岩溶塌陷区地质灾害应急勘查及处治技术研究

2022-01-20梁任和唐咸远

矿产与地质 2021年5期

梁任和，唐咸远

(1.广西壮族自治区三○五核地质大队，广西柳州 545005；2.桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西桂林 541004)

0 引言

岩溶地陷近年在我国南方诸如广西、湖南等地频发，常常会导致道路结构破坏、引起房屋开裂或塌陷。由于岩溶地陷事发突然，如应急处理不当会造成当地民众恐慌，在造成巨大的经济损失的同时会影响社会稳定[1]，故不少学者对地陷勘查及应急处治措施开展了研究。贾龙[2]研究了岩溶土洞的演化规律，并采用了相应的数值模拟进行分析；华丽晶[3]对芜铜铁路狮子山站岩溶塌陷路基勘查与整治进行了研究；戴建玲[4]对发生在广西来宾市良江镇吉利村的岩溶塌陷成因机制进行了分析；文海涛[5]对广西柳州市岩溶塌陷成因类型与时空分布特征的研究表明，岩溶塌陷中有六成为人为塌陷，是由抽汲地下水诱发。靳红华[6]对降雨与岩溶渗漏联合作用下的岩溶塌陷做了一系列稳定性分析；吴湘炬[7]对湖南某矿区岩溶塌陷成因分析，提出了对塌陷坑采用清除填堵法等防治对策。

尽管目前对地陷成因及处治技术有不少研究，但是尚未形成完整的理论体系，处治技术的适用性有待更多地陷实例验证，特别是应急勘查及应急处理方面，有待进一步研究并不断提高相应技术及治理方法。为此，本文以广西柳江县柳江大道K3+330段为中心的一带急发的大规模地陷地质灾害为研究对象，通过应急地质勘查，查明了地灾所在区域的水文地质特性，剖析其地陷成因，提出以注浆加固为主的处治措施，并通过现场检测，对治理效果进行了分析。

1 地陷区概况

1.1 地陷情况

2018年6月22日广西柳州市柳江大道东段、毅德商贸物流城附近发生岩溶地面塌陷5处，截至当年7月8日新增4个，计9处岩溶塌陷(塌陷分布详见图1)。本次塌陷区中心点位于2018年1月初建成通车的柳江大道K3+330段道路上，与柳州市柳南区帽合村2012年5月10日发生的岩溶地面塌陷灾害中心点相距约3 km[8]。现状塌陷平面呈圆状、椭圆、方形，口小肚大，坑口直径或宽度为4～9 m，深0.8～6 m，单个塌陷坑面积范围为12～81 m2，塌陷坑边缘出现地面裂缝且仍在扩展，塌陷影响范围约1.5万平方米。

图1 岩溶塌陷点分布图

图2 塌陷区病害情况

本次地陷属于岩溶塌陷群，现状岩溶塌陷发育程度强，为大型岩溶塌陷，塌陷群引发柳江大道K3+330段为中心的路面下沉、地下雨污水管开裂损坏，在建轻轨桩基下沉偏移、杨家民房基底悬空、毅德城售楼部地面下沉及墙体开裂等，并有继续发展的趋势，已严重危及公路交通、轻轨基础工程稳定性及居民生命财产安全。估算直接经济损失约350万元，根据《地质灾害防治条例》，灾情级别为中型，地质灾害危害程度中等，地质灾害防治等级为二级。

1.2 地陷区工程水文地质情况

塌陷区地属柳南峰林平原地带，地面高程约94 m，地形起伏小，属浅覆盖岩溶区。柳江大道由东面的门头路向西连接三北高速柳江出口，塌陷区路段南面是在建的毅德城，北面是拉堡镇基隆村杨家屯，道路两旁有少量的菜地。

1)地层岩性：据区域地质资料，基岩地层为中石炭统大埔组(C2d)，岩性为浅灰色厚层至块状的白云岩、白云质灰岩，区域上岩层倾向东，倾角一般小于15°。上覆第四系溶余残积粉质黏土、黏土，土层厚度一般为5～10 m，局部最薄约3 m，局部最厚可达19 m，基岩面起伏大。

