名甲山特大桥岩溶土洞塌陷危险性评价研究

武 涛

1 工程概况

名甲山特大桥位于辽宁省海城市境内。桥址区局部溶洞、土洞发育，钻孔见洞率达 20%～30%，属深覆盖型岩溶区，原计划采用摩擦桩。

2 地质条件

1)岩溶、土洞发育特征。名甲山特大桥下伏寒武系灰岩，岩溶发育较差，在 68个岩溶钻孔中，有8个孔遇溶洞，而且只有 1个有流塑状粉质粘土充填。此外，名甲山特大桥土洞比较发育，共有 6个钻孔揭示土洞。2)第四系覆盖层特性及不均匀性分析。名甲山特大桥处于杨柳河冲积扇范围内，第四系为冲、洪积成因的松散堆积物，厚度由南东向北西逐渐增大，土层厚度大于 40m。钻孔资料显示，该区土层结构主要为一元结构与多元结构，后者较前者更易产生塌陷(见图 1)。研究表明，土层不均匀系数(Cu)越大，土体越容易发生渗透变形破坏，进而形成土洞，通常将 10作为渗透变形敏感性界限[5]，当不均匀系数大于 10时，该类土层属于易发生渗透变形(潜蚀)的土层。该桥址 156组颗分实验数据分析结果表明:本区土层存在发生潜蚀的可能性(见图 2)。3)水文地质特征。该桥址区存在双层地下水:第四系孔隙含水层、岩溶含水层，二者之间局部缺乏隔水层，具有相同的地下水位，此种地下水的存在状况对塌陷的产生有重要影响。根据经验显示，地下水位的波动对岩溶塌陷发育的影响很大。目前该桥址区存在铁西等多个水源地，并且在黄县屯段穿越铁西水源地地下水降落漏斗影响区。

3 岩溶、土洞塌陷发展模式

1)“洞顶垮塌→堆积→潜蚀搬运”循环发展模式。在地下水渗流作用比较强的地区，地下水的作用会使土洞逐渐垮塌，垮塌土体被地下水带走，洞顶向上扩展，当其影响区波及地表，或在外荷作用下土洞失稳下陷形成地面塌陷。2)“洞顶垮塌→空腔填塞→相对稳定”发展模式。在地下水渗流作用比较弱的地区:土洞在地下水长期浸泡下发生垮塌，由于地下水作用相对较弱，无法将垮塌土体带走，因此，整个土洞会被填满，土洞进入相对稳定阶段，这种情况下，一般不会在地面产生塌陷坑。

4 岩溶土洞(塌陷)危险性现状评估及预测评价

为了更好的评价名甲山岩溶土洞(塌陷)危险性，在黄县屯、将军屯、名甲屯设置三个检测点，检测设备为采用美国 GEOKON公司生产的 4500型振弦式孔隙水压力传感器和 LC8001数据自动采集系统。

1)测试结果分析。测试结果表明:将军屯监测点的花岗岩全风化土临界水力坡度和临界水位下降速度分别为0.79 cm/min和6.6 cm/m in。粉砂岩强风化土的临界水力坡度和临界水位下降速度分别为 2.38 cm/min和 8.58 cm/min。名甲屯监测点底部细角砾土、灰岩全风化土临界坡度较高，为 2.38～3.97，临界水位下降速度 8.28 cm/min～8.58 cm/min。黄县屯监测点底部圆砾土、灰岩全风化土临界坡度也较小，为 1.59～2.38，临界水位下降速度为 9 cm/min～9.6 cm/min。

2)岩溶土洞(塌陷)危险性现状评估。由于黄县屯处于铁西水源地降落漏斗区，地下水位变化频繁，第四系水位高出岩溶水位达 13.3m，水力坡度及渗透坡度均达到或超过临界值(见表1)，因此，该区多元结构土层区形成土洞、塌陷的危险性较高;而名甲屯附近的二元结构土层地区和将军屯发生塌陷的较小。由于地下水的渗透力较大，已有土洞的演化将以“洞顶垮塌→堆积→潜蚀搬运”的循环为特点，最后有可能造成地面塌陷。

表1 名甲山特大桥土层渗透变形条件分析

3)目前变化趋势下土洞塌陷危险性评价。根据《辽宁省地下水保护行动计划》，铁西水源地地下水抽取将受到严格限制，这将使名甲屯附近和将军屯形成土洞塌陷的可能性降低，现有土洞的演化将遵循“洞顶垮塌→空腔填塞→相对稳定”模式，塌落的高度取决于原土洞的规模。

4)岩溶土洞稳定性分析。a.“洞顶垮塌→堆积→潜蚀搬运”循环发展模式。该模式的发展速度主要取决于地下水的变化特点，根据经验，当土洞位于地下水变动带时，土洞向上扩展速度可达每年 1.3m。b.“洞顶垮塌→空腔填塞→相对稳定”模式。由于地下水作用较弱，洞体空间被土洞顶板坍塌物充填而不再向上扩展。土洞发展的上限可以采用“洞体顶坍塌自行填塞估算法”进行计算(见图 3)。计算结果见表 2。

表2 现有土洞发展上限估算 m

假设土洞为半球形，半径为h0，土洞垮塌稳定时的顶板半径也为h0，经推算可得塌落高度H的计算方法如下:

其中，V0为原土洞体积;V为新垮塌体积;K为垮塌体松胀系数。

代入式(1)，得:

一般土体松胀系数 K=1.05～1.15，这里取 1.10，可得塌落高度H为:

由式(3)可得:土洞最大塌落高度为土洞高度的 6.7倍。

5 结论和建议

1)主要结论。a.名甲山特大桥黄县屯一带受铁西水源地影响明显，发生土洞塌陷的危险性较大，但《辽宁省地下水保护行动计划》将严格限制铁西水源地过量开采地下水，此举将降低黄县屯一带土洞塌陷的可能性，已有土洞也将以“洞顶垮塌→空腔填塞→相对稳定”模式演化。b.名甲山特大桥其余区段发生土洞塌陷的危险性较小，已有土洞将以“洞顶垮塌→空腔填塞→相对稳定”方式发展，针对该模式估算已有土洞将不会引起地面沉降。c.任何急剧加大开采量，使区内地下水快速、大幅度下降的行为，都可能诱发塌陷。

2)建议。a.名甲山特大桥黄县屯附近属于塌陷危险区段，建议采用嵌岩桩。b.已有土洞的充填物大多处于软塑、流塑状态，承载力很低，因此，建议采取水泥注浆充填处理。c.建议在名甲山特大桥将军屯段、名甲屯段设置监测钻孔，采用现代化的自动监测技术，实时监测岩溶塌陷触发因素的变化。d.确保《辽宁省地下水保护行动计划》落到实处。

[1] 刘忠民.应用数学模型分析预测首山水源地开采保证[J].吉林水利，2006(sup):37-38.

[2] 李仁锋.鞍山市环境地质问题及矿山环境治理初探[J].地质找矿论丛，2003(sup):10-11.

[3] 李仁锋.鞍山市区地面沉降的机理分析[J].地质找矿论丛，2003(sup):54-56.

[4] 胡国军.辽阳市地下水超采区水资源状况及治理保护[J].辽宁城乡环境科技，2005(2):21-22.

[5] 岩土工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1994.