某鄉(xiāng)集鎮(zhèn)巖溶塌陷勘查與治理措施

安義軍

(貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著人類工程活動(dòng)規(guī)模的擴(kuò)展及工程建設(shè)增加，巖溶塌陷事故頻繁發(fā)生，對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。近年來某地巖溶事故不斷發(fā)生，造成較大直接經(jīng)濟(jì)損失，因此，針對該地進(jìn)行勘查的主要目的就是獲取巖溶系統(tǒng)頂板組成物質(zhì)及厚度參數(shù)，并對地下巖溶空間的具體情況展開查探。在探查后，根據(jù)具體情況和參數(shù)劃分出容易遭受巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，在此基礎(chǔ)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(zhèn)，北依正安縣，南接鳳岡綏陽鎮(zhèn)，距離鳳岡縣約40 km，處于洪渡河的右側(cè)岸邊，地勢低洼，河谷深切，由于地理位置獨(dú)特，被稱為“鳳崗北大門”。當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛惨郧治g或溶蝕型洼地、盆地為主，在地下水和地質(zhì)的共同作用下經(jīng)常會(huì)受到侵蝕、溶蝕作用的影響。隨著時(shí)間的推移和地理活動(dòng)的發(fā)展，該集鎮(zhèn)地表及地下巖溶系統(tǒng)發(fā)育完善，因此地表結(jié)構(gòu)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(fā)生大面積塌陷，進(jìn)而引發(fā)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害，見圖1。

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

根據(jù)該地實(shí)際情況，勘探工作主要對3處巖溶塌陷較嚴(yán)重的地區(qū)展開勘查，為更好地了解勘查情況，分別用A、B、C進(jìn)行代稱，并研究相應(yīng)的解決方案。其中C區(qū)域?yàn)锳與B區(qū)域的銜接之處。

2 該鄉(xiāng)集鎮(zhèn)巖溶塌陷勘查分析

2.1 勘查任務(wù)的開展

(1)探測工作開展的目的，就是了解巖溶塌陷的發(fā)育規(guī)律以及勘查區(qū)周邊的構(gòu)造、地層巖性等地質(zhì)環(huán)境條件，因此在勘查任務(wù)實(shí)施過程中，應(yīng)開展工程地質(zhì)測繪。

(2)為避免其他因素的干擾，在進(jìn)行物理探測的過程中，應(yīng)盡量垂直于斷裂構(gòu)造、地層走向及巖溶發(fā)育方向，若是無法對其中的干擾進(jìn)行規(guī)避時(shí)，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的抗干擾措施。該次工程會(huì)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(qū)域，為驗(yàn)證物探異常，按照物探異常點(diǎn)20 %的比例在A塌陷坑處布置10個(gè)驗(yàn)證鉆孔，而B和C區(qū)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(shí)也是根據(jù)治理工程的需要，查明主要治理區(qū)域的巖土體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)特征，在B塌陷坑和C位置布置鉆孔44個(gè)，另外為觀測勘查區(qū)地下水特征，特在勘查區(qū)外圍布置2個(gè)水文觀測孔，該次勘查共布置鉆孔56孔，總進(jìn)尺1 280.5 m。此外，在該次治理區(qū)域外圍，為確定區(qū)域地下水動(dòng)力特性，特布置了2個(gè)控制性水位觀測孔。

(4)為直觀了解巖溶系統(tǒng)巖土體工程地質(zhì)特性，同時(shí)為驗(yàn)證部分鉆孔的準(zhǔn)確性，選擇主要鉆孔如巖溶深度控制鉆孔、發(fā)現(xiàn)較大巖溶孔洞鉆孔等進(jìn)行井下電視測試，測井鉆孔28個(gè)，深度320 m。

