土體工程地質(zhì)的宏觀控制論在地質(zhì)勘察實(shí)踐中的應(yīng)用
——以廣東省某高速覆蓋型巖溶地表塌陷地質(zhì)勘察為例

劉少煒

（山西省交通科學(xué)研究院，山西太原030032）

在地質(zhì)工程中，巖體的工程力學(xué)性質(zhì)受其結(jié)構(gòu)的控制，即結(jié)構(gòu)控制論，這已被工程地質(zhì)和巖土工程界認(rèn)同,成為普遍遵循的工作準(zhǔn)則，用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。而由于土體的復(fù)雜性，對(duì)于土體工程則尚未形成統(tǒng)一而明確的指導(dǎo)理論。孫廣忠等在其論著中提到地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制論，在談?wù)撏馏w工程時(shí)，強(qiáng)調(diào)地質(zhì)作用，認(rèn)為地層結(jié)構(gòu)較土體結(jié)構(gòu)更具控制作用，是其工程性質(zhì)的第一級(jí)控制因素。

勘察大師范士凱先生在多年的地質(zhì)勘察工作中總結(jié)認(rèn)識(shí)到：對(duì)于土體工程，將地貌單元、地層時(shí)代和地層組合等作為工程的宏觀控制因素,通過(guò)地質(zhì)測(cè)繪、鉆探,準(zhǔn)確界定它們?cè)诳臻g的界限和類型,并通過(guò)原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn),構(gòu)建其地質(zhì)—土體力學(xué)模型,然后針對(duì)各類工程地質(zhì)和巖土工程問(wèn)題做出評(píng)價(jià)結(jié)論和工程措施。這就為土體工程的工作制定了技術(shù)路線，指明了工作方向。借助這一套由宏觀到微觀,由定性到定量的工作體系，可以很好地解決土體工程問(wèn)題。

本文試圖以該理論為指導(dǎo)，從地質(zhì)生成角度出發(fā)，探討總結(jié)廣東省某高速公路巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害地質(zhì)條件和機(jī)理，更好地查明其地質(zhì)條件，便于設(shè)計(jì)施工。在具體實(shí)踐時(shí),注意技術(shù)路線的正確性，特別針對(duì)性地對(duì)“地貌單元、地層時(shí)代、地層組合”等決定土體宏觀特性的5個(gè)方面因素進(jìn)行較深入研究,而摒棄之前的盲目地做一般性調(diào)查。具體來(lái)說(shuō)，首先按照地貌單元等級(jí)和類型確定工程影響范圍和具體界限,進(jìn)而根據(jù)其成因類型所特有的沉積規(guī)律搞清沉積物分布、相變關(guān)系以及地下水埋藏特點(diǎn),由此劃分地層組合(巖土水)單元,最后進(jìn)行分區(qū)、分段評(píng)價(jià)。

1 地貌單元

項(xiàng)目區(qū)巖溶段落分布于定測(cè)線路的K26+100～K30+100段和K32+800～K38+800段。該路段地處地勢(shì)較平緩的巖溶溶蝕準(zhǔn)平原區(qū)，四周為地勢(shì)較高的構(gòu)造侵蝕丘陵所環(huán)抱。區(qū)內(nèi)有大郎河和黃村河2條河流，河流位于平原區(qū)中部，地勢(shì)最低。

從地貌地形上看，項(xiàng)目區(qū)可分為3種地貌單元：四周的構(gòu)造侵蝕低山丘陵區(qū)、地勢(shì)稍低的巖溶溶蝕準(zhǔn)平原區(qū)和地勢(shì)最低的河流區(qū)，詳見圖1。

2 土體成因、時(shí)代及地層組合

構(gòu)造侵蝕丘陵區(qū)上部為殘坡積粉質(zhì)粘土，下部為泥盆系天子嶺組泥質(zhì)粉砂巖和帽子峰組石灰?guī)r。

巖溶溶蝕準(zhǔn)平原區(qū)上部為粉質(zhì)粘土，處于可塑—硬塑狀態(tài)，下部為泥盆系帽子峰組中風(fēng)化石灰?guī)r。土巖結(jié)合面以上土層為軟塑—流塑狀，原位測(cè)試標(biāo)貫擊數(shù)小于4擊，室內(nèi)試驗(yàn)顯示其空隙比大，壓縮性高，其工程特性較差，承載力較低。

