某院及周围地区岩溶塌陷原因及治理的思考

王志成

(长江工程职业技术学院，武汉 430212)



某院及周围地区岩溶塌陷原因及治理的思考

王志成

(长江工程职业技术学院，武汉 430212)

岩溶塌陷是常见的地质灾害。从岩溶塌陷形成条件及机理出发，通过分析某学院及周围地区岩土性状和地下水特点，找出岩溶塌陷形成的原因，并给出有针对性的工程防治措施，以期对该区域今后工程建设提供参考。

岩溶塌陷；形成机理；地层特点；治理措施

岩溶(喀斯特)是可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)在水的溶蚀作用下，产生的各种地质作用、地貌形态和地质现象的总称。岩溶在我国面积达346.3万km2，占国土面积1/3以上，岩溶塌陷灾害分布十分广泛。某学院坐落在武汉市江夏区大桥新区经济开发区，属于岩溶分布区，近年来，随着社会经济的不断发展，人类工程活动的不断加剧，该院及周边地区岩溶塌陷也常有发生。该学院前期校园建设过程中就发现有溶洞存在；2014年5月东北面一地产在建工地发生岩溶坍塌事故，导致两名工人陷入坑内；近期该院南门发现几处土洞塌陷现象，严重破坏了校园环境。

1 岩溶塌陷形成条件及机理

1.1 形成条件

岩溶塌陷的形成必须具备以下条件：

(1)具有塌陷形成的空间。岩溶洞隙为塌陷的形成提供了空间条件，塌陷物质在地下水的作用下被带入岩溶洞隙中，从而引起塌陷。实践证明，岩溶洞隙愈发育，塌陷愈多。

(2)具有塌陷形成的物质。岩溶洞隙上覆的土层等物质为土洞形成和塌陷的发生提供了物质基础，土层性质、厚度等对塌陷影响较大。

(3)地下水的作用。一方面地下水是岩溶洞隙发育的基本条件，另一方面地下水的动力作用是塌陷形成的致塌力。这些条件缺一不可。

1.2 形成机理

岩溶塌陷形成机理较多，目前比较公认的主要为“潜蚀论”和“真空吸蚀论”。

1.2.1 潜蚀论

“潜蚀论”是1898年苏联科学院院士巴浦洛夫提出，该理论认为岩溶塌陷的形成主要因地下水作用引起，地下水运动过程中不断将岩溶洞隙上覆土层中的土体带走，从而在上覆土层中形成土洞，地下水的长期作用使土洞进一步向上扩展，当上覆土层荷载超过土洞强度极限，发生土洞坍塌，最终形成地表塌陷。

1.2.2 真空吸蚀论

“真空吸蚀论”是1979年徐卫国等提出，该理论认为在相对密闭的岩溶空间中，由于地下水位大幅下降，当地下水位降至岩溶洞隙顶面以下时，在地下水面与上覆土层底板之间形成负压直至真空状态，这种“真空腔”具有强大的抽吸力，使得上覆土体被吸蚀掏空，形成土洞。同时随着地下水位进一步下降，“真空腔”内外压力差不断加剧，上覆土层受到的压力不断加大，土洞不断发展并导致地表塌陷。

无论是“潜蚀”还是“真空吸蚀”产生的岩溶塌陷都普遍存在。

2 某院及周围地区地层发育特点

根据地质勘探资料，该院及周围地区地层主要为第四系黏性土和三叠系中～下统嘉陵江组灰岩，其岩土工程特征分述如下。

(1)素填土(Qml)。层厚0～2.9m，由黄褐色、棕黄色黏性土组成，大部分地段为耕土，局部地段为新近填土，结构松散。尚未完成自重固结。

(4)残坡积粉质黏土(Qel+dl)。层厚4.3～7.5m，主要为灰黄色、紫红色，硬塑状态。含较多灰白色团块状黏土及含量5%～10%砾石，局部可达20%，粒径一般0.5～2.0cm，以次棱角状、棱角状石英砂岩、硅质岩为主。为中偏低压缩性土。

(5)红黏土(Qel)。层厚3.3～3.9m，褐红色，硬塑，下部可塑状态。含少量碎石，粒径1.0～3.0cm，棱角状硅质岩。为中压缩性土。

(6)灰岩(T1-2j)。褐红色、灰色，厚层状细晶灰岩、角砾状灰岩，中微风化。夹不规则钙质泥岩，节理、裂隙较发育，局部发育有溶蚀凹槽。

3 岩溶塌陷规律分析

3.1 某院土洞塌陷分析

2015年11月在某院南门体育馆附近发现几处土洞塌陷，其中最大土洞直径近1.5m，深超过2m,地表局部出现裂缝。

该院地处武汉市南部石灰岩带，地貌单元为长江三级阶地(剥蚀堆积垄岗区)，地层特征表层为松散的人工填土及淤泥；上部硬塑状老黏土；下部为碎石土、可硬塑状的红黏土；底部三叠系灰岩。

地下水属于上层滞水、孔隙承压水、碎屑岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水等。上层滞水主要接受地表排水与大气降水的补给，水量大小不一，水位不连续，无统一自由水面；孔隙承压水主要赋存于Ⅱ级阶地上更新统砂土、含泥砂卵石层中承压水，接受侧向补给与排泄；碎屑岩裂隙水主要由上覆含水层下渗补给；碳酸盐岩岩溶水主要赋存于灰岩裂隙或溶洞中，由上覆含水层补给。

