閩南地區巖溶地質災害引發場地地基穩定性評價

蘇瑞其

（福建省197地質大隊 福建泉州 362011）

0 引言

閩南地區的巖溶發育在北部山區、煤系地層下部的石灰巖地層，以隱伏型巖溶為主。本文以某大橋樁基工程為例，9～12 號樁賦存于隱伏型石灰巖分布區，大橋樁基的工程地質評價主要采用工勘鉆探動力觸探手段確定基巖位置，忽略了其下部存在斷層帶及巖溶發育區，導致了12 號樁基施工至底部時多次漏漿無法成樁。通過對現場實地調查并進一步補充勘查，查明了隱伏型巖溶分布的特征及發育情況，形成了切實可行的巖溶場地地基處置措施。

1 研究區地質背景

1.1 研究區的區域地質特征

大橋樁基在區域上位于永安-梅縣上古生代拗陷帶的東南側，處于仙游-漳平東西向斷裂帶、福安-南靖北北東向斷裂帶和晉江-永安北西向斷裂構造的復合部位。

區域上石灰巖地層分布于煤系地層的底部。受大地構造運動及次級褶皺、斷層的影響，地層的完整性被破壞，出現了地層移位、顛倒、缺失等地質現象，底部的石灰巖被緩傾角滑覆斷層推送至地表附近甚至出露地表。斷層在緩慢活動過程中錯開了整合地層的接觸面，形成了斷層破碎帶，破碎帶的導水性誘發了底部相連的石灰巖頂部巖溶的發育。

區域出露的地層從老到新主要為：前震旦系大嶺組（AnZzdl），二疊系下統棲霞組（P1q）、文筆山組（P1w）、童子巖組（P1t）、二疊系上統翠屏山組（P2cp）。

自上石炭世至早侏羅世，地殼運動主要以頻繁的區域性升降為主，屬淺?！ｊ懡换ハ嗌介g盆地沉積。上石炭世至早二疊世有1 次較大規模的海侵，為區域石灰巖的沉積奠定了良好的地理條件，自北到南已發現永春鉛坑、橫口和安溪劍斗、珍地、青洋、潘田等石灰巖礦床。本區在區域上屬于安溪石灰巖分布區（圖1）。

圖1 區域地質圖

1.2 研究區的地層特征

研究區揭露的地層自上而下分別為第四系殘坡積土、文筆山組和棲霞組，其包含的巖性如下。

1.2.1 第四系殘坡積土（Q）

雜填土：主要為人工填土?；尹S、灰色，含較多建筑雜填土，呈松散、稍濕，為近期回填土，尚未完全自重固結，穩定性極差。

殘積土：第四系全新統殘積土。灰黃、灰白色，主要由石英、云母碎屑等組成，石英礫約10%，呈硬塑～堅硬狀，屬中等壓縮性土，力學強度高，工程性能好；泡水易軟化崩解，具力學強度不良的特性，穩定性極差。

高嶺土：灰白色，主要由長石礦物風化而成，呈硬塑～堅硬狀，屬中等壓縮性土，力學強度高，工程性能好；泡水易軟化崩解，具力學強度不良的特性，穩定性極差。

1.2.2 二疊系下統文筆山組（P1w）

砂土狀全風化粉質砂巖：結構松散，顏色呈褐灰、淺灰黃雜色，主要由石英礦物及長石礦物所組成。

砂土狀強風化細砂巖：褐灰、灰白色，多為緊密砂土狀，原巖結構大部分被破壞，遇水易軟化崩解，偶夾碎塊，為極軟巖，巖體極破碎，巖石基本質量等級Ⅴ級，質量指標極差，穩定性極差。