2.2 勘查結(jié)論

(1)通過該次勘探工作可知勘查區(qū)水文地質(zhì)及地下水動(dòng)力學(xué)特征：在A、B區(qū)域內(nèi)的地下水流向整體是至西向東，C區(qū)域地下水流向與項(xiàng)目可行性研究階段推測巖溶主管道走向及該次勘查實(shí)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(qū)巖溶類型屬于覆蓋型淺成碳酸鹽巖巖溶，巖溶系統(tǒng)發(fā)育深度在20 m以內(nèi)。

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

(4)在該次勘查中發(fā)現(xiàn)，該次工作區(qū)域內(nèi)的發(fā)育強(qiáng)烈地段地層中存在寒武系地質(zhì)變化的特征，因此該工作區(qū)域地質(zhì)地層為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群地層，其中最主要的巖石性質(zhì)為白云巖。地層下的巖溶系統(tǒng)的空間形態(tài)眾多，且規(guī)模比較大，由此可知，該區(qū)域內(nèi)發(fā)生巖溶塌陷的可能性及危險(xiǎn)性較大。

(5)該次勘查區(qū)域內(nèi)的發(fā)育巖溶塌陷，C區(qū)域在2014年8月再次發(fā)生塌陷，經(jīng)勘探查明該位置地下不發(fā)育較大規(guī)模巖溶空間及主巖溶管道，A、B、C區(qū)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(xiāng)集鎮(zhèn)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(yīng)根據(jù)勘探以及其地質(zhì)特征本身設(shè)計(jì)治理方案，并根據(jù)工程的布置，研究相應(yīng)的治理對策。根據(jù)勘探結(jié)果，該工程在進(jìn)行治理過程中運(yùn)用“覆蓋+回填+跨越”的方式模式開展工程：①對A區(qū)域進(jìn)行治理，應(yīng)根據(jù)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(xù)的特點(diǎn)，開展回填工作；②對B區(qū)域進(jìn)行治理，應(yīng)根據(jù)塌陷坑深度大、巖溶頂板較薄、土質(zhì)頂板的特點(diǎn)，并且還要防范該空間發(fā)生塌陷的可能性展開治理，因此B區(qū)域的治理應(yīng)選用鋪蓋塌陷坑的方法；③對于C區(qū)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(huán)境、地表的支撐性、地下巖溶的空間高度以及水平規(guī)模尺寸等，因此，在根據(jù)勘探的結(jié)果以及此區(qū)域整體環(huán)境的考量下，為保障此區(qū)域的安全性，該地區(qū)選用跨越處置方式，同時(shí)，C區(qū)域所在的集鎮(zhèn)主要街道地段，也進(jìn)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(jìn)行塌陷治理前應(yīng)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(yùn)用鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)在A、B塌陷坑底部設(shè)置孔徑為200 mm的垂直泄水孔，單個(gè)泄水孔孔深15 m，深度參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際的工程情況和需要進(jìn)行更改。鉆至設(shè)計(jì)位置或深度后，套管永久性留于鉆孔內(nèi)，孔口套管端頭焊接2 m長7孔梅花鋼管，孔徑200 mm。設(shè)計(jì)泄水孔相鄰孔距5 m，實(shí)際施工可根據(jù)塌陷坑底部地形起伏情況，選擇最優(yōu)的孔位，一般最佳地點(diǎn)為塌陷坑最低的位置。根據(jù)整體勘查情況，A、B區(qū)域最少需要設(shè)置21個(gè)泄水孔，并且跟管鉆孔總進(jìn)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(shí)際開展過程中一般應(yīng)用于B塌陷區(qū)域內(nèi)，屬于補(bǔ)救型治理措施。根據(jù)該地區(qū)的實(shí)際情況，該工程選擇運(yùn)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(shè)置群樁基礎(chǔ)，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(shí)效性，提升整體塌陷區(qū)域的安全系數(shù)，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(chǔ)運(yùn)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(yīng)對B塌陷坑底部的淤泥進(jìn)行清理，然后開挖樁孔。每開挖1 m應(yīng)及時(shí)護(hù)臂，用3 mm厚鋼筒護(hù)臂，相鄰每節(jié)護(hù)壁應(yīng)用掛鉤連接牢固，遇到淤泥等軟質(zhì)土層，相鄰護(hù)壁須對縫焊接牢固，當(dāng)孔壁為較完整巖石時(shí)無須護(hù)壁。樁孔開挖過程應(yīng)特別注意施工安全，為避免孔內(nèi)塌陷造成施工人員墜落事故，孔內(nèi)操作人員應(yīng)與地面有牢固安全繩索連接。