2)地质构造：塌陷区附近构造较复杂，以东1.5 km为帽合断层，以西1.6 km为鹅山断层，主要构造线以南北走向为主，伴生NW及NNE向两组断裂，切割并错断SN向断裂。

3)水文地质条件：塌陷区位于柳西次级单元车辆厂水文地质单元内，西部为碎屑岩分布区，对岩溶水有一定的补给能力；东部以帽合断层(地层分界)为界，南北分别以响水河、竹鹅溪为边界。该单元边界主要以河流补给或导水断层组成，为具相对独立的补、径、排条件的水文地质单元。

该区地下水类型为碳酸盐岩裂隙溶洞水，地下水主要赋存于裂隙溶洞中，水量丰富，地下水向北东、东部径流排泄于柳江河，地下水位变幅为3～5 m。

4)场地岩溶发育程度：该场地下伏基岩为白云岩、角砾状白云岩，基岩面埋深6～9 m，高程85～88 m，岩面起伏较大。钻孔遇洞率为91%，线岩溶率为7.2%，场地浅层岩溶总体强烈发育，岩溶形态以溶洞、溶槽为主，从岩溶发育规模上，溶洞(槽)高1.1～17.6 m，规模大小不一，溶洞(槽)以主要充填可—硬塑状黏性土夹白云岩碎块，岩溶发育高程段一般72～83 m段，最深62.08 m处尚见有溶洞。本次塌陷位于岩溶强发育区，据物探反映场区强岩溶发育带呈SN向分布为主，与区域构造线基本一致。

1.3 地陷原因分析

广西柳州、桂林、河池等很多地区都属典型的喀斯特岩溶地貌，一旦自然或人为因素引起地下水位发生较大变化，就有可能发生岩溶地陷。

塌陷区只有毅德城工程勘查较为详细，其他道路及村屯的勘查严重不够，同时由于岩溶区房建基础采用扩大基础，道路路基下地基也只是进行了简单处理。初步分析认为，本次塌陷区位于强岩溶发育区，此期间有连续的强降雨，且柳江大道北侧溪流、集雨管道破裂造成地表水下渗，使灾害区地下水变幅频繁，加上工程施工扰动等多种因素引发岩溶塌陷，期间塌陷区仍处于不稳定状态。

2 应急方案与勘查

为查明岩溶塌陷地质灾害成因、分布、发展趋势、危害程度，在对现有地质资料分析基础上，采用水工环地质调查、钻探、工程物探、监测等综合手段进行岩溶塌陷应急勘查。

2.1 应急方案

“6.22”柳江大道塌陷灾情发生后，由柳江区国土局牵头立即成立地质灾害抢险指挥部，投入应急抢险工作。应急抢险指挥部将塌陷区段公路东西两端封闭1 km；在建轻轨桩基础施工暂停；同时，柳江区城投、国土等相关部门立即投入应急抢险中，对塌陷群采取临时的应急回填措施，为避免抢险的盲目性与局限性，必须开展塌陷应急勘查，圈定浅部土洞、溶洞、溶槽发育范围及深度，强与弱岩溶发带，为塌陷应急治理设计提供依据，以降低成本，提高治理效率。应急处治实行勘查、设计、治理施工“三同时”进行，实行动态设计与信息化施工管理。

2.2 工程物探工作布设

本次塌陷应急勘查原则上在地表测量的基础上，以物探先行，采用高密度电法、地质雷达、CT孔对透视3种方法进行综合勘测。

1)高密度电法：通过高密度电法勘查，查明场区埋深小于100 m深度范围内基岩起伏、岩溶发育范围及其分布规律。柳江大道上塌陷点T1、T2、T3区段路面沉降重要变形区物探线按20 m×20 m网格布设，但由场所区SN向民房较多，剖面线展开不了，只能布设EW向剖面，共计9条剖面，剖面线长4.0 km。

2)地质雷达：测试深度10～20 m，主要查明土层厚度、土洞与浅部岩溶。原则上地质雷达剖面线布设与高密度电法勘探线平行重复布设。因柳江大道路面以下3～5 m范围内管线网较多，主要呈EW分布，对地质雷达干拢较强，不利于异常的解释，因此取消EW向地质雷达剖面线，只布置SN向剖线，剖面线9条，北侧柳江大道外围空旷地带补作1条横向剖面，计10条剖面，线长1.60 km。