碎塊強風化細砂巖：褐灰、淺灰黑色，多為碎塊狀，屬軟巖，巖石基本質量等級Ⅳ級，質量指標差，穩定性差。

1.2.3 二疊系下統棲霞組（P1q）

溶洞：為石灰巖在水的溶蝕作用下形成，區內鉆孔揭露的溶洞基本為完全充填，充填物成分較復雜，主要為泥、砂質及粉砂巖、硅質巖小碎塊等，穩定性極差。

碎塊狀強風化石灰巖：灰白、灰～深灰色，薄～中厚層狀，中粗粒結構，具水平層理、質較純，多為碎塊狀，屬軟巖，巖石基本質量等級Ⅳ級，質量指標差，穩定性差。

塊狀弱風化石灰巖：灰～深灰色，薄～中厚層狀，中粗粒結構，具水平層理，質較純，偶夾1～5 cm 硅質巖條帶。底部見斷層擠壓帶及斷層角礫。巖芯成短柱狀或柱狀，RQD 值70～80，屬較硬巖，巖石基本質量等級Ⅲ～Ⅳ級，穩定性較好。

1.3 研究區的巖溶發育特征

1.3.1 巖溶發育層位

研究區存在隱伏型巖溶區域，上覆地層主要為第四系（Q）、二疊系下統童子巖組（P1t）、二疊系下統文筆山組（P1w），自上而下主要巖性包括：雜填土、粉質及砂質黏土、泥巖、砂質泥巖、細粉砂巖為主。

本區巖溶發育具有一定層位性，主要位于棲霞組（P1q）石灰巖與上伏文筆山組（P1w）泥頁巖之間的斷層接觸帶。該斷層接觸帶為導水斷層，雨水通過上部的土體、砂土狀全風化孔隙、強風化裂隙匯集于石灰巖上部的導水斷層；該層石灰巖呈厚層塊狀，裂隙較不發育，為隔水層，因斷層導水并積水浸泡的棲霞組（P1q）上部的石灰巖；石灰巖的主要成分為碳酸鈣，碳酸鈣本身不溶于水，但被含有二氧化碳的酸性雨水浸泡產生溶蝕性化學反應，日積月累形成了溶洞。

1.3.2 巖溶發育規律

根據筆者單位2002 年提交的《福建省安溪縣大畬石灰巖礦區南礦段普查地質報告》，大橋6～13 號樁評價區隱伏型巖溶發育，受東西向永安-晉江斷裂帶的影響，次一級斷層發育，切割形成的地層組合較為復雜，表現為巖溶以上巖性的完整性及透水性的不同，導致巖溶形態、大小及充填情況存在較大差異。

研究區隱伏型巖溶主要類型包括：溶洞、溶槽、溶孔、溶縫。在較大溶洞里面及周邊，包含有溶槽、溶孔及溶裂縫，溶洞形態大小與石灰巖上部地層界線-斷層面的高低、起伏面有關系，容易滲水、積水區的位置溶洞一般更大，形態以圓形、圓弧形、橢圓形居多，寬度1.8～7.0 cm。

研究區補勘施工鉆孔11 個（圖2），其中7 個鉆孔見溶洞，溶洞遇見率63.6%，其中：有1 個鉆孔溶洞未打穿、2 個鉆孔各揭露2 個溶洞，2 個以上的溶洞率占比18.18%（表1）。

表1 鉆孔溶洞統計表

圖2 某大橋9～12 號樁基平面圖

根據施工鉆孔地質編錄數據，洞高1～2 m 的數量有2 個，占比22.22%；洞高2～5 m 的溶洞4 個，占比44.44%；洞高5～10 m 的溶洞3 個，占比33.33%；頂底最大高差9.20m、最小高差1.40 m。溶洞的頂板為強風化碎塊狀細砂巖、弱風化灰巖，溶洞主要發育在石灰巖上部。溶洞埋深距地表43.90～86.98 m，底部隔水層分界線位于石灰巖地層的硅質巖，其石英含量高、溶于水的碳酸巖含量少。

