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针对赤壁长江公路大桥进行有关岩溶导致砂露型地面塌陷的分析

2020-05-13 612 上传者：管理员

摘要：在岩溶引起的地面塌陷中,砂露型地面塌陷最为典型。砂类土自稳性相对较差,透水性较好,下伏灰岩岩溶较发育时,在施工影响下,极易发生地面塌陷,造成设备损失、甚至人员伤亡。通过赤壁长江公路大桥砂露型地面塌陷分析,提出防治措施,为类似工程建设的预防提供借鉴和参考。

关键词：
地质灾害
岩溶
砂露型地面塌陷
研究
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岩溶塌陷是岩溶区常见的地质灾害和环境地质问题，危害严重。据统计，世界上有17个国家发生过严重的塌陷问题，其中美国最多。我国也是岩溶塌陷最发育的国家之一。

在20世纪60年代，国外开始对岩溶塌陷做较系统的研究，并在近六十年中多次组织岩溶塌陷和岩溶问题的国际会议[1]。主要从岩溶塌陷的勘测技术、危险性预测和风险评估[2]、监测预报、防治[3]和数据库建设[4]等五个方面进行研究。国内自20世纪50年代就对岩溶塌陷进行研究，并取得了丰硕的研究成果，我国主要从岩溶塌陷宏观分布规律[5]、岩溶塌陷的机理研究[6]、岩溶塌陷地质灾害信息系统建设[7]、岩溶塌陷的评估以及岩溶塌陷的处治[8]等五个方面进行研究。

砂露型地面塌陷作为覆盖型地面塌陷的典型代表，具有一定的规律可以遵循，罗小杰等研究了砂露型岩溶塌陷的物理模型[9]，较好地反映出砂露型地面塌陷的规律。但对岩溶的形态及地面塌陷的机理研究仍不够，本文通过赤壁长江公路大桥反映的岩溶形态和地面塌陷的实例，总结地面塌陷的规律，并为类似工程的预防和治理提供借鉴。

1、工程概况

赤壁长江公路大桥南岸位于赤壁市赤壁镇，北岸位于洪湖市乌林镇。工程场区第四系覆盖层主要为全新统冲洪积物（Q4al+pl）、上更新统冲洪积层（Q3al+pl）、残坡积土（Q3el+dl）；基岩有白垩—下第三系砂岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩、砾岩及二叠系泥岩和灰岩等。

砂露型主塌陷区位于赤壁岸，被长江和鸭棚口河包围的白沙洲内，该区域岩溶见洞率约50%，单个溶洞洞高多在0.4～4m之间，且揭露多处串珠状溶洞，最大洞高10.4m，属于岩溶强发育区。其地层结构如表1所示。

2、塌陷现象及机理

表1塌陷区主要地层

2.1岩溶形态

主塌陷区属岩溶极发育区，以38号墩钻探揭露的剖面为例，如图1所示。

从图1可以看出此区域覆盖层厚30m左右，以砂类土为主，表层有软塑—流塑状粘性土薄层，地下水水位较高。岩面起伏较大，附近砂类土饱水性好，岩体直接与砂类土接触，岩体表面多被溶蚀，形成大量溶隙、溶沟和溶槽。岩体的岩溶极其发育，形态极其复杂，多形成串珠状岩溶通道，溶洞间多有联通。在岩面附近存在较大溶洞时，在外界震动、水位突然下降等情况下砂类土易垮塌持续进入溶洞，伴有水流作用，形成泥砂流流走，从而引起地面变形过大而形成砂露型地面塌陷，对施工带来较大的安全风险。

图1岩溶发育形态

2.2物理力学参数

白沙洲主塌陷区覆盖层以粉细砂为主，通过室内试验，统计分析该区域的物理力学指标如表2和表3所示。从表中可以看出，该区域粉细砂粘粒含量平均值小于5%，含量较低；水上休止角平均值约38°，水下休止角平均值约29°，由于地下水位较浅，以水下休止角为主要参考依据，一般当休止角θ≤30°时，认为流动性好。从筛分数据可知该区域的粉细砂以细颗粒为主。

2.3塌陷统计

从2016年6月勘察到2018年8月桩基施工期间，岩溶塌陷统计表如表4所示。塌陷呈漏斗状，塌陷规模大，并对人员和设备带来极大的威胁。

表2塌陷区域粉细砂的粘粒含量及休止角

表3塌陷区域粉细砂的颗分数据统计表

2.4塌陷原因及其机理

由该区域地质概况可知该地区的岩溶地质结构属于第Ⅰ类地质结构中的Ⅰ2类型，即上部为粘性土，中部为砂类土（厚度大于3m），下部为可溶岩层[10]。在这种类型的岩溶地质构造中既能发生沙漏型塌陷也能发生土洞型塌陷，一般当粘土层较厚而砂土层较薄时容易发生土洞型塌陷，而砂土层较厚时容易发生沙漏型塌陷。在本文中因上覆土层可塑性较高，并且流动性相对较好的岩溶塌陷类型为沙漏型塌陷（由砂土流失导致形成的土洞型坍塌）。

表4赤壁长江公路大桥砂露型地面塌陷一览

其发生塌陷的主要原因为勘察钻孔的施工打通了溶洞上层的灰岩顶板，为砂土和地下水进入溶洞提供了相对较好的通道。并且由于打钻振动及其他原因（地表车辆的通过以及其他因素形成的动荷载）提供的动荷载减弱了砂土层的有效应力，使得砂土开始液化而进入流动状态，随后在重力和地下水渗透力的作用下流进溶洞内部，如图2所示。

