韶赣高速公路韶关东服务区地面沉陷机理研究

摘 要：岩溶塌陷是严重的地质灾害，具有突发性，但查明岩溶塌陷的机理有助于提前治理，预防塌陷产生。本文以韶关东服务区地面沉陷为例，采用跨孔电磁波CT、钻探等综合勘察手段，详细查明了场区地质条件，分析沉陷机理并提出治理措施。

关键词：岩溶塌陷;地面沉陷;跨孔电磁波CT;钻探

随着我国高速公路建设的快速发展，规模越来越大，在长期运营中，受到长期不良地质现象的影响，特别是岩溶路基，在行车荷载及长期地下水作用的影响下，岩溶进一步发育，产生地面沉陷，甚至是路基塌陷等现象。路基的稳定性对高速公路的运营安全影响很大，路基一旦产生地面沉陷，若没有及时发现并治理，将会很快发展呈地面塌陷的灾害。

本文基于广东省韶赣高速韶关东服务区地面沉陷的勘察，发现钻孔漏水严重，而地震波CT法需要孔液耦合，无水的情况下无法进行，经与设计方沟通后，改为不需孔液耦合的跨孔电磁波CT。

一、工程概况

韶赣高速韶关东服务区加水站南侧靠近加油站一侧的服务区停车场，在营运过程中，于2015年5～6月份靠近绿化带一册的服务区发生一次岩溶塌陷，塌陷范围大约23*7.4m，塌陷最大深度约5m。2018年6月份发现在原塌陷区相邻的绿化带出现地面沉陷现象，沉陷范围约3*9 m2。该地质病害的产生，已对路基安全造成了危害，对行车安全形成了较大安全隐患。因此进行了专项地面沉陷勘察，以查明沉陷区地质情况，为处治、施工提供依据。

二、地质概况

沉陷区域位于低缓丘陵地貌区，现为韶关东服务区及匝道平整地，地面标高约95m。根据区域地质资料，本沉陷所在区域未见大型断裂构造形迹，属稳定地块。根据钻孔成果，场区主要覆盖层主要为素填土、坡残积粉质粘土，基底主要由泥盆系锡矿山组灰岩及其风化层组成4、水文地质条件区内地下水类型为第四系松散层潜水、岩溶裂隙水及岩溶水，松散层潜水主要分布在残积粉质粘土中，赋水量贫乏;岩溶裂隙水主要分布在锡矿山组灰岩裂隙中，赋水量较少;岩溶水分布在溶洞中，赋水量分布不均。地下水受大气降雨补给，以侧向径流向岩溶通道排泄。

场区地下水埋藏较深，外业勘察期间，未能测得地下水位。此外，钻孔过程中钻进至土洞、岩面、或空洞等处时，即开始漏水不返水（如：ZK1孔深15.0m处、ZK2孔深15.2m处、ZK3孔深11.8m处、ZK4孔深10.7m处）。

场区发育的不良地质现象为岩溶，该区下伏灰岩，岩溶发育，遇洞率75%。根据钻孔揭露，岩溶埋藏深度不一，规模大小不一，埋深11.8～22.3m，洞高0.3～6.4m，个别孔区溶洞层数达2层，多为由软～可塑状粉质粘土全充填，个别为空洞。其分布范围、规模及特征详见下表1。

三、物探方法及分析解释

（一）工作方法

本次电磁波CT探测采用一孔发射另一孔接收的观测方式，观测系统为定点、全扫描观测系统，测量点距为1.0m。[1]测量采用扫频方式，天线长度2.5m，根据试验选择频率4MHz、8MHz、12MHz、16MHz天线采集数据。

（二）分析解释

本次资料分析和解释过程中，地质与物探进行了充分的结合，将物探 CT 图像与地质剖面合二为一，形成物探CT地质剖面成果图。遵循“电磁波CT视吸收系数愈小、岩土体性状愈好，反之愈差。”[2]的规律，对物探 CT成果图进行分析、解释，确定物探CT 地质剖面中的异常。

