关于岩溶区土洞成因及防治措施的探讨

文/黄宝安 福建省第八地质大队 福建 龙岩 364000

关于岩溶区土洞成因及防治措施的探讨

文/黄宝安 福建省第八地质大队 福建 龙岩 364000

土洞是可溶岩地区特有的不良地质作用形成的地下天然洞穴，已成为覆盖型岩溶区工程建设的主要地质病害。本文通过对岩溶发育区土洞成因分析，判定方法探讨，以及一些预防土洞塌陷发生的工程防治措施研究，对岩溶区预防土洞发展和塌陷发生，防灾减灾，确保人民生命财产安全具有重要的理论及工程意义。

土洞；塌陷；判定方法；防治措施

一、引言

土洞是覆盖型岩溶区最常见的不良地质作用之一，它的发育和扩展，常常会引发地面变形或塌陷等地质灾害，地面塌陷具有突发性、隐蔽性和征兆隐秘等特点，危害很大。龙岩市区属浅覆盖岩溶区，是因土洞造成地面塌陷的易发区，此类地质灾害时有发生，塌陷多发生在人口稠密、地势平坦的盆地中部主城区，主要沿隐伏断裂构造尤其是导水断层方向成群发育，对地面和地下建构筑物、道路及附属设施、管网，以及村庄农田等造成严重破坏，给人民生命和财产造成巨大损失，并严重破坏地质环境，恢复治理很困难。

二、土洞成因

土洞的形成和发展是自然因素和人类工程活动共同作用的结果，岩溶地质条件是土洞形成的内因，是产生土洞的基本条件；人类工程活动是土洞发展的外因，会加剧土洞发展甚至诱发地面塌陷，给工程建设、地下空间开发等带来严重安全隐患。

关于土洞的形成机理，目前有许多观点及其理论，总的来说岩溶区的地质、地貌、构造、水文地质、岩溶发育情况是土洞形成的决定性因素。岩溶存在和地下水活动等是土洞的形成、发展以致产生塌陷的最活跃因素，直接影响着土洞的形成和发展的快慢。工程建设地基基础施工和地下水开采等人为改变地下水动力条件等因素将造成下部岩溶排水通道复活，进一步加剧土洞发展，特别是地下水位在基岩面上下波动的幅度和频度，对崩解和搬运土粒的速度有重要作用，是不良地质作用的“催化剂”。根据研究成果，土洞形成和发展与下列因素相关联。

1、潜蚀作用

潜蚀作用是水对土的渗透、冲刷作用所产生的机械侵蚀，即在地表水和地下水的渗流力作用下，土体中的细颗粒在空隙通道中移动并被携带流失的一种机械作用。在岩溶区，土层受水动力条件变化影响较强烈，由于岩溶区地下水流速较快，当水力坡度达到临界水力梯度时，土体中细颗粒被渗流迁移带走，粗颗粒骨架不能支持其自重应力和附加应力时，即产生土洞。临界水力梯度主要根据太沙基的渗流平衡理论并考虑土的凝聚力，采用公式JB=（γs/γ-1）（1-n）+c＇/γ进行估算判定，当土层中地下水渗流水力坡度大于临界水力梯度时，土层开始产生潜蚀破坏，从上式可知，临界水力梯度愈大，土体抗潜蚀的能力愈强，土的凝聚力对临界水力梯度有着较大的影响，两者呈正相关关系，龙岩盆地上部分布的冲洪积沉积粘性土有较大凝聚力，其临界水力梯度较大，土体不易发生潜蚀现象且过程十分缓慢；但由于在基岩与第四系土层交接带基本分布有一定厚度的含角砾粉质粘土，粗颗粒含量较高，细粒土尤其是粘粒含量少，土体抗潜蚀能力较弱，这就是土洞多在岩土交界部位发育的原因。

2、崩解作用

粘性土因没入水中受水浸泡而发生离析散体的现象叫崩解，水进入土体空隙产生应力失衡，引起粒间扩散层增厚的速度不平衡即土体饱水状况差异，因而产生了应力集中，使土体沿着斥力超过引力最大的面崩落下来。土体的成分、结构是影响其崩解性的主要因素。岩溶地区普遍有分布碳酸盐岩系经红土化作用形成的红粘土，含有较多的亲水矿物，其结构连结力较弱，易于水化，在地下水的作用下相对封闭空间易发生崩解作用。

3、真空吸蚀作用

当经潜蚀作用和崩解作用形成较小规模的土洞后，在相对封闭的土洞空间，地下水位大幅下降到土洞空腔底面下时，空腔上部便形成相对真空，此时真空腔膛对盖层产生强大的抽吸力形成漩吸漏斗。真空吸蚀作用将进一步破坏土体的应力状态，从而造成土洞的进一步发育和扩大。真空吸蚀作用是在岩溶区特定的地质——水文地质结构体系内，即岩溶真空地质环境中发生与发展的。

