鞍山市铁西区岩溶地表塌陷形成条件及稳定性评价

刘 帅

（辽宁省冶金地质勘查研究院有限责任公司，辽宁 鞍山 114038）

鞍山市区位于辽东山地与下辽河冲积平原的过渡带上，大地构造上属东部斜坡带，该区地势总的特点南东高、北西低，由南东部剥蚀构造低山丘陵向北西部冲积平原倾斜，标高由500米以上，下降至10米～20米。随着大规模的地下水资源开采，导致地表塌陷逐渐显现[1]。加上枯水期来临使得该区地下水位持续下降，地下水从有压转为无压瞬间，出现“真空腔”，真空腔犹如吸盘一般抽吸着上覆岩体，顶板塌落出现塌陷，形成溶洞。为此主要介绍了该区域的空洞分布形态及稳定性状态，为该区地质灾害治理提供依据。

1 工程概况及地质概况

研究区的原始地貌为山前平原地带，地形平坦，经人工改造，现地面标高在30.29m～30.87m。表层岩性为第四系覆盖层，厚度约为52.0m～55.0m，下伏基岩主要为下古生界寒武系的上寒武统地层，岩性主要为灰色厚层状灰岩夹黄绿色页岩。厚度大于150m。区内主要断裂为北西330°走向的大石头—宋三台子断裂及其分支断层，在工作区穿过，在勘查区东侧还有一些与大石头断裂斜交的北东走向的小断层。

2 研究区见洞情况及水文地质状态

根据钻探揭露和出现的位置结合物探工作获得的资料分析本工作区的地下溶洞区按位置、埋深、性质存在以下几种形态分布。现分述如下：勘查区内一处钻孔见土洞，既ZK4号钻孔，发育深度为52.00m，高为0.4m，洞内无充填；根据钻探资料推测其为下部易塌陷产生次生土洞。本次勘查结果显示第四系与基岩接触带见洞率较高，仅一个钻孔未见溶洞。埋藏深度为52.20m～69.9m标高为-22.1至-39.4洞内均无充填，平均水位46m左右。采空区高度大多小于其宽度，说明研究区的碳酸盐岩中矿层基本是沿层面发育的。

3 地质灾害的形成条件

（1）岩性特性。本地区上部覆盖层为第四系粉质粘土，厚度52.0m～55.0m，其下部部分含少量细沙，最大厚度为0.1m，下伏基岩主要为下古生界寒武系的上寒武统地层，矿物特性主要为灰色厚层状灰岩夹黄绿色页岩，竹叶状灰岩夹鲕状灰岩。厚度大于150m。从勘查结果及收集资料来看，本区矿层较为简单，纵向变化不大，岩性对岩溶去的分不影响较小。

（2）断裂。勘查区内主要断裂为北西330°走向的大石头—宋三台子断裂及其分支断层，在工作区穿过，在勘查区东侧还有一些与大石头断裂斜交的北东走向的小断层。根据本次勘查物探工作查明本区内有两条构造穿过。①F1断裂，异常宽2m～6m，埋深约50m，走向为北西-南东，产状近直立。②F2断裂，异常宽4m～10m，走向为北西-南东，产状近直立。溶洞均围绕F1、F2发育。

4 地质灾害影响因素

（1）水文地质条件变化。勘查区位于鞍山市铁西水源降落漏斗范围内，地下水活动强烈，升降频繁，区内有两条次生构造通过，当大量抽取地下水时矿层中的充填物易被潜蚀、搬运而形成空间，使含砾石粘土层塌落，形成较大空间，进而发展形成一连串的地质灾害。

（2）地表荷载。通过现场初步勘查不难发现此处周围建筑分布较复杂，涉及不同矿物质发育区，其基础形式亦不是端承桩，并未打到基岩面以下，对下部空洞的稳定性带来严重隐患。

5 塌陷区的稳定性初步评价

根据《工程地质手册》，溶洞顶板塌陷后，塌落体积增大，当塌落至一定高度H时，空洞自行填满，无需考虑对地基的影响，所需塌落的高度H按下式计算：

H0—塌落前洞体最大高度（m）；K—岩石松散（涨余）系数，石灰岩取1.2，粘土1.5；

根据上式，将揭露的钻孔分别进行验算，塌落高度H大于所揭露的空洞深度的处于不稳定状态，揭露的空洞深度在H—1.5H之间的处在较稳定状态，大于1.5H的为稳定状态。

从评价结果上看，由于岩溶发育深度相差不大，地基稳定性与溶洞发育高度线性相关。

6 非稳定区在有荷载情况下的评价

空区的稳定性主要与上覆岩层的容重、内摩擦角、上部建筑的静荷载有关，稳定深度的计算应分为地基稳定性和静荷载两部分。结合力学试验成果分析进行稳定性验算，结果如下：

根据《工程地质手册》，当建筑物已建在空区上部时，可按式（2）验算地基的稳定性

式中：H0为空区顶板的埋藏临界深度，m；B为空区宽度，m。γ为顶板岩体容重，KN/m3。φ为内摩擦角°。

P0为上部建筑物对应地基的附加应力，KPa。

根据计算结果，上述钻孔第四系覆盖层厚度小于H的有ZK1、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6、ZK7、SK25、SK26、SK27、SK28，处于不稳定状态。从评价结果上看，空区的宽度及上部是否有荷载是影响地基稳定性的主要因素。

7 结语

（1）对于上部存在厚层第四系覆盖岩溶发育区应先查明构造发育情况及分布来确定物探工作的布置，同时查明该地区的地下水赋存条件。

（2）对于在岩溶发育区进行建设规划及勘查应重点查明岩溶发育情况，应结合地质灾害勘查方法来查该区地质条件。

（3）对于已存在的岩溶发育区应尽早开展岩溶勘查工作，及时发现及时治理，消除地质灾害隐患。