安義軍

(貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著人類工程活動規(guī)模的擴展及工程建設(shè)增加，巖溶塌陷事故頻繁發(fā)生，對人民的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。近年來某地巖溶事故不斷發(fā)生，造成較大直接經(jīng)濟損失，因此，針對該地進行勘查的主要目的就是獲取巖溶系統(tǒng)頂板組成物質(zhì)及厚度參數(shù)，并對地下巖溶空間的具體情況展開查探。在探查后，根據(jù)具體情況和參數(shù)劃分出容易遭受巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，在此基礎(chǔ)上提出有效的治理方式。

1 工程概況

該地位于貴州省鳳岡縣北部，其以東靠西臨永安鎮(zhèn)，北依正安縣，南接鳳岡綏陽鎮(zhèn)，距離鳳岡縣約40 km，處于洪渡河的右側(cè)岸邊，地勢低洼，河谷深切，由于地理位置獨特，被稱為“鳳崗北大門”。當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛惨郧治g或溶蝕型洼地、盆地為主，在地下水和地質(zhì)的共同作用下經(jīng)常會受到侵蝕、溶蝕作用的影響。隨著時間的推移和地理活動的發(fā)展，該集鎮(zhèn)地表及地下巖溶系統(tǒng)發(fā)育完善，因此地表結(jié)構(gòu)在下部沒有承受力，上部壓力大。在自身支撐力與上部壓力不平衡的情況下，易發(fā)生大面積塌陷，進而引發(fā)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害，見圖1。

圖1 巖溶塌陷形成機制示意圖Fig.1 Formation mechanism of karst collapse

根據(jù)該地實際情況，勘探工作主要對3處巖溶塌陷較嚴(yán)重的地區(qū)展開勘查，為更好地了解勘查情況，分別用A、B、C進行代稱，并研究相應(yīng)的解決方案。其中C區(qū)域為A與B區(qū)域的銜接之處。

2 該鄉(xiāng)集鎮(zhèn)巖溶塌陷勘查分析

2.1 勘查任務(wù)的開展

(1)探測工作開展的目的，就是了解巖溶塌陷的發(fā)育規(guī)律以及勘查區(qū)周邊的構(gòu)造、地層巖性等地質(zhì)環(huán)境條件，因此在勘查任務(wù)實施過程中，應(yīng)開展工程地質(zhì)測繪。

(2)為避免其他因素的干擾，在進行物理探測的過程中，應(yīng)盡量垂直于斷裂構(gòu)造、地層走向及巖溶發(fā)育方向，若是無法對其中的干擾進行規(guī)避時，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的抗干擾措施。該次工程會受到建筑物的影響，因此在探測過程中在垂直于推測巖溶主管道方向布置了3條物探線，在推測主巖溶管道走向方向上布置1條物探線，4條物探線總長度0.5 km，解譯長度0.5 km。

(3)由于該次勘查工作物探工程主要布置在A塌陷坑區(qū)域，為驗證物探異常，按照物探異常點20 %的比例在A塌陷坑處布置10個驗證鉆孔，而B和C區(qū)域布置物探工作限制性較大，主要通過鉆探工程了解地下巖溶的特征，同時也是根據(jù)治理工程的需要，查明主要治理區(qū)域的巖土體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)特征，在B塌陷坑和C位置布置鉆孔44個，另外為觀測勘查區(qū)地下水特征，特在勘查區(qū)外圍布置2個水文觀測孔，該次勘查共布置鉆孔56孔，總進尺1 280.5 m。此外，在該次治理區(qū)域外圍，為確定區(qū)域地下水動力特性，特布置了2個控制性水位觀測孔。

(4)為直觀了解巖溶系統(tǒng)巖土體工程地質(zhì)特性，同時為驗證部分鉆孔的準(zhǔn)確性，選擇主要鉆孔如巖溶深度控制鉆孔、發(fā)現(xiàn)較大巖溶孔洞鉆孔等進行井下電視測試，測井鉆孔28個，深度320 m。

2.2 勘查結(jié)論

(1)通過該次勘探工作可知勘查區(qū)水文地質(zhì)及地下水動力學(xué)特征：在A、B區(qū)域內(nèi)的地下水流向整體是至西向東，C區(qū)域地下水流向與項目可行性研究階段推測巖溶主管道走向及該次勘查實際查明巖溶主管道走向基本一致。

(2)通過對物體的鉆探可知，該次治理工程勘查區(qū)巖溶類型屬于覆蓋型淺成碳酸鹽巖巖溶，巖溶系統(tǒng)發(fā)育深度在20 m以內(nèi)。

(3)通過勘探工程可知，整體勘探區(qū)域內(nèi)的巖溶系統(tǒng)頂板為復(fù)合型頂板，即頂板物質(zhì)既有土質(zhì)成分也有隱覆基巖，不同區(qū)域土及隱覆基巖厚度及連續(xù)性差異較大，土質(zhì)與隱覆基巖的接觸界線起伏情況布局規(guī)律，但整個巖溶頂板的底部總體由西向東傾斜，巖溶系統(tǒng)頂板厚度在5.0～13.5 m范圍內(nèi)，至西向東厚度逐漸增大。

