鞍山市鐵西區(qū)巖溶地表塌陷形成條件及穩(wěn)定性評價

劉 帥

（遼寧省冶金地質(zhì)勘查研究院有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114038）

鞍山市區(qū)位于遼東山地與下遼河沖積平原的過渡帶上，大地構(gòu)造上屬東部斜坡帶，該區(qū)地勢總的特點南東高、北西低，由南東部剝蝕構(gòu)造低山丘陵向北西部沖積平原傾斜，標(biāo)高由500米以上，下降至10米～20米。隨著大規(guī)模的地下水資源開采，導(dǎo)致地表塌陷逐漸顯現(xiàn)[1]。加上枯水期來臨使得該區(qū)地下水位持續(xù)下降，地下水從有壓轉(zhuǎn)為無壓瞬間，出現(xiàn)“真空腔”，真空腔猶如吸盤一般抽吸著上覆巖體，頂板塌落出現(xiàn)塌陷，形成溶洞。為此主要介紹了該區(qū)域的空洞分布形態(tài)及穩(wěn)定性狀態(tài)，為該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理提供依據(jù)。

1 工程概況及地質(zhì)概況

研究區(qū)的原始地貌為山前平原地帶，地形平坦，經(jīng)人工改造，現(xiàn)地面標(biāo)高在30.29m～30.87m。表層巖性為第四系覆蓋層，厚度約為52.0m～55.0m，下伏基巖主要為下古生界寒武系的上寒武統(tǒng)地層，巖性主要為灰色厚層狀灰?guī)r夾黃綠色頁巖。厚度大于150m。區(qū)內(nèi)主要斷裂為北西330°走向的大石頭—宋三臺子斷裂及其分支斷層，在工作區(qū)穿過，在勘查區(qū)東側(cè)還有一些與大石頭斷裂斜交的北東走向的小斷層。

2 研究區(qū)見洞情況及水文地質(zhì)狀態(tài)

根據(jù)鉆探揭露和出現(xiàn)的位置結(jié)合物探工作獲得的資料分析本工作區(qū)的地下溶洞區(qū)按位置、埋深、性質(zhì)存在以下幾種形態(tài)分布。現(xiàn)分述如下：勘查區(qū)內(nèi)一處鉆孔見土洞，既ZK4號鉆孔，發(fā)育深度為52.00m，高為0.4m，洞內(nèi)無充填；根據(jù)鉆探資料推測其為下部易塌陷產(chǎn)生次生土洞。本次勘查結(jié)果顯示第四系與基巖接觸帶見洞率較高，僅一個鉆孔未見溶洞。埋藏深度為52.20m～69.9m標(biāo)高為-22.1至-39.4洞內(nèi)均無充填，平均水位46m左右。采空區(qū)高度大多小于其寬度，說明研究區(qū)的碳酸鹽巖中礦層基本是沿層面發(fā)育的。

3 地質(zhì)災(zāi)害的形成條件

（1）巖性特性。本地區(qū)上部覆蓋層為第四系粉質(zhì)粘土，厚度52.0m～55.0m，其下部部分含少量細(xì)沙，最大厚度為0.1m，下伏基巖主要為下古生界寒武系的上寒武統(tǒng)地層，礦物特性主要為灰色厚層狀灰?guī)r夾黃綠色頁巖，竹葉狀灰?guī)r夾鮞狀灰?guī)r。厚度大于150m。從勘查結(jié)果及收集資料來看，本區(qū)礦層較為簡單，縱向變化不大，巖性對巖溶去的分不影響較小。

（2）斷裂?？辈閰^(qū)內(nèi)主要斷裂為北西330°走向的大石頭—宋三臺子斷裂及其分支斷層，在工作區(qū)穿過，在勘查區(qū)東側(cè)還有一些與大石頭斷裂斜交的北東走向的小斷層。根據(jù)本次勘查物探工作查明本區(qū)內(nèi)有兩條構(gòu)造穿過。①F1斷裂，異常寬2m～6m，埋深約50m，走向為北西-南東，產(chǎn)狀近直立。②F2斷裂，異常寬4m～10m，走向為北西-南東，產(chǎn)狀近直立。溶洞均圍繞F1、F2發(fā)育。

