巖溶塌陷危險性的預判及溶洞處理初探

陳 戰 雄

(廣州市縱橫集團有限公司，廣東 廣州 511458)

1 概述

在廣東省等沿海地區，可溶性巖石尤其灰巖分布較為普遍，灰巖巖體由于受構造改造及影響，巖體普遍發育節理、裂隙，為地下水的流動提供了良好通道，因此，伴隨節理、裂隙或斷層的發育，灰巖等可溶性巖類普遍發育不同規模的溶洞、溶槽、溶溝及溶蝕裂隙等，甚至形成地下河。在沖積平原區，以隱伏性巖溶為主，上覆土層普遍較厚，地下水普遍較豐富。上覆土層的分布往往使巖溶水具有一定的承壓性，因此，具有一定厚度的第四系覆蓋的巖溶發育區的地質環境較為脆弱，一旦其地下水發生改變，極易引起地面塌陷，危及周邊的生產、生活、建筑物或本身的建設工程。

在隱伏型巖溶發育區進行基礎工程施工時，由于施工較易改變地下水的現狀，從而觸發地面塌陷事故的現象較為普遍。如廣東肇慶大橋、江肇高速的西江特大橋、武廣高鐵跨廣佛高速公路、廣梧高速、廣清擴建、韶贛高速等項目在建設、施工過程中均出現大量的地面塌陷事故，另外，廣州的金沙洲、高明等地區的市政道路施工引起舊路面的塌陷事故，規模大小不一，引起周邊民房的開裂、路面的塌陷，直接影響周邊居民的生產、生活安全。

根據上述工程所處的地區的巖溶發育程度、地形地貌、地下水分布情況及工程地質條件等因素進行總結分析，發生地面塌陷事故的工點主要具有如下的特點：主要分布于沖積平原區，地下水較豐富，上覆第四系覆蓋層較厚且普遍分布有砂性土層，鉆孔揭露的溶洞見洞率較高，在工程施工時，均導致大量的地面塌陷事故。本文研究所依托的工程案例與上述工程所處的建設條件相似，根據工程類比法，筆者結合以往的工程實踐、前人的研究成果，通過本工程的勘察、設計、施工及管理過程中的體會、實踐進行歸納總結，以期能為后期工程實施提供可借鑒的經驗，降低工程施工的風險，更好地實現防范風險措施的經濟合理性平衡。

2 地面塌陷危險性預判

結合相關文獻[1]～[3]和工程實踐，在工程建設過程中發生地面塌陷事故的工程普遍具有如下3個基本建設條件：

1)從地貌上，工程所處的區域普遍為沖積平原、谷地、洼地或河流階地等，地下水普遍較豐富，流動性較好，這是觸發地面塌陷的活躍因素。

2)基底巖體普遍為灰巖、鈣質泥巖、砂巖或頁巖、芒硝、大理巖等可溶性巖石，節理裂隙普遍較發育，造成巖體地面起伏較大或巖體內分布溶洞，這是地面塌陷的客觀要素。

3)普遍為隱伏型溶蝕區，可溶性巖體之上普遍覆蓋一定厚度的第四系沖洪積層，這是發生地面塌陷的物質基礎。

當在具有上述3個基本建設條件的地區進行工程建設時，由于工程施工過程中揭露了相對封閉的巖溶水系統時，易引發地下水流向、流速及流量的改變，從而觸發地面塌陷。

普遍認為觸發地面塌陷的原因主要有如下三方面：

1)溶洞普遍為相對封閉的體系，體系內具有一定的承壓性，工程建設一旦揭露溶洞時，會導致地下水位急劇下降，空間上，原地下水分布范圍出現了低壓，瞬間誘導的能量對覆蓋層土體結構產生強烈擾動，從而導致地面塌陷。

2)在巖溶上覆含水層為飽和的砂性土層時，在施工的擾動下，地下水的流向發生突變或垂直方向滲透壓力迅速增大，土層會發生液化，水伴隨液化砂性土會瞬間流向溶腔中，從而觸發地面塌陷。

3)當巖溶上覆土層為飽和的軟粘土層或淤泥層時，由于地下水的迅速下降，導致上覆土層由具有浮力的總應力突然轉變為有效應力，導致地面的塌陷。

因此，在工程建設過程中出現的地面塌陷，往往與工程所處的地質環境密切相關，多數的地面塌陷均是從地下水的改變開始，如樁基施工時，先出現泥漿的突然流失，隨即發生地面塌陷。