4、地表水下渗、地下水位升降对土洞发育扩大的影响

在土洞形成发育直至产生地面塌陷过程中，地下水或地表水的活动是最重要、最直接的影响因素，地表水向下渗透、人工降、排水改变了地下水流场、流态、流速、波动频率和水力梯度，会加速土洞发育与发展。

三、土洞判定方法

覆盖型岩溶区土洞很常见，但大多隐伏于地下，通过地基开挖能直接揭露土洞的工程实例很少，仅极个别工程能在基坑开挖过程中揭示出来，其平面形状多为近椭圆形，竖向呈不规则的“井筒”状，充填物上部为过饱和流塑状态的粘性土，下部为含少量角砾粉质粘土，结构极为松软；有部分土洞是通过地表塌陷进行观察获取相关信息，如某建筑地基开挖时局部发现土色暗淡、结构松软等异常，初判属土洞拱顶影响区，雨天后异常范围发生塌陷，经人工开挖揭露发现为土洞塌陷，平面呈不规则的奇特形状，其上部为空洞，往下呈不规则的管道状向深部延伸。以上浅埋表层土洞可进行直观判定，但实际工作中能直接观察土洞分布、大小和空间形态的甚是罕见。

本地区大部分土洞隐伏于土层下部，主要通过钻探等手段揭露出来，实际工作中如何判断和界定土洞，现行的有关规范及其它参考资料尚无明确的判定标准，目前土洞界定还是停留在经验阶段，由于各岩土工程师掌握的尺度不尽相同，划分标准差异较大。但笔者认为总的原则是既不能过于麻木，更不能“草木皆兵”。比如龙岩盆地基岩与上覆土层交界部位普遍分布有厚度不大的含角砾粉质粘土，其结构较松软，但钻探施工未出现大量漏水（浆）或“掉钻”等情况，大部分勘察报告将该层笼统地划分为冲填土洞，埋藏深部也进行加固处理，大大提高了工程建设成本。

对于不能直接揭露的土洞，笔者建议从以下几个方面进行判定，可根据勘察时钻探情况结合原位测试等方法进行判定，场地若有土洞分布，钻进过程中将会出现异常状况，如孔内突然全泵量浆液漏失并伴随进尺奇快、钻具自沉甚至出现“掉钻”，以及上部孔壁失稳、坍塌等现象（并常发生埋钻等情况），而且钻探取芯困难。根据原位测试方法进行判断，可按堆积物成分及性状，宜采用静力触探、轻型动力触探或十字板试验等方法判定。相关试验在今后工作中有条件时可进行进一步研究，建立相关关系，制定地方性标准。

四、土洞防治方法和措施

土洞的发展会造成地面塌陷，其破坏后果严重，土洞治理目前主要靠在当地探索的地方经验，总的原则应贯彻“以防为主，防治结合”的方针，主要是针对土洞成因的三要素（水、土体和岩溶通道洞隙、洞穴）制定合理防治措施，达到堵截水流、强化土层（含洞内沉积物）、填堵岩溶通道的防治效果和目的。具体方法可采用：填堵镶补法、楔状填塞法、置换填充挤鉴于土洞形成与水作用关系密切，首先应限制地下水开采和加强对地下工程施工的管理，防止因抽吸地下水以及深基坑开挖大幅降水、桩基础施工和地基处理等造成水位频繁升降形成土洞。

密法、跨越法、强夯法、灌注（填）法、深基础法、控制抽水强度法、疏排围改治理法、阻堵法、平衡地下水和气压力法，以及综合手段防治法等，按不同性质、埋深、充填堆积物掏空情况，并考虑地面建筑物使用周期等情况选用。

对于因地下水作用为主因形成的土洞塌陷，通常采用回填和压力灌浆措施能够防止塌陷程度和塌陷范围的发展。浅部可采取清除松软土，抛填片石（块石）的方挤淤法处理，优点是就地取材，成本较低廉，缺点是不确定因素多，存在一定质量风险，需要进行质量检验和检测；当地下水位较高时，可采用下部采用压力罐浆处理，上部残余土换填碎石、粘性土置换夯实，两者相结合的处理方法。对于上覆土层较厚的深埋土洞塌陷，可在塌陷范围内充填砂砾石，深部用砂、砾石或细石混凝土灌填，或直接采用压力灌浆法处理。对于范围较小的土洞塌陷，在条件允许的情况下，还可以采用梁、板跨越等结构措施，通过加强上部结构刚度，提高基底标高（宽基浅埋），减小基础对洞体上部土层的附加压力。

五、结语

不同岩溶区的水文地质、工程地质条件不尽相同，土洞形成可能以其中某种作用为主，或者多种作用同时并存，但无论如何水的作用是土洞形成和发展的最重要因素，限制人为改变地下水动力条件是防治土洞塌陷的关键措施。

（1）龙岩盆地水文、工程地质勘探报告（2）工程地质手册（第四版）