某乡集镇岩溶塌陷勘查与治理措施

安义军

(贵州地矿基础工程有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

随着人类工程活动规模的扩展及工程建设增加，岩溶塌陷事故频繁发生，对人民的生命财产安全造成严重威胁。近年来某地岩溶事故不断发生，造成较大直接经济损失，因此，针对该地进行勘查的主要目的就是获取岩溶系统顶板组成物质及厚度参数，并对地下岩溶空间的具体情况展开查探。在探查后，根据具体情况和参数划分出容易遭受岩溶塌陷地质灾害的区域，在此基础上提出有效的治理方式。

1 工程概况

该地位于贵州省凤冈县北部，其以东靠西临永安镇，北依正安县，南接凤冈绥阳镇，距离凤冈县约40 km，处于洪渡河的右侧岸边，地势低洼，河谷深切，由于地理位置独特，被称为“凤岗北大门”。当地的地形地貌以侵蚀或溶蚀型洼地、盆地为主，在地下水和地质的共同作用下经常会受到侵蚀、溶蚀作用的影响。随着时间的推移和地理活动的发展，该集镇地表及地下岩溶系统发育完善，因此地表结构在下部没有承受力，上部压力大。在自身支撑力与上部压力不平衡的情况下，易发生大面积塌陷，进而引发岩溶塌陷地质灾害，见图1。

图1 岩溶塌陷形成机制示意图Fig.1 Formation mechanism of karst collapse

根据该地实际情况，勘探工作主要对3处岩溶塌陷较严重的地区展开勘查，为更好地了解勘查情况，分别用A、B、C进行代称，并研究相应的解决方案。其中C区域为A与B区域的衔接之处。

2 该乡集镇岩溶塌陷勘查分析

2.1 勘查任务的开展

(1)探测工作开展的目的，就是了解岩溶塌陷的发育规律以及勘查区周边的构造、地层岩性等地质环境条件，因此在勘查任务实施过程中，应开展工程地质测绘。

(2)为避免其他因素的干扰，在进行物理探测的过程中，应尽量垂直于断裂构造、地层走向及岩溶发育方向，若是无法对其中的干扰进行规避时，应设置相应的抗干扰措施。该次工程会受到建筑物的影响，因此在探测过程中在垂直于推测岩溶主管道方向布置了3条物探线，在推测主岩溶管道走向方向上布置1条物探线，4条物探线总长度0.5 km，解译长度0.5 km。

(3)由于该次勘查工作物探工程主要布置在A塌陷坑区域，为验证物探异常，按照物探异常点20 %的比例在A塌陷坑处布置10个验证钻孔，而B和C区域布置物探工作限制性较大，主要通过钻探工程了解地下岩溶的特征，同时也是根据治理工程的需要，查明主要治理区域的岩土体结构和物理力学特征，在B塌陷坑和C位置布置钻孔44个，另外为观测勘查区地下水特征，特在勘查区外围布置2个水文观测孔，该次勘查共布置钻孔56孔，总进尺1 280.5 m。此外，在该次治理区域外围，为确定区域地下水动力特性，特布置了2个控制性水位观测孔。

(4)为直观了解岩溶系统岩土体工程地质特性，同时为验证部分钻孔的准确性，选择主要钻孔如岩溶深度控制钻孔、发现较大岩溶孔洞钻孔等进行井下电视测试，测井钻孔28个，深度320 m。

2.2 勘查结论

(1)通过该次勘探工作可知勘查区水文地质及地下水动力学特征：在A、B区域内的地下水流向整体是至西向东，C区域地下水流向与项目可行性研究阶段推测岩溶主管道走向及该次勘查实际查明岩溶主管道走向基本一致。

(2)通过对物体的钻探可知，该次治理工程勘查区岩溶类型属于覆盖型浅成碳酸盐岩岩溶，岩溶系统发育深度在20 m以内。

(3)通过勘探工程可知，整体勘探区域内的岩溶系统顶板为复合型顶板，即顶板物质既有土质成分也有隐覆基岩，不同区域土及隐覆基岩厚度及连续性差异较大，土质与隐覆基岩的接触界线起伏情况布局规律，但整个岩溶顶板的底部总体由西向东倾斜，岩溶系统顶板厚度在5.0～13.5 m范围内，至西向东厚度逐渐增大。

(4)在该次勘查中发现，该次工作区域内的发育强烈地段地层中存在寒武系地质变化的特征，因此该工作区域地质地层为寒武系中上统娄山关群地层，其中最主要的岩石性质为白云岩。地层下的岩溶系统的空间形态众多，且规模比较大，由此可知，该区域内发生岩溶塌陷的可能性及危险性较大。

(5)该次勘查区域内的发育岩溶塌陷，C区域在2014年8月再次发生塌陷，经勘探查明该位置地下不发育较大规模岩溶空间及主岩溶管道，A、B、C区域塌陷变形都是受主岩溶管道的分支管道影响控制。

3 该乡集镇岩溶塌陷治理分析

3.1 岩溶塌陷治理采取的工程方案

岩溶塌陷的治理应根据勘探以及其地质特征本身设计治理方案，并根据工程的布置，研究相应的治理对策。根据勘探结果，该工程在进行治理过程中运用“覆盖+回填+跨越”的方式模式开展工程：①对A区域进行治理，应根据塌陷坑塌陷深度较小、岩溶顶板厚度相对较大、隐覆基岩顶板较为连续的特点，开展回填工作；②对B区域进行治理，应根据塌陷坑深度大、岩溶顶板较薄、土质顶板的特点，并且还要防范该空间发生塌陷的可能性展开治理，因此B区域的治理应选用铺盖塌陷坑的方法；③对于C区域的治理需要考虑的特性比较多，例如，地面的物体和周边环境、地表的支撑性、地下岩溶的空间高度以及水平规模尺寸等，因此，在根据勘探的结果以及此区域整体环境的考量下，为保障此区域的安全性，该地区选用跨越处置方式，同时，C区域所在的集镇主要街道地段，也进行跨越处置。