鑒于地面塌陷往往危及周邊居民、重要構造物及工程建設自身的安全，一旦發生地面塌陷，普遍造成較大以上的安全事故，產生嚴重的損失，后期處理費用相應較大；而預防地面塌陷的費用與采取的溶洞預處理措施相對應，措施越強所需的費用越高，相應地，出現安全風險幾率就會降低，如何達到風險及投入費用的平衡，從工程勘察、設計階段加強對該區域可能觸發地面塌陷的風險進行評估，根據掌握的工程建設基本條件對觸發地面塌陷的事故的可能性進行預判，在工程設計時，針對不同的風險采取相應的處理措施，可合理控制工程造價，降低工程事故的風險。

3 工程實例[4，5]

3.1 概況

匯僑新城西區地下室基坑支護工程位于廣州市白云區新市棠樂路與佳園街交界處西北側。本項目擬建三棟13層～15層建筑，地下1層，筏板基礎采用樁基礎型式，設計相對標高±0.00相當于絕對標高+8.50 m，場地現地面絕對標高為+7.90 m～+8.10 m，基坑開挖相對標高為-5.90 m～-6.60 m，基坑深度為5.30 m～6.00 m，分11個區段支護，周長共304 m，基坑側壁安全等級為一級。擬建項目周邊建筑及路網密集，北側為同小區已建好住宅樓，距離本項目基坑開挖邊線6.0 m；東側為已建好規劃路及低層建筑，道路邊線及建筑離基坑邊線約分別為4.5 m，10.5 m；南側為已建好規劃路及低層建筑，道路邊線及建筑離基坑邊線約分別為10.0 m，15.5 m；西側為小區內道路及小學，道路及教學樓離基坑邊線分別為1.5 m，30.0 m。擬建基坑及塔樓平面圖詳見圖1。

3.2 水文地質條件

場區位于珠江三角洲沖積平原區，場區地面平坦，地下水豐富，勘察揭露的地下水埋深為4.47 m～5.21 m，平均4.80 m。第四系砂性土層及基巖巖溶為主要的賦水層，地下水豐富，砂性土層及巖溶水均連通性較好。地下水位的變化與地下水的賦存形式及排泄、補給方式關系密切，每年的4月～9月為本區的雨季，大氣降水豐富，水位抬升，而在冬季因降水減少地下水位隨之下降。根據水文地質資料，地下水位變化較大，穩定水位年變幅一般為2.0 m～3.0 m。

3.3 工程地質條件

人工填土：灰、灰白、灰黃色，主要由粘性土、碎石及混凝土塊、磚塊等組成，呈松散狀或稍經壓實狀。

粉質粘土：灰黃、灰白色，稍濕，可塑，以粘粒和粉粒為主，局部含較多粉細砂粒，切面較光滑，粘性好。

淤泥質粉質粘土：深灰、灰黑色，飽和，流塑，稍具臭味，局部不均勻夾薄層粉細砂。

中粗砂：淺灰、灰白，黃灰色，飽和，稍密，顆粒分選性一般，含較多粉細砂粒，少量粉粘粒。

礫砂：黃灰、灰白色，灰黃色，飽和，中密為主，局部密實，含少量粘粒。

粉質粘土：灰黃、褐紅、褐黃色，稍濕，可塑～硬塑，以粘、粉粒為主，粘性較好。

微風化灰巖：灰、灰白色，隱晶質結構，厚層狀構造，巖石風化裂隙稍發育，巖芯呈長柱狀，巖質較硬，敲聲較脆，不易擊碎，巖質總體較硬。

各巖土層分布的基本特征見圖2。

4 巖溶發育特征分析

根據基坑、塔樓地質資料分析，該區域的灰巖面起伏較大，普遍為2 m～8 m，局部達15 m，根據各鉆孔揭露情況的統計分析，鉆孔揭露溶洞發現率達50%，個別呈串珠狀，頂板普遍較薄，溶洞的垂直高度普遍達5 m～14 m溶洞普遍充填軟粘土或松散狀粉細砂，揭露土洞的發現率達30%，土洞上部普遍為礫砂層，土洞無充填物，垂直高度普遍達2.5 m～6.0 m，說明該區域的灰巖溶隙、溶槽發育，溶洞、土洞特別發育，溶洞強烈發育帶普遍位于灰巖的上部，與上覆土層連通性較好，局部砂性土流失已發展為土洞，說明上覆土層穩定性較差。

