時地下水升降對巖面附近土體潛蝕，掏空土體，形成土洞并對溶洞頂板產(chǎn)生虹蝕作用，兩者作用造成溶洞頂板坍塌，巖面附近淺層溶洞塌陷造成真空面吸蝕上覆土層，造成土體松散甚至土洞形成，造成地面沉降。原因二：在塌陷區(qū)中心經(jīng)過一排洪管涵道，淺層巖溶造成的土體位移造成涵道產(chǎn)生裂縫漏水，長期的漏水造成淺層土體進一步位移、松散，進一步加劇地面沉降。

對巖溶場地地面塌陷的影響還包括巖溶發(fā)育程度、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構造及地震、地下水運動、人類工程活動等六方面[4]。

4.3 巖溶地面塌陷現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析及評價

通過本次調(diào)查及對塌陷區(qū)周邊建筑物的監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，塌陷區(qū)中心區(qū)域房屋所產(chǎn)生的裂縫存在繼續(xù)擴大的現(xiàn)象，塌陷區(qū)南側學校宿舍樓與教學樓接縫處在緩慢增寬，宿舍樓向西緩慢傾斜，說明底部土層在處于蠕變狀態(tài)，巖溶地面塌陷現(xiàn)狀仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，致使建筑物地基仍存在不均勻沉降的變化，使建筑物傾斜、墻體開裂的現(xiàn)象仍在加劇。

4.4 巖溶地面塌陷發(fā)展趨勢

塌陷區(qū)處于巖溶發(fā)育強烈區(qū),地貌屬于沖洪積階地地貌，位于地下水和地表水聯(lián)系比較密切的區(qū)域，巖溶、節(jié)理裂隙發(fā)育，致使淺部巖層的透水性好；同時，塌陷區(qū)位于所在區(qū)域水位水文地質(zhì)單元的徑流區(qū)，地下水徑流活躍，地下水位升降頻繁。隨著地下水位的升降及流動，土層容易受到潛蝕作用，細小顆粒被沖刷帶走，形成土洞，同時下伏溶洞的充填物也容易被地下水帶走，形成空洞，長此以往或將引發(fā)溶洞頂板坍塌，造成空洞加大，當空洞擴展到無法支撐上覆土層時，發(fā)生新的巖溶塌陷。

5 地面塌陷治理方案

參考前人工程的治理方法[5]，對建筑地基基礎治理的措施[6]，結合本工程的特點，采取注漿封堵[7]的方式進行地面塌陷治理，具體步驟如下：

（1）應立即拆除已塌陷區(qū)內(nèi)的受損構筑物及注漿區(qū)域內(nèi)的圍墻段以方便應急搶險施工。塌陷區(qū)周邊建筑應立即布置監(jiān)測點，做好塌陷區(qū)周邊已建建筑物的沉降、位移及裂縫監(jiān)測。

（2）對已塌陷區(qū)回填采用濃水泥漿自流的方式進行灌注，采用普通硅酸鹽水泥，水灰比不大于1：2；初次灌漿滿后，當漿液析水、液面下降時,應進行多次補漿直至將已塌陷區(qū)灌注填滿。若灌漿水泥用量超過100t，應在水泥漿內(nèi)加入適量的水玻璃后再進行灌注，也可選擇C15細石混凝土等材料進行灌注。

（3）勘查孔注漿，共8個孔，孔深28m～36.4m，待勘查結束后，采用水泥漿自流的方式進行注漿，注漿用水泥標號采用P.042.5普通硅酸鹽水泥，水灰比宜為0.75：1，注漿流量宜為15L/min。每孔水泥用量超過150包或溶洞規(guī)模較大時，可以采用灌混凝土封堵或灌砂漿、細石混凝土方式或注漿液摻入速凝劑（水玻璃）來提高注漿效率，減小浪費。

（4）注漿加固：待已塌陷區(qū)灌漿材料初凝后，再沿塌陷區(qū)周邊布置灌漿孔，分5批次灌孔施工，其中1批灌孔用于宿舍樓地基加固；本項目均采用引孔壓力注漿，設計注漿點分布圖見圖4。

圖4 設計注漿點分布圖

6 監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)分析

本項目布設沉降監(jiān)測點、傾斜監(jiān)測點和裂縫監(jiān)測點對塌陷區(qū)及周邊進行監(jiān)測。沉降觀測點布設在建筑物主體或各構筑物的陽角上，沿外墻10m～20m處或每隔2～3根柱基，以及高低層建筑交接處布設；傾斜觀測點布設在受塌陷區(qū)直接影響的宿舍樓四個邊角的頂部；裂縫監(jiān)測點布設在建筑物及周邊地面裂縫兩邊。

觀測周期為施工期間或變化未穩(wěn)定期每天監(jiān)測3次，塌陷區(qū)穩(wěn)定后可根據(jù)適當減少觀測次數(shù)，但需增加巡視；當觀測沉降速率小于0.04mm/d方可停止監(jiān)測。本項目監(jiān)測預警值為建筑物基礎沉降累計值≥200mm，相鄰柱基垂直位移差0.002L，整體傾斜值0.002。

本文以沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為例分析（見圖5），起初地面塌陷發(fā)生后，沉降量逐漸增大，沉降速度也在增大，當?shù)?批注漿完成后，塌陷區(qū)地層開始趨于穩(wěn)定；強降雨引起地下水位的變化使地層再次處于不穩(wěn)定狀態(tài)，通過2、3批的注漿，雖然加固了宿舍樓的地基，但沉降現(xiàn)象無明顯改變，故對塌陷影響區(qū)域的外圍進行了1次注漿加固（第4批），沉降速度開始減小，地面塌陷得到了控制。為盡快恢復學校對該區(qū)域使用，對建筑物周邊及塌陷區(qū)再次注漿加固，有沉降曲線可知地面塌陷得到了有效控制，并且在3d后達到了終止監(jiān)測的條件。

圖5 沉降監(jiān)測圖

7 結語

本次地面塌陷形成的塌陷坑平面近圓形，直徑約15m，屬小型巖溶地面塌陷坑。主要由巖面附近淺層溶洞、溶洞頂板坍塌及基巖面附近土體中的土洞擴大引起，受巖溶發(fā)育程度、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構造及地震、地下水運動、人類工程活動等因素影響，隨溶洞頂板坍塌，基巖面附近土體中的土洞逐漸擴大，兩者貫通形成更大的空洞，當該空洞的頂部變薄到無法支持上部土層而坍塌時，形成了這次巖溶地面塌陷，屬于土層塌陷與巖層塌陷綜合作用形成的地面塌陷。

塌陷區(qū)場地及周邊屬巖溶強烈發(fā)育區(qū)，地質(zhì)條件復雜，塌陷坑現(xiàn)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，若不及時治理，學校房屋、設施將會加重損壞程度。

采用拆除塌陷區(qū)上損毀建（構）筑物、塌陷坑回填、塌陷區(qū)周邊分5批注漿處理的措施，使得塌陷區(qū)地面恢復，并減小消除塌陷區(qū)的危害。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)周邊沉降變化量逐漸歸零，周邊房屋裂縫不再擴大，房屋整體不再繼續(xù)傾斜。故本項目治理方案是切實有效的。

回顧本項目，不難發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷的發(fā)育、治理始終與地下水位變化相關，故巖溶地區(qū)需要控制地下水位的變化量。而發(fā)生巖溶塌陷的場地，制定合理的注漿步驟，應短時間內(nèi)完成封閉式注漿，減小地下水位變化對塌陷區(qū)的不利影響。