河流區(qū)上部為沖洪積成因的粉質(zhì)粘土，存在狀態(tài)為可塑—軟塑狀，下部為松散—稍密狀的粉細(xì)砂或者圓礫土等粗顆粒物質(zhì)，下伏泥盆系帽子峰組中風(fēng)化石灰?guī)r。

該區(qū)石灰?guī)r溶洞發(fā)育，一般為2～3層，線巖溶率和遇洞率高，發(fā)育等級(jí)多為強(qiáng)烈—極強(qiáng)。溶洞內(nèi)堆積物多為軟塑—流塑的粉質(zhì)粘土充填，標(biāo)貫擊數(shù)1～3擊，部分鉆具甚至自沉，只有少量溶洞為稍密碎石土充填，部分為空洞、掉鉆。

3 地下水

工程區(qū)位于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地表徑流和地下水徑流都較為活躍。

地下水主要類型為孔隙水及基巖裂隙水，大氣降水為其主要補(bǔ)給來(lái)源。前者主要賦存于第四系松散層中，孔隙含水量隨季節(jié)變化；后者賦存于巖石裂隙中，其透水性及富水性不均勻。地下水以側(cè)向滲流的形式由地勢(shì)較高的丘陵區(qū)經(jīng)準(zhǔn)平原區(qū)向地勢(shì)最低的河流溝谷區(qū)排泄或蒸發(fā)，河流周邊徑流最為活躍，詳見圖1。

4 巖溶地面塌陷統(tǒng)計(jì)分析

圖1 項(xiàng)目區(qū)典型工程地質(zhì)剖面圖

在勘察期間，共計(jì)出現(xiàn)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害12處,詳情見表1。大部發(fā)生于鉆探過(guò)程中，部分為鉆探后一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生，塌陷范圍大小不等。曾出現(xiàn)塌陷造成鉆機(jī)懸空的情況，可見巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的速度很快，對(duì)施工安全及公路后期安全運(yùn)營(yíng)威脅較大。

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目區(qū)發(fā)生的地面塌陷情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得知：（1）從地形地貌上來(lái)看，地面塌陷多位于河流區(qū)，一級(jí)階地處較多，河流兩側(cè)的巖溶溶蝕準(zhǔn)平原和構(gòu)造侵蝕地山丘陵區(qū)未發(fā)現(xiàn)塌陷情況；（2）地下水徑流活躍區(qū)尤為突出，在河流的附近較為發(fā)育，而徑流一般區(qū)一般不發(fā)育；（3）從地層組合、成因和生成時(shí)代上來(lái)看，一般易發(fā)生第四系沖洪積成因的粉細(xì)砂、圓礫或者軟塑粉質(zhì)粘土地層中；其地層形成時(shí)代較新，力學(xué)指標(biāo)較差；巖性上以顆粒狀粉細(xì)砂和圓礫土等水穩(wěn)性差易流失地層居多；下伏石灰?guī)r溶洞發(fā)育；（4）鉆探施工為主要誘發(fā)因素，部分塌陷雖未在鉆探孔位發(fā)生，但位于其影響區(qū)。

5 巖溶塌陷形成要素及區(qū)劃

通過(guò)分析項(xiàng)目區(qū)地表塌陷的資料，同時(shí)參考已發(fā)表巖溶塌陷的相關(guān)研究論文，可知巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生于覆蓋型巖溶地區(qū)，下部溶洞為開口形態(tài)，上覆土層在水、氣等因素影響下形成的地面坍落現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目巖溶地面塌陷構(gòu)成因素的分析總結(jié)，認(rèn)為其同樣遵循土體工程地質(zhì)的宏觀控制論，現(xiàn)闡明如下：

（1）地面塌陷受地形地貌單元控制。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，巖溶地面塌陷絕大部分位于河流區(qū)，極少位于巖溶溶蝕準(zhǔn)平原區(qū)，構(gòu)造侵蝕丘陵區(qū)不會(huì)發(fā)生地表塌陷。