5 施工擾動導致地面塌陷危險性分析

鑒于該區地處三角洲沖積平原，地表水系發育，地下水豐富且埋藏淺，上部砂性土層分布廣泛且分布厚度較穩定，巖溶特別發育，溶槽及溶洞均發育于基底與上覆土層交界面附近，無論上層砂性土還是基巖巖溶均為地下水提供良好的連通通道，導致地下水連通性好，地表水補充充分，且具有一定的流動性。上覆砂性土普遍較厚，約占第四系沖積層總厚度的50%以上，且大部分位于下部，與灰巖巖面直接接觸，按上述地面易塌陷區域判斷條件，該區域若存在施工作業活動時，措施不當，將極易導致地面發生塌陷。

綜合施工場地周邊為運營的市政道路、管線、高層地下室、民房及學校，已建成的建筑物復雜，人員密集，一旦發生地面塌陷，極易引發安全事故，因此，預判該區域屬施工高風險區域，根據工程類比，該項目在進行基坑開挖及排水、樁基施工時，需對隱伏型巖溶采取較強的、針對性的預處理，防范觸發周邊的地面塌陷。

6 溶洞處理措施及對比分析

根據現階段工程建設領域工藝較成熟、應用較廣泛的溶洞處理措施，歸納起來主要有如下幾種：拋填法，止水帷幕，鋼護筒支護，預注漿處理或上述兩種、多種方法相結合的混合處理法等，但不同的措施所需投入的費用差異較大，預處理的效果應相應不同。因此，根據預判結果，對觸發地面塌陷的風險等級不同，采取相對應的措施既可降低事故發生的概率，又可節約投資成本。

根據溶洞的各種處理方法的特點及效果分析，各自均有其優勢，亦有相應的局限性。現將各種溶洞處理方法的優、缺點列表說明，以供同行借鑒，見表1。

表1 各種溶洞處理措施的優缺點對比分析表

7 本工程巖溶處理措施的應用及效果分析

針對本項目的溶洞處理問題，項目從勘察、設計及施工階段均作為重點問題開展研究，有針對性地對溶洞進行預處理設計和施工。

1)要重視勘察成果的準確性。

在勘察階段，有目的收集了周邊幾幢高層建筑的勘察成果、變更設計、事故原因分析及處理措施，并詳細分析研究，有針對性地開展勘察工作，確保勘察成果的可靠性及針對性，提高可能觸發地面塌陷事故預判的可靠性，這是基礎。根據勘察成果，掌握了場地的工程地質和水文地質條件復雜性，基巖為可溶性灰巖，單個溶洞體積大且連通性良好，基巖巖面起伏較大，鉆孔的見洞率高，反映場地所處的基巖溶蝕性強、巖溶極發育；場區處理三角洲平原區，地下水極豐富，流動性強；場區廣泛分布砂性土層，且分布巨厚，大部分與灰巖接觸，普遍發育較大的土洞，說明溶洞與上覆土層有連通。因此，經綜合分析，項目所處的區域具備了施工觸發地面塌陷的基本條件，屬極易塌陷區。

2)要重視對周邊環境的危害性。

該項目周邊密集分布有學校、高層建筑及居民樓、市政道路及設施，危害人群眾多；同時，亦危及施工階段自身的作業機械設備及人員，一旦發生地面塌陷，均有可能導致較大的安全事故，損失較大，社會影響較大。

3)要重視自身施工作業的特點及地面塌陷的危害范圍。

鑒于本項目主要為基坑工程、高層建筑，無論是基坑支護樁、高層建筑的樁基施工，還是基坑開挖過程中的抽水作業，均極易觸發地下水的流速、流量及方向，是導致地面塌陷的最活躍因素之一。鑒于各建筑物或本項目的施工作業人員、機械設備均處于地面塌陷的影響區域內。因此，該項目可預判為高風險區域。

