某鄉集鎮巖溶塌陷勘查與治理措施

安義軍

(貴州地礦基礎工程有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著人類工程活動規模的擴展及工程建設增加，巖溶塌陷事故頻繁發生，對人民的生命財產安全造成嚴重威脅。近年來某地巖溶事故不斷發生，造成較大直接經濟損失，因此，針對該地進行勘查的主要目的就是獲取巖溶系統頂板組成物質及厚度參數，并對地下巖溶空間的具體情況展開查探。在探查后，根據具體情況和參數劃分出容易遭受巖溶塌陷地質災害的區域，在此基礎上提出有效的治理方式。

1 工程概況

該地位于貴州省鳳岡縣北部，其以東靠西臨永安鎮，北依正安縣，南接鳳岡綏陽鎮，距離鳳岡縣約40 km，處于洪渡河的右側岸邊，地勢低洼，河谷深切，由于地理位置獨特，被稱為“鳳崗北大門”。當地的地形地貌以侵蝕或溶蝕型洼地、盆地為主，在地下水和地質的共同作用下經常會受到侵蝕、溶蝕作用的影響。隨著時間的推移和地理活動的發展，該集鎮地表及地下巖溶系統發育完善，因此地表結構在下部沒有承受力，上部壓力大。在自身支撐力與上部壓力不平衡的情況下，易發生大面積塌陷，進而引發巖溶塌陷地質災害，見圖1。

圖1 巖溶塌陷形成機制示意圖Fig.1 Formation mechanism of karst collapse

根據該地實際情況，勘探工作主要對3處巖溶塌陷較嚴重的地區展開勘查，為更好地了解勘查情況，分別用A、B、C進行代稱，并研究相應的解決方案。其中C區域為A與B區域的銜接之處。

2 該鄉集鎮巖溶塌陷勘查分析

2.1 勘查任務的開展

(1)探測工作開展的目的，就是了解巖溶塌陷的發育規律以及勘查區周邊的構造、地層巖性等地質環境條件，因此在勘查任務實施過程中，應開展工程地質測繪。

(2)為避免其他因素的干擾，在進行物理探測的過程中，應盡量垂直于斷裂構造、地層走向及巖溶發育方向，若是無法對其中的干擾進行規避時，應設置相應的抗干擾措施。該次工程會受到建筑物的影響，因此在探測過程中在垂直于推測巖溶主管道方向布置了3條物探線，在推測主巖溶管道走向方向上布置1條物探線，4條物探線總長度0.5 km，解譯長度0.5 km。

(3)由于該次勘查工作物探工程主要布置在A塌陷坑區域，為驗證物探異常，按照物探異常點20 %的比例在A塌陷坑處布置10個驗證鉆孔，而B和C區域布置物探工作限制性較大，主要通過鉆探工程了解地下巖溶的特征，同時也是根據治理工程的需要，查明主要治理區域的巖土體結構和物理力學特征，在B塌陷坑和C位置布置鉆孔44個，另外為觀測勘查區地下水特征，特在勘查區外圍布置2個水文觀測孔，該次勘查共布置鉆孔56孔，總進尺1 280.5 m。此外，在該次治理區域外圍，為確定區域地下水動力特性，特布置了2個控制性水位觀測孔。

(4)為直觀了解巖溶系統巖土體工程地質特性，同時為驗證部分鉆孔的準確性，選擇主要鉆孔如巖溶深度控制鉆孔、發現較大巖溶孔洞鉆孔等進行井下電視測試，測井鉆孔28個，深度320 m。

2.2 勘查結論

(1)通過該次勘探工作可知勘查區水文地質及地下水動力學特征：在A、B區域內的地下水流向整體是至西向東，C區域地下水流向與項目可行性研究階段推測巖溶主管道走向及該次勘查實際查明巖溶主管道走向基本一致。

