闽南地区岩溶地质灾害引发场地地基稳定性评价

苏瑞其

（福建省197地质大队 福建泉州 362011）

0 引言

闽南地区的岩溶发育在北部山区、煤系地层下部的石灰岩地层，以隐伏型岩溶为主。本文以某大桥桩基工程为例，9～12 号桩赋存于隐伏型石灰岩分布区，大桥桩基的工程地质评价主要采用工勘钻探动力触探手段确定基岩位置，忽略了其下部存在断层带及岩溶发育区，导致了12 号桩基施工至底部时多次漏浆无法成桩。通过对现场实地调查并进一步补充勘查，查明了隐伏型岩溶分布的特征及发育情况，形成了切实可行的岩溶场地地基处置措施。

1 研究区地质背景

1.1 研究区的区域地质特征

大桥桩基在区域上位于永安-梅县上古生代拗陷带的东南侧，处于仙游-漳平东西向断裂带、福安-南靖北北东向断裂带和晋江-永安北西向断裂构造的复合部位。

区域上石灰岩地层分布于煤系地层的底部。受大地构造运动及次级褶皱、断层的影响，地层的完整性被破坏，出现了地层移位、颠倒、缺失等地质现象，底部的石灰岩被缓倾角滑覆断层推送至地表附近甚至出露地表。断层在缓慢活动过程中错开了整合地层的接触面，形成了断层破碎带，破碎带的导水性诱发了底部相连的石灰岩顶部岩溶的发育。

区域出露的地层从老到新主要为：前震旦系大岭组（AnZzdl），二叠系下统栖霞组（P1q）、文笔山组（P1w）、童子岩组（P1t）、二叠系上统翠屏山组（P2cp）。

自上石炭世至早侏罗世，地壳运动主要以频繁的区域性升降为主，属浅海—海陆交互相山间盆地沉积。上石炭世至早二叠世有1 次较大规模的海侵，为区域石灰岩的沉积奠定了良好的地理条件，自北到南已发现永春铅坑、横口和安溪剑斗、珍地、青洋、潘田等石灰岩矿床。本区在区域上属于安溪石灰岩分布区（图1）。

图1 区域地质图

1.2 研究区的地层特征

研究区揭露的地层自上而下分别为第四系残坡积土、文笔山组和栖霞组，其包含的岩性如下。

1.2.1 第四系残坡积土（Q）

杂填土：主要为人工填土。灰黄、灰色，含较多建筑杂填土，呈松散、稍湿，为近期回填土，尚未完全自重固结，稳定性极差。

残积土：第四系全新统残积土。灰黄、灰白色，主要由石英、云母碎屑等组成，石英砾约10%，呈硬塑～坚硬状，属中等压缩性土，力学强度高，工程性能好；泡水易软化崩解，具力学强度不良的特性，稳定性极差。

高岭土：灰白色，主要由长石矿物风化而成，呈硬塑～坚硬状，属中等压缩性土，力学强度高，工程性能好；泡水易软化崩解，具力学强度不良的特性，稳定性极差。

1.2.2 二叠系下统文笔山组（P1w）

砂土状全风化粉质砂岩：结构松散，颜色呈褐灰、浅灰黄杂色，主要由石英矿物及长石矿物所组成。

砂土状强风化细砂岩：褐灰、灰白色，多为紧密砂土状，原岩结构大部分被破坏，遇水易软化崩解，偶夹碎块，为极软岩，岩体极破碎，岩石基本质量等级Ⅴ级，质量指标极差，稳定性极差。