4)要重視設計措施的針對性及經濟合理性。

鑒于項目所處區域屬極易塌陷區及高風險區，因此，在設計階段要重點考慮可靠的預處理措施，將施工觸發地面塌陷的風險降至最低。本工程巖溶處理主要考慮預處理措施為主，結合揭露的溶洞進行局部的個別處理；基坑止水與溶洞預處理相結合的方案，大幅度降低投資及提高溶洞預處理的可靠性。基坑支護方案采用外層止水帷幕+鉆(沖)孔樁懸臂支護方案，鉆(沖)孔灌注樁1 000 mm@1 200 mm，樁身混凝土標號為C30；止水帷幕采用φ800 mm@550 mm大直徑攪拌樁止水，局部砂層與灰巖接觸區段增加φ600 mm@1 200 mm旋噴樁樁間止水，具體設計斷面見圖3,塔樓筏板基礎采用鉆(沖)孔灌注樁，樁徑為1 000 mm。

為此，對基坑施工的工序作出如下規定：場地平整→止水樁施工→鉆(沖)孔灌注樁施工→基坑開挖到底,即在施工鉆孔灌注樁前，應先完成止水帷幕的施工，將施工區域與周邊建筑之間的砂性土層、地下水先進行阻隔，并對基坑壁附近的土洞、溶洞進行個別的預處理。

對于洞徑大于2 m的無填充、半填充溶洞，采用高壓預注混凝土或水泥砂漿進行預充填，再進行注水泥漿，洞徑小于2 m的無填充、半填充溶洞，則直接注水泥漿進行充填。

在上述基坑止水帷幕的φ800 mm@550 mm大直徑攪拌樁、基坑周壁的土洞、溶洞預處理施工全部完成后，再開展基坑支護的鉆(沖)孔灌注樁、基坑開挖及樓房的樁基的施工，隔斷基坑內外的地下水、砂性土，形成相對封閉的區域，防止基坑開挖及樁基施工觸發周邊的地面塌陷。

目前，三幢大樓已全部竣工，從實施效果來看，基坑的支護樁及大樓的基樁施工均未觸發基坑周邊的地面塌陷，監測結果表明周邊市政道路及管線未出現任何的變形，周邊已建成的基坑、小學及民房均未見結構開裂，未產生任何的破壞性爭議，說明溶洞處理方案對控制地面塌陷的措施得當。由于所有樁基的溶洞處理結合基坑的周邊止水措施一并考慮，與前期實施的周邊幾幢大樓進行經濟分析對比，本次實施的基坑及溶洞處治方案最節省投資，從本案例實施的效果來看，無疑為類似工程提供較成功的借鑒。

8 結語

總結大量的觸發地面塌陷的工程案例，結合其產生地面塌陷的地形地貌、地下水、上覆土層特征、巖溶發育程度等因素，在巖溶區進行工程建設過程中，對預測其發生地面塌陷的可能性，結合擬建工程的周邊環境、工程施工工藝特點等因素預測其施工風險。為擬定經濟合理的溶洞處理方案具有較強的指導意見，對施工越易觸發地面塌陷，對周邊環境越復雜，對施工風險越大的工程，所需采取的溶洞處理措施越強，投入溶洞處理的費用越高。

從本工程實施的條件分析，其所處的地形地貌、地下水、上覆土層特征、巖溶發育程度等基本建設條件，基坑開挖、抽水及樁基施工等施工作業均極易觸發地面塌陷，勘察設計階段預判為極易塌陷區域是合適的；項目所處的周邊環境復雜、影響的人群眾多，工程自身的人員及機械設備亦較多，地面塌陷的影響范圍較廣，因此，綜合預判為高風險區域是合理的。因此，設計階段采用基坑周邊的止水帷幕方案進行溶洞處理可有效降低施工風險，同時，結合基坑的止水方案可大幅度節省溶洞處理費用，從實施的效果來看，大樓樁基、基坑支護樁基施工均未觸發地面塌陷，未引起周邊建筑物的變形，均說明溶洞處理達到預期的效果和目的，同時亦節省總投資費用。

從該工程的實施效果來看，說明對地面塌陷的預判是很有必要的，為指導制定溶洞處理方案及節約投資提供依據，同時，亦為類似工程方案提供參考價值。