河池至百色高速公路丘莫屯地表開裂分析

趙志忠

摘 要：為了研究河池至百色高速公路丘莫特大橋樁基施工引發(fā)的地表開裂、塌陷原因及整治對策，通過采用地質(zhì)鉆探、調(diào)繪、地球物理勘探多種手段和方法，對地表開裂原因進(jìn)行了綜合分析，并預(yù)測未來地表開裂、塌陷發(fā)展的趨勢，最后提出了針對性的整治對策。

關(guān)鍵詞：高速公路；樁基施工；巖溶；地表開裂

前言

地表開裂、塌陷是巖溶地區(qū)常見的工程地質(zhì)災(zāi)害，但由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的地質(zhì)、水文環(huán)境及工程類型不盡相同，地表開裂、塌陷所產(chǎn)生的原因與作用機(jī)理同樣存在差異，文章通過丘莫屯地質(zhì)勘察成果，對地質(zhì)構(gòu)造演變過程及開裂、塌陷機(jī)理進(jìn)行分析，以期為同類型地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)判及處治提供經(jīng)驗(yàn)。

1 概況

丘莫特大橋是河池至百色高速公路控制性工程之一，橋長1410米，跨越巴拉河后與丘莫隧道相接，橋梁南段東側(cè)緊鄰河池市東蘭鎮(zhèn)新煙村丘莫屯。巴拉河南岸共布設(shè)樁基16根，樁基施工采用140kW沖擊成孔，第四根樁基施工過程中，發(fā)現(xiàn)樁基附近一帶房屋邊緣出現(xiàn)裂縫，隨即施工停止，而后丘莫屯多處出現(xiàn)地表裂縫及民房開裂，地面連續(xù)裂縫長度超過40米，裂縫寬度2-5mm，且開裂速度有不斷向外擴(kuò)展。

2 丘莫屯工程地質(zhì)條件

2.1 勘察方法

地表開裂出現(xiàn)后，對丘莫屯進(jìn)行地質(zhì)勘察，勘察綜合采用了工程地質(zhì)鉆探、調(diào)繪、地球物理勘探多種手段和方法，具體勘察工作布置如表1：

2.2 地形地貌

結(jié)合地質(zhì)資料及早期勘察成果，可知勘察區(qū)兼具褶皺洼地及巖溶洼地的特點(diǎn)，東往西向大體呈“山”字形褶皺，大致垂直于這一“山”字形的次級褶皺束控制著河谷的總體形態(tài)。丘莫屯位于巴拉河河谷區(qū)，本段河流總體上呈梯狀下落，在上游平臺邊緣地表水未見明顯變小，說明地下溶洞入水口明顯受阻。地下暗河與地表河相互貫通，地表形成河谷階地，同時(shí)地下暗河逐漸被河谷堆積物填充，地表水、地下水主要在表層交互，巖溶逐漸在表層灰?guī)r一帶發(fā)展，形成現(xiàn)丘莫屯底部寬大溶洞并形成篩狀小型巖溶漏斗。

2.3 地層巖性

通過地質(zhì)鉆孔揭示，丘莫屯地層由第四系覆蓋層（Q）和石炭系上統(tǒng)（C3）石灰?guī)r組成。

（1）第四系覆蓋層（Q）

自下而上依次為全新統(tǒng)早期殘坡積粘土（Q4el+dl）、全新統(tǒng)后期沖洪積卵石土（Q42al），伴有第四系全新統(tǒng)晚期溶洞內(nèi)填充物（Q42）：

第四系全新統(tǒng)早期殘坡積層（Q4el+dl）：以粘土為主，一般呈褐黃色，局部地段缺失，層厚多在1～8m之間，不能排除局部存在更厚層的可能性，飽水，一般呈軟塑-流塑狀，標(biāo)貫擊數(shù)一般1-3擊，鉆進(jìn)過程均有明顯縮孔。

第四系全新統(tǒng)晚期沖洪積（Q42al）：以卵石土為主，卵石一般呈渾圓狀，主要由灰?guī)r碎屑組成，粒徑一般介于50-200mm，充填砂礫局部充填泥質(zhì)，潮濕——飽水，稍密——中密。

