廣西巖溶區線性工程巖溶塌陷問題研究綜述

韋 紅 莫華林 呂尚凡 黃飄勁

廣西巖溶區線性工程巖溶塌陷問題研究綜述

韋 紅 莫華林 呂尚凡 黃飄勁

（廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院有限責任公司，廣西 南寧 530023）

廣西巖溶區線性工程不良地質問題研究以公路線性工程為主，采用傳統的地質測繪、鉆探結合地球物理方法進行巖溶探測，獲得巖溶地質基礎數據，主要通過專家評分法、層次分析法對巖溶塌陷風險進行評價。在今后的工程建設項目中，可以嘗試引進先進的遙感技術進行巖溶探測，并建立更適用于研究區和工程類型的評價模型。

巖溶地區；線性工程；不良工程地質；巖溶塌陷

引言

線性工程是國民經濟和社會發展的重要基礎設施，加快線性工程建設對促進政治、文化、經濟、軍事等領域的發展具有十分重要的意義[1]。線性工程指的是呈線狀或條帶狀分布的綜合性廊道式工程。與變電站、水利樞紐等點狀工程相比，線性工程一般具有線路長、地質條件復雜（跨越多個地貌和區域地質構造單元）、工程專業性強、周期長的特點[2]。線性工程以自然地面為界可分為地上線性工程和地下線性工程；就地質條件因素而論可以分為山區線性工程、城市線性工程、海洋線性工程；根據其在社會生活和生產中所起的作用可以分為水利線性工程、交通線性工程、電力線性工程、能源線性工程、城市線性工程；根據埋深又可分為淺埋線性工程、深埋線性工程。

巖溶是指可溶性巖石（如灰巖、白云巖等）在地下水的長期作用下，導致地層中出現溶洞、溶溝或溶槽等的地質現象。我國地質條件復雜多樣，巖溶面積約占國土面積的1/3[3]，受沉積、構造、水文等多種地質因素的影響，具有多樣性、異質性、區域性和不可預測性的特點[4-5]。這些巖溶特性給工程的建設帶來了巨大的挑戰。

近年來，隨著基礎建設工程的快速發展，由于巖溶區線性工程不良地質問題引發的安全事故屢見不鮮，尤其是跨越多個地貌單元的線性工程受巖溶發育的危害十分嚴重。因此，本文對巖溶區線性工程不良地質問題開展系統研究，對今后巖溶區工程的建設具有重要的指導意義；著重對廣西巖溶區線性工程地質研究所取得的一些成果進行歸納和總結，旨在為巖溶區后續相關工程建設提供參考。

1 巖溶區分布

廣西是中國西南部主要巖溶發育區之一，巖溶區分布面積廣泛，達9.87萬平方千米，約占廣西總面積的41%，可大致分為3個巖溶地貌單元，即巖溶峰叢洼地區、巖溶峰林平原區、非巖溶區[6]。巖溶峰叢洼地區形成與喜山運動密切相關，以峰林高聳為主要特征，為裸露型巖溶發育區；巖溶峰林平原區發育與地表流水作用強烈有關，以純灰巖廣泛分布為特征，為裸露型和覆蓋型巖溶發育區；非巖溶區的巖溶發育深化，被剝蝕為平原地貌，分布少量峰林或峰簇，主要為覆蓋型和埋藏型巖溶發育區[3, 6-8]。

2 廣西巖溶區線性工程不良地質問題

在巖溶地區建設線性工程需穿越多種類型巖溶發育區，因此主要工程地質問題也存在異同。本文以中國知網（CNKI）中收錄的期刊作為數據庫，以“廣西”“巖溶”“工程地質”為主題詞，檢索時間截至2022年12月24日，共檢索到425條數據。筆者對檢索到的資料進行整理統計后發現，廣西巖溶區線性工程地質研究主要針對巖溶發育區，以交通工程為主，主要為公路和地鐵工程，采用地質測繪、鉆探和地球物理手段獲取工程區地質資料，存在的工程地質問題包括巖溶塌陷、不均勻沉降、隧洞坍塌、涌水突泥和穩定性（見圖1）。其中巖溶塌陷問題占比最高，達54%；其次是穩定性和隧洞坍塌問題，各占15%。廣西巖溶區線性工程及其概況如表1所示。由表1可知，巖溶塌陷是廣西巖溶區線性工程重點考慮的不良工程地質問題。下文就巖溶塌陷成因、影響因素、巖溶探測方法和風險評估研究現狀進行總結，為今后廣西巖溶區線性工程建設提供參考。