2 隱伏型巖溶地質災害引發的場地地基穩定性評價

場地基礎塌陷、混凝土灌漿流失、巖層分界面在基礎加載后存在位移隱患，均為隱伏型巖溶區域對工程建設基礎所面臨的問題，再加上復雜的水文地質方面存在不穩定因素，可能牽動工程地質等一系列隱患，故工程建設的前期必須對巖溶地基的穩定性進行評價。巖溶地基的穩定性評價一般采用場地評價和單體評價。按照巖溶發育規律及強度，針對本場地用于橋梁地基基礎，場地評價主要分析橋梁線路范圍的場地適宜性和穩定性；單體評價主要是研究每個橋墩深部巖溶形態和特征。對橋墩的穩定性進行評價，主要采取定性評價、半定量評價2 種方法。

2.1 場地評價

研究區處于亞熱帶巖溶發育區，巖溶分布位置大致可通過區域地質成果所揭露地層層序及斷層的賦存情況圈定；由于區內季節性雨水豐沛，加上大氣CO2的作用下，雨水呈弱酸性；但相對于半裸露區，隱伏巖溶發育程度以中等居多。場地穩定性評價應將建筑荷載與土洞的共同因素放在一起考慮。

研究區內地表全部被第四系殘坡積土覆蓋，未見石灰巖出露，但深部探礦地質資料顯示，地下巖溶卻十分發育，在鉆孔深度43.90 m 以上未見石灰巖溶洞。而鉆孔揭露的溶洞全部為全填充，充填物主要以角礫及黏性土為主，少量灰巖碎塊。從工勘地質資料分析，研究區的場地所在位置深部隱伏有面狀巖溶分布；棲霞組灰巖在橋的南西側山坡上有出露，正好地表水順接觸帶向深部滲透，形成了由南西向北東傾的巖溶發育帶（滑動面），該巖溶發育帶傾向與13→9 橋墩（由短墩向長墩）方向一致，形成1 個潛在滑坡體。目前該滑動體前緣無剪切帶，但巖溶所處位置大部分處在水庫蓄水后淹沒區，形成復雜水文地質條件，造成前緣出現巖溶塌陷，其剪切帶就出現。有些樁基未穿透巖溶發育帶，僅落在上覆滑坡體上，會加載滑坡體重量，更容易產生滑坡。因此研究區場地存在隱伏型石灰巖溶洞，場地地基整體穩定性較差。

2.2 單體評價

在場地評價-地基穩定性較差的基礎上，必須查明單體工程的穩定性情況。結合上部工程荷載，工程項目在施工之前對基礎類型的選擇顯得尤為重要。單體評價對研究區的巖溶分布區項目來說，顯得尤其重要，理由如下：單體荷載區本身存在地形地貌的差異；巖溶規模、大小、充填性質等均存在較大程度的差異。根據單體工程對應的補勘成果剖面（4 條），即：10、11、12、13 號樁基對應3-3′、4-4′、5-5′、6-6′地質剖面共10 個鉆孔，通過巖土地質及水文地質勘查編錄情況分析、評價單體工程的地基穩定性（圖3～6）。

圖3 3-3′工程地質剖面圖

圖4 4-4′工程地質剖面圖

圖5 5-5′工程地質剖面圖

圖6 6-6′工程地質剖面圖

2.2.1 定性分析法

2.2.1.1 分析方法

定性分析是按照事物本身的特性分析，采用的是非量化的手段探索解決問題的辦法。具體反映在巖溶場地的穩定性方面，定性分析遵循巖溶地質特性，包括：溶洞所賦存的石灰巖巖性特征、基巖的節理裂隙情況、巖層產狀變化特征、溶洞空間充填情況、溶洞所處位置特征、洞體的頂板情況。通過分析以上列出的巖溶地質特性，逐一分析評價存在的有利或不利因素，再作出綜合分析判斷，如果無案例可以參照類比，其結論通過綜合分析確定，這種綜合分析判斷的方法，屬于綜合分析法；在綜合分析的基礎上，手頭已有典型的經驗案例可以作為參照對象進行比擬分析，判斷同類性質的巖溶場地在水利工程、公路工程或住建工程等案例實踐的方法，屬于經驗比擬分析法。

定性分析是在已經采取工程勘查或在已查明隱伏型巖溶及以下地質情況的條件下，即在已經有了地質資料的基礎上作出非量化的分析判斷。正因為沒有量化，一般提交的結論成果也僅適合一般性工程，供工程設計部門作為設計參照依據。