碎块强风化细砂岩：褐灰、浅灰黑色，多为碎块状，属软岩，岩石基本质量等级Ⅳ级，质量指标差，稳定性差。

1.2.3 二叠系下统栖霞组（P1q）

溶洞：为石灰岩在水的溶蚀作用下形成，区内钻孔揭露的溶洞基本为完全充填，充填物成分较复杂，主要为泥、砂质及粉砂岩、硅质岩小碎块等，稳定性极差。

碎块状强风化石灰岩：灰白、灰～深灰色，薄～中厚层状，中粗粒结构，具水平层理、质较纯，多为碎块状，属软岩，岩石基本质量等级Ⅳ级，质量指标差，稳定性差。

块状弱风化石灰岩：灰～深灰色，薄～中厚层状，中粗粒结构，具水平层理，质较纯，偶夹1～5 cm 硅质岩条带。底部见断层挤压带及断层角砾。岩芯成短柱状或柱状，RQD 值70～80，属较硬岩，岩石基本质量等级Ⅲ～Ⅳ级，稳定性较好。

1.3 研究区的岩溶发育特征

1.3.1 岩溶发育层位

研究区存在隐伏型岩溶区域，上覆地层主要为第四系（Q）、二叠系下统童子岩组（P1t）、二叠系下统文笔山组（P1w），自上而下主要岩性包括：杂填土、粉质及砂质黏土、泥岩、砂质泥岩、细粉砂岩为主。

本区岩溶发育具有一定层位性，主要位于栖霞组（P1q）石灰岩与上伏文笔山组（P1w）泥页岩之间的断层接触带。该断层接触带为导水断层，雨水通过上部的土体、砂土状全风化孔隙、强风化裂隙汇集于石灰岩上部的导水断层；该层石灰岩呈厚层块状，裂隙较不发育，为隔水层，因断层导水并积水浸泡的栖霞组（P1q）上部的石灰岩；石灰岩的主要成分为碳酸钙，碳酸钙本身不溶于水，但被含有二氧化碳的酸性雨水浸泡产生溶蚀性化学反应，日积月累形成了溶洞。

1.3.2 岩溶发育规律

根据笔者单位2002 年提交的《福建省安溪县大畲石灰岩矿区南矿段普查地质报告》，大桥6～13 号桩评价区隐伏型岩溶发育，受东西向永安-晋江断裂带的影响，次一级断层发育，切割形成的地层组合较为复杂，表现为岩溶以上岩性的完整性及透水性的不同，导致岩溶形态、大小及充填情况存在较大差异。

研究区隐伏型岩溶主要类型包括：溶洞、溶槽、溶孔、溶缝。在较大溶洞里面及周边，包含有溶槽、溶孔及溶裂缝，溶洞形态大小与石灰岩上部地层界线-断层面的高低、起伏面有关系，容易渗水、积水区的位置溶洞一般更大，形态以圆形、圆弧形、椭圆形居多，宽度1.8～7.0 cm。

研究区补勘施工钻孔11 个（图2），其中7 个钻孔见溶洞，溶洞遇见率63.6%，其中：有1 个钻孔溶洞未打穿、2 个钻孔各揭露2 个溶洞，2 个以上的溶洞率占比18.18%（表1）。

表1 钻孔溶洞统计表

图2 某大桥9～12 号桩基平面图

根据施工钻孔地质编录数据，洞高1～2 m 的数量有2 个，占比22.22%；洞高2～5 m 的溶洞4 个，占比44.44%；洞高5～10 m 的溶洞3 个，占比33.33%；顶底最大高差9.20m、最小高差1.40 m。溶洞的顶板为强风化碎块状细砂岩、弱风化灰岩，溶洞主要发育在石灰岩上部。溶洞埋深距地表43.90～86.98 m，底部隔水层分界线位于石灰岩地层的硅质岩，其石英含量高、溶于水的碳酸岩含量少。