第四系全新統(tǒng)晚期溶洞內(nèi)填充物（Q42）：根據(jù)鉆探資料，丘莫屯周邊下部溶洞基本已完全填充，但填充物基本未固結(jié)，泥砂仍呈稠度極大的黏糊狀，填充物多由砂礫及泥水混合物組成，部分地段底部含卵礫石。

（2）石炭系上統(tǒng)（C3）灰?guī)r

勘察深度內(nèi)灰?guī)r呈中風(fēng)化狀態(tài)，灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚～厚層狀構(gòu)造，巖石堅(jiān)硬。受巖溶作用、構(gòu)造擠壓上部基巖面起伏較大，巖溶洼地內(nèi)表層灰?guī)r多被流塑軟土披蓋；內(nèi)有大型巖溶發(fā)育，現(xiàn)代河道下溶洞多被第四系松散砂礫、粘粒充填完全，局部夾雜卵石。從直觀上看，溶洞大部分沉積物比現(xiàn)代河道飽水松散砂層疏松流變性更強(qiáng)。

2.4 水文地質(zhì)條件

地表水：丘莫屯緊鄰巴拉河，巴拉河屬常年性河流，本段河流由東南流向西北，主要以大氣降水及暗河補(bǔ)給，旱季流量不大，雨季流量較大，容易形成短期洪水，勘察期間河水寬約11.00m，水深0.50m，流量約190L/s。

地下水：地下水主要為巖溶水，其次為第四系覆蓋層中的孔隙水、基巖中的巖溶裂隙水?？辈靺^(qū)地下水與地表水通過大小不等的巖溶漏斗相互緊密聯(lián)系，導(dǎo)致巖溶小漏斗在地表如篩狀發(fā)展，也給丘莫屯大范圍地表開裂提供了條件。

3 丘莫屯房屋開裂、地面沉陷分析

（1）勘察區(qū)地下溶洞發(fā)育，較大溶槽分布，表層灰?guī)r發(fā)育篩狀巖溶小漏斗，為丘莫屯地表開裂、地面沉陷提供的基本條件。結(jié)合地質(zhì)勘察結(jié)論，丘莫屯總體上看屬于近東西向褶皺束的背斜段（如圖1），而背斜是良好的儲水地段，為特大型巖溶發(fā)育提供了條件。上述褶皺核心地帶形成大型溶洞后，在新生代喜馬拉雅運(yùn)動期局部地段發(fā)生平行于褶皺方向的斷裂，東段受太平洋板塊自南向北擠壓，發(fā)生走向大致垂直于東西向褶皺的次級褶皺，這一褶皺發(fā)生時(shí)期相對較晚，但速度相對較快（大于河道切割速度），致使形成現(xiàn)有梯狀河道。進(jìn)入第四系以來，這一褶皺仍持續(xù)活動。對溶洞而言，這一褶皺則使溶洞暗河出口受阻，形成事實(shí)上的淤積壩（如圖2），填充物只進(jìn)不出或者進(jìn)多出少致使溶洞內(nèi)部填充物大量聚集。

從溶洞填充物膠結(jié)程度分析，丘莫屯河谷底部溶洞的發(fā)展在第四紀(jì)中晚期遇阻并逐漸進(jìn)入緩慢填充時(shí)期。目前，填充仍在進(jìn)行中，溶洞內(nèi)物質(zhì)基本呈流砂狀，要完成這一過程，尚需要漫長的地質(zhì)時(shí)期。在施工之前，地下溶洞填充物基本呈湖相，是接近靜止的，是丘莫屯在施工樁基階段才產(chǎn)生較大變形的地質(zhì)背景。

大型溶洞分布呈湖相：受巖性及構(gòu)造作用，為該區(qū)域形成大型溶洞創(chuàng)造良好條件，受后期構(gòu)造影響，巖溶出水口被非灰?guī)r系地層阻斷，逐漸形成地下湖。