4 地質(zhì)災(zāi)害影響因素

（1）水文地質(zhì)條件變化?？辈閰^(qū)位于鞍山市鐵西水源降落漏斗范圍內(nèi)，地下水活動強烈，升降頻繁，區(qū)內(nèi)有兩條次生構(gòu)造通過，當(dāng)大量抽取地下水時礦層中的充填物易被潛蝕、搬運而形成空間，使含礫石粘土層塌落，形成較大空間，進(jìn)而發(fā)展形成一連串的地質(zhì)災(zāi)害。

（2）地表荷載。通過現(xiàn)場初步勘查不難發(fā)現(xiàn)此處周圍建筑分布較復(fù)雜，涉及不同礦物質(zhì)發(fā)育區(qū)，其基礎(chǔ)形式亦不是端承樁，并未打到基巖面以下，對下部空洞的穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重隱患。

5 塌陷區(qū)的穩(wěn)定性初步評價

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》，溶洞頂板塌陷后，塌落體積增大，當(dāng)塌落至一定高度H時，空洞自行填滿，無需考慮對地基的影響，所需塌落的高度H按下式計算：

H0—塌落前洞體最大高度（m）；K—巖石松散（漲余）系數(shù)，石灰?guī)r取1.2，粘土1.5；

根據(jù)上式，將揭露的鉆孔分別進(jìn)行驗算，塌落高度H大于所揭露的空洞深度的處于不穩(wěn)定狀態(tài)，揭露的空洞深度在H—1.5H之間的處在較穩(wěn)定狀態(tài)，大于1.5H的為穩(wěn)定狀態(tài)。

從評價結(jié)果上看，由于巖溶發(fā)育深度相差不大，地基穩(wěn)定性與溶洞發(fā)育高度線性相關(guān)。

6 非穩(wěn)定區(qū)在有荷載情況下的評價

空區(qū)的穩(wěn)定性主要與上覆巖層的容重、內(nèi)摩擦角、上部建筑的靜荷載有關(guān)，穩(wěn)定深度的計算應(yīng)分為地基穩(wěn)定性和靜荷載兩部分。結(jié)合力學(xué)試驗成果分析進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，結(jié)果如下：

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》，當(dāng)建筑物已建在空區(qū)上部時，可按式（2）驗算地基的穩(wěn)定性

式中：H0為空區(qū)頂板的埋藏臨界深度，m；B為空區(qū)寬度，m。γ為頂板巖體容重，KN/m3。φ為內(nèi)摩擦角°。

P0為上部建筑物對應(yīng)地基的附加應(yīng)力，KPa。

根據(jù)計算結(jié)果，上述鉆孔第四系覆蓋層厚度小于H的有ZK1、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6、ZK7、SK25、SK26、SK27、SK28，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。從評價結(jié)果上看，空區(qū)的寬度及上部是否有荷載是影響地基穩(wěn)定性的主要因素。

7 結(jié)語

（1）對于上部存在厚層第四系覆蓋巖溶發(fā)育區(qū)應(yīng)先查明構(gòu)造發(fā)育情況及分布來確定物探工作的布置，同時查明該地區(qū)的地下水賦存條件。

（2）對于在巖溶發(fā)育區(qū)進(jìn)行建設(shè)規(guī)劃及勘查應(yīng)重點查明巖溶發(fā)育情況，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害勘查方法來查該區(qū)地質(zhì)條件。

（3）對于已存在的巖溶發(fā)育區(qū)應(yīng)盡早開展巖溶勘查工作，及時發(fā)現(xiàn)及時治理，消除地質(zhì)災(zāi)害隱患。