某地區巖溶地面塌陷機理及其防治措施

藍冰

（廣東省有色礦山地質災害防治中心，廣州510000）

1 工程概況

該研究區域位于廣東省某部，北、東、西3面為低山丘陵，中間為壟狀低山相間的平原，灰巖頂面上覆第四系土層，巖性主為砂性土和黏性土，形成水文地質復雜的隱伏巖溶地下水構造盆地。地下水賦存狀態主要以第四系孔隙水和巖溶水為主。20世紀50年代，該地區居民長期連續大量開采地下水，形成區域地下水位降落漏斗，而造成地面塌陷、地面沉降、地面裂縫、房屋開裂等環境地質問題。塌陷形狀以橢圓、圓形、蝶形為多見，塌陷坑地表直徑一般為1～5m，少量達5～7m，深一般為0.3～2.5m，少量可達3m。截至目前，該地區范圍內已調查統計產生塌陷300多處。

筆者在該區研究巖溶地面塌陷多年，在調查巖溶影響因素的基礎上，總結其發生機理，并提出預防措施和工作建議。

2 巖溶地面塌陷影響因素及機理

在巖溶地面坍塌現象的形成過程中，受到工程施工與地下水動力學的影響，內部結構受到破壞產生塌陷。巖溶地面塌陷具有突發性與隱蔽性，其主要是受力學機制與各類影響因素的制約，具體如下。

2.1 潛蝕作用

地下水的使用情況會影響實際水位的變動，水位變動會對周圍區域形成潛蝕作用，潛蝕隨著地下水流的流量與流速的增加而增強，可將其視為機械潛蝕效果。當地下巖土層的整體結構不足以支持上部區域時，就會造成塌陷問題。

2.2 真空吸蝕

真空吸蝕指的是當地下含水層為第四系時，內部承壓能力與巖層結構存在一定的關聯，而且在飲用水的抽取量不斷增加時，會導致地下水位的快速下降，使地下內部情況與整體結構會進一步產生變化。此外，當區域內的水文地質情況與含水層之間的飽和程度達到一定數值時，也會導致上部與下部之間的氣體隔絕能力降低，也就是說，當氣體隔絕能力與地下水的滲透能力逐漸降低時，地面下部的巖層結構會產生一定量的吸盤效果。在強有力的抽取力增加過程中，不僅會因為上部巖層與下部水層的結構產生變化，而且在頂板向下運動過程中也會產生一系列的剝落現象，逐漸使地面內部的塌陷情況愈加嚴重，從而使地下土體的結構形成大幅度變化。

2.3 荷載效應

地面坍塌過程中的荷載效應指的是巖層與地下水層之間的變化趨勢，可以將其劃分為內部荷載效應與外部荷載效應。其中，內部荷載是地下水對巖層造成的真空吸蝕與潛蝕作用共同達成的，這里需要在自身重力的協同作用下產生重力效應，從而會對內部整體結構產生影響，這樣在單一重力逐漸變為復合型的重力效應時，就會對整個地下土層結構造成破壞。而外部荷載的增加，使地面整體處于超負荷的狀況，這種原因造成的塌陷類型多為桶狀塌陷，這也是施工區域及周圍產生塌陷情況的主要原因。

2.4 滲壓效應

滲壓效應指的是在降雨過程中，地表積水在入滲補給地下水時，對蓋層土體產生的一種綜合作用。該種效應是降雨誘發巖溶塌陷的主要力學機制。由于每種機理在具體的塌陷產生過程中，都會產生不同的影響效果。因此，需要針對形成原因進行深入分析，這樣才能準確判定滲壓效應的形成機制。

地面塌陷情況中的滲壓效應主要與施工過程中的降水情況存在關聯，由于降雨量會影響地下水水位，進而對蓋層土體產生動力效應，最終成為導致地面塌陷的主要因素。

3 巖溶地面塌陷防治措施

總結多數工程建設實踐中巖溶塌陷的防治策略，并且圍繞該地區的巖溶塌陷機理制定防止措施，可以在以下幾個方面加強管理和實施治理。

3.1 地下水采集控制

針對工程項目區域中的地下水采集量進行嚴格控制，并且根據地下巖層與含水層之間的關系進行綜合分析，初步確認可能構成地面塌陷問題的機理與隱患，以此為基礎制定相應的防治措施。此外，需要對巖溶地下水的水位情況進行控制，保證地下水的水位線始終與巖層施工前的水位線一致，這樣才能有效避免地下巖溶層的整體結構，通過控制巖溶層的結構變化趨勢來避免巖溶塌陷危害[1]。

根據研究區域的工業布局、生產發展方向，對地下巖溶水的開采和利用方案進行科學論證，在此基礎上節制抽水、節約用水。此外，可以管道引取周圍河流至西部工業區，擴大城市西部和郊區用水的來源，最好在旱季和雨季交替的兩三個月能設立一個禁采期，從而使地下水開采保持在相對穩定的水平，以此減緩巖溶發育，減少巖溶災害的發生。

3.2 “被動避讓”處理

在規劃和工程項目設計環節，盡量避免與嚴重塌陷區產生交集，以此來避免施工中的巖溶層塌陷事件。這樣雖然無法對地質塌陷問題進行有效防治，但是卻能夠降低地質塌陷問題產生時所附帶的經濟損失與人員傷亡[2]。

3.3 加強監測預警

如果無法避讓處理，則需要在施工中進行嚴格監測，同時在工程中可以采用鉆孔注漿技術來對地基結構進行加固處理，這樣能夠在一定程度上起到防沉降效果[3]。

在施工過程中需要針對地質情況與巖溶塌陷情況實施監測，通過長期、連續的監測地面，針對建筑物的變形與監測點的變化情況進行統計分析，還要根據水量的變化以及地下洞穴的發展情況進行整理分析，對機井涌砂、水量驟增、水質變壞、水面冒泡、植物變態、建筑物傾斜、地面環狀開裂、地聲等異常現象應進行加密監測和觀察。這樣在發現以上情況時，能夠結合實際效果與數據展開分析，從而找到原因，并且及時做出預測。

3.4 工程措施防治

在查明巖溶發育分布狀況、巖土蓋層性質、塌陷區分布及可能存在的地質危害的情況下，施工時可以采取科學合理的措施進行充填，增加其整體結構的穩定程度。例如，研究區域的塌陷都發生在工程項目施工區域兩側，因此，可以有條件地選擇易塌區進行邊坡防護作業，對路基進行加固處理；同時，可用高壓注漿法將含有膠脂、瀝青、水泥或黏土漿等的強化水泥漿沿巖溶上方鉆孔灌入巖溶。這樣不僅可以改善巖溶的應力平衡狀態，又可使巖溶頂板受到含有膠脂、瀝青的水泥漿的保護，阻止頂板進一步變薄，保持相應的承載能力。

3.5 強化基礎調查

強化基礎工作，做好前期工程地質、水文地質、環境地質調查和實施1∶10 000地質災害詳細調查等工作，根據巖溶塌陷現象的影響因素，對巖溶塌陷區域進行評價，對巖溶塌陷進行危險性分區，按不同分區采用對應預防措施。

4 結語

總之，巖溶塌陷具有突發性和隱蔽性特點，其發生機理復雜，更多的是與地下水相關，預測比較難做到，前期基礎調查對巖溶塌陷預防至關重要。同時，開展巖溶塌陷數據庫建設應作為下一步預防監測預警的重要工作內容之一。