巖溶地基穩定性的定性評價，通過表2 對4 條剖面的隱伏性巖溶特征詳細列表分析。

表2 4 條地質剖面巖溶地基穩定性的定性評價

2.2.1.2 評價結果

根據工勘巖芯地質編錄成果，分析得出了地基穩定性有利的相關因素，包括：巖性特征（中厚層塊狀）、裂隙情況（較不發育）、巖層特征（塊狀平緩起伏?。?、溶洞的全充填等；而對地基穩定性不利的相關因素包括：溶洞特征（埋藏深）、頂板情況（破碎）等。通過以剖面為單位，定性評價分析的結果，5-5′、6-6′剖面的評價結果相同。

2.2.2 半定量分析法

2.2.2.1 半定量分析

（1）溶洞頂部崩塌充填分析。溶洞的頂部所在石灰巖在巖溶體積累積擴大之后，在地下水、構造、巖性及產狀等多因素的作用下，頂部石灰巖在自重的作用下產生崩塌墜落；石灰巖在崩落之后形成散體堆積于溶洞洞穴，相對于原巖，崩落之后巖石膨脹體積變大；一旦溶洞完全被崩塌巖石堆積物充填，溶洞的頂部達到基本穩定狀態。此法可用于石灰巖地層上部有隱伏溶洞的場地地基，并結合公式（1）計算分析判斷地基的穩定性。

式中：a 為溶洞頂部崩塌的厚度；b 為溶洞高度；c 為膨脹系數，閩南地區的石灰巖膨脹系數采用統計數值1.35。

根據公式（1）計算的溶洞頂部崩塌的厚度a＜溶洞的頂部厚度，說明了溶洞被頂部崩塌堆放積物完全充填時，仍存在完整的基巖頂部未被破壞，說明在這種情況下，加載后的地基相對穩定。

（2）隱伏型巖溶地基穩定性的分析模型。工程加載后隱伏型巖溶地基是否穩定可靠，在實踐中需要以完整的工程勘查數據作為支撐，這既和上部工程的加載有關系，更重要的是溶洞規模、數量和高度等對工程建設的影響，分析模型參照圖7。

圖7 隱伏型巖溶地基穩定性分析模型圖

圖7 中L 表示原始未加載狀態：溶洞所在的石灰巖地層-基巖埋深（石灰巖頂部界線至地面高度）。

工程加載之后的該類型的地基穩定性分析，采用公式（2）。

式中：L0為數值表示工程加載狀態：在加載受力極限時，溶洞所在基巖面以上覆蓋層厚度（通過公式計算取得）；s 為基巖面至洞頂高度；n 為加載受力至極限的影響深度；d 為工程基礎深度。

在樁基位置確定時，s 可通過工勘鉆探工程的成果數據來確定，n、d 的數值均與上部工程的荷載及設計有關，不同的工程設計的z、D 的數值有差異。

隱伏型巖溶地基計算模型通過對溶洞所在的石灰巖地層埋深（灰巖頂部界線至地面高度）L，與設計建筑物加載后，根據極限狀態下上部覆蓋層厚度L0的數值變化情況來評價，該計算模型存在以下3 種情況。

①當L＞L0時，說明上部工程荷載設計的受力影響深度未及溶洞頂部，即工程加載影響不到溶洞，但總體地基受力是穩定的。

②當L＜L0時，說明上部工程荷載受力影響深度超過溶洞頂部，地基總體不穩定，具體存在2 種情況：

（a）土洞在工程建設之前已經形成。工程荷載受力達到極限時，沒有緩解受力的空間，工程荷載受力影響深度超過溶洞頂部，直接對溶洞產生破壞性的力，比如：裂縫、塌陷等變形的可能性，地基的穩定性存在較大安全隱患，即地基是不穩定的。

