土體工程地質的宏觀控制論在地質勘察實踐中的應用
——以廣東省某高速覆蓋型巖溶地表塌陷地質勘察為例

劉少煒

（山西省交通科學研究院，山西太原030032）

在地質工程中，巖體的工程力學性質受其結構的控制，即結構控制論，這已被工程地質和巖土工程界認同,成為普遍遵循的工作準則，用于指導工程實踐。而由于土體的復雜性，對于土體工程則尚未形成統(tǒng)一而明確的指導理論。孫廣忠等在其論著中提到地質結構控制論，在談論土體工程時，強調地質作用，認為地層結構較土體結構更具控制作用，是其工程性質的第一級控制因素。

勘察大師范士凱先生在多年的地質勘察工作中總結認識到：對于土體工程，將地貌單元、地層時代和地層組合等作為工程的宏觀控制因素,通過地質測繪、鉆探,準確界定它們在空間的界限和類型,并通過原位測試、室內(nèi)試驗,構建其地質—土體力學模型,然后針對各類工程地質和巖土工程問題做出評價結論和工程措施。這就為土體工程的工作制定了技術路線，指明了工作方向。借助這一套由宏觀到微觀,由定性到定量的工作體系，可以很好地解決土體工程問題。

本文試圖以該理論為指導，從地質生成角度出發(fā)，探討總結廣東省某高速公路巖溶塌陷地質災害地質條件和機理，更好地查明其地質條件，便于設計施工。在具體實踐時,注意技術路線的正確性，特別針對性地對“地貌單元、地層時代、地層組合”等決定土體宏觀特性的5個方面因素進行較深入研究,而摒棄之前的盲目地做一般性調查。具體來說，首先按照地貌單元等級和類型確定工程影響范圍和具體界限,進而根據(jù)其成因類型所特有的沉積規(guī)律搞清沉積物分布、相變關系以及地下水埋藏特點,由此劃分地層組合(巖土水)單元,最后進行分區(qū)、分段評價。

1 地貌單元

項目區(qū)巖溶段落分布于定測線路的K26+100～K30+100段和K32+800～K38+800段。該路段地處地勢較平緩的巖溶溶蝕準平原區(qū)，四周為地勢較高的構造侵蝕丘陵所環(huán)抱。區(qū)內(nèi)有大郎河和黃村河2條河流，河流位于平原區(qū)中部，地勢最低。

從地貌地形上看，項目區(qū)可分為3種地貌單元：四周的構造侵蝕低山丘陵區(qū)、地勢稍低的巖溶溶蝕準平原區(qū)和地勢最低的河流區(qū)，詳見圖1。

2 土體成因、時代及地層組合

構造侵蝕丘陵區(qū)上部為殘坡積粉質粘土，下部為泥盆系天子嶺組泥質粉砂巖和帽子峰組石灰?guī)r。

巖溶溶蝕準平原區(qū)上部為粉質粘土，處于可塑—硬塑狀態(tài)，下部為泥盆系帽子峰組中風化石灰?guī)r。土巖結合面以上土層為軟塑—流塑狀，原位測試標貫擊數(shù)小于4擊，室內(nèi)試驗顯示其空隙比大，壓縮性高，其工程特性較差，承載力較低。

河流區(qū)上部為沖洪積成因的粉質粘土，存在狀態(tài)為可塑—軟塑狀，下部為松散—稍密狀的粉細砂或者圓礫土等粗顆粒物質，下伏泥盆系帽子峰組中風化石灰?guī)r。

該區(qū)石灰?guī)r溶洞發(fā)育，一般為2～3層，線巖溶率和遇洞率高，發(fā)育等級多為強烈—極強。溶洞內(nèi)堆積物多為軟塑—流塑的粉質粘土充填，標貫擊數(shù)1～3擊，部分鉆具甚至自沉，只有少量溶洞為稍密碎石土充填，部分為空洞、掉鉆。

3 地下水

工程區(qū)位于南亞熱帶季風氣候區(qū)，地表徑流和地下水徑流都較為活躍。

地下水主要類型為孔隙水及基巖裂隙水，大氣降水為其主要補給來源。前者主要賦存于第四系松散層中，孔隙含水量隨季節(jié)變化；后者賦存于巖石裂隙中，其透水性及富水性不均勻。地下水以側向滲流的形式由地勢較高的丘陵區(qū)經(jīng)準平原區(qū)向地勢最低的河流溝谷區(qū)排泄或蒸發(fā)，河流周邊徑流最為活躍，詳見圖1。

4 巖溶地面塌陷統(tǒng)計分析

圖1 項目區(qū)典型工程地質剖面圖

在勘察期間，共計出現(xiàn)巖溶地面塌陷地質災害12處,詳情見表1。大部發(fā)生于鉆探過程中，部分為鉆探后一定時間內(nèi)發(fā)生，塌陷范圍大小不等。曾出現(xiàn)塌陷造成鉆機懸空的情況，可見巖溶地面塌陷地質災害發(fā)生的速度很快，對施工安全及公路后期安全運營威脅較大。

