韶贛高速公路韶關(guān)東服務(wù)區(qū)地面沉陷機理研究

摘 要：巖溶塌陷是嚴重的地質(zhì)災害，具有突發(fā)性，但查明巖溶塌陷的機理有助于提前治理，預防塌陷產(chǎn)生。本文以韶關(guān)東服務(wù)區(qū)地面沉陷為例，采用跨孔電磁波CT、鉆探等綜合勘察手段，詳細查明了場區(qū)地質(zhì)條件，分析沉陷機理并提出治理措施。

關(guān)鍵詞：巖溶塌陷;地面沉陷;跨孔電磁波CT;鉆探

隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，規(guī)模越來越大，在長期運營中，受到長期不良地質(zhì)現(xiàn)象的影響，特別是巖溶路基，在行車荷載及長期地下水作用的影響下，巖溶進一步發(fā)育，產(chǎn)生地面沉陷，甚至是路基塌陷等現(xiàn)象。路基的穩(wěn)定性對高速公路的運營安全影響很大，路基一旦產(chǎn)生地面沉陷，若沒有及時發(fā)現(xiàn)并治理，將會很快發(fā)展呈地面塌陷的災害。

本文基于廣東省韶贛高速韶關(guān)東服務(wù)區(qū)地面沉陷的勘察，發(fā)現(xiàn)鉆孔漏水嚴重，而地震波CT法需要孔液耦合，無水的情況下無法進行，經(jīng)與設(shè)計方溝通后，改為不需孔液耦合的跨孔電磁波CT。

一、工程概況

韶贛高速韶關(guān)東服務(wù)區(qū)加水站南側(cè)靠近加油站一側(cè)的服務(wù)區(qū)停車場，在營運過程中，于2015年5～6月份靠近綠化帶一冊的服務(wù)區(qū)發(fā)生一次巖溶塌陷，塌陷范圍大約23*7.4m，塌陷最大深度約5m。2018年6月份發(fā)現(xiàn)在原塌陷區(qū)相鄰的綠化帶出現(xiàn)地面沉陷現(xiàn)象，沉陷范圍約3*9 m2。該地質(zhì)病害的產(chǎn)生，已對路基安全造成了危害，對行車安全形成了較大安全隱患。因此進行了專項地面沉陷勘察，以查明沉陷區(qū)地質(zhì)情況，為處治、施工提供依據(jù)。

二、地質(zhì)概況

沉陷區(qū)域位于低緩丘陵地貌區(qū)，現(xiàn)為韶關(guān)東服務(wù)區(qū)及匝道平整地，地面標高約95m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本沉陷所在區(qū)域未見大型斷裂構(gòu)造形跡，屬穩(wěn)定地塊。根據(jù)鉆孔成果，場區(qū)主要覆蓋層主要為素填土、坡殘積粉質(zhì)粘土，基底主要由泥盆系錫礦山組灰?guī)r及其風化層組成4、水文地質(zhì)條件區(qū)內(nèi)地下水類型為第四系松散層潛水、巖溶裂隙水及巖溶水，松散層潛水主要分布在殘積粉質(zhì)粘土中，賦水量貧乏;巖溶裂隙水主要分布在錫礦山組灰?guī)r裂隙中，賦水量較少;巖溶水分布在溶洞中，賦水量分布不均。地下水受大氣降雨補給，以側(cè)向徑流向巖溶通道排泄。

場區(qū)地下水埋藏較深，外業(yè)勘察期間，未能測得地下水位。此外，鉆孔過程中鉆進至土洞、巖面、或空洞等處時，即開始漏水不返水（如：ZK1孔深15.0m處、ZK2孔深15.2m處、ZK3孔深11.8m處、ZK4孔深10.7m處）。

場區(qū)發(fā)育的不良地質(zhì)現(xiàn)象為巖溶，該區(qū)下伏灰?guī)r，巖溶發(fā)育，遇洞率75%。根據(jù)鉆孔揭露，巖溶埋藏深度不一，規(guī)模大小不一，埋深11.8～22.3m，洞高0.3～6.4m，個別孔區(qū)溶洞層數(shù)達2層，多為由軟～可塑狀粉質(zhì)粘土全充填，個別為空洞。其分布范圍、規(guī)模及特征詳見下表1。

三、物探方法及分析解釋

（一）工作方法

本次電磁波CT探測采用一孔發(fā)射另一孔接收的觀測方式，觀測系統(tǒng)為定點、全掃描觀測系統(tǒng)，測量點距為1.0m。[1]測量采用掃頻方式，天線長度2.5m，根據(jù)試驗選擇頻率4MHz、8MHz、12MHz、16MHz天線采集數(shù)據(jù)。

（二）分析解釋

本次資料分析和解釋過程中，地質(zhì)與物探進行了充分的結(jié)合，將物探 CT 圖像與地質(zhì)剖面合二為一，形成物探CT地質(zhì)剖面成果圖。遵循“電磁波CT視吸收系數(shù)愈小、巖土體性狀愈好，反之愈差。”[2]的規(guī)律，對物探 CT成果圖進行分析、解釋，確定物探CT 地質(zhì)剖面中的異常。