1、L1剖面（ZK1-ZK2）：

①巖土分层：

从图1上总体来看，上部介质为冷色调（蓝色和绿色），而下部介质为暖色调（红色和黄色），反映出上部介质吸收系数大而下部介质吸收系数小。[3]具体岩土的划分以吸收系数2.0dB/m为界，大于2.0dB/m的介质基本为土层的反映，而小于2.0dB/m的介质基本为灰岩的反映。岩土分界的划分结合钻探揭露情况，即从已知边界条件出发，来作具体分界线的勾勒。

②异常划分：

岩溶发育区：在岩土分层的基础上，在划分出的灰岩区域内，即在视吸收系数小于2.0dB/m的背景值中，寻找视吸收系数较大的区域，原则上大于等于2.5dB/m的区域定为岩溶发育区。经与钻探揭露情况比对，推断的岩溶发育区与钻探探明的溶洞相吻合。

③沉陷异常区：

在岩土分层的基础上，在划分出的岩土分界面附近，寻找视吸收系数较大并呈漏斗状的下凹异常区带。如图1所示：两条带箭头的红线所夹区域为“呈漏斗状的下凹异常区带”，从数值、形态和与下部“岩溶发育区”的空间关系来看，此区域判断为“沉陷异常区”。

2、L2剖面（ZK3-ZK4）：

①岩土分层：

从图2上总体来看，上部介质为冷色调（蓝色和绿色），而下部介质为暖色调（红色和黄色），反映出上部介质吸收系数大而下部介质吸收系数小。具体岩土的划分以吸收系数2.0dB/m为界，大于2.0dB/m的介质基本为土层的反映，而小于2.0dB/m的介质基本为灰岩的反映。岩土分界的划分结合钻探揭露情况，即从已知边界条件出发，来作具体分界线的勾勒。

②异常划分：

岩溶发育区：在岩土分层的基础上，在划分出的灰岩区域内，即在视吸收系数小于2.0dB/m的背景值中，寻找视吸收系数较大的区域，原则上大于等于2.5dB/m的区域定为岩溶发育区。经与钻探揭露情况比对，推断的岩溶发育区与钻探探明的溶洞相吻合。

③沉陷异常区：

在岩土分层的基础上，在划分出的岩土分界面附近，寻找视吸收系数较大并呈漏斗状的下凹异常区带。如图2所示：两条带箭头的红线所夹区域为“呈漏斗状的下凹异常区带”，从数值、形态和与下部“岩溶发育区”的空间关系来看，此区域判断为“沉陷异常区”。

四、沉陷的基本特征

根据工程地质调查、物探及钻探成果综合分析，勘察场区2015年发生过一次地面塌陷，混凝土填充后，基本稳定，现阶段存在一小型地面沉陷。沉陷边界的判定主要以地面开裂、沉陷变形特征为依据，圈定的平面形态详见平面图。本沉陷平面形态整体呈近椭圆状，呈中间深周边浅，总体往西南方向发展，最深位于绿化带处。

五、沉陷形成机制分析

（一）沉陷影响因素分析评价

1、地层岩性

沉陷区属岩溶地区，岩溶极发育。路基以下残积土层，厚度较厚10.5～19.4m;下伏灰岩节理裂隙发育，溶蚀裂隙、溶洞发育，洞高0.3～6.4m，软～可塑状粉质粘性土充填或空洞，溶洞遇洞率75%。沉陷区的基岩面呈沟槽状。

2、人类工程活动

服务区施工时及通车后，岩土体受到工程机械震动、行车荷载的作用，会使得原状岩土体受到扰动，原状结构局部会受到破坏。

（二）沉陷形成机理分析

沉陷区的形成，是由上一次土洞塌陷、浅层岩溶（溶洞）、行車震动、荷载等综合作用的结果。

沉陷区2015年曾发生一次塌陷，经混凝土填充后，未再发生塌陷现象，而仅仅是地表局部发生裂缝，绿化带一带出现较明显沉陷现象。综合钻探、物探及走访调查成果，沉陷区的形成机理主要为两方面的原因。

