路基施工中巖溶土洞塌陷的原因分析與防治

蔡全輝

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

巖溶土洞是巖溶地區(qū)特有的不良地質(zhì)之一。近年來(lái)，隨著道路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，道路密度的不斷增大，巖溶土洞塌陷造成的路基施工安全事故越來(lái)越多，其危害性也越來(lái)越大。

巖溶土洞塌陷的危害性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是其具有隱蔽性，巖溶土洞常隱藏于可溶巖上覆蓋土體中，其體積一般較小，常規(guī)的地質(zhì)勘察工作一般不易發(fā)現(xiàn)。二是其具有突發(fā)性，由巖溶土洞引起的地表塌陷，其過(guò)程往往很短，甚至在幾分鐘之內(nèi)發(fā)生，施工機(jī)械和人員很難撤離。巖溶土洞塌陷的這種隱蔽性和突發(fā)性往往產(chǎn)生極大的危害，也使其成為道路路基施工中最不想遇到的不良地質(zhì)之一。而如何有效的減少或避免巖溶土洞塌陷已成為巖溶地區(qū)路基施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

本文以銅仁市松桃至玉屏城際快速道路K83-K84段巖溶土洞塌陷為例，介紹了巖溶土洞塌陷形成的條件和塌陷的原因，分析了路基施工對(duì)土洞塌陷的影響，提出了路基施工中土洞塌陷的治理與防治措施。

1 巖溶土洞的形成條件和塌陷原因分析

要防治路基施工中的巖溶土洞塌陷，首先要了解巖溶土洞形成的條件和引起其塌陷的原因。

1.1 巖溶土洞形成的條件

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)巖溶土洞塌陷的成因機(jī)制提出了較多的理論和觀點(diǎn)。主要的成因機(jī)制有“潛蝕論”、“真空吸蝕論”、“機(jī)械貫穿致塌機(jī)制”、“共振論”、“脹縮-崩解效應(yīng)”等，也有觀點(diǎn)認(rèn)為巖溶土洞塌陷是多機(jī)制疊加的結(jié)果。盡管對(duì)巖溶土洞塌陷的成因目前還未形成統(tǒng)一，但對(duì)巖溶土洞塌陷形成的基本條件達(dá)成了共識(shí)。

巖溶土洞塌陷形成的基本條件有三條[1]。第一，有可溶鹽巖分布，且可溶巖中有溶蝕的相互連通的空洞（溶洞、溶隙等），可溶巖中相互連通的空洞為土體的塌落提供了空間，也為水帶走土顆粒提供了通道；第二，有覆蓋土層，覆蓋土層是土洞存在的基礎(chǔ)，土洞一般形成于覆蓋土層和巖石的分界面上或覆蓋土層中裂隙較為發(fā)育的地方；第三，有產(chǎn)生塌陷的作用力（包括自然產(chǎn)生和人工施加），可溶巖上覆蓋層土體是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉積和固結(jié)而成的，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的地質(zhì)作用，巖溶的通道大多處于堵塞狀態(tài)，巖溶作用與覆蓋層土體之間處于一種平衡狀態(tài)。在無(wú)外界因素影響的情況下，土洞塌陷在極為短暫的工程壽命期內(nèi)（與地質(zhì)歷史比）很難發(fā)生。而在外界因素的作用下，土洞塌陷可能在幾分鐘或十幾分鐘內(nèi)發(fā)生。因此，外界產(chǎn)生的作用力是巖溶土洞塌陷的重要因素，也是路基施工中重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

1.2 巖溶土洞塌陷的原因

導(dǎo)致巖溶土洞塌陷的原因（作用力）有很多，如地表水的侵蝕、地下水的潛蝕、施工機(jī)械的震動(dòng)、地震等。有學(xué)者將其歸納為三個(gè)方面[2]，分別為地下水作用、外加荷載和土洞頂板抗力降低。

地下水作用包括垂直滲流、水平滲流和地下水位頻繁波動(dòng)。其中地下水位的頻繁波動(dòng)為土洞的形成和發(fā)展提供了動(dòng)力條件，最終可能觸發(fā)塌陷。

外加荷載包括動(dòng)荷載和靜荷載兩類(lèi)。動(dòng)荷載指各類(lèi)振動(dòng)荷載，有地震荷載、車(chē)輛荷載、施工機(jī)械震動(dòng)荷載等。靜荷載包括堆載、地表積水、靜止的車(chē)輛等。

土洞頂板抗力降低可分為土洞頂板土體強(qiáng)度降低、頂板厚度變薄及土體結(jié)構(gòu)破壞等。導(dǎo)致頂板土體強(qiáng)度降低的原因有地表水下滲、污水中有害物質(zhì)的侵蝕等。導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞的原因有動(dòng)物的洞穴、植物根系造成的孔洞、鉆孔造成的空洞等。

