贺州某校园地面塌陷成因分析及治理方法

汪 旭（中国建筑材料工业地质勘查中心广西总队，广西 桂林 541002）

岩溶地貌区域引起地面塌陷常见因素为岩溶塌陷，虽然引发的危害通常较小，但其发生突然性、随机性强等特点，使塌陷区域及周边的基础设施、人员生命与财产处在被威胁中，若不治理，则继续发生塌陷灾害的潜在风险始终存在。

当发生岩溶地面塌陷，特别是在人员密集区域发生塌陷后，就需要紧急处理塌陷位置，尽快恢复场地使用功能。本文通过工程案例[1]，介绍岩溶塌陷发生后的范围判断，结合岩溶发育特征进行地层稳定性分析，拟定治理措施，通过监测数据判断工程的治理效果。

1 工程背景

2021年4月，贺州市某校园一建筑墙面出现裂缝并逐渐扩大，数天后周边硬化地面发生沉降，出现环形裂缝，宽0.1cm～1cm，长1cm～3m，旁边村道半幅路面也出现环形裂缝，错断处最大下沉约6cm，可见路面底部脱空，学校宿舍楼整体向西轻微倾斜，与教学楼的接缝处出现4cm宽裂缝，经判断地面塌陷由地下岩溶塌陷所至，塌陷区位于校园内，平面近圆形，直径约15m，面积约180m2。

查阅学校规划建设、勘察资料[2]发现场地原始地形为平缓山丘；修建学校时场地已经平整，现状坡度约2.2%。塌陷区东侧约1.1km为贺江支流沙田河，塌陷区及周边水流均由西向东汇排入沙田河。塌陷区西侧约40m为既有水塘，水塘近圆形，宽约50m，常年有水，春季降雨频繁，水塘每年由排洪涵管向东排水，排洪涵管穿过塌陷区。

2 工程地质条件

2.1 场地岩土层分布及其性质

依据区域地质资料、勘察资料[1]及本次钻探工作并结合野外调查，场地内揭示的主要地层为第四系人工堆积成因的素填土，第四系冲洪积成因含卵砾石粉质黏土，下伏基岩为泥盆系东岗岭阶上段（D2d2）石灰岩，由新至老分述如下：

图1 塌陷场地卫星影像图

2.1.1 素填土①（Q4ml）

灰褐、灰黄、杂色，稍湿，土体结构呈松散状态，主要成分为黏性土，含砂颗粒，局部地段卵石、块石、碎砖、混凝土块等，硬质含量约10%～15%，场地表层为厚约10cm～30cm水泥地面，土质均匀性及密实度差，人工回填形成，回填时间约4年，校园外素填土回填年限大于10年，自重固结未完成，高压缩性。该层本次钻探所有孔均揭露有分布，揭露厚度0.2m～3.6m。

2.1.2 含卵砾石粉质黏土②（Q4al+pl）

冲洪积形成，黄、褐黄、局部褐红、灰褐等色，土质均匀性一般，一般含约20%～40%卵石、砾石，一般粒径为10mm～30mm，个别大于15cm，矿物成分主要为长石、石英等，磨圆度较好，大多呈椭圆状，土体切面较粗糙，稍有光泽反应，无摇震反应，干强度高，韧性中等。根据野外土芯鉴别及试验可分为三个亚层，无明显分界线，呈渐变过渡。

（1）硬塑状含卵砾石粉质黏土②1：稍湿-湿，硬塑状态，手按压指印不明显，土质均匀性一般，局部地段卵砾石含量50%以上，变相为圆砾。该层做标准贯入测试6次，修正后的标准贯入锤击数为14.6击/30cm～18.3击/30cm，平均16.4击/30cm。受卵石影响，锤击数相对较高，该层土属于中等压缩性土。层厚6.1m～15.6m。

（2）可塑状含卵砾石粉质黏土②2：稍湿～湿，可塑状态，手按压指印明显，土质均匀性一般，该层做标准贯入测试6次，修正后的标准贯入锤击数为8.4击/30cm～16.5击/30cm，平均13.1击/30cm，标准值10.5击/30cm。受卵石影响，锤击数相对较高，该层土属于中压缩性土。层厚1.9m～13.3m。