圖1 廣西巖溶區線性工程不良地質問題

表1 廣西巖溶區線性工程及其概況

注：—表示未探測。

3 巖溶塌陷問題研究

巖溶塌陷是指溶洞上方的覆蓋層、基巖在自然條件變化或人類活動影響下發生的覆蓋土層塌陷、巖溶基巖塌陷或覆蓋層與基巖一起坍塌的不良地質現象[22-23]，是工程地質中常見的不良地質問題之一。由于巖溶區溶洞發育具有異質性，溶洞頂板厚薄不一，容易被地震、洪水、干旱、修建工程、開采地下水或礦產資源等自然的或人為的外力作用破壞，從而發生巖溶塌陷，并造成巨大的生命財產損失[5]。巖溶塌陷具有突發性、隱蔽性和規模性的特點。其中，突發性體現在發生時間難以預測；隱蔽性體現在發生征兆難以察覺；規模性體現在可引發多種次生災害，如滑坡、泥石流、鄰近區域巖溶塌陷等。

迄今為止，國內外學者對巖溶塌陷模式、影響因素、探測方法和風險評估等方面開展了大量研究。

3.1 塌陷模式

研究巖溶塌陷的成因可以更好地預測和控制巖溶塌陷的發育趨勢，以最大限度地減少和控制巖溶塌陷對地質環境和建筑物的危害。康彥仁[24]通過總結國內800多個巖溶塌陷點案例后認為，有8種基本的巖溶致塌模式。HE K Q等[25]研究認為滲壓效應也是引起巖溶塌陷的一種機制（見表2）。一般情況下巖溶塌陷由兩種以上基本致塌模式共同作用所導致，如棗莊市巖溶塌陷是潛蝕模式、真空吸蝕模式和滲壓效應共同作用的結果[25]。廣西某地巖溶塌陷模式為潛蝕—真空吸蝕—重力致塌模式和滲壓（軟化）—重力—真空吸蝕兩種模式[26]。國內學者研究認為覆蓋型巖溶區發生巖溶塌陷需同時具備以下3個條件：（1）基巖面附近發育有溶洞、溶溝、溶槽；（2）靠近基巖面的土層為軟塑、流塑黏性土或松散的砂礫石層；（3）基巖面附近地下水位上下波動，地下水對巖土層的側向和垂向有侵蝕作用[15,27]。

表2 巖溶塌陷模式

3.2 影響因素

巖溶塌陷的發育是由多種自然和人為因素共同作用形成的。研究巖溶塌陷的影響因素可為巖溶塌陷的防治和地質環境保護提供技術支持。

影響巖溶塌陷的因素大致可分為巖性因素、地質構造因素和人為因素。巖性因素主要包括巖石的組成、結構、物理性質、化學性質和溶蝕性等。巖石的溶蝕性越大，巖溶塌陷的發育程度就越高。地質構造因素主要包括構造斷裂、構造抬升、構造壓力等。巖溶發育程度與構造斷裂帶的發育息息相關。構造抬升和構造壓力不僅可以影響巖溶塌陷的發育程度，還可以改變發育方向。人為因素包括長期的采礦開挖、開采地下水、工程建設等，這些人類活動破壞了巖溶地下的支撐結構，導致巖土體穩定性下降[28]。這些因素的共同作用影響巖溶塌陷的發育程度和方向，并可能導致不同程度的破壞。此外，它們具有模糊性和隨機性的特點，這增加了巖溶塌陷預測和風險評價的難度。

3.3 探測方法

近年來，隨著科學技術的進步，巖溶塌陷的探測方法也在持續豐富和完善，并取得了許多積極成果。地質測繪、鉆探技術、地球物理方法、遙感技術是常用的巖溶探測方法。

地質測繪是探測巖溶的基礎工作，通過對巖溶區域的地質構造進行調查，獲取巖溶的深度、位置及破壞特征等地質背景和特征信息，可以對巖溶的發育狀況、活動狀況等進行分析研究。

鉆探技術指的是在巖溶區域進行鉆探，獲取巖溶的深度、位置及破壞特征等信息。鉆探巖芯可提供巖溶的巖性、結構等信息。目前，主要是采用深度孔探測技術。但是，由于深孔探測技術有一定的時間和空間限制，因此不能獲取全面的巖溶信息，無法完全反映巖溶的發育狀況。

常用的地球物理巖溶探測方法有地震勘探法[29-30]、（超）高密度電阻率法[31-32]、地質雷達[33-34]、瞬變電磁法[35]、電磁波CT法[36-38]、可控源音頻大地電磁法[39]等。地球物理探測方法通過對巖溶區域的地球物理參數進行探測，分析其參數變化特征，獲取巖溶空間分布信息，具有技術多樣、高效、易推廣等優勢。然而，該方法也存在一些問題，例如在復雜地質環境下的探測難度較大、探測精度和準確性不高等。此外，地球物理探測方法也應該進行環境安全性和成本效益的評估，還應該考慮到該方法在不同地區和地質環境中的適用性差異。地球物理探測方法在未來具有廣闊的發展和應用前景，應該繼續加強研究，提高探測精度和準確性，為今后巖溶塌陷的防治和管理提供更有效的支持。

遙感技術的進步，使從空中探測地面巖溶成為可能。采用地基遙感技術可以快速獲取巖溶的三維信息，運用航空和空間遙感可以獲得高分辨率圖像，從而獲取巖溶的形態特征、構造特征等信息，為研究巖溶塌陷的活動狀況、發展趨勢等提供數據支撐。遙感技術方法具有精度高和分辨率高的優點。但是其應用成本較高，目前在巖溶探測的應用主要集中在地質災害調查[40-42]，未看到應用于基礎工程建設項目中的報道。