1、L1剖面（ZK1-ZK2）：

①巖土分層：

從圖1上總體來看，上部介質(zhì)為冷色調(diào)（藍色和綠色），而下部介質(zhì)為暖色調(diào)（紅色和黃色），反映出上部介質(zhì)吸收系數(shù)大而下部介質(zhì)吸收系數(shù)小。[3]具體巖土的劃分以吸收系數(shù)2.0dB/m為界，大于2.0dB/m的介質(zhì)基本為土層的反映，而小于2.0dB/m的介質(zhì)基本為灰?guī)r的反映。巖土分界的劃分結(jié)合鉆探揭露情況，即從已知邊界條件出發(fā)，來作具體分界線的勾勒。

②異常劃分：

巖溶發(fā)育區(qū)：在巖土分層的基礎(chǔ)上，在劃分出的灰?guī)r區(qū)域內(nèi)，即在視吸收系數(shù)小于2.0dB/m的背景值中，尋找視吸收系數(shù)較大的區(qū)域，原則上大于等于2.5dB/m的區(qū)域定為巖溶發(fā)育區(qū)。經(jīng)與鉆探揭露情況比對，推斷的巖溶發(fā)育區(qū)與鉆探探明的溶洞相吻合。

③沉陷異常區(qū)：

在巖土分層的基礎(chǔ)上，在劃分出的巖土分界面附近，尋找視吸收系數(shù)較大并呈漏斗狀的下凹異常區(qū)帶。如圖1所示：兩條帶箭頭的紅線所夾區(qū)域為“呈漏斗狀的下凹異常區(qū)帶”，從數(shù)值、形態(tài)和與下部“巖溶發(fā)育區(qū)”的空間關(guān)系來看，此區(qū)域判斷為“沉陷異常區(qū)”。

2、L2剖面（ZK3-ZK4）：

①巖土分層：

從圖2上總體來看，上部介質(zhì)為冷色調(diào)（藍色和綠色），而下部介質(zhì)為暖色調(diào)（紅色和黃色），反映出上部介質(zhì)吸收系數(shù)大而下部介質(zhì)吸收系數(shù)小。具體巖土的劃分以吸收系數(shù)2.0dB/m為界，大于2.0dB/m的介質(zhì)基本為土層的反映，而小于2.0dB/m的介質(zhì)基本為灰?guī)r的反映。巖土分界的劃分結(jié)合鉆探揭露情況，即從已知邊界條件出發(fā)，來作具體分界線的勾勒。

②異常劃分：

巖溶發(fā)育區(qū)：在巖土分層的基礎(chǔ)上，在劃分出的灰?guī)r區(qū)域內(nèi)，即在視吸收系數(shù)小于2.0dB/m的背景值中，尋找視吸收系數(shù)較大的區(qū)域，原則上大于等于2.5dB/m的區(qū)域定為巖溶發(fā)育區(qū)。經(jīng)與鉆探揭露情況比對，推斷的巖溶發(fā)育區(qū)與鉆探探明的溶洞相吻合。

③沉陷異常區(qū)：

在巖土分層的基礎(chǔ)上，在劃分出的巖土分界面附近，尋找視吸收系數(shù)較大并呈漏斗狀的下凹異常區(qū)帶。如圖2所示：兩條帶箭頭的紅線所夾區(qū)域為“呈漏斗狀的下凹異常區(qū)帶”，從數(shù)值、形態(tài)和與下部“巖溶發(fā)育區(qū)”的空間關(guān)系來看，此區(qū)域判斷為“沉陷異常區(qū)”。

四、沉陷的基本特征

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查、物探及鉆探成果綜合分析，勘察場區(qū)2015年發(fā)生過一次地面塌陷，混凝土填充后，基本穩(wěn)定，現(xiàn)階段存在一小型地面沉陷。沉陷邊界的判定主要以地面開裂、沉陷變形特征為依據(jù)，圈定的平面形態(tài)詳見平面圖。本沉陷平面形態(tài)整體呈近橢圓狀，呈中間深周邊淺，總體往西南方向發(fā)展，最深位于綠化帶處。

五、沉陷形成機制分析

（一）沉陷影響因素分析評價

1、地層巖性

沉陷區(qū)屬巖溶地區(qū)，巖溶極發(fā)育。路基以下殘積土層，厚度較厚10.5～19.4m;下伏灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕裂隙、溶洞發(fā)育，洞高0.3～6.4m，軟～可塑狀粉質(zhì)粘性土充填或空洞，溶洞遇洞率75%。沉陷區(qū)的基巖面呈溝槽狀。