（3）软塑状含卵砾石粉质黏土②3：湿，软塑状态，手按压指印轻松明显，土质均匀性一般。该层做标准贯入测试6次，修正后的标准贯入锤击数为0.7击/30cm～6.2击/30cm，平均3.2击/30cm，标准值1.4击/30cm。该层土属高压缩性土。层厚3.1m～8.5m。

2.1.3 石灰岩③

泥盆系东岗岭阶上段（D2d2）石灰岩，呈灰色～灰白色，微风化，矿物成分主要为方解石，厚层状构造，隐晶质结构，钙质胶结，胶结程度较好；节理裂隙较发育，局部可见溶蚀现象。根据岩石的完整程度划分为二个亚层：

（1）较破碎灰岩③1：较破碎，呈灰色～灰白色，微风化，岩体较破碎，岩芯多为块状、碎块状，裂隙较发育，溶蚀面发育，岩芯采取率为40%～50%。分布于部分岩石钻孔，为溶洞顶板，“鹰嘴岩”及裂隙、溶槽处的灰岩，岩体稳定性差，主要结构面为节理、裂隙、层面及溶蚀面。

（2）较完整灰岩③2：较完整，呈灰色～灰白色，微风化，矿物成分主要为方解石，厚层状构造，隐晶质结构，钙质胶结，胶结程度较好；节理裂隙较发育，局部可见溶蚀现象，多为方解石脉、黏土及含铁矿物充填。岩芯呈柱状，质硬性脆，属较硬岩，岩石采取率为80%～90%。属较硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级属III类。

2.1.4 溶洞（含溶蚀裂隙）③

钻探钻孔均有揭露，分布于灰岩③层中，洞深0.2 m～7.4m不等，根据溶洞埋深无规律，上部以充填软塑黏性土及砂卵石为主，无法取出土芯，钻探期间易垮孔，下部溶洞以空洞，无充填为主，钻探期间多掉钻。

土层分布特征、基岩埋藏条件、岩溶发育状况等如图2所示为本项目1条地层钻探剖面图[1]。

图2 地层钻探剖面图

2.2 弹性波CT判断溶洞分布

针对塌陷区范围采用孔对弹性波CT，调查发生坍塌及裂缝区域岩溶发育情况，以发生塌陷处为中心布设6个勘查孔，完成剖面测线12条，孔内水位测试时位于6m左右，发射深度采取8m。由弹性波CT成果可知，在弹性波CT测线范围内岩溶发育范围多位于岩面附近5m左右，表现为大面积低反演波速区，推断岩溶表现特征为洞高小，延伸范围大，并多有串珠状发育特征。物探分析岩溶发育状况、分布等如图3所示本项目1条弹性波CT检测剖面结果[1]。

图3 弹性波CT分析地层空隙发育分布图

由物探图可知，颜色不均匀（密度不同）的位置，特别是红线区域存在土洞、岩洞、空隙区域等。

3 工程水文地质条件

塌陷区及周边地下水主要为松散岩类孔隙水（第四系冲洪积层中的孔隙水）及碳酸盐岩裂隙溶洞水。孔隙水主要赋存于冲洪积层的含卵砾石粉质黏土中，水量较丰富，多具季节性特点，补给源为大气降水，多向地势低洼地带，部分向下部基岩裂隙渗透。碳酸盐岩隙溶洞水主要赋存于灰岩节理、网状裂隙及溶洞，补给源主要为大气降水、地表水下渗或经落水洞等通道直接灌入；径流流程较长，呈层流状态沿岩石节理、网状裂隙或溶洞的通道缓慢移动向低洼处排泄出。

根据本次钻探揭露的情况，所有钻孔在水位稳定后量测均有地下水，地下水位埋深约5.5m～8.0m，高程约为98.41m～100.71m，勘查区内地下水位埋深较浅。主要接受大气降水及相邻地下水补给。地下水与场地西侧水塘存在相互补给关系。

根据调查寻访，西侧约40m为既有水塘，水塘近圆形，宽约50m，常年有水，春季降雨频繁，水塘每年由排洪涵管向东排水，排洪涵管穿过塌陷区。场地东侧约1.1km为贺江支流沙田河，塌陷区场地及周边水流均由西向东汇排入沙田河。地下水位的常年升降变化，将带走土层泥砂及溶洞内充填物，形成土洞或空洞，是造成本次岩溶塌陷的重要因素。