3)CT孔对透视：为查明孔与孔之间岩溶空间分布特征，增加CT孔对透视14对。

2.3 钻探方案

根据物探结果，可以初步确定岩溶发育范围、浅部岩溶情况、岩溶空间分布特征，这样就可以指导布孔，通过钻探验证物探测试结果，进一步查明岩溶发育情况。应抢险“三同时工程”要求，物探、钻探，道路灌浆加固同时进行。本次钻孔布置在分析轻轨工程地质剖面及现状塌陷分布特征基础上布设，柳江大道上的T01、T02、T03、T06、T08、T09计6个塌坑、毅德城售楼部东侧T7塌坑1个，各个塌陷点中心各布设1个孔，四周边按十字型布4个钻孔；并在北侧外围T04、T05塌陷点适当布设钻孔，查明塌陷点的稳定性，共增加7个孔，外围勘探线按20 m×20 m网格状布置，待物探部分结果出来布设。本次应急勘查实际布置钻孔71个(详见图3)，主要工作量见表1。

图3 钻孔布置图

表1 主要勘查工作量统计

7月5日物探初步成果出来，根据岩溶异常带分布特征，适当对钻孔进行调整，钻孔重点布设在强岩溶带上，弱岩溶区段减少或取消了部分钻孔，钻孔孔距不受原设定的20 m控制，孔深按30～35 m考虑，略有调整。在塌陷区外围布设3个水文地质孔(兼勘查孔)：公路北侧布设2个勘查孔、毅德城东部1个，作为永久性水文地质观测孔，观测地下水位动态，勘探孔深35～40 m。

3 应急治理设计

本次柳江大道岩溶塌陷应急治理设计范围包括塌坑回填、柳江大道路基灌浆加固、毅德城地基沉降加固处理设计[9-10]。柳江大道地下管网及路面损坏鉴定与修复由柳江区城投公司组织负责实施，原公路设计单位承担道路面修复与管道更换设计工作。

3.1 应急治理

对于现状9个塌坑，先用勾机清除塌坑内填土、淤泥质土；在坑底铺上500 mm碎石，勾机斗夯实；采用C20砼封填处理，倒灌C20砼封填至路面，塌坑平面近圆、椭圆、长方形状，垂向上坑口上宽变窄或呈铜鼓状，回填时按清坑实际范围封填与计量。封填过程应有图像或者影响记录，回填方量1005 m3。

3.2 道路基灌浆加固设计

因柳江大道路面塌陷变形影响面积大，需对路基下伏岩溶进行灌浆加固处理，通过对路基下伏软弱土、土洞及溶洞(槽)灌浆、充填、挤密、固结，形成水泥胶结石，封堵浅部岩溶通道，消除岩溶塌陷隐患。

1)钻孔布置：按5 m×5 m“品”字形布置灌浆孔，其中T01、T02、T03、T06、T08、T09各中心应布置1个孔，各共计244个孔，如遇强岩溶带或大溶洞(槽)部位适当加密灌浆。

2)孔深控制：前期依据轻轨的42～50号桩基工程地质剖面图岩溶发育段界面深度来确定本次灌浆深度，设计灌浆孔深17～22 m，完成120个孔。中后期灌浆孔深调整为强岩溶带灌浆孔孔深进入岩面以下3～5 m深度，以满足公路受力层要求为主。

3)灌浆方法：一律采用双液双管灌浆。灌材料为42.5 MPa水泥加水玻璃[11]：水灰比范围为1∶1～0.8∶1，先稀后浓，水玻璃量占水泥重量的5%；水玻璃溶液应采用模数2.4～3.4、玻美度25°～35°的水玻璃加水稀释成13°～16°玻美度使用，水玻璃液注入量一般占水泥浆液的20%～30%。

3.3 地基沉降加固

根据《柳州毅德商贸物流城一期工程岩土工程勘察报告》，售楼部岩土层自上而下可分为杂填土、耕表土、硬塑状黏土、稍密状含黏土砾砂、松散状粉砂—细砂、强风化白云岩、中风化白云岩。基岩面埋深4.4～6.6 m。