由表1可知，地質測繪、鉆探結合地球物理方法是廣西線性工程常用的巖溶探測方法。地質測繪、鉆探和地球物理方法主要對巖溶的空間位置進行探測，遙感技術較前三者的優勢在于不僅能探測巖溶的空間位置，還能監測其時間變化特征。因此未來隨著遙感技術的發展，探測成本將進一步降低，廣西巖溶區建設工程項目可嘗試采用遙感技術探測和監測巖溶塌陷的時間變化以及空間分布規律和特征。

3.4 風險評估

此外，巖溶塌陷風險評估是巖溶塌陷研究的熱點之一。巖溶塌陷風險評估是一個系統工程，指的是對巖溶塌陷發生的可能性和可能對人類和自然造成的影響進行系統研究和評估的過程，包括風險識別、風險分析評價。風險識別是指依靠基礎數據資料識別可能導致巖溶塌陷的因素，比如地質構造、地下水位變化、洞穴腐蝕等，以及可能受到巖溶塌陷影響的目標，比如建筑物、植被、水體等。風險分析評價是一種用來評估巖溶塌陷發生的可能性和可能造成的損失的研究方法。此外，還可以利用模型來模擬可能發生的塌陷情況，并幫助識別可行的減災措施。

巖溶區常用的巖溶塌陷風險分析評價方法有專家評分法、有利函數法、改進可拓評價法[43]、地理加權回歸法、證據權重分析模型[44]、模糊評價模型[45-46]等。何高峰等[18]選取了巖溶發育程度、水文地質條件、地質構造條件、覆蓋層條件、人類工程活動5個評價指標，利用層次分析法和模糊綜合評判法對南寧地鐵2號線工程（石子塘站及石子塘站—大沙田站區間）巖溶塌陷危險性進行分區評價；薛忠真[15]利用專家評分法和層次分析法確定了南寧地鐵4號線工程區巖組特征、巖溶形態特征、地質構造特征等指標的相對重要性，并建立了巖溶發育強度二級模糊綜合評價模型，計算結果表明，專家評分法比層次分析法更適用于該區巖溶發育強度評價。但是，專家評分法和層次分析法更依賴于專家和相關專業人員的工程經驗，具有一定的主觀性，而且甚少考慮巖溶塌陷的外部擾動因素（如隧道埋深、地下水動力條件、隧道開挖引起的地下水位變化等）[43]。付宇[23]認為，由于各種評價方法都存在一定的缺陷，并非完全適用，因此在進行巖溶塌陷風險分析評價時，不應照搬其他巖溶區的分析評價模型，而應根據研究區的實際情況，以及附近已有的巖溶塌陷作為參考，建立更適用于研究區的模型。

4 結束語

本文通過文獻調研，對在廣西巖溶區線性工程建設中遇到的不良工程地質問題進行了分析，對最主要的巖溶塌陷問題的研究成果進行了總結，得出以下結論。

（1）廣西巖溶區線性工程研究以交通線性工程為主，主要為公路和地鐵工程。

（2）廣西巖溶區公路和地鐵建設工程重點關注和研究的是巖溶塌陷問題，雖然在巖溶區水利、電力、管網等線性工程的勘察報告中均需要對巖溶塌陷、穩定性、涌水突泥等不良工程地質問題進行評價，但是對這些問題的深入研究較為缺乏。

（3）廣西巖溶區線性工程采用傳統的地質測繪、鉆探結合地球物理的方法探測巖溶空間分布特征，未來在大型工程建設項目中可嘗試引進遙感技術，分析和研究巖溶塌陷形成的時間變化規律。

（4）廣西巖溶區線性工程巖溶塌陷主要根據相關規范進行評價，常用專家評分法和層次分析法建立評價模型，但是這些模型對專業技術人員的依賴性較強，具有主觀性。今后的巖溶塌陷風險評價分析應在已有評價模型的基礎上，綜合考慮區域特色地質條件和工程因素，建立更適用的區域評價模型。

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Study on Karst Collapse of Linear Engineering in Karst Areas of Guangxi

The research on unfavorable geological problems of linear engineering in Guangxi Karst areas is mainly based on highway linear engineering. Traditional geological surveying and mapping, drilling combined with geophysical methods are used to detect Karst and obtain basic data of Karst geology. The risk of Karst collapse is mainly evaluated through expert scoring and analytic hierarchy process. In future engineering construction projects, advanced remote sensing technology can be introduced for Karst exploration and an evaluation model more suitable for the research area and engineering type can be established.

Karst areas; linear engineering; adverse engineering geology; Karst collapse

P642

A

1008-1151(2023)11-0044-05

2023-02-21

韋紅（1987－），女（壯族），廣西河池人，廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院有限責任公司工程師，研究方向為工程地質勘察。