1.3 路基施工對(duì)巖溶土洞塌陷的影響

根據(jù)巖溶土洞塌陷的原因，路基施工對(duì)巖溶土洞塌陷的影響可以分為以下三個(gè)方面。

（1）路基施工會(huì)影響地下水的水位

路基施工中由于開(kāi)挖、回填等改變地表水的流向和匯集區(qū)域，從而造成施工區(qū)域內(nèi)地下水補(bǔ)給的變化，在地表水匯集區(qū)域內(nèi)垂直滲流作用增大，促進(jìn)土洞的擴(kuò)張。路基施工中采取的抽水、排水等措施，會(huì)造成區(qū)域內(nèi)地下水水位短期內(nèi)快速下降，使土洞內(nèi)的塌落物被帶走，使原來(lái)充滿(mǎn)水的土洞變成干洞，從而由于失去水浮力使土洞內(nèi)原本平衡的拱效應(yīng)失效，觸發(fā)土洞塌陷。

（2）路基施工會(huì)產(chǎn)生外加荷載

路基施工中對(duì)土洞可能會(huì)產(chǎn)生的外加荷載如下：

a.沖擊碾壓、振動(dòng)碾壓、強(qiáng)夯等產(chǎn)生振動(dòng)荷載；

b.運(yùn)土車(chē)、挖掘機(jī)等施工機(jī)械行走產(chǎn)生的震動(dòng)荷載；

c.巖石爆破產(chǎn)生的震動(dòng)荷載；

d.材料、預(yù)制構(gòu)件、施工機(jī)械、臨時(shí)棄土等產(chǎn)生的靜載。

（3）路基施工對(duì)土洞頂板抗力的影響

a.路基施工中由于開(kāi)挖、回填等改變地表水的流向和匯集區(qū)域，從而造成施工區(qū)域地表水匯集區(qū)域內(nèi)侵蝕作用增大，使土洞頂板土體強(qiáng)度降低，減小了頂板的抗力；

b.路基開(kāi)挖使土洞頂板厚度變薄，抗力降低；

c.路基施工鉆孔使土洞結(jié)構(gòu)破壞，土洞頂板抗力降低。

2 路基施工中巖溶土洞塌陷的工程案例分析

銅仁市松桃至玉屏城際快速路K83-K84段路基在施工過(guò)程中于2017年7月和2018年6月發(fā)生兩次路基塌陷，見(jiàn)圖1。第一次塌陷未造成車(chē)輛與人員傷亡，第二次塌陷導(dǎo)致一輛水泥罐車(chē)側(cè)翻，駕駛員輕傷。

圖1 路基塌陷現(xiàn)場(chǎng)照片

通過(guò)對(duì)兩處路基塌陷開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)，塌陷處下方土體中明顯有土洞存在的跡象，開(kāi)挖后的情況見(jiàn)圖2。

經(jīng)過(guò)初步判斷，兩處路基塌陷可能為巖溶土洞塌陷。為驗(yàn)證初步判斷結(jié)果和避免此段路基再發(fā)生塌陷造成事故，對(duì)與兩處塌陷處工程地質(zhì)情況相似的K83-K84段路基進(jìn)行了物探。巖溶土洞常用的物探方法有三種，包括探地雷達(dá)、高密度電阻率法和淺層地震反射法。此次物探采用了高密度電阻率法，電極的布置間隔為5 m×5 m。通過(guò)對(duì)原始觀測(cè)視電阻率斷面的反演視電阻率斷面分析，本段內(nèi)共發(fā)現(xiàn)9處疑似土洞。部分疑似土洞點(diǎn)的高密度電阻率法觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 高密度電阻率法觀測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證高密度電阻率法的探測(cè)結(jié)果和更好分析土洞塌陷的原因，對(duì)9處疑似土洞進(jìn)行了鉆孔取樣。通過(guò)鉆孔取樣其中有5處確認(rèn)有土洞存在，有1處有軟塑狀紅黏土存在，其他3處未發(fā)現(xiàn)。

通過(guò)分析物探報(bào)告和鉆孔取樣報(bào)告，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，本工程K83-K84段路基巖溶土洞塌陷的原因主要有三點(diǎn)。第一、本路段地層巖性有利于巖溶土洞的形成和發(fā)育。地層構(gòu)成上層為殘坡積層（Qel+dl）紅黏土，下伏基巖為寒武系中統(tǒng)敖溪組（∈2a）泥質(zhì)灰?guī)r。紅黏土呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀裂隙發(fā)育。泥質(zhì)灰?guī)r中有溶隙發(fā)育。紅黏土覆蓋層和灰?guī)r溶隙為土洞的形成和發(fā)育創(chuàng)造了條件。第二點(diǎn)，雨季大量降水加速了巖溶土洞的擴(kuò)張。第三點(diǎn)，路基施工產(chǎn)生的作用力觸發(fā)了土洞的塌陷。主要作用力包括：

（1）開(kāi)挖造成土洞頂板變薄，是土洞頂板抗力降低；

（2）路基紅黏土換填時(shí)振動(dòng)碾壓施加的振動(dòng)荷載；

（3）施工車(chē)輛運(yùn)行時(shí)施加的動(dòng)荷載；

（4）路基開(kāi)挖后未及時(shí)做好臨時(shí)排水，由于路基較寬（60 m），造成大量地表水匯集，地表水的垂直滲流降低了土洞頂板土體的強(qiáng)度，使頂板抗力降低。