2 隐伏型岩溶地质灾害引发的场地地基稳定性评价

场地基础塌陷、混凝土灌浆流失、岩层分界面在基础加载后存在位移隐患，均为隐伏型岩溶区域对工程建设基础所面临的问题，再加上复杂的水文地质方面存在不稳定因素，可能牵动工程地质等一系列隐患，故工程建设的前期必须对岩溶地基的稳定性进行评价。岩溶地基的稳定性评价一般采用场地评价和单体评价。按照岩溶发育规律及强度，针对本场地用于桥梁地基基础，场地评价主要分析桥梁线路范围的场地适宜性和稳定性；单体评价主要是研究每个桥墩深部岩溶形态和特征。对桥墩的稳定性进行评价，主要采取定性评价、半定量评价2 种方法。

2.1 场地评价

研究区处于亚热带岩溶发育区，岩溶分布位置大致可通过区域地质成果所揭露地层层序及断层的赋存情况圈定；由于区内季节性雨水丰沛，加上大气CO2的作用下，雨水呈弱酸性；但相对于半裸露区，隐伏岩溶发育程度以中等居多。场地稳定性评价应将建筑荷载与土洞的共同因素放在一起考虑。

研究区内地表全部被第四系残坡积土覆盖，未见石灰岩出露，但深部探矿地质资料显示，地下岩溶却十分发育，在钻孔深度43.90 m 以上未见石灰岩溶洞。而钻孔揭露的溶洞全部为全填充，充填物主要以角砾及黏性土为主，少量灰岩碎块。从工勘地质资料分析，研究区的场地所在位置深部隐伏有面状岩溶分布；栖霞组灰岩在桥的南西侧山坡上有出露，正好地表水顺接触带向深部渗透，形成了由南西向北东倾的岩溶发育带（滑动面），该岩溶发育带倾向与13→9 桥墩（由短墩向长墩）方向一致，形成1 个潜在滑坡体。目前该滑动体前缘无剪切带，但岩溶所处位置大部分处在水库蓄水后淹没区，形成复杂水文地质条件，造成前缘出现岩溶塌陷，其剪切带就出现。有些桩基未穿透岩溶发育带，仅落在上覆滑坡体上，会加载滑坡体重量，更容易产生滑坡。因此研究区场地存在隐伏型石灰岩溶洞，场地地基整体稳定性较差。

2.2 单体评价

在场地评价-地基稳定性较差的基础上，必须查明单体工程的稳定性情况。结合上部工程荷载，工程项目在施工之前对基础类型的选择显得尤为重要。单体评价对研究区的岩溶分布区项目来说，显得尤其重要，理由如下：单体荷载区本身存在地形地貌的差异；岩溶规模、大小、充填性质等均存在较大程度的差异。根据单体工程对应的补勘成果剖面（4 条），即：10、11、12、13 号桩基对应3-3′、4-4′、5-5′、6-6′地质剖面共10 个钻孔，通过岩土地质及水文地质勘查编录情况分析、评价单体工程的地基稳定性（图3～6）。

图3 3-3′工程地质剖面图

图4 4-4′工程地质剖面图

图5 5-5′工程地质剖面图

图6 6-6′工程地质剖面图

2.2.1 定性分析法

2.2.1.1 分析方法

定性分析是按照事物本身的特性分析，采用的是非量化的手段探索解决问题的办法。具体反映在岩溶场地的稳定性方面，定性分析遵循岩溶地质特性，包括：溶洞所赋存的石灰岩岩性特征、基岩的节理裂隙情况、岩层产状变化特征、溶洞空间充填情况、溶洞所处位置特征、洞体的顶板情况。通过分析以上列出的岩溶地质特性，逐一分析评价存在的有利或不利因素，再作出综合分析判断，如果无案例可以参照类比，其结论通过综合分析确定，这种综合分析判断的方法，属于综合分析法；在综合分析的基础上，手头已有典型的经验案例可以作为参照对象进行比拟分析，判断同类性质的岩溶场地在水利工程、公路工程或住建工程等案例实践的方法，属于经验比拟分析法。

定性分析是在已经采取工程勘查或在已查明隐伏型岩溶及以下地质情况的条件下，即在已经有了地质资料的基础上作出非量化的分析判断。正因为没有量化，一般提交的结论成果也仅适合一般性工程，供工程设计部门作为设计参照依据。