篩狀巖溶漏斗發(fā)育：類似地下湖的巖溶流體物質(zhì)長期以來基本處于靜止或水文交換極差的狀態(tài)，下部水鈣離子含量基本飽和，致使巖溶向下發(fā)展遇阻，逐步為丘莫屯低洼地帶篩狀巖溶漏斗形成創(chuàng)造條件。雖然地表篩狀溶洞尚無直接證據(jù)表明其存在。但是，本次鉆探中，大量的地下溶洞填充物以粘粒及砂礫居多，部分地段集中卵石，且粒徑明顯分化，這也間接印證了篩狀小型巖溶漏斗的存在。

（2）樁基施工是丘莫屯地表開裂、地面沉陷的直接原因

未開挖樁基之前，勘察區(qū)溶洞已被泥砂完全充填，溶洞的進(jìn)一步填充、固結(jié)仍在過程之中。溶洞蓋板上部地層與溶洞內(nèi)物質(zhì)通過各種形態(tài)漏斗相聯(lián)系，漏斗上下物質(zhì)與溶洞內(nèi)物質(zhì)處于脆弱的動態(tài)平衡狀態(tài)，降雨量多寡、地震等因素使這一平衡隨時(shí)都被打破，只是平時(shí)變形不大，未引起重視而已。

丘莫大橋本段樁基直徑3.4米，這樣的大型嵌巖樁一般采用重型沖擊鉆進(jìn)行施工。本段施工采用140kW沖擊鉆，帶動15噸吊錘沖擊作業(yè)，沉渣通過泥漿循環(huán)帶出，這一過程將溶洞內(nèi)原有沉積物帶出，引起周邊流體補(bǔ)償這一力學(xué)平衡，進(jìn)而沿漏斗方向自近而遠(yuǎn)的打破漏斗上下原有動態(tài)平衡，地基物質(zhì)沿篩狀漏斗跌落或擠入下部溶洞，于是產(chǎn)生地表沉降。

（3）勘察區(qū)卵石之下存在軟弱地基土，是大范圍房屋變形、地面下陷的部分原因

根據(jù)勘察資料，變形區(qū)域內(nèi)地表卵石之下灰?guī)r之上一般分布黏土層，此粘土層一般下部2.0米呈流塑狀態(tài)。由于施工而引發(fā)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化，粘土層持力效果較差，進(jìn)行造成地表開裂、下陷。

塑性很強(qiáng)的粘土，在下部溶洞填充物流動過程中，由于支撐壓力減小，受真空吸附，沿篩狀漏斗將向下運(yùn)動。上部卵石、下部黏土這種不正常的地層結(jié)構(gòu)本身就意味著，丘莫屯現(xiàn)低洼地帶在第四系地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了湖積逐漸轉(zhuǎn)向沖積的過渡期。這一地層組合特征也是勘察區(qū)下部巖溶水呈湖相的又一佐證。

4 整治方案

（1）對完成基坑開挖的樁基盡快澆筑，以便盡快封閉巖溶填充物出口，促使現(xiàn)有溶洞填充物快速穩(wěn)定。

（2）樁基施工中難以避免擾動溶洞填充物，應(yīng)采用對溶洞填充物擾動少的施工工藝，同時(shí)在不影響樁基穩(wěn)定的前提下，也可以適當(dāng)減小樁基入巖深度。

（3）施工過程中對丘莫屯人員及重要財(cái)產(chǎn)組織撤離，同時(shí)加強(qiáng)周邊變形監(jiān)測。

（4）樁基施工完成后，對屯內(nèi)較大巖溶漏斗，盡快填埋。影響區(qū)變形穩(wěn)定后，組織權(quán)威部門對受災(zāi)區(qū)房屋進(jìn)行評估。

5 結(jié)束語

丘莫屯樁基開挖過程中產(chǎn)生沉陷是多種因素相互交織的結(jié)果。主要由新構(gòu)造運(yùn)動及溶洞內(nèi)淤積現(xiàn)狀、軟弱地基土、地下巖溶呈篩狀漏斗發(fā)育、樁基開挖等因素。丘莫屯變形受復(fù)雜因素控制，現(xiàn)行的施工方案只可減緩沉陷發(fā)展速度，預(yù)防災(zāi)難性事故發(fā)生，卻難以絕對制止變形發(fā)生。因此，下一步應(yīng)加強(qiáng)地表變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)突變時(shí)，采取動態(tài)設(shè)計(jì)并及時(shí)處治。

參考文獻(xiàn)

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