路基施工中岩溶土洞塌陷的原因分析与防治

蔡全辉

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

岩溶土洞是岩溶地区特有的不良地质之一。近年来，随着道路建设规模的不断扩大，道路密度的不断增大，岩溶土洞塌陷造成的路基施工安全事故越来越多，其危害性也越来越大。

岩溶土洞塌陷的危害性主要体现在两个方面。一是其具有隐蔽性，岩溶土洞常隐藏于可溶岩上覆盖土体中，其体积一般较小，常规的地质勘察工作一般不易发现。二是其具有突发性，由岩溶土洞引起的地表塌陷，其过程往往很短，甚至在几分钟之内发生，施工机械和人员很难撤离。岩溶土洞塌陷的这种隐蔽性和突发性往往产生极大的危害，也使其成为道路路基施工中最不想遇到的不良地质之一。而如何有效的减少或避免岩溶土洞塌陷已成为岩溶地区路基施工的重点和难点之一。

本文以铜仁市松桃至玉屏城际快速道路K83-K84段岩溶土洞塌陷为例，介绍了岩溶土洞塌陷形成的条件和塌陷的原因，分析了路基施工对土洞塌陷的影响，提出了路基施工中土洞塌陷的治理与防治措施。

1 岩溶土洞的形成条件和塌陷原因分析

要防治路基施工中的岩溶土洞塌陷，首先要了解岩溶土洞形成的条件和引起其塌陷的原因。

1.1 岩溶土洞形成的条件

目前，国内外对岩溶土洞塌陷的成因机制提出了较多的理论和观点。主要的成因机制有“潜蚀论”、“真空吸蚀论”、“机械贯穿致塌机制”、“共振论”、“胀缩-崩解效应”等，也有观点认为岩溶土洞塌陷是多机制叠加的结果。尽管对岩溶土洞塌陷的成因目前还未形成统一，但对岩溶土洞塌陷形成的基本条件达成了共识。

岩溶土洞塌陷形成的基本条件有三条[1]。第一，有可溶盐岩分布，且可溶岩中有溶蚀的相互连通的空洞（溶洞、溶隙等），可溶岩中相互连通的空洞为土体的塌落提供了空间，也为水带走土颗粒提供了通道；第二，有覆盖土层，覆盖土层是土洞存在的基础，土洞一般形成于覆盖土层和岩石的分界面上或覆盖土层中裂隙较为发育的地方；第三，有产生塌陷的作用力（包括自然产生和人工施加），可溶岩上覆盖层土体是经过长时间的沉积和固结而成的，经历了长期的地质作用，岩溶的通道大多处于堵塞状态，岩溶作用与覆盖层土体之间处于一种平衡状态。在无外界因素影响的情况下，土洞塌陷在极为短暂的工程寿命期内（与地质历史比）很难发生。而在外界因素的作用下，土洞塌陷可能在几分钟或十几分钟内发生。因此，外界产生的作用力是岩溶土洞塌陷的重要因素，也是路基施工中重点关注的对象。

1.2 岩溶土洞塌陷的原因

导致岩溶土洞塌陷的原因（作用力）有很多，如地表水的侵蚀、地下水的潜蚀、施工机械的震动、地震等。有学者将其归纳为三个方面[2]，分别为地下水作用、外加荷载和土洞顶板抗力降低。

地下水作用包括垂直渗流、水平渗流和地下水位频繁波动。其中地下水位的频繁波动为土洞的形成和发展提供了动力条件，最终可能触发塌陷。

外加荷载包括动荷载和静荷载两类。动荷载指各类振动荷载，有地震荷载、车辆荷载、施工机械震动荷载等。静荷载包括堆载、地表积水、静止的车辆等。

土洞顶板抗力降低可分为土洞顶板土体强度降低、顶板厚度变薄及土体结构破坏等。导致顶板土体强度降低的原因有地表水下渗、污水中有害物质的侵蚀等。导致土体结构破坏的原因有动物的洞穴、植物根系造成的孔洞、钻孔造成的空洞等。