通过实地调查和查阅相关资料，土洞塌陷原因分析如下：

下伏基岩为可溶性三叠系石灰岩，上覆多为第四系老黏性土层及残积红黏土。勘探资料揭示溶蚀发育强烈，灰岩表面溶沟和溶槽较发育，基岩表面与覆盖层接触部位起伏大，多被老黏土及红黏土充填。本地区常年降雨丰富，尤其在雨季降雨可达100mm以上，地表水补给充足。塌陷区地势较低，在前期校园建设过程中有大量人工填土，土体较松散，地表降雨易于下渗，在地表水下渗过程中，上覆土体被带入溶沟、溶槽和岩溶洞隙中并被搬运走，形成土洞。

3.2 东北面一地产工地塌陷分析

2014年5月2日，位于江夏区文化路北侧一地产二期1#楼突发岩溶塌陷事故，塌陷坑平面形态近圆形，影响面积达2 000m2，剖面呈蝶形，深度超过20m，塌陷造成2名工作人员被埋，在建房屋底部近200m2处于悬空状态。

塌陷区属于覆盖型岩溶，上覆为第四系厚层黏性土，具“上黏下砂”二元结构，上部为人工填土、粉质黏土，下部为含碎石红黏土，结构松散，总厚度约28m；下伏为三叠纪灰岩，褐红色、灰色，细晶结构、角砾结构，厚层状及块状构造，节理、裂隙发育，岩溶洞隙多。

地下水属于第四纪松散岩类孔隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水，由于紧邻汤逊湖，与汤逊湖水位变化关系密切，枯水期孔隙水、岩溶水补给汤逊湖水，孔隙水补给岩溶水；丰水期汤逊湖水补给岩溶水、孔隙水。

通过实地调查和查阅相关资料，分析其塌陷原因。地下水作用是塌陷形成的前提条件，孔隙水、汤逊湖水常年补给岩溶水，在补给过程中，产生潜蚀，上覆黏性土被带入下部岩溶洞隙中并被搬运走，形成土洞。塌陷发生前进行房建施工，在建筑荷载作用下，当致塌力超过抗塌力时，岩溶洞隙顶板发生坍塌，形成岩溶塌陷。因此，此处岩溶塌陷是自然条件下人为工程活动诱发造成的。

通过以上分析，造成该院及周围地区塌陷的原因主要为：(1)地层岩性组合上部为厚层含砂黏性土，下部为碳酸盐岩层；(2)地下水类型为第四纪松散岩类孔隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水，与汤逊湖水关系密切。在地下水的长期作用下，碳酸盐岩层中岩溶洞隙发育，黏土层中可能存在土洞，土洞的进一步发展将导致塌陷。

4 岩溶塌陷的治理

对岩溶塌陷的工程治理措施主要有以下几种：

4.1 绕避

对塌陷规模较大，采用工程治理费用过于昂贵，远远高于建筑成本时，可以采取绕避措施，将工程建筑物建在其他无塌陷区。塌陷区宜回填后改作农田或公园类休闲场所，这种治理方案经济合理，操作简单。

4.2 清除填堵法

对洞隙不大的陷坑，可先清除溶洞或土洞中的松土，然后填以碎石、块石或素混凝土等，再在土洞回填的碎石上设置反滤层，以防止潜蚀发生，后上覆黏土并分层夯实，以达到改善地基的效果。本地域土洞塌陷可采用本方法进行治理。

4.3 结构跨越

对塌陷坑或土洞较深大、开挖回填困难时，可采用结构跨越法。一般以框架梁、地基板、桥梁等结构两端支撑在可靠岩土体上跨越塌陷区，并注意其承载能力和稳定性。

4.4 灌浆加固

把水泥砂浆、沥青、混凝土等材料通过钻孔或岩溶洞口灌入至岩溶洞隙中，当材料进入洞隙后，既能充填岩溶洞隙，又可强化土层或洞穴充填物、隔断地下水流通道、加固建筑物地基。

4.5 桩基法

为保证建筑物的安全，可采用桩基础穿越岩溶洞隙或塌陷坑，嵌入底部基岩，将建筑荷载传递给岩溶洞隙或塌陷坑底部完整岩层。同时可辅以灌浆堵塞岩溶通道。前述一地产工地塌陷可采用此方法进行治理。

除以上五种措施以外，对地表水的治理尤为重要，采用疏、导、排、围等措施阻止地表水下渗，阻断岩溶通道，阻隔孔隙水与岩溶水的水力联系。

以上岩溶塌陷治理方案各有优缺点，从工程实践来看，应根据场地地质条件、建筑物结构特征、体量、工艺要求以及对地基承载力及变形要求，施工条件等进行综合分析，采用经济合理、安全可靠、易于实施的处理方案。

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Thinking of the Cause of Karst Collapse in a College and Surrounding Areas and Treatment

WANG Zhi-cheng

(Changjiang Institute of Technology, Wuhan 430212, China)

Karst collapse is a common geological disaster.Based on the forming conditions and mechanism of karst collapse, the rock and soil properties and groundwater characteristics are analyzed to find out the cause of karst collapse and corresponding engineering prevention measures, providing a reference for construction in this region.

karst collapse; forming mechanism; stratigraphic characteristics; prevention measures

2016-08-08

王志成(1983-)，男，湖北蕲春人，讲师，大学，主要从事岩土工程地质勘察教学工作。

P642.25

A

1673-0496(2016)04-0023-03

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2016.04.008