通過對項目區(qū)發(fā)生的地面塌陷情況進行統(tǒng)計分析，得知：（1）從地形地貌上來看，地面塌陷多位于河流區(qū)，一級階地處較多，河流兩側的巖溶溶蝕準平原和構造侵蝕地山丘陵區(qū)未發(fā)現(xiàn)塌陷情況；（2）地下水徑流活躍區(qū)尤為突出，在河流的附近較為發(fā)育，而徑流一般區(qū)一般不發(fā)育；（3）從地層組合、成因和生成時代上來看，一般易發(fā)生第四系沖洪積成因的粉細砂、圓礫或者軟塑粉質粘土地層中；其地層形成時代較新，力學指標較差；巖性上以顆粒狀粉細砂和圓礫土等水穩(wěn)性差易流失地層居多；下伏石灰?guī)r溶洞發(fā)育；（4）鉆探施工為主要誘發(fā)因素，部分塌陷雖未在鉆探孔位發(fā)生，但位于其影響區(qū)。

5 巖溶塌陷形成要素及區(qū)劃

通過分析項目區(qū)地表塌陷的資料，同時參考已發(fā)表巖溶塌陷的相關研究論文，可知巖溶地面塌陷地質災害發(fā)生于覆蓋型巖溶地區(qū)，下部溶洞為開口形態(tài)，上覆土層在水、氣等因素影響下形成的地面坍落現(xiàn)象。

通過對本項目巖溶地面塌陷構成因素的分析總結，認為其同樣遵循土體工程地質的宏觀控制論，現(xiàn)闡明如下：

（1）地面塌陷受地形地貌單元控制。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，巖溶地面塌陷絕大部分位于河流區(qū)，極少位于巖溶溶蝕準平原區(qū)，構造侵蝕丘陵區(qū)不會發(fā)生地表塌陷。

（2）土體成因、時代和組合。工程區(qū)地面塌陷發(fā)育區(qū)地層為第四系土層，形成時代較近，這決定了其力學性質和水水穩(wěn)性較差。種植土、粉質粘土+粉細砂（或者圓礫土）+開口形態(tài)溶洞是發(fā)生巖溶塌陷的典型地層組合。

（3）地下水作用。水動力是巖溶覆蓋層物質流失的直接動力。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)地面塌陷發(fā)育區(qū)地下水埋深淺（一般不超過2.0m），距離河流較近，巖溶水徑流活躍；鉆機循環(huán)水也是造成地面塌陷的重要因素，塌陷點鉆孔施工記錄顯示鉆探施工過程中存在鉆孔漏水現(xiàn)象，循環(huán)水不斷沖蝕粉砂層，將其帶入溶洞內(nèi)造成地面塌陷；鉆孔施工完畢后連通了地表和溶洞的通道，覆蓋層土體在降雨和農(nóng)田灌溉地表水作用下逐步流失，造成地面塌陷。即，在自然或人為情況下，動力水是塌陷形成的重要因素。

綜上所述，巖溶區(qū)地面塌陷這種地質災害在宏觀上受控于土體工程地質的基本因素。完全可以用土體工程地質的宏觀控制理論在勘察結果的基礎上，進行巖溶地面塌陷的風險評估和地質區(qū)劃工作。

根據(jù)總結的土體工程地質的宏觀控制要素，結合地貌單元劃分，確定表2中區(qū)劃所需的要素為:覆蓋地層結構、水文地質、巖溶形態(tài)和外部因素等，據(jù)此對項目區(qū)進行巖溶塌陷區(qū)劃。

表1 線路沿線地面塌陷統(tǒng)計表

表2 巖溶區(qū)地面塌陷風險評估區(qū)劃調查因素一覽表

6 結論與建議

本文以廣東省某高速公路地質勘察項目為依托，遵循地質控制論思想，依據(jù)范士凱勘察大師提出的土體工程地質宏觀控制理論，結合工程實際，按照把地貌單元、地層時代和地層組合及地下水作為巖溶塌陷地質災害的宏觀控制因素,通過地質調繪、鉆探,查明其空間界限和類型,并通過原位測試、室內(nèi)試驗等,構建巖溶塌陷的地質模型,然后針對各類工程地質和巖土工程問題做出評價結論和工程措施的工作方法，對巖溶地面塌陷成因和區(qū)劃要素進行了研究。

（1）土體工程中，地貌單元、地層時代、成因和地層組合及地下水是宏觀控制因素，技術路線需以此主要因素制定，并作為巖土工程普遍遵循的工作準則。

（2）巖溶地面塌陷是在特定的地貌單元、地層組合[種植土、粉質粘土+粉細砂（或者圓礫土）+開口形態(tài)溶洞]和地下水徑流條件下形成的不良地質，在區(qū)域范圍內(nèi)具有一定的規(guī)律性。可以地貌單元為基礎，參考其他地質條件進行進行工程地質區(qū)劃。

（3）在具體工程實踐中,不宜盲目地做一般性調查，需針對性地、重點對“地貌單元、地層時代、地層組合”等決定土體工程特性的宏觀上的5個方面因素進行研究,并結合工程特征，可快速準確抓住相關工程問題的主要矛盾，便于問題的解決。