(4)在該次勘查中發(fā)現(xiàn)，該次工作區(qū)域內(nèi)的發(fā)育強烈地段地層中存在寒武系地質(zhì)變化的特征，因此該工作區(qū)域地質(zhì)地層為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群地層，其中最主要的巖石性質(zhì)為白云巖。地層下的巖溶系統(tǒng)的空間形態(tài)眾多，且規(guī)模比較大，由此可知，該區(qū)域內(nèi)發(fā)生巖溶塌陷的可能性及危險性較大。

(5)該次勘查區(qū)域內(nèi)的發(fā)育巖溶塌陷，C區(qū)域在2014年8月再次發(fā)生塌陷，經(jīng)勘探查明該位置地下不發(fā)育較大規(guī)模巖溶空間及主巖溶管道，A、B、C區(qū)域塌陷變形都是受主巖溶管道的分支管道影響控制。

3 該鄉(xiāng)集鎮(zhèn)巖溶塌陷治理分析

3.1 巖溶塌陷治理采取的工程方案

巖溶塌陷的治理應(yīng)根據(jù)勘探以及其地質(zhì)特征本身設(shè)計治理方案，并根據(jù)工程的布置，研究相應(yīng)的治理對策。根據(jù)勘探結(jié)果，該工程在進行治理過程中運用“覆蓋+回填+跨越”的方式模式開展工程：①對A區(qū)域進行治理，應(yīng)根據(jù)塌陷坑塌陷深度較小、巖溶頂板厚度相對較大、隱覆基巖頂板較為連續(xù)的特點，開展回填工作；②對B區(qū)域進行治理，應(yīng)根據(jù)塌陷坑深度大、巖溶頂板較薄、土質(zhì)頂板的特點，并且還要防范該空間發(fā)生塌陷的可能性展開治理，因此B區(qū)域的治理應(yīng)選用鋪蓋塌陷坑的方法；③對于C區(qū)域的治理需要考慮的特性比較多，例如，地面的物體和周邊環(huán)境、地表的支撐性、地下巖溶的空間高度以及水平規(guī)模尺寸等，因此，在根據(jù)勘探的結(jié)果以及此區(qū)域整體環(huán)境的考量下，為保障此區(qū)域的安全性，該地區(qū)選用跨越處置方式，同時，C區(qū)域所在的集鎮(zhèn)主要街道地段，也進行跨越處置。

3.2 巖溶塌陷治理工程

3.1.1 塌陷坑泄水工程

為促使塌陷坑中含有的地表水能下沉到地下巖溶空間中，在進行塌陷治理前應(yīng)開展塌陷坑底部泄水工程。為更好地處理塌陷坑中的水，該工程運用鉆機跟管鉆進在A、B塌陷坑底部設(shè)置孔徑為200 mm的垂直泄水孔，單個泄水孔孔深15 m，深度參數(shù)可以根據(jù)實際的工程情況和需要進行更改。鉆至設(shè)計位置或深度后，套管永久性留于鉆孔內(nèi)，孔口套管端頭焊接2 m長7孔梅花鋼管，孔徑200 mm。設(shè)計泄水孔相鄰孔距5 m，實際施工可根據(jù)塌陷坑底部地形起伏情況，選擇最優(yōu)的孔位，一般最佳地點為塌陷坑最低的位置。根據(jù)整體勘查情況，A、B區(qū)域最少需要設(shè)置21個泄水孔，并且跟管鉆孔總進尺315 m，梅花鋼管總長度42 m。

3.1.2 塌陷坑覆蓋工程

此工程在實際開展過程中一般應(yīng)用于B塌陷區(qū)域內(nèi)，屬于補救型治理措施。根據(jù)該地區(qū)的實際情況，該工程選擇運用“群樁+連接梁+蓋板”的形式開展治理，就是在塌陷坑最底部設(shè)置群樁基礎(chǔ)，基樁縱橫間距均為5 m，樁斷面為圓形，樁徑1.0 m，嵌入巖溶底板白云巖深度≥1 m，用C35混凝土灌注，為人工挖孔灌注樁。為保障治理工程的實效性，提升整體塌陷區(qū)域的安全系數(shù)，樁頂用C35鋼筋混凝土連接梁連接，斷面尺寸0.4 m×0.6 m(寬×高)，梁上蓋板厚度0.35 m，用C35混凝土澆筑。