(2)通過對物體的鉆探可知，該次治理工程勘查區巖溶類型屬于覆蓋型淺成碳酸鹽巖巖溶，巖溶系統發育深度在20 m以內。

(3)通過勘探工程可知，整體勘探區域內的巖溶系統頂板為復合型頂板，即頂板物質既有土質成分也有隱覆基巖，不同區域土及隱覆基巖厚度及連續性差異較大，土質與隱覆基巖的接觸界線起伏情況布局規律，但整個巖溶頂板的底部總體由西向東傾斜，巖溶系統頂板厚度在5.0～13.5 m范圍內，至西向東厚度逐漸增大。

(4)在該次勘查中發現，該次工作區域內的發育強烈地段地層中存在寒武系地質變化的特征，因此該工作區域地質地層為寒武系中上統婁山關群地層，其中最主要的巖石性質為白云巖。地層下的巖溶系統的空間形態眾多，且規模比較大，由此可知，該區域內發生巖溶塌陷的可能性及危險性較大。

(5)該次勘查區域內的發育巖溶塌陷，C區域在2014年8月再次發生塌陷，經勘探查明該位置地下不發育較大規模巖溶空間及主巖溶管道，A、B、C區域塌陷變形都是受主巖溶管道的分支管道影響控制。

3 該鄉集鎮巖溶塌陷治理分析

3.1 巖溶塌陷治理采取的工程方案

巖溶塌陷的治理應根據勘探以及其地質特征本身設計治理方案，并根據工程的布置，研究相應的治理對策。根據勘探結果，該工程在進行治理過程中運用“覆蓋+回填+跨越”的方式模式開展工程：①對A區域進行治理，應根據塌陷坑塌陷深度較小、巖溶頂板厚度相對較大、隱覆基巖頂板較為連續的特點，開展回填工作；②對B區域進行治理，應根據塌陷坑深度大、巖溶頂板較薄、土質頂板的特點，并且還要防范該空間發生塌陷的可能性展開治理，因此B區域的治理應選用鋪蓋塌陷坑的方法；③對于C區域的治理需要考慮的特性比較多，例如，地面的物體和周邊環境、地表的支撐性、地下巖溶的空間高度以及水平規模尺寸等，因此，在根據勘探的結果以及此區域整體環境的考量下，為保障此區域的安全性，該地區選用跨越處置方式，同時，C區域所在的集鎮主要街道地段，也進行跨越處置。

3.2 巖溶塌陷治理工程

3.1.1 塌陷坑泄水工程

為促使塌陷坑中含有的地表水能下沉到地下巖溶空間中，在進行塌陷治理前應開展塌陷坑底部泄水工程。為更好地處理塌陷坑中的水，該工程運用鉆機跟管鉆進在A、B塌陷坑底部設置孔徑為200 mm的垂直泄水孔，單個泄水孔孔深15 m，深度參數可以根據實際的工程情況和需要進行更改。鉆至設計位置或深度后，套管永久性留于鉆孔內，孔口套管端頭焊接2 m長7孔梅花鋼管，孔徑200 mm。設計泄水孔相鄰孔距5 m，實際施工可根據塌陷坑底部地形起伏情況，選擇最優的孔位，一般最佳地點為塌陷坑最低的位置。根據整體勘查情況，A、B區域最少需要設置21個泄水孔，并且跟管鉆孔總進尺315 m，梅花鋼管總長度42 m。

3.1.2 塌陷坑覆蓋工程

此工程在實際開展過程中一般應用于B塌陷區域內，屬于補救型治理措施。根據該地區的實際情況，該工程選擇運用“群樁+連接梁+蓋板”的形式開展治理，就是在塌陷坑最底部設置群樁基礎，基樁縱橫間距均為5 m，樁斷面為圓形，樁徑1.0 m，嵌入巖溶底板白云巖深度≥1 m，用C35混凝土灌注，為人工挖孔灌注樁。為保障治理工程的實效性，提升整體塌陷區域的安全系數，樁頂用C35鋼筋混凝土連接梁連接，斷面尺寸0.4 m×0.6 m(寬×高)，梁上蓋板厚度0.35 m，用C35混凝土澆筑。