4 地面塌陷因素及稳定性分析

4.1 岩溶发育程度

通过对场地的物探及钻探发现该处地层的岩溶发育程度具有以下特点：

（1）勘查区内灰岩（可溶岩）分布连续，地表为含卵砾石粉质黏土所覆盖，从学校宿舍楼至塌陷坑外，其下伏基岩起伏较大，岩面坡度约15°～30°。

（2）浅层岩溶强烈发育，岩溶形态以溶洞和溶沟溶槽为主。钻探中遇洞（槽）32个，岩土分界线附近均发现有溶洞。

结合区域资料，综合判断塌陷区的岩溶为强烈发育，是形成本次岩溶塌陷的基础因素。

4.2 地面塌陷影响因素分析

通过4.1分析，得到本场地岩溶强烈发育，故岩溶塌陷是造成地面塌陷的主要因素。原因一：地下水运动带走浅层溶洞内的充填物形成真空负压，同时地下水升降对岩面附近土体潜蚀，掏空土体，形成土洞并对溶洞顶板产生虹蚀作用，两者作用造成溶洞顶板坍塌，岩面附近浅层溶洞塌陷造成真空面吸蚀上覆土层，造成土体松散甚至土洞形成，造成地面沉降。原因二：在塌陷区中心经过一排洪管涵道，浅层岩溶造成的土体位移造成涵道产生裂缝漏水，长期的漏水造成浅层土体进一步位移、松散，进一步加剧地面沉降。

对岩溶场地地面塌陷的影响还包括岩溶发育程度、地形地貌、地层岩性、地质构造及地震、地下水运动、人类工程活动等六方面[4]。

4.3 岩溶地面塌陷现状稳定性分析及评价

通过本次调查及对塌陷区周边建筑物的监测数据反馈，塌陷区中心区域房屋所产生的裂缝存在继续扩大的现象，塌陷区南侧学校宿舍楼与教学楼接缝处在缓慢增宽，宿舍楼向西缓慢倾斜，说明底部土层在处于蠕变状态，岩溶地面塌陷现状仍处于不稳定状态，致使建筑物地基仍存在不均匀沉降的变化，使建筑物倾斜、墙体开裂的现象仍在加剧。

4.4 岩溶地面塌陷发展趋势

塌陷区处于岩溶发育强烈区,地貌属于冲洪积阶地地貌，位于地下水和地表水联系比较密切的区域，岩溶、节理裂隙发育，致使浅部岩层的透水性好；同时，塌陷区位于所在区域水位水文地质单元的径流区，地下水径流活跃，地下水位升降频繁。随着地下水位的升降及流动，土层容易受到潜蚀作用，细小颗粒被冲刷带走，形成土洞，同时下伏溶洞的充填物也容易被地下水带走，形成空洞，长此以往或将引发溶洞顶板坍塌，造成空洞加大，当空洞扩展到无法支撑上覆土层时，发生新的岩溶塌陷。

5 地面塌陷治理方案

参考前人工程的治理方法[5]，对建筑地基基础治理的措施[6]，结合本工程的特点，采取注浆封堵[7]的方式进行地面塌陷治理，具体步骤如下：

（1）应立即拆除已塌陷区内的受损构筑物及注浆区域内的围墙段以方便应急抢险施工。塌陷区周边建筑应立即布置监测点，做好塌陷区周边已建建筑物的沉降、位移及裂缝监测。

（2）对已塌陷区回填采用浓水泥浆自流的方式进行灌注，采用普通硅酸盐水泥，水灰比不大于1：2；初次灌浆满后，当浆液析水、液面下降时,应进行多次补浆直至将已塌陷区灌注填满。若灌浆水泥用量超过100t，应在水泥浆内加入适量的水玻璃后再进行灌注，也可选择C15细石混凝土等材料进行灌注。

（3）勘查孔注浆，共8个孔，孔深28m～36.4m，待勘查结束后，采用水泥浆自流的方式进行注浆，注浆用水泥标号采用P.042.5普通硅酸盐水泥，水灰比宜为0.75：1，注浆流量宜为15L/min。每孔水泥用量超过150包或溶洞规模较大时，可以采用灌混凝土封堵或灌砂浆、细石混凝土方式或注浆液掺入速凝剂（水玻璃）来提高注浆效率，减小浪费。

（4）注浆加固：待已塌陷区灌浆材料初凝后，再沿塌陷区周边布置灌浆孔，分5批次灌孔施工，其