1.3 路基施工对岩溶土洞塌陷的影响

根据岩溶土洞塌陷的原因，路基施工对岩溶土洞塌陷的影响可以分为以下三个方面。

（1）路基施工会影响地下水的水位

路基施工中由于开挖、回填等改变地表水的流向和汇集区域，从而造成施工区域内地下水补给的变化，在地表水汇集区域内垂直渗流作用增大，促进土洞的扩张。路基施工中采取的抽水、排水等措施，会造成区域内地下水水位短期内快速下降，使土洞内的塌落物被带走，使原来充满水的土洞变成干洞，从而由于失去水浮力使土洞内原本平衡的拱效应失效，触发土洞塌陷。

（2）路基施工会产生外加荷载

路基施工中对土洞可能会产生的外加荷载如下：

a.冲击碾压、振动碾压、强夯等产生振动荷载；

b.运土车、挖掘机等施工机械行走产生的震动荷载；

c.岩石爆破产生的震动荷载；

d.材料、预制构件、施工机械、临时弃土等产生的静载。

（3）路基施工对土洞顶板抗力的影响

a.路基施工中由于开挖、回填等改变地表水的流向和汇集区域，从而造成施工区域地表水汇集区域内侵蚀作用增大，使土洞顶板土体强度降低，减小了顶板的抗力；

b.路基开挖使土洞顶板厚度变薄，抗力降低；

c.路基施工钻孔使土洞结构破坏，土洞顶板抗力降低。

2 路基施工中岩溶土洞塌陷的工程案例分析

铜仁市松桃至玉屏城际快速路K83-K84段路基在施工过程中于2017年7月和2018年6月发生两次路基塌陷，见图1。第一次塌陷未造成车辆与人员伤亡，第二次塌陷导致一辆水泥罐车侧翻，驾驶员轻伤。

图1 路基塌陷现场照片

通过对两处路基塌陷开挖后发现，塌陷处下方土体中明显有土洞存在的迹象，开挖后的情况见图2。

经过初步判断，两处路基塌陷可能为岩溶土洞塌陷。为验证初步判断结果和避免此段路基再发生塌陷造成事故，对与两处塌陷处工程地质情况相似的K83-K84段路基进行了物探。岩溶土洞常用的物探方法有三种，包括探地雷达、高密度电阻率法和浅层地震反射法。此次物探采用了高密度电阻率法，电极的布置间隔为5 m×5 m。通过对原始观测视电阻率断面的反演视电阻率断面分析，本段内共发现9处疑似土洞。部分疑似土洞点的高密度电阻率法观测结果见图3。

图3 高密度电阻率法观测结果

为了验证高密度电阻率法的探测结果和更好分析土洞塌陷的原因，对9处疑似土洞进行了钻孔取样。通过钻孔取样其中有5处确认有土洞存在，有1处有软塑状红黏土存在，其他3处未发现。

通过分析物探报告和钻孔取样报告，结合现场调查，本工程K83-K84段路基岩溶土洞塌陷的原因主要有三点。第一、本路段地层岩性有利于岩溶土洞的形成和发育。地层构成上层为残坡积层（Qel+dl）红黏土，下伏基岩为寒武系中统敖溪组（∈2a）泥质灰岩。红黏土呈网状结构，网状裂隙发育。泥质灰岩中有溶隙发育。红黏土覆盖层和灰岩溶隙为土洞的形成和发育创造了条件。第二点，雨季大量降水加速了岩溶土洞的扩张。第三点，路基施工产生的作用力触发了土洞的塌陷。主要作用力包括：