首先，上一次塌陷的主要成因为，因地基土中发育的土洞垮塌而产生地面塌陷现象，形成塌陷后，地基土因塌陷产生扰动，在自重应力作用下，缓慢压缩、固结，产生一定的沉降，形成现有的沉陷区。

其次，根据物探成果显示，视吸收系数影像图呈现 “呈漏斗状的下凹异常区”的形态，可看出上部较高吸收系数的介质与下部较低吸收系数的介质存在一个通道。从钻探揭露来看，上覆土层成分与溶洞中全充填的的土层基本相同。可见：①溶洞顶板已经部分已穿透，呈向上部分开口的形态;②上覆土层顺岩土分界面向下漏向溶洞。

从空间分析，已知地面沉陷区西南（即ZK1、ZK3附近）为“岩溶发育区”，已知地面沉陷区与“岩溶发育区”之间存在“沉陷通道”。具体详见工程地质剖面图。

沉陷通道主要成分为强～中风化溶蚀灰岩并及发育大量的溶蚀孔穴，地表水及地下水对上覆土层的细颗粒物质长期淋滤作用下，形成了一定的空隙，降低了路基土的地基承载力及抗剪强度c、ψ值指标，在土体自重、行车荷载及车辆震动的综合作用下，沿溶槽缓慢形成漏斗状沉陷区。若进一步发展，则可能形成新的土洞。

六、沉陷区的稳定性分析

本次勘察范围，2015年发生的塌陷主要原因为土洞坍塌，土洞顶板厚度不够，形成地表岩溶塌陷灾害。根据钻探及物探成果，勘察范围内未揭露土洞发育，因此，本次对土洞的稳定性进行反演，综合确定土洞对路基稳定性的影响。参考《工程地质手册》（第四版）岩溶地基稳定性评价6-1-1公式，土洞顶板坍塌后，塌落体积增大，当塌落至一定高度H时，溶洞空间自行填满，无需考虑对地基的影响。所需的塌落高速H按下式公式计算。

根据勘探揭露，项目区覆盖层厚度约10.5～19.4m，通常在岩土交界面附近易形成土洞，按最不利因素考虑，假定土洞高度，反演土洞高度对地基稳定性的影响。

根据反演成果，按不利因素考虑，当土洞高度≤0.5m时，地基土是稳定的，若土洞高度>0.5m，则地基处于不稳定状态，产生岩溶塌陷地质灾害。本次勘察钻探点及物探剖面未揭露土洞，但完全排除勘察范围外土洞发育的可能性。

七、结论与建议

（一）上部沉陷体与下部岩溶发育区（物探揭示蓝色区块）之间存在“沉陷通道”，沉陷体与岩溶发育区处于暂时稳定状态，但在长期地下水的淋滤作用下，沉陷体潜在继续发育成土洞，进而发展为岩溶塌陷的可能性。

（二）沉陷体处于暂时稳定状态，发展较为缓慢，沉陷区的变形仍在发展当中，为确保服务区及匝道的安全，建议采取预注浆的方式对剖面图中岩溶发育区及沉陷通道进行地基处理。

参考文献：

[1]段春荣，杨亚磊.电磁波CT技术在岩溶勘查和注浆检测方面的应用[J].工程地球物理学报，2017（4）：435-441

[2]彭耀等. 井间电磁波CT 技术在武汉地区三叠系大冶组岩溶勘察中的应用研究[J].CT理论与应用研究，2016（4）：419-424

[3]李杨. 电磁波CT 技术在场地岩溶勘察中的应用[J].福建建筑，2015（6）：94-96

作者简介：黄丰发（1987- ），男，福建永春人。工程师，大学本科，主要从事公路工程地质勘察设计工作。