3.2 岩溶塌陷治理工程

3.1.1 塌陷坑泄水工程

为促使塌陷坑中含有的地表水能下沉到地下岩溶空间中，在进行塌陷治理前应开展塌陷坑底部泄水工程。为更好地处理塌陷坑中的水，该工程运用钻机跟管钻进在A、B塌陷坑底部设置孔径为200 mm的垂直泄水孔，单个泄水孔孔深15 m，深度参数可以根据实际的工程情况和需要进行更改。钻至设计位置或深度后，套管永久性留于钻孔内，孔口套管端头焊接2 m长7孔梅花钢管，孔径200 mm。设计泄水孔相邻孔距5 m，实际施工可根据塌陷坑底部地形起伏情况，选择最优的孔位，一般最佳地点为塌陷坑最低的位置。根据整体勘查情况，A、B区域最少需要设置21个泄水孔，并且跟管钻孔总进尺315 m，梅花钢管总长度42 m。

3.1.2 塌陷坑覆盖工程

此工程在实际开展过程中一般应用于B塌陷区域内，属于补救型治理措施。根据该地区的实际情况，该工程选择运用“群桩+连接梁+盖板”的形式开展治理，就是在塌陷坑最底部设置群桩基础，基桩纵横间距均为5 m，桩断面为圆形，桩径1.0 m，嵌入岩溶底板白云岩深度≥1 m，用C35混凝土灌注，为人工挖孔灌注桩。为保障治理工程的实效性，提升整体塌陷区域的安全系数，桩顶用C35钢筋混凝土连接梁连接，断面尺寸0.4 m×0.6 m(宽×高)，梁上盖板厚度0.35 m，用C35混凝土浇筑。

在该工程中的群桩基础运用的是人工挖孔灌注桩，开挖方式采用“跳一挖一”，在人工挖孔之前，应对B塌陷坑底部的淤泥进行清理，然后开挖桩孔。每开挖1 m应及时护臂，用3 mm厚钢筒护臂，相邻每节护壁应用挂钩连接牢固，遇到淤泥等软质土层，相邻护壁须对缝焊接牢固，当孔壁为较完整岩石时无须护壁。桩孔开挖过程应特别注意施工安全，为避免孔内塌陷造成施工人员坠落事故，孔内操作人员应与地面有牢固安全绳索连接。

3.1.3 塌陷坑回填工程

根据勘探的实际情况，在进行A塌陷区域治理时选择运用补救性回填，回填材料为干砌毛石，回填面积1 110 m2，回填平均深度3.5 m，回填总方量3 885 m3，回填物表面铺设C30混凝土，厚度0.3 m，主要工作量见表1。为保证地表水顺利流入地下岩溶空间，浇筑混凝土时应注意预留垂直泄水孔，孔径50 mm，可采用钢管或PVP管，纵横间距均为2 m，平面上呈梅花形布置。

表1 塌陷回填工程设计主要工作量表Tab.1 Main work of collapse backfill engineering design

3.1.4 塌陷跨越工程

C区域属于未发生坍塌事故的区域，但是根据其地质特性可知，该地区发生坍塌事故后的危害性比较大，为提升此区域稳定性，减小发生坍塌事故的概率，保障地面车辆、人员、设施的安全性，对于C区域内的公路治理采用的是跨越方法，进而规避重大车辆事故或是人员伤亡的事故发生。跨越方案在实际运用过程中了选择运用“基桩+连接梁+盖板”治理岩溶坍塌，此种方案的运用需要对于最大汽车载重以及水平最大加速度进行考量，并结合压荷载及结构自重，如此方能提升区域内坍塌事故的治理效果。

3.1.5 农贸市场修复工程

位于B区域内的农贸市场在长期岩溶塌陷的影响以及时间的推移下，已经发生形变，并且表面已经出现明显破坏和开裂的痕迹，结构也在常年的影响下发生损坏。例如，地面开裂、上部结构歪斜等。在该工程中，为对此地区进行有效治理采用桩基础代替原来的独立柱基，用C30混凝土浇筑，桩孔开挖方式为人工挖孔桩，土质孔壁须进行护臂，每开挖1 m及时护臂，C20混凝土护壁厚度不小于200 mm，内用HPB300钢筋做受力筋和连接筋。单根长度12 m，断面为圆形，直径1.0 m，桩间距10 m，共布置12根，单桩内部纵筋为9根φ32HRB400螺纹钢筋，箍筋为φ12HPB300@250圆钢筋，混凝土保护层厚度50 mm。设计桩基持力层为高台组地层泥质白云岩，经试验地基承载力满足要求。上部结构拟采用钢结构，总面积750 m2，细部结构设计由建筑专业部门提供，其修复的工作量见表2。

表2 农贸市场修复工程设计主要工作量表Tab.2 Main work of restoration engineering design of the farmers’market

4 结 语

总而言之，由于贵州省处于岩溶地区的中心地带，地下情况比较复杂，在长时间的地下水的侵袭下，地下环境容易出现空洞。该乡集镇区域位于乌江水系右岸，其受到的侵蚀作用更大，因此会不断出现岩溶坍塌事故，威胁人们的生命和财产安全。为更好地治理该区域内的坍塌事故，避免出现更大的事故，应先运用勘探的方式知晓该地区的地下结构和状况，为下一步的治理工作提供更具科学性、合理性的治理方案，进而提升整体岩溶塌陷治理效果，为人们的生命财产安全保驾护航。