采用静压灌浆加固对毅德城售楼部独立柱基础加固处理，每个柱基布设灌浆孔3～7个孔，共50个灌浆孔，后期调整增加6个灌浆孔加固墙体开裂部位，平均孔深约6 m，原则上灌浆孔深至基岩面，主要加固基底下软土、松散粉细砂层、土洞，提高基底持力层力学强度。注浆材料采用42.5标号水泥及自来水，浆液配比为1∶1～0.5∶1，先稀后浓；采钻机造孔，终灌标准压力为0.3 MPa。

由于售楼部东侧原始地势低洼、积水，填土较厚，松散及T07塌陷扩展变形影响，考虑到灌浆过程容易向东侧跑浆，会降低灌浆效果，因此沿售楼部东侧墙体以外3 m周边布置一排旋喷桩，从岩面往上旋喷加固软土、松散粉细砂层及填土为主，以达到帷幕止水、挡浆及控制东侧填土沉降变形或基底松散砂层的流失，桩中心间距为1 m，共计34条桩，桩端深至岩面，详见图4灌浆孔布置图。采用单管旋喷，桩径0.8 m，水泥掺量占土的35%，施工技术参数水灰比为1∶1，出浆量为80～120 L/min，提升速度20～25 cm/min，旋喷压力20 MPa～28 MPa。

图4 灌浆孔布置图

1—静压灌浆孔及编号 2—高压旋喷桩及编号 3—7月15日前完工的钻孔 4—详勘孔及编号 5—详勘剖面线及编号 6—灌浆处理范围边线

3.4 路面修复及地下管道更换设计

设计内容包括更换道路左幅K3+310～K3+471(161 m)、右幅K3+310～K3+459(149 m)段的雨水管道和污水管道，总共各长310 m；道路及附属设施修复长度为160 m，主道沥青路面3700 m2，辅道沥青路面1450 m2。路面修复与管道更换设计另由原设计单位出具专项柳江大道路面修复与管道更换设计图纸和投资预算。

4 应急施工及效果检测

4.1 具体施工情况

施工单位从2018年7月2日开始灌浆加固施工，于2018年8月4日全部完成了回填及灌浆加固施工任务，柳江大道共灌注水泥量6895.1 t，毅德城售楼部独立柱基础加固共灌注水泥量295 t。

4.2 加固检测情况

依据《建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2012)》要求及灌浆设计方案，检测孔数量不少于注浆孔的2%～5%。本次检测孔的布置原则上随机抽检布孔，检测点平面均布，同时兼顾塌陷点分布、强岩溶带及灌注水泥量大(超30 t/孔)部位布设检测孔，共布置检测钻孔22个，孔深控制在15～20 m之间，局部遇溶洞适当加深了灌浆浆液对深部溶隙充填情况，以了解灌注层水泥浆平面扩散及垂向固结效果；同时利用勘查孔ZK50钻进过程中遇水泥结石作为检测效果评价，总计23个孔。

柳江大道路基检测投入GY-1型钻机3台。土层先采用重型动力触探测试至基岩面，根据贯入快慢程度及掉空，判别上覆土层是否存土洞、软弱土体，后采用冲击钻进取心观察土心水泥胶结情况，取心率在95%以上，基岩段采用金刚石钻头给水钻进，破碎段取心率为65%，完整、较完整基岩取心率在80%以上。钻进过程中遇钻孔有水或垮孔，需下套管护孔壁钻进。

毅德城售楼部独立柱基础加固检测沿柱基周边布置检测钻孔6个，孔深至下伏基岩面，孔深6～9 m。其中室内5个孔钻采用轻便式钻机钻探取心。截至2018年8月4日全部完成检测工作，检测孔终孔后由施工单位进行注浆封孔，完成工作量见表2。

表2 加固检测工作量

4.3 灌浆加固效果总体评价

通过对柳江大道岩溶塌陷路基灌浆加固，上覆土层孔隙、裂隙、路基接触面为水泥结石充填固结，浅部岩溶通道被水泥结石扩散充填得以封堵(图5)，基本上切断地下水变幅潜蚀的影响，岩溶塌陷得到有效控制，路基的稳定性得以保证；毅德城售楼部地基灌浆加固后，基底松散土岩层力学强度有所提高，墙体开裂得到控制(图6)，地基基础总体稳定，达到应急抢险加固目的要求。