（b）土洞在工程建設之后形成。因上部工程荷載受力影響深度超越巖溶上部地層的分界線，上部覆蓋層整體產生沉降，帶動了巖溶空間從裂縫、沉降到坍塌的變形過程而形成了土洞，因此工程建設之后產生的土洞，其地基是不穩定的。

③當L＜s 時，說明了工程荷載直接導致上部覆蓋層發生嚴重塌陷，下部溶洞空間帶走、分散了大量覆蓋層存在的可塑性、不穩定的巖土體，在建工程必須重新評估、重新設計，地基設計的位置、方式必須坐落在深處的基巖，或選擇避讓繞道、擇地遷建。

2.2.2.2 分析情況

（1）溶洞頂部崩塌充填分析情況。根據工勘鉆探成果，通過地質編錄整理出本區隱伏型溶洞特征的各種基礎數據，為溶洞頂部崩塌充填分析提供了依據（表3）。

表3 4 條地質剖面巖溶地基穩定性半定量分析

（2）隱伏型巖溶地基穩定性的分析情況。本次補勘剖面均有鉆孔揭露溶洞（全充填），選取代表性鉆孔ZKB12-3 及ZKB12-1 揭露的溶洞特征，為隱伏型巖溶地基分析模型法提供評價依據（表4）。

表4 溶洞（鉆孔）統計表

2.2.2.3 分析結果

（1）溶洞頂部崩塌充填分析結果。溶洞頂部崩塌充填分析法可以得到溶洞頂部崩塌的厚度，再根據野外地質編錄取得的溶洞實際基巖頂板厚度，取得了分析需要的數據成果（表5）。

表5 巖溶地基穩定性半定量評價情況表

通過表5 可知，除鉆孔ZKB13-2 存在頂板厚度小于溶洞冒落的高度之外，其他鉆孔的溶洞均沒有基巖頂板，即頂板厚度為0，且頂板均處于為P1w 和P1q 之間的斷層破碎帶，巖性主要為碎塊狀強風化細砂巖。綜上所述，4 條剖面溶洞冒落高度均遠大于頂板厚度，表示10～13 號橋墩地基都處于不穩定狀態。

（2）隱伏型巖溶地基分析模型的分析結果。①鉆孔ZKB12-3。由表4 可以看出，鉆孔ZKB12-3 的溶洞覆蓋層厚度L 為59.4 m、全充填的溶洞高度s 為4.90 m 均已確定；工程基礎深度d、加載受力至極限的影響深度n則有待于工程設計部門通過設計計算取得；結合公式（2）；當L＞L0時，上部工程荷載設計的受力影響深度，未及溶洞頂部，地基受力總體穩定。根據以上數據、公式和分析模型可以得出，工程設計部門在設計時，只要滿足以下條件，即：工程基礎深度d、加載受力至極限的影響深度n 之和<54.5 m，工程地基受力是穩定的。②鉆孔ZKB12-1。由表4 可以看出，鉆孔ZKB12-1 的溶洞覆蓋層厚度L 為56.5 m、全充填的溶洞高度s 為3.80 m 均已確定；與ZKB12-3 分析同理，工程設計部門在設計時，只要滿足以下條件，即：工程基礎深度d、加載受力至極限的影響深度n 之和<54.5 m，工程地基受力是穩定的。

3 結語

閩南地區巖溶發育區主要以隱伏型為主，場地建設地基的穩定性評價主要包括場地評價和單體評價。場地評價應以區域地質資料為基礎，加上實地地質調查，大致圈定場地評價區的巖溶所賦存的石灰巖地層分布區域，為隱伏區巖溶特征的工勘鉆探設計提供依據；再通過實地鉆探，包括：巖性鑒定、RQD 統計、標貫測試等手段，確定地層及構造分界線、巖性分層及厚度、節理裂隙，以及溶洞埋藏的深度、厚度、充填、頂板特征、地下水賦存情況等，作為工程基礎的單體評價依據，既滿足了工勘地質強風化層的需求、也查明了隱伏性巖溶發育的詳細特征，為閩南巖溶隱伏區的基礎工程建設提供切實可行的地質依據。