在該工程中的群樁基礎(chǔ)運用的是人工挖孔灌注樁，開挖方式采用“跳一挖一”，在人工挖孔之前，應(yīng)對B塌陷坑底部的淤泥進行清理，然后開挖樁孔。每開挖1 m應(yīng)及時護臂，用3 mm厚鋼筒護臂，相鄰每節(jié)護壁應(yīng)用掛鉤連接牢固，遇到淤泥等軟質(zhì)土層，相鄰護壁須對縫焊接牢固，當(dāng)孔壁為較完整巖石時無須護壁。樁孔開挖過程應(yīng)特別注意施工安全，為避免孔內(nèi)塌陷造成施工人員墜落事故，孔內(nèi)操作人員應(yīng)與地面有牢固安全繩索連接。

3.1.3 塌陷坑回填工程

根據(jù)勘探的實際情況，在進行A塌陷區(qū)域治理時選擇運用補救性回填，回填材料為干砌毛石，回填面積1 110 m2，回填平均深度3.5 m，回填總方量3 885 m3，回填物表面鋪設(shè)C30混凝土，厚度0.3 m，主要工作量見表1。為保證地表水順利流入地下巖溶空間，澆筑混凝土?xí)r應(yīng)注意預(yù)留垂直泄水孔，孔徑50 mm，可采用鋼管或PVP管，縱橫間距均為2 m，平面上呈梅花形布置。

表1 塌陷回填工程設(shè)計主要工作量表Tab.1 Main work of collapse backfill engineering design

3.1.4 塌陷跨越工程

C區(qū)域?qū)儆谖窗l(fā)生坍塌事故的區(qū)域，但是根據(jù)其地質(zhì)特性可知，該地區(qū)發(fā)生坍塌事故后的危害性比較大，為提升此區(qū)域穩(wěn)定性，減小發(fā)生坍塌事故的概率，保障地面車輛、人員、設(shè)施的安全性，對于C區(qū)域內(nèi)的公路治理采用的是跨越方法，進而規(guī)避重大車輛事故或是人員傷亡的事故發(fā)生。跨越方案在實際運用過程中了選擇運用“基樁+連接梁+蓋板”治理巖溶坍塌，此種方案的運用需要對于最大汽車載重以及水平最大加速度進行考量，并結(jié)合壓荷載及結(jié)構(gòu)自重，如此方能提升區(qū)域內(nèi)坍塌事故的治理效果。

3.1.5 農(nóng)貿(mào)市場修復(fù)工程

位于B區(qū)域內(nèi)的農(nóng)貿(mào)市場在長期巖溶塌陷的影響以及時間的推移下，已經(jīng)發(fā)生形變，并且表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯破壞和開裂的痕跡，結(jié)構(gòu)也在常年的影響下發(fā)生損壞。例如，地面開裂、上部結(jié)構(gòu)歪斜等。在該工程中，為對此地區(qū)進行有效治理采用樁基礎(chǔ)代替原來的獨立柱基，用C30混凝土澆筑，樁孔開挖方式為人工挖孔樁，土質(zhì)孔壁須進行護臂，每開挖1 m及時護臂，C20混凝土護壁厚度不小于200 mm，內(nèi)用HPB300鋼筋做受力筋和連接筋。單根長度12 m，斷面為圓形，直徑1.0 m，樁間距10 m，共布置12根，單樁內(nèi)部縱筋為9根φ32HRB400螺紋鋼筋，箍筋為φ12HPB300@250圓鋼筋，混凝土保護層厚度50 mm。設(shè)計樁基持力層為高臺組地層泥質(zhì)白云巖，經(jīng)試驗地基承載力滿足要求。上部結(jié)構(gòu)擬采用鋼結(jié)構(gòu)，總面積750 m2，細部結(jié)構(gòu)設(shè)計由建筑專業(yè)部門提供，其修復(fù)的工作量見表2。

表2 農(nóng)貿(mào)市場修復(fù)工程設(shè)計主要工作量表Tab.2 Main work of restoration engineering design of the farmers’market

4 結(jié) 語

總而言之，由于貴州省處于巖溶地區(qū)的中心地帶，地下情況比較復(fù)雜，在長時間的地下水的侵襲下，地下環(huán)境容易出現(xiàn)空洞。該鄉(xiāng)集鎮(zhèn)區(qū)域位于烏江水系右岸，其受到的侵蝕作用更大，因此會不斷出現(xiàn)巖溶坍塌事故，威脅人們的生命和財產(chǎn)安全。為更好地治理該區(qū)域內(nèi)的坍塌事故，避免出現(xiàn)更大的事故，應(yīng)先運用勘探的方式知曉該地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)和狀況，為下一步的治理工作提供更具科學(xué)性、合理性的治理方案，進而提升整體巖溶塌陷治理效果，為人們的生命財產(chǎn)安全保駕護航。