（2）土體成因、時(shí)代和組合。工程區(qū)地面塌陷發(fā)育區(qū)地層為第四系土層，形成時(shí)代較近，這決定了其力學(xué)性質(zhì)和水水穩(wěn)性較差。種植土、粉質(zhì)粘土+粉細(xì)砂（或者圓礫土）+開口形態(tài)溶洞是發(fā)生巖溶塌陷的典型地層組合。

（3）地下水作用。水動(dòng)力是巖溶覆蓋層物質(zhì)流失的直接動(dòng)力。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)地面塌陷發(fā)育區(qū)地下水埋深淺（一般不超過(guò)2.0m），距離河流較近，巖溶水徑流活躍；鉆機(jī)循環(huán)水也是造成地面塌陷的重要因素，塌陷點(diǎn)鉆孔施工記錄顯示鉆探施工過(guò)程中存在鉆孔漏水現(xiàn)象，循環(huán)水不斷沖蝕粉砂層，將其帶入溶洞內(nèi)造成地面塌陷；鉆孔施工完畢后連通了地表和溶洞的通道，覆蓋層土體在降雨和農(nóng)田灌溉地表水作用下逐步流失，造成地面塌陷。即，在自然或人為情況下，動(dòng)力水是塌陷形成的重要因素。

綜上所述，巖溶區(qū)地面塌陷這種地質(zhì)災(zāi)害在宏觀上受控于土體工程地質(zhì)的基本因素。完全可以用土體工程地質(zhì)的宏觀控制理論在勘察結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行巖溶地面塌陷的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和地質(zhì)區(qū)劃工作。

根據(jù)總結(jié)的土體工程地質(zhì)的宏觀控制要素，結(jié)合地貌單元?jiǎng)澐郑_定表2中區(qū)劃所需的要素為:覆蓋地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)、巖溶形態(tài)和外部因素等，據(jù)此對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行巖溶塌陷區(qū)劃。

表1 線路沿線地面塌陷統(tǒng)計(jì)表

表2 巖溶區(qū)地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估區(qū)劃調(diào)查因素一覽表

6 結(jié)論與建議

本文以廣東省某高速公路地質(zhì)勘察項(xiàng)目為依托，遵循地質(zhì)控制論思想，依據(jù)范士凱勘察大師提出的土體工程地質(zhì)宏觀控制理論，結(jié)合工程實(shí)際，按照把地貌單元、地層時(shí)代和地層組合及地下水作為巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的宏觀控制因素,通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探,查明其空間界限和類型,并通過(guò)原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等,構(gòu)建巖溶塌陷的地質(zhì)模型,然后針對(duì)各類工程地質(zhì)和巖土工程問(wèn)題做出評(píng)價(jià)結(jié)論和工程措施的工作方法，對(duì)巖溶地面塌陷成因和區(qū)劃要素進(jìn)行了研究。

（1）土體工程中，地貌單元、地層時(shí)代、成因和地層組合及地下水是宏觀控制因素，技術(shù)路線需以此主要因素制定，并作為巖土工程普遍遵循的工作準(zhǔn)則。

（2）巖溶地面塌陷是在特定的地貌單元、地層組合[種植土、粉質(zhì)粘土+粉細(xì)砂（或者圓礫土）+開口形態(tài)溶洞]和地下水徑流條件下形成的不良地質(zhì)，在區(qū)域范圍內(nèi)具有一定的規(guī)律性?？梢缘孛矄卧獮榛A(chǔ)，參考其他地質(zhì)條件進(jìn)行進(jìn)行工程地質(zhì)區(qū)劃。

（3）在具體工程實(shí)踐中,不宜盲目地做一般性調(diào)查，需針對(duì)性地、重點(diǎn)對(duì)“地貌單元、地層時(shí)代、地層組合”等決定土體工程特性的宏觀上的5個(gè)方面因素進(jìn)行研究,并結(jié)合工程特征，可快速準(zhǔn)確抓住相關(guān)工程問(wèn)題的主要矛盾，便于問(wèn)題的解決。