（1）开挖造成土洞顶板变薄，是土洞顶板抗力降低；

（2）路基红黏土换填时振动碾压施加的振动荷载；

（3）施工车辆运行时施加的动荷载；

（4）路基开挖后未及时做好临时排水，由于路基较宽（60 m），造成大量地表水汇集，地表水的垂直渗流降低了土洞顶板土体的强度，使顶板抗力降低。

由本工程中岩溶土洞塌陷的原因分析可知，要防治路基施工造成岩溶土洞塌陷，控制路基施工产生的触发土洞塌陷的作用力是关键。

3 路基施工中岩溶土洞塌陷的预防与治理

3.1 岩溶土洞塌陷的预防

路基工程作为一个线性工程，其长度一般达十几公里或几十公里，甚至几百公里，在路基施工中对岩溶土洞塌陷进行全段落防治既不符合工程实际，也不经济。因此，建议对岩溶地区路基施工中土洞塌陷的防治采用分段落分措施的方法，具体方法如下。

（1）根据地勘资料和现场调查，分析道路沿线符合岩溶土洞塌陷形成条件的段落。

（2）将符合岩溶土洞塌陷形成条件的段落划分为重点防治段落和一般段落。重点防治段落根据岩溶土洞塌陷的分布规律和现场调查结果确定。每个地区岩溶土洞塌陷的分布规律不尽一致，但根据对贵州、徐州、桂林、郴州、重庆市铜锣山区等省市地区岩溶土洞塌陷分布规律的分析可得出以下几条共性规律[1，3-6]：

a.分布密度随下伏可溶盐岩岩溶发育程度的强弱而增减；

b.塌陷多沿构造断裂带分布；

c.塌陷多分布于峰丛洼地、谷地等地势低洼、地表水浅或集中径流带地段；

d.塌陷多分布于覆盖土层较薄弱的地段，多发于土层厚度小于15 m的地段（土层厚度指开挖或换填后的厚度）。

除满足以上规律的段落外，再加上道路沿线已发生过土洞塌陷的段落构成重点防治段落。

（3）对重点防治段落，建议采用高密度电阻率法、地质雷达、浅层地震反射法等物探方法探明土洞，并进行治理。

（4）对一般段落，路基施工时要注意以下事项：

a.避免将办公区、预制场、拌合站、堆料场等场站设置在此段落上。

b.避免在此段落内设置抽水井、取水井等降排水井点。

c.在此段落上进行冲击碾压、振动碾压、强夯等作业时，禁止工程车辆和无关人员在影响区域内行走或停留。

d.在相邻段落进行爆破施工时，禁止在此段落内进行施工或停留。爆破后对此段落进行检查后方可进行施工。

e.禁止将此段落作为临时保通道路使用。f.禁止社会车辆和闲杂人等在此段落停留。g.对开挖后路基范围内要做好临时排水，避免积水。

h.注意其他可能触发土洞塌陷的因素。

3.2 岩溶土洞塌陷的治理

目前，国内对岩溶土洞塌陷的治理措施主要为灌浆和开挖两类。

对于埋置深度较大的土洞，采用钻孔压浆的方法。通过直接向土洞及其下的扰动土洞中灌注水泥砂浆，使水泥砂浆填充土洞中的空洞，并形成水泥结石，防治土洞的进一步扩张和塌陷。

对于埋置深度较浅的土洞和已经发生塌陷的土洞，采用开挖回填的方法。此方法主要分为三个步骤，首先将土洞或塌陷处的土体挖除，清理出基岩面；然后，根据溶隙或溶槽的大小设置反滤层，即回填粒径合适的块石或片石；最后，在反滤层的顶部和四周设置土工布，防治土体流失。

4 结 语

岩溶土洞的存在对路基施工带来了安全隐患，而路基施工加速了土洞的扩张和塌陷。路基施工中的岩溶土洞塌陷的防治须分段落分措施进行。段落的划分根据岩溶土洞塌陷形成的原因、分布的规律及有无塌陷历史确定。不同段落采取不同的预防措施，避免或尽可能减少岩溶土洞塌陷对路基施工造成的安全风险，确保路基施工的质量和安全。