閩南地區(qū)巖溶地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)場地地基穩(wěn)定性評價

蘇瑞其

（福建省197地質(zhì)大隊 福建泉州 362011）

0 引言

閩南地區(qū)的巖溶發(fā)育在北部山區(qū)、煤系地層下部的石灰?guī)r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?guī)r分布區(qū)，大橋樁基的工程地質(zhì)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(fā)育區(qū)，導(dǎo)致了12 號樁基施工至底部時多次漏漿無法成樁。通過對現(xiàn)場實地調(diào)查并進一步補充勘查，查明了隱伏型巖溶分布的特征及發(fā)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(qū)地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)特征

大橋樁基在區(qū)域上位于永安-梅縣上古生代拗陷帶的東南側(cè)，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(gòu)造的復(fù)合部位。

區(qū)域上石灰?guī)r地層分布于煤系地層的底部。受大地構(gòu)造運動及次級褶皺、斷層的影響，地層的完整性被破壞，出現(xiàn)了地層移位、顛倒、缺失等地質(zhì)現(xiàn)象，底部的石灰?guī)r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(dǎo)水性誘發(fā)了底部相連的石灰?guī)r頂部巖溶的發(fā)育。

區(qū)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(tǒng)棲霞組（P1q）、文筆山組（P1w）、童子巖組（P1t）、二疊系上統(tǒng)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(qū)域性升降為主，屬淺海—海陸交互相山間盆地沉積。上石炭世至早二疊世有1 次較大規(guī)模的海侵，為區(qū)域石灰?guī)r的沉積奠定了良好的地理條件，自北到南已發(fā)現(xiàn)永春鉛坑、橫口和安溪劍斗、珍地、青洋、潘田等石灰?guī)r礦床。本區(qū)在區(qū)域上屬于安溪石灰?guī)r分布區(qū)（圖1）。

圖1 區(qū)域地質(zhì)圖

1.2 研究區(qū)的地層特征

研究區(qū)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。灰黃、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(jié)，穩(wěn)定性極差。

殘積土：第四系全新統(tǒng)殘積土?；尹S、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(xué)強度高，工程性能好；泡水易軟化崩解，具力學(xué)強度不良的特性，穩(wěn)定性極差。

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

1.2.2 二疊系下統(tǒng)文筆山組（P1w）

砂土狀全風(fēng)化粉質(zhì)砂巖：結(jié)構(gòu)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(fēng)化細砂巖：褐灰、灰白色，多為緊密砂土狀，原巖結(jié)構(gòu)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(zhì)量等級Ⅴ級，質(zhì)量指標極差，穩(wěn)定性極差。

碎塊強風(fēng)化細砂巖：褐灰、淺灰黑色，多為碎塊狀，屬軟巖，巖石基本質(zhì)量等級Ⅳ級，質(zhì)量指標差，穩(wěn)定性差。

1.2.3 二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）

溶洞：為石灰?guī)r在水的溶蝕作用下形成，區(qū)內(nèi)鉆孔揭露的溶洞基本為完全充填，充填物成分較復(fù)雜，主要為泥、砂質(zhì)及粉砂巖、硅質(zhì)巖小碎塊等，穩(wěn)定性極差。

碎塊狀強風(fēng)化石灰?guī)r：灰白、灰～深灰色，薄～中厚層狀，中粗粒結(jié)構(gòu)，具水平層理、質(zhì)較純，多為碎塊狀，屬軟巖，巖石基本質(zhì)量等級Ⅳ級，質(zhì)量指標差，穩(wěn)定性差。

塊狀弱風(fēng)化石灰?guī)r：灰～深灰色，薄～中厚層狀，中粗粒結(jié)構(gòu)，具水平層理，質(zhì)較純，偶夾1～5 cm 硅質(zhì)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(zhì)量等級Ⅲ～Ⅳ級，穩(wěn)定性較好。

1.3 研究區(qū)的巖溶發(fā)育特征

1.3.1 巖溶發(fā)育層位

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

本區(qū)巖溶發(fā)育具有一定層位性，主要位于棲霞組（P1q）石灰?guī)r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(dǎo)水斷層，雨水通過上部的土體、砂土狀全風(fēng)化孔隙、強風(fēng)化裂隙匯集于石灰?guī)r上部的導(dǎo)水斷層；該層石灰?guī)r呈厚層塊狀，裂隙較不發(fā)育，為隔水層，因斷層導(dǎo)水并積水浸泡的棲霞組（P1q）上部的石灰?guī)r；石灰?guī)r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(chǎn)生溶蝕性化學(xué)反應(yīng)，日積月累形成了溶洞。