在該工程中的群樁基礎運用的是人工挖孔灌注樁，開挖方式采用“跳一挖一”，在人工挖孔之前，應對B塌陷坑底部的淤泥進行清理，然后開挖樁孔。每開挖1 m應及時護臂，用3 mm厚鋼筒護臂，相鄰每節護壁應用掛鉤連接牢固，遇到淤泥等軟質土層，相鄰護壁須對縫焊接牢固，當孔壁為較完整巖石時無須護壁。樁孔開挖過程應特別注意施工安全，為避免孔內塌陷造成施工人員墜落事故，孔內操作人員應與地面有牢固安全繩索連接。

3.1.3 塌陷坑回填工程

根據勘探的實際情況，在進行A塌陷區域治理時選擇運用補救性回填，回填材料為干砌毛石，回填面積1 110 m2，回填平均深度3.5 m，回填總方量3 885 m3，回填物表面鋪設C30混凝土，厚度0.3 m，主要工作量見表1。為保證地表水順利流入地下巖溶空間，澆筑混凝土時應注意預留垂直泄水孔，孔徑50 mm，可采用鋼管或PVP管，縱橫間距均為2 m，平面上呈梅花形布置。

表1 塌陷回填工程設計主要工作量表Tab.1 Main work of collapse backfill engineering design

3.1.4 塌陷跨越工程

C區域屬于未發生坍塌事故的區域，但是根據其地質特性可知，該地區發生坍塌事故后的危害性比較大，為提升此區域穩定性，減小發生坍塌事故的概率，保障地面車輛、人員、設施的安全性，對于C區域內的公路治理采用的是跨越方法，進而規避重大車輛事故或是人員傷亡的事故發生。跨越方案在實際運用過程中了選擇運用“基樁+連接梁+蓋板”治理巖溶坍塌，此種方案的運用需要對于最大汽車載重以及水平最大加速度進行考量，并結合壓荷載及結構自重，如此方能提升區域內坍塌事故的治理效果。

3.1.5 農貿市場修復工程

位于B區域內的農貿市場在長期巖溶塌陷的影響以及時間的推移下，已經發生形變，并且表面已經出現明顯破壞和開裂的痕跡，結構也在常年的影響下發生損壞。例如，地面開裂、上部結構歪斜等。在該工程中，為對此地區進行有效治理采用樁基礎代替原來的獨立柱基，用C30混凝土澆筑，樁孔開挖方式為人工挖孔樁，土質孔壁須進行護臂，每開挖1 m及時護臂，C20混凝土護壁厚度不小于200 mm，內用HPB300鋼筋做受力筋和連接筋。單根長度12 m，斷面為圓形，直徑1.0 m，樁間距10 m，共布置12根，單樁內部縱筋為9根φ32HRB400螺紋鋼筋，箍筋為φ12HPB300@250圓鋼筋，混凝土保護層厚度50 mm。設計樁基持力層為高臺組地層泥質白云巖，經試驗地基承載力滿足要求。上部結構擬采用鋼結構，總面積750 m2，細部結構設計由建筑專業部門提供，其修復的工作量見表2。

表2 農貿市場修復工程設計主要工作量表Tab.2 Main work of restoration engineering design of the farmers’market

4 結 語

總而言之，由于貴州省處于巖溶地區的中心地帶，地下情況比較復雜，在長時間的地下水的侵襲下，地下環境容易出現空洞。該鄉集鎮區域位于烏江水系右岸，其受到的侵蝕作用更大，因此會不斷出現巖溶坍塌事故，威脅人們的生命和財產安全。為更好地治理該區域內的坍塌事故，避免出現更大的事故，應先運用勘探的方式知曉該地區的地下結構和狀況，為下一步的治理工作提供更具科學性、合理性的治理方案，進而提升整體巖溶塌陷治理效果，為人們的生命財產安全保駕護航。