由本工程中巖溶土洞塌陷的原因分析可知，要防治路基施工造成巖溶土洞塌陷，控制路基施工產(chǎn)生的觸發(fā)土洞塌陷的作用力是關(guān)鍵。

3 路基施工中巖溶土洞塌陷的預(yù)防與治理

3.1 巖溶土洞塌陷的預(yù)防

路基工程作為一個(gè)線(xiàn)性工程，其長(zhǎng)度一般達(dá)十幾公里或幾十公里，甚至幾百公里，在路基施工中對(duì)巖溶土洞塌陷進(jìn)行全段落防治既不符合工程實(shí)際，也不經(jīng)濟(jì)。因此，建議對(duì)巖溶地區(qū)路基施工中土洞塌陷的防治采用分段落分措施的方法，具體方法如下。

（1）根據(jù)地勘資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析道路沿線(xiàn)符合巖溶土洞塌陷形成條件的段落。

（2）將符合巖溶土洞塌陷形成條件的段落劃分為重點(diǎn)防治段落和一般段落。重點(diǎn)防治段落根據(jù)巖溶土洞塌陷的分布規(guī)律和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果確定。每個(gè)地區(qū)巖溶土洞塌陷的分布規(guī)律不盡一致，但根據(jù)對(duì)貴州、徐州、桂林、郴州、重慶市銅鑼山區(qū)等省市地區(qū)巖溶土洞塌陷分布規(guī)律的分析可得出以下幾條共性規(guī)律[1，3-6]：

a.分布密度隨下伏可溶鹽巖巖溶發(fā)育程度的強(qiáng)弱而增減；

b.塌陷多沿構(gòu)造斷裂帶分布；

c.塌陷多分布于峰叢洼地、谷地等地勢(shì)低洼、地表水淺或集中徑流帶地段；

d.塌陷多分布于覆蓋土層較薄弱的地段，多發(fā)于土層厚度小于15 m的地段（土層厚度指開(kāi)挖或換填后的厚度）。

除滿(mǎn)足以上規(guī)律的段落外，再加上道路沿線(xiàn)已發(fā)生過(guò)土洞塌陷的段落構(gòu)成重點(diǎn)防治段落。

（3）對(duì)重點(diǎn)防治段落，建議采用高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)、淺層地震反射法等物探方法探明土洞，并進(jìn)行治理。

（4）對(duì)一般段落，路基施工時(shí)要注意以下事項(xiàng)：

a.避免將辦公區(qū)、預(yù)制場(chǎng)、拌合站、堆料場(chǎng)等場(chǎng)站設(shè)置在此段落上。

b.避免在此段落內(nèi)設(shè)置抽水井、取水井等降排水井點(diǎn)。

c.在此段落上進(jìn)行沖擊碾壓、振動(dòng)碾壓、強(qiáng)夯等作業(yè)時(shí)，禁止工程車(chē)輛和無(wú)關(guān)人員在影響區(qū)域內(nèi)行走或停留。

d.在相鄰段落進(jìn)行爆破施工時(shí)，禁止在此段落內(nèi)進(jìn)行施工或停留。爆破后對(duì)此段落進(jìn)行檢查后方可進(jìn)行施工。

e.禁止將此段落作為臨時(shí)保通道路使用。f.禁止社會(huì)車(chē)輛和閑雜人等在此段落停留。g.對(duì)開(kāi)挖后路基范圍內(nèi)要做好臨時(shí)排水，避免積水。

h.注意其他可能觸發(fā)土洞塌陷的因素。

3.2 巖溶土洞塌陷的治理

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)巖溶土洞塌陷的治理措施主要為灌漿和開(kāi)挖兩類(lèi)。

對(duì)于埋置深度較大的土洞，采用鉆孔壓漿的方法。通過(guò)直接向土洞及其下的擾動(dòng)土洞中灌注水泥砂漿，使水泥砂漿填充土洞中的空洞，并形成水泥結(jié)石，防治土洞的進(jìn)一步擴(kuò)張和塌陷。

對(duì)于埋置深度較淺的土洞和已經(jīng)發(fā)生塌陷的土洞，采用開(kāi)挖回填的方法。此方法主要分為三個(gè)步驟，首先將土洞或塌陷處的土體挖除，清理出基巖面；然后，根據(jù)溶隙或溶槽的大小設(shè)置反濾層，即回填粒徑合適的塊石或片石；最后，在反濾層的頂部和四周設(shè)置土工布，防治土體流失。

4 結(jié) 語(yǔ)

巖溶土洞的存在對(duì)路基施工帶來(lái)了安全隱患，而路基施工加速了土洞的擴(kuò)張和塌陷。路基施工中的巖溶土洞塌陷的防治須分段落分措施進(jìn)行。段落的劃分根據(jù)巖溶土洞塌陷形成的原因、分布的規(guī)律及有無(wú)塌陷歷史確定。不同段落采取不同的預(yù)防措施，避免或盡可能減少巖溶土洞塌陷對(duì)路基施工造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保路基施工的質(zhì)量和安全。