岩溶地基稳定性的定性评价，通过表2 对4 条剖面的隐伏性岩溶特征详细列表分析。

表2 4 条地质剖面岩溶地基稳定性的定性评价

2.2.1.2 评价结果

根据工勘岩芯地质编录成果，分析得出了地基稳定性有利的相关因素，包括：岩性特征（中厚层块状）、裂隙情况（较不发育）、岩层特征（块状平缓起伏小）、溶洞的全充填等；而对地基稳定性不利的相关因素包括：溶洞特征（埋藏深）、顶板情况（破碎）等。通过以剖面为单位，定性评价分析的结果，5-5′、6-6′剖面的评价结果相同。

2.2.2 半定量分析法

2.2.2.1 半定量分析

（1）溶洞顶部崩塌充填分析。溶洞的顶部所在石灰岩在岩溶体积累积扩大之后，在地下水、构造、岩性及产状等多因素的作用下，顶部石灰岩在自重的作用下产生崩塌坠落；石灰岩在崩落之后形成散体堆积于溶洞洞穴，相对于原岩，崩落之后岩石膨胀体积变大；一旦溶洞完全被崩塌岩石堆积物充填，溶洞的顶部达到基本稳定状态。此法可用于石灰岩地层上部有隐伏溶洞的场地地基，并结合公式（1）计算分析判断地基的稳定性。

式中：a 为溶洞顶部崩塌的厚度；b 为溶洞高度；c 为膨胀系数，闽南地区的石灰岩膨胀系数采用统计数值1.35。

根据公式（1）计算的溶洞顶部崩塌的厚度a＜溶洞的顶部厚度，说明了溶洞被顶部崩塌堆放积物完全充填时，仍存在完整的基岩顶部未被破坏，说明在这种情况下，加载后的地基相对稳定。

（2）隐伏型岩溶地基稳定性的分析模型。工程加载后隐伏型岩溶地基是否稳定可靠，在实践中需要以完整的工程勘查数据作为支撑，这既和上部工程的加载有关系，更重要的是溶洞规模、数量和高度等对工程建设的影响，分析模型参照图7。

图7 隐伏型岩溶地基稳定性分析模型图

图7 中L 表示原始未加载状态：溶洞所在的石灰岩地层-基岩埋深（石灰岩顶部界线至地面高度）。

工程加载之后的该类型的地基稳定性分析，采用公式（2）。

式中：L0为数值表示工程加载状态：在加载受力极限时，溶洞所在基岩面以上覆盖层厚度（通过公式计算取得）；s 为基岩面至洞顶高度；n 为加载受力至极限的影响深度；d 为工程基础深度。

在桩基位置确定时，s 可通过工勘钻探工程的成果数据来确定，n、d 的数值均与上部工程的荷载及设计有关，不同的工程设计的z、D 的数值有差异。

隐伏型岩溶地基计算模型通过对溶洞所在的石灰岩地层埋深（灰岩顶部界线至地面高度）L，与设计建筑物加载后，根据极限状态下上部覆盖层厚度L0的数值变化情况来评价，该计算模型存在以下3 种情况。

①当L＞L0时，说明上部工程荷载设计的受力影响深度未及溶洞顶部，即工程加载影响不到溶洞，但总体地基受力是稳定的。

②当L＜L0时，说明上部工程荷载受力影响深度超过溶洞顶部，地基总体不稳定，具体存在2 种情况：

（a）土洞在工程建设之前已经形成。工程荷载受力达到极限时，没有缓解受力的空间，工程荷载受力影响深度超过溶洞顶部，直接对溶洞产生破坏性的力，比如：裂缝、塌陷等变形的可能性，地基的稳定性存在较大安全隐患，即地基是不稳定的。