3.1.3 塌陷坑回填工程

根據(jù)勘探的實(shí)際情況，在進(jìn)行A塌陷區(qū)域治理時(shí)選擇運(yùn)用補(bǔ)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(shè)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?xí)r應(yīng)注意預(yù)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(shè)計(jì)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(qū)域?qū)儆谖窗l(fā)生坍塌事故的區(qū)域，但是根據(jù)其地質(zhì)特性可知，該地區(qū)發(fā)生坍塌事故后的危害性比較大，為提升此區(qū)域穩(wěn)定性，減小發(fā)生坍塌事故的概率，保障地面車輛、人員、設(shè)施的安全性，對于C區(qū)域內(nèi)的公路治理采用的是跨越方法，進(jìn)而規(guī)避重大車輛事故或是人員傷亡的事故發(fā)生?？缭椒桨冈趯?shí)際運(yùn)用過程中了選擇運(yùn)用“基樁+連接梁+蓋板”治理巖溶坍塌，此種方案的運(yùn)用需要對于最大汽車載重以及水平最大加速度進(jìn)行考量，并結(jié)合壓荷載及結(jié)構(gòu)自重，如此方能提升區(qū)域內(nèi)坍塌事故的治理效果。

3.1.5 農(nóng)貿(mào)市場修復(fù)工程

位于B區(qū)域內(nèi)的農(nóng)貿(mào)市場在長期巖溶塌陷的影響以及時(shí)間的推移下，已經(jīng)發(fā)生形變，并且表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯破壞和開裂的痕跡，結(jié)構(gòu)也在常年的影響下發(fā)生損壞。例如，地面開裂、上部結(jié)構(gòu)歪斜等。在該工程中，為對此地區(qū)進(jìn)行有效治理采用樁基礎(chǔ)代替原來的獨(dú)立柱基，用C30混凝土澆筑，樁孔開挖方式為人工挖孔樁，土質(zhì)孔壁須進(jìn)行護(hù)臂，每開挖1 m及時(shí)護(hù)臂，C20混凝土護(hù)壁厚度不小于200 mm，內(nèi)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(nèi)部縱筋為9根φ32HRB400螺紋鋼筋，箍筋為φ12HPB300@250圓鋼筋，混凝土保護(hù)層厚度50 mm。設(shè)計(jì)樁基持力層為高臺(tái)組地層泥質(zhì)白云巖，經(jīng)試驗(yàn)地基承載力滿足要求。上部結(jié)構(gòu)擬采用鋼結(jié)構(gòu)，總面積750 m2，細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由建筑專業(yè)部門提供，其修復(fù)的工作量見表2。

表2 農(nóng)貿(mào)市場修復(fù)工程設(shè)計(jì)主要工作量表Tab.2 Main work of restoration engineering design of the farmers’market

4 結(jié) 語

總而言之，由于貴州省處于巖溶地區(qū)的中心地帶，地下情況比較復(fù)雜，在長時(shí)間的地下水的侵襲下，地下環(huán)境容易出現(xiàn)空洞。該鄉(xiāng)集鎮(zhèn)區(qū)域位于烏江水系右岸，其受到的侵蝕作用更大，因此會(huì)不斷出現(xiàn)巖溶坍塌事故，威脅人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。為更好地治理該區(qū)域內(nèi)的坍塌事故，避免出現(xiàn)更大的事故，應(yīng)先運(yùn)用勘探的方式知曉該地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)和狀況，為下一步的治理工作提供更具科學(xué)性、合理性的治理方案，進(jìn)而提升整體巖溶塌陷治理效果，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全保駕護(hù)航。