韶贛高速公路韶關東服務區地面沉陷機理研究

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

關鍵詞：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的快速發展，規模越來越大，在長期運營中，受到長期不良地質現象的影響，特別是巖溶路基，在行車荷載及長期地下水作用的影響下，巖溶進一步發育，產生地面沉陷，甚至是路基塌陷等現象。路基的穩定性對高速公路的運營安全影響很大，路基一旦產生地面沉陷，若沒有及時發現并治理，將會很快發展呈地面塌陷的災害。

本文基于廣東省韶贛高速韶關東服務區地面沉陷的勘察，發現鉆孔漏水嚴重，而地震波CT法需要孔液耦合，無水的情況下無法進行，經與設計方溝通后，改為不需孔液耦合的跨孔電磁波CT。

一、工程概況

韶贛高速韶關東服務區加水站南側靠近加油站一側的服務區停車場，在營運過程中，于2015年5～6月份靠近綠化帶一冊的服務區發生一次巖溶塌陷，塌陷范圍大約23*7.4m，塌陷最大深度約5m。2018年6月份發現在原塌陷區相鄰的綠化帶出現地面沉陷現象，沉陷范圍約3*9 m2。該地質病害的產生，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，以查明沉陷區地質情況，為處治、施工提供依據。

二、地質概況

沉陷區域位于低緩丘陵地貌區，現為韶關東服務區及匝道平整地，地面標高約95m。根據區域地質資料，本沉陷所在區域未見大型斷裂構造形跡，屬穩定地塊。根據鉆孔成果，場區主要覆蓋層主要為素填土、坡殘積粉質粘土，基底主要由泥盆系錫礦山組灰巖及其風化層組成4、水文地質條件區內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粘土中，賦水量貧乏;巖溶裂隙水主要分布在錫礦山組灰巖裂隙中，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，以側向徑流向巖溶通道排泄。

場區地下水埋藏較深，外業勘察期間，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）。

場區發育的不良地質現象為巖溶，該區下伏灰巖，巖溶發育，遇洞率75%。根據鉆孔揭露，巖溶埋藏深度不一，規模大小不一，埋深11.8～22.3m，洞高0.3～6.4m，個別孔區溶洞層數達2層，多為由軟～可塑狀粉質粘土全充填，個別為空洞。其分布范圍、規模及特征詳見下表1。

三、物探方法及分析解釋

（一）工作方法

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

（二）分析解釋

本次資料分析和解釋過程中，地質與物探進行了充分的結合，將物探 CT 圖像與地質剖面合二為一，形成物探CT地質剖面成果圖。遵循“電磁波CT視吸收系數愈小、巖土體性狀愈好，反之愈差?！盵2]的規律，對物探 CT成果圖進行分析、解釋，確定物探CT 地質剖面中的異常。

1、L1剖面（ZK1-ZK2）：

①巖土分層：

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

②異常劃分：

巖溶發育區：在巖土分層的基礎上，在劃分出的灰巖區域內，即在視吸收系數小于2.0dB/m的背景值中，尋找視吸收系數較大的區域，原則上大于等于2.5dB/m的區域定為巖溶發育區。經與鉆探揭露情況比對，推斷的巖溶發育區與鉆探探明的溶洞相吻合。

③沉陷異常區：

在巖土分層的基礎上，在劃分出的巖土分界面附近，尋找視吸收系數較大并呈漏斗狀的下凹異常區帶。如圖1所示：兩條帶箭頭的紅線所夾區域為“呈漏斗狀的下凹異常區帶”，從數值、形態和與下部“巖溶發育區”的空間關系來看，此區域判斷為“沉陷異常區”。

2、L2剖面（ZK3-ZK4）：

①巖土分層：

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

②異常劃分：

巖溶發育區：在巖土分層的基礎上，在劃分出的灰巖區域內，即在視吸收系數小于2.0dB/m的背景值中，尋找視吸收系數較大的區域，原則上大于等于2.5dB/m的區域定為巖溶發育區。經與鉆探揭露情況比對，推斷的巖溶發育區與鉆探探明的溶洞相吻合。

③沉陷異常區：

在巖土分層的基礎上，在劃分出的巖土分界面附近，尋找視吸收系數較大并呈漏斗狀的下凹異常區帶。如圖2所示：兩條帶箭頭的紅線所夾區域為“呈漏斗狀的下凹異常區帶”，從數值、形態和與下部“巖溶發育區”的空間關系來看，此區域判斷為“沉陷異常區”。

四、沉陷的基本特征

根據工程地質調查、物探及鉆探成果綜合分析，勘察場區2015年發生過一次地面塌陷，混凝土填充后，基本穩定，現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，圈定的平面形態詳見平面圖。本沉陷平面形態整體呈近橢圓狀，呈中間深周邊淺，總體往西南方向發展，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

沉陷區屬巖溶地區，巖溶極發育。路基以下殘積土層，厚度較厚10.5～19.4m;下伏灰巖節理裂隙發育，溶蝕裂隙、溶洞發育，洞高0.3～6.4m，軟～可塑狀粉質粘性土充填或空洞，溶洞遇洞率75%。沉陷區的基巖面呈溝槽狀。

2、人類工程活動

服務區施工時及通車后，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，原狀結構局部會受到破壞。

（二）沉陷形成機理分析

沉陷區的形成，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果。

沉陷區2015年曾發生一次塌陷，經混凝土填充后，未再發生塌陷現象，而僅僅是地表局部發生裂縫，綠化帶一帶出現較明顯沉陷現象。綜合鉆探、物探及走訪調查成果，沉陷區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，因地基土中發育的土洞垮塌而產生地面塌陷現象，形成塌陷后，地基土因塌陷產生擾動，在自重應力作用下，緩慢壓縮、固結，產生一定的沉降，形成現有的沉陷區。

其次，根據物探成果顯示，視吸收系數影像圖呈現 “呈漏斗狀的下凹異常區”的形態，可看出上部較高吸收系數的介質與下部較低吸收系數的介質存在一個通道。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洸糠忠汛┩?，呈向上部分開口的形態;②上覆土層順巖土分界面向下漏向溶洞。

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

沉陷通道主要成分為強～中風化溶蝕灰巖并及發育大量的溶蝕孔穴，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。若進一步發展，則可能形成新的土洞。

六、沉陷區的穩定性分析

本次勘察范圍，2015年發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。根據鉆探及物探成果，勘察范圍內未揭露土洞發育，因此，本次對土洞的穩定性進行反演，綜合確定土洞對路基穩定性的影響。參考《工程地質手冊》（第四版）巖溶地基穩定性評價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。

根據勘探揭露，項目區覆蓋層厚度約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定性的影響。

根據反演成果，按不利因素考慮，當土洞高度≤0.5m時，地基土是穩定的，若土洞高度>0.5m，則地基處于不穩定狀態，產生巖溶塌陷地質災害。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育的可能性。

七、結論與建議

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

（二）沉陷體處于暫時穩定狀態，發展較為緩慢，沉陷區的變形仍在發展當中，為確保服務區及匝道的安全，建議采取預注漿的方式對剖面圖中巖溶發育區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技術在巖溶勘查和注漿檢測方面的應用[J].工程地球物理學報，2017（4）：435-441

[2]彭耀等. 井間電磁波CT 技術在武漢地區三疊系大冶組巖溶勘察中的應用研究[J].CT理論與應用研究，2016（4）：419-424

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

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