2、人類工程活動

服務(wù)區(qū)施工時及通車后，巖土體受到工程機械震動、行車荷載的作用，會使得原狀巖土體受到擾動，原狀結(jié)構(gòu)局部會受到破壞。

（二）沉陷形成機理分析

沉陷區(qū)的形成，是由上一次土洞塌陷、淺層巖溶（溶洞）、行車震動、荷載等綜合作用的結(jié)果。

沉陷區(qū)2015年曾發(fā)生一次塌陷，經(jīng)混凝土填充后，未再發(fā)生塌陷現(xiàn)象，而僅僅是地表局部發(fā)生裂縫，綠化帶一帶出現(xiàn)較明顯沉陷現(xiàn)象。綜合鉆探、物探及走訪調(diào)查成果，沉陷區(qū)的形成機理主要為兩方面的原因。

首先，上一次塌陷的主要成因為，因地基土中發(fā)育的土洞垮塌而產(chǎn)生地面塌陷現(xiàn)象，形成塌陷后，地基土因塌陷產(chǎn)生擾動，在自重應(yīng)力作用下，緩慢壓縮、固結(jié)，產(chǎn)生一定的沉降，形成現(xiàn)有的沉陷區(qū)。

其次，根據(jù)物探成果顯示，視吸收系數(shù)影像圖呈現(xiàn) “呈漏斗狀的下凹異常區(qū)”的形態(tài)，可看出上部較高吸收系數(shù)的介質(zhì)與下部較低吸收系數(shù)的介質(zhì)存在一個通道。從鉆探揭露來看，上覆土層成分與溶洞中全充填的的土層基本相同?？梢姡孩偃芏错敯逡呀?jīng)部分已穿透，呈向上部分開口的形態(tài);②上覆土層順巖土分界面向下漏向溶洞。

從空間分析，已知地面沉陷區(qū)西南（即ZK1、ZK3附近）為“巖溶發(fā)育區(qū)”，已知地面沉陷區(qū)與“巖溶發(fā)育區(qū)”之間存在“沉陷通道”。具體詳見工程地質(zhì)剖面圖。

沉陷通道主要成分為強～中風化溶蝕灰?guī)r并及發(fā)育大量的溶蝕孔穴，地表水及地下水對上覆土層的細顆粒物質(zhì)長期淋濾作用下，形成了一定的空隙，降低了路基土的地基承載力及抗剪強度c、ψ值指標，在土體自重、行車荷載及車輛震動的綜合作用下，沿溶槽緩慢形成漏斗狀沉陷區(qū)。若進一步發(fā)展，則可能形成新的土洞。

六、沉陷區(qū)的穩(wěn)定性分析

本次勘察范圍，2015年發(fā)生的塌陷主要原因為土洞坍塌，土洞頂板厚度不夠，形成地表巖溶塌陷災害。根據(jù)鉆探及物探成果，勘察范圍內(nèi)未揭露土洞發(fā)育，因此，本次對土洞的穩(wěn)定性進行反演，綜合確定土洞對路基穩(wěn)定性的影響。參考《工程地質(zhì)手冊》（第四版）巖溶地基穩(wěn)定性評價6-1-1公式，土洞頂板坍塌后，塌落體積增大，當塌落至一定高度H時，溶洞空間自行填滿，無需考慮對地基的影響。所需的塌落高速H按下式公式計算。

根據(jù)勘探揭露，項目區(qū)覆蓋層厚度約10.5～19.4m，通常在巖土交界面附近易形成土洞，按最不利因素考慮，假定土洞高度，反演土洞高度對地基穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)反演成果，按不利因素考慮，當土洞高度≤0.5m時，地基土是穩(wěn)定的，若土洞高度>0.5m，則地基處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生巖溶塌陷地質(zhì)災害。本次勘察鉆探點及物探剖面未揭露土洞，但完全排除勘察范圍外土洞發(fā)育的可能性。

七、結(jié)論與建議

（一）上部沉陷體與下部巖溶發(fā)育區(qū)（物探揭示藍色區(qū)塊）之間存在“沉陷通道”，沉陷體與巖溶發(fā)育區(qū)處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，但在長期地下水的淋濾作用下，沉陷體潛在繼續(xù)發(fā)育成土洞，進而發(fā)展為巖溶塌陷的可能性。

（二）沉陷體處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)展較為緩慢，沉陷區(qū)的變形仍在發(fā)展當中，為確保服務(wù)區(qū)及匝道的安全，建議采取預注漿的方式對剖面圖中巖溶發(fā)育區(qū)及沉陷通道進行地基處理。

參考文獻：

[1]段春榮，楊亞磊.電磁波CT技術(shù)在巖溶勘查和注漿檢測方面的應(yīng)用[J].工程地球物理學報，2017（4）：435-441

[2]彭耀等. 井間電磁波CT 技術(shù)在武漢地區(qū)三疊系大冶組巖溶勘察中的應(yīng)用研究[J].CT理論與應(yīng)用研究，2016（4）：419-424

[3]李楊. 電磁波CT 技術(shù)在場地巖溶勘察中的應(yīng)用[J].福建建筑，2015（6）：94-96

作者簡介：黃豐發(fā)（1987- ），男，福建永春人。工程師，大學本科，主要從事公路工程地質(zhì)勘察設(shè)計工作。