（b）土洞在工程建设之后形成。因上部工程荷载受力影响深度超越岩溶上部地层的分界线，上部覆盖层整体产生沉降，带动了岩溶空间从裂缝、沉降到坍塌的变形过程而形成了土洞，因此工程建设之后产生的土洞，其地基是不稳定的。

③当L＜s 时，说明了工程荷载直接导致上部覆盖层发生严重塌陷，下部溶洞空间带走、分散了大量覆盖层存在的可塑性、不稳定的岩土体，在建工程必须重新评估、重新设计，地基设计的位置、方式必须坐落在深处的基岩，或选择避让绕道、择地迁建。

2.2.2.2 分析情况

（1）溶洞顶部崩塌充填分析情况。根据工勘钻探成果，通过地质编录整理出本区隐伏型溶洞特征的各种基础数据，为溶洞顶部崩塌充填分析提供了依据（表3）。

表3 4 条地质剖面岩溶地基稳定性半定量分析

（2）隐伏型岩溶地基稳定性的分析情况。本次补勘剖面均有钻孔揭露溶洞（全充填），选取代表性钻孔ZKB12-3 及ZKB12-1 揭露的溶洞特征，为隐伏型岩溶地基分析模型法提供评价依据（表4）。

表4 溶洞（钻孔）统计表

2.2.2.3 分析结果

（1）溶洞顶部崩塌充填分析结果。溶洞顶部崩塌充填分析法可以得到溶洞顶部崩塌的厚度，再根据野外地质编录取得的溶洞实际基岩顶板厚度，取得了分析需要的数据成果（表5）。

表5 岩溶地基稳定性半定量评价情况表

通过表5 可知，除钻孔ZKB13-2 存在顶板厚度小于溶洞冒落的高度之外，其他钻孔的溶洞均没有基岩顶板，即顶板厚度为0，且顶板均处于为P1w 和P1q 之间的断层破碎带，岩性主要为碎块状强风化细砂岩。综上所述，4 条剖面溶洞冒落高度均远大于顶板厚度，表示10～13 号桥墩地基都处于不稳定状态。

（2）隐伏型岩溶地基分析模型的分析结果。①钻孔ZKB12-3。由表4 可以看出，钻孔ZKB12-3 的溶洞覆盖层厚度L 为59.4 m、全充填的溶洞高度s 为4.90 m 均已确定；工程基础深度d、加载受力至极限的影响深度n则有待于工程设计部门通过设计计算取得；结合公式（2）；当L＞L0时，上部工程荷载设计的受力影响深度，未及溶洞顶部，地基受力总体稳定。根据以上数据、公式和分析模型可以得出，工程设计部门在设计时，只要满足以下条件，即：工程基础深度d、加载受力至极限的影响深度n 之和<54.5 m，工程地基受力是稳定的。②钻孔ZKB12-1。由表4 可以看出，钻孔ZKB12-1 的溶洞覆盖层厚度L 为56.5 m、全充填的溶洞高度s 为3.80 m 均已确定；与ZKB12-3 分析同理，工程设计部门在设计时，只要满足以下条件，即：工程基础深度d、加载受力至极限的影响深度n 之和<54.5 m，工程地基受力是稳定的。

3 结语

闽南地区岩溶发育区主要以隐伏型为主，场地建设地基的稳定性评价主要包括场地评价和单体评价。场地评价应以区域地质资料为基础，加上实地地质调查，大致圈定场地评价区的岩溶所赋存的石灰岩地层分布区域，为隐伏区岩溶特征的工勘钻探设计提供依据；再通过实地钻探，包括：岩性鉴定、RQD 统计、标贯测试等手段，确定地层及构造分界线、岩性分层及厚度、节理裂隙，以及溶洞埋藏的深度、厚度、充填、顶板特征、地下水赋存情况等，作为工程基础的单体评价依据，既满足了工勘地质强风化层的需求、也查明了隐伏性岩溶发育的详细特征，为闽南岩溶隐伏区的基础工程建设提供切实可行的地质依据。