1.3.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

根據(jù)筆者單位2002 年提交的《福建省安溪縣大畬石灰?guī)r礦區(qū)南礦段普查地質(zhì)報告》，大橋6～13 號樁評價區(qū)隱伏型巖溶發(fā)育，受東西向永安-晉江斷裂帶的影響，次一級斷層發(fā)育，切割形成的地層組合較為復(fù)雜，表現(xiàn)為巖溶以上巖性的完整性及透水性的不同，導(dǎo)致巖溶形態(tài)、大小及充填情況存在較大差異。

研究區(qū)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(tài)大小與石灰?guī)r上部地層界線-斷層面的高低、起伏面有關(guān)系，容易滲水、積水區(qū)的位置溶洞一般更大，形態(tài)以圓形、圓弧形、橢圓形居多，寬度1.8～7.0 cm。

研究區(qū)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(tǒng)計表

圖2 某大橋9～12 號樁基平面圖

根據(jù)施工鉆孔地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)，洞高1～2 m 的數(shù)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?shù)鬃畲蟾卟?.20m、最小高差1.40 m。溶洞的頂板為強風(fēng)化碎塊狀細砂巖、弱風(fēng)化灰?guī)r，溶洞主要發(fā)育在石灰?guī)r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?guī)r地層的硅質(zhì)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(zhì)災(zāi)害引發(fā)的場地地基穩(wěn)定性評價

場地基礎(chǔ)塌陷、混凝土灌漿流失、巖層分界面在基礎(chǔ)加載后存在位移隱患，均為隱伏型巖溶區(qū)域?qū)こ探ㄔO(shè)基礎(chǔ)所面臨的問題，再加上復(fù)雜的水文地質(zhì)方面存在不穩(wěn)定因素，可能牽動工程地質(zhì)等一系列隱患，故工程建設(shè)的前期必須對巖溶地基的穩(wěn)定性進行評價。巖溶地基的穩(wěn)定性評價一般采用場地評價和單體評價。按照巖溶發(fā)育規(guī)律及強度，針對本場地用于橋梁地基基礎(chǔ)，場地評價主要分析橋梁線路范圍的場地適宜性和穩(wěn)定性；單體評價主要是研究每個橋墩深部巖溶形態(tài)和特征。對橋墩的穩(wěn)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(qū)處于亞熱帶巖溶發(fā)育區(qū)，巖溶分布位置大致可通過區(qū)域地質(zhì)成果所揭露地層層序及斷層的賦存情況圈定；由于區(qū)內(nèi)季節(jié)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(qū)，隱伏巖溶發(fā)育程度以中等居多。場地穩(wěn)定性評價應(yīng)將建筑荷載與土洞的共同因素放在一起考慮。

研究區(qū)內(nèi)地表全部被第四系殘坡積土覆蓋，未見石灰?guī)r出露，但深部探礦地質(zhì)資料顯示，地下巖溶卻十分發(fā)育，在鉆孔深度43.90 m 以上未見石灰?guī)r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?guī)r碎塊。從工勘地質(zhì)資料分析，研究區(qū)的場地所在位置深部隱伏有面狀巖溶分布；棲霞組灰?guī)r在橋的南西側(cè)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(fā)育帶（滑動面），該巖溶發(fā)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(qū)，形成復(fù)雜水文地質(zhì)條件，造成前緣出現(xiàn)巖溶塌陷，其剪切帶就出現(xiàn)。有些樁基未穿透巖溶發(fā)育帶，僅落在上覆滑坡體上，會加載滑坡體重量，更容易產(chǎn)生滑坡。因此研究區(qū)場地存在隱伏型石灰?guī)r溶洞，場地地基整體穩(wěn)定性較差。

2.2 單體評價

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

圖3 3-3′工程地質(zhì)剖面圖

圖4 4-4′工程地質(zhì)剖面圖

圖5 5-5′工程地質(zhì)剖面圖

圖6 6-6′工程地質(zhì)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(wěn)定性方面，定性分析遵循巖溶地質(zhì)特性，包括：溶洞所賦存的石灰?guī)r巖性特征、基巖的節(jié)理裂隙情況、巖層產(chǎn)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(zhì)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(jié)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(chǔ)上，手頭已有典型的經(jīng)驗案例可以作為參照對象進行比擬分析，判斷同類性質(zhì)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(jīng)驗比擬分析法。

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

巖溶地基穩(wěn)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(zhì)剖面巖溶地基穩(wěn)定性的定性評價