最后会在砂土顶面形成一个漏斗状的沙坑，理论上沙坑的体积应当等于流入溶洞内部的砂土的体积，其计算公式为：

式中：V1——溶洞的体积；

V2——漏斗型砂洞的体积；

r——漏斗型砂洞的半径；

h——漏斗型砂洞的深度；

θ——砂土的休止角。

由公式（1）和公式（2）可知，漏斗型沙漏的半径与深度与流失砂土的体积相关，流失砂土的量越大，形成的漏斗型沙漏越大。

根据溶洞尺寸的不同，其塌陷形成的结果可分为三类，第一类如图3（a）所示，溶洞体积较小且连通性较差，在砂土的流动下很快被填满，砂土停止继续流动。此时会在砂土与粘土的交界面形成一个漏斗形的坑，但是由于粘土存在一定的粘聚力，会形成拱效应，当沙坑跨度较小时土拱不会发生垮落或者变形，因此在地表不会出现明显变化。第二类如图3（b）所示，随着溶洞体积的增加，漏斗型砂洞的体积和跨度进一步扩大，土拱由于达到其承载的极限而逐渐失去拱效应不能再保持稳定，开始发生沉降或者体积较大土洞（这种土洞在上部荷载的作用下很容易坍塌形成塌陷坑）。第三类如图3（c）所示，随着溶洞的逐渐增大或连通性逐渐增加，形成的砂洞逐渐扩大，土拱效应彻底消失，上部粘土层发生垮落，甚至在重力和地下水渗流的作用下随砂土一起进入溶洞内部，形成一个巨大的沙漏型塌陷坑。塌陷类型如图3（a、b、c）所示。

对比表4中各桥墩的塌陷统计情况可以推测其对应的塌陷结果应为表5所示。

表5各墩号塌陷结果分类

3、处置措施

由前面分析可知在砂土上覆层地区防大规模地表塌陷的主要因素在于防止砂土因流入溶洞内部而损失，因此有两个主要的措施。一是将溶洞进行充填或者密封防止砂土进入，这种方式一般通过注浆的方式进行。第二个办法是通过护筒跟进到岩面将溶洞孔与护筒外部的砂土隔离，防止砂土大量进入溶洞内部。

3.1注浆

通过分析岩溶的形态，特别是岩土交界面附近岩溶的发育情况、地下水的状态、以及施工中不可避免的震动等因素，采用注浆将岩土交界面附近的溶隙、溶沟和溶槽充填，避免表层岩溶和深层岩溶的贯通，使得原本巨大的岩溶裂隙网络变为一个单一的小型溶洞。可以减少溶洞容纳砂土的体积，使得漏斗型砂洞的体积显著减小。由于沙漏的半径与溶洞体积相关，因此沙漏的尺寸会大幅度减少。使得塌陷结果从第三类和第二类变成第一类；从而减小了地表塌陷的概率。

3.2护筒跟进到岩面

在采用注浆措施下，经过摸索，仍然存在较大概率的塌陷，因为当天然溶洞本身较大时，通过注浆填充的效果可能本身不明显。

为了减少钻具被埋的危险，为人员和设备撤离争取时间，将钻探揭示岩溶发育的桥墩在灌浆后，采用护筒跟进到岩面的措施，进一步降低了岩溶塌陷带来的风险，且为岩溶塌陷的处理争取了宝贵的时间。当护筒跟进到岩面时能大幅减少砂体流动的范围，使得仅有护筒内部的砂土能够流入溶洞内部。使得护筒外部砂土几乎不会损失，因此可以避免砂洞的形成和地表塌陷。

4、效果及塌陷机理

虽然通过注浆和护筒跟进到岩面的措施降低了塌陷概率，但施工过程中仍有塌陷。具体原因如图4所示。从图中可知在桩径为1.5m，在护筒外围岩土交界面附近溶洞开口处与砂类土直接接触，施工震动、丰水期地下水位较高时，溶洞突然被冲击钻打穿使得上部溶洞与下部溶洞联通，地下水迅速涌入下部溶洞，在上部溶洞的溶腔内形成负压，砂类土在水的作用下形成流砂进入溶洞，溶洞为流砂提供了空间，大量流砂引桥地面塌陷，部分溶洞同时也被砂类土充填。

当溶洞较小且贯通性较差时，溶洞被砂类土填满，引起的塌陷规模相对较小；当溶洞较大且贯通性较好时，砂类土塌陷到休止角以下时，塌陷才逐渐停止，形成大面积地面塌陷。

5、结论

（1）对“上部砂层、下部二叠系灰岩”的二元地层结构要引起高度重视。

图4塌陷机理分析图

（2）加强勘察、设计和施工中的紧密配合，制定强有力的措施，保证人员和设备的安全。

（3）在于长江沿岸，丰水期引起砂露型地面塌陷的风险要远高于枯水期，这也对防洪也提出了更高要求。

（4）机械振动等动荷载是砂露型地面塌陷的诱因，水位下降带砂进入溶洞是产生砂露型地面塌陷的本质。

（5）砂类土在30m左右时，砂露型地面塌陷有一定的反应时间，给救援和撤离带来宝贵的机遇。

（6）在掌握引起塌陷的机理后，治理措施只能降低地面塌陷的概率，却不能杜绝塌陷，所以应对突发塌陷发生后的方法尤为重要。

参考文献：

[1]母进伟,雷明堂,梁军林,等.岩溶路基病害与处置技术国内外研究现状[J].中国岩溶,2005,24(2):89-94.

[7]雷明堂,蒋小珍,李瑜.岩溶塌陷试验评估及管理方法研究[J].地质灾害与环境保护,2002(1):18-22.