2.2.1.2 評價結(jié)果

根據(jù)工勘巖芯地質(zhì)編錄成果，分析得出了地基穩(wěn)定性有利的相關(guān)因素，包括：巖性特征（中厚層塊狀）、裂隙情況（較不發(fā)育）、巖層特征（塊狀平緩起伏小）、溶洞的全充填等；而對地基穩(wěn)定性不利的相關(guān)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(jié)果，5-5′、6-6′剖面的評價結(jié)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?guī)r在巖溶體積累積擴大之后，在地下水、構(gòu)造、巖性及產(chǎn)狀等多因素的作用下，頂部石灰?guī)r在自重的作用下產(chǎn)生崩塌墜落；石灰?guī)r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(wěn)定狀態(tài)。此法可用于石灰?guī)r地層上部有隱伏溶洞的場地地基，并結(jié)合公式（1）計算分析判斷地基的穩(wěn)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(shù)，閩南地區(qū)的石灰?guī)r膨脹系數(shù)采用統(tǒng)計數(shù)值1.35。

根據(jù)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(wěn)定。

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

圖7 隱伏型巖溶地基穩(wěn)定性分析模型圖

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

工程加載之后的該類型的地基穩(wěn)定性分析，采用公式（2）。

式中：L0為數(shù)值表示工程加載狀態(tài)：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(chǔ)深度。

在樁基位置確定時，s 可通過工勘鉆探工程的成果數(shù)據(jù)來確定，n、d 的數(shù)值均與上部工程的荷載及設(shè)計有關(guān)，不同的工程設(shè)計的z、D 的數(shù)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?guī)r地層埋深（灰?guī)r頂部界線至地面高度）L，與設(shè)計建筑物加載后，根據(jù)極限狀態(tài)下上部覆蓋層厚度L0的數(shù)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(shè)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(wěn)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(wěn)定，具體存在2 種情況：

（a）土洞在工程建設(shè)之前已經(jīng)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(chǎn)生破壞性的力，比如：裂縫、塌陷等變形的可能性，地基的穩(wěn)定性存在較大安全隱患，即地基是不穩(wěn)定的。

（b）土洞在工程建設(shè)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(chǎn)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(shè)之后產(chǎn)生的土洞，其地基是不穩(wěn)定的。

③當L＜s 時，說明了工程荷載直接導(dǎo)致上部覆蓋層發(fā)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(wěn)定的巖土體，在建工程必須重新評估、重新設(shè)計，地基設(shè)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(jù)工勘鉆探成果，通過地質(zhì)編錄整理出本區(qū)隱伏型溶洞特征的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為溶洞頂部崩塌充填分析提供了依據(jù)（表3）。

表3 4 條地質(zhì)剖面巖溶地基穩(wěn)定性半定量分析

（2）隱伏型巖溶地基穩(wěn)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(jù)（表4）。

表4 溶洞（鉆孔）統(tǒng)計表

2.2.2.3 分析結(jié)果

（1）溶洞頂部崩塌充填分析結(jié)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(jù)野外地質(zhì)編錄取得的溶洞實際基巖頂板厚度，取得了分析需要的數(shù)據(jù)成果（表5）。

表5 巖溶地基穩(wěn)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(fēng)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(wěn)定狀態(tài)。

（2）隱伏型巖溶地基分析模型的分析結(jié)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(chǔ)深度d、加載受力至極限的影響深度n則有待于工程設(shè)計部門通過設(shè)計計算取得；結(jié)合公式（2）；當L＞L0時，上部工程荷載設(shè)計的受力影響深度，未及溶洞頂部，地基受力總體穩(wěn)定。根據(jù)以上數(shù)據(jù)、公式和分析模型可以得出，工程設(shè)計部門在設(shè)計時，只要滿足以下條件，即：工程基礎(chǔ)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(wěn)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(shè)計部門在設(shè)計時，只要滿足以下條件，即：工程基礎(chǔ)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(wěn)定的。

3 結(jié)語

閩南地區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)主要以隱伏型為主，場地建設(shè)地基的穩(wěn)定性評價主要包括場地評價和單體評價。場地評價應(yīng)以區(qū)域地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，加上實地地質(zhì)調(diào)查，大致圈定場地評價區(qū)的巖溶所賦存的石灰?guī)r地層分布區(qū)域，為隱伏區(qū)巖溶特征的工勘鉆探設(shè)計提供依據(jù)；再通過實地鉆探，包括：巖性鑒定、RQD 統(tǒng)計、標貫測試等手段，確定地層及構(gòu)造分界線、巖性分層及厚度、節(jié)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(chǔ)的單體評價依據(jù)，既滿足了工勘地質(zhì)強風(fēng)化層的需求、也查明了隱伏性巖溶發(fā)育的詳細特征，為閩南巖溶隱伏區(qū)的基礎(chǔ)工程建設(shè)提供切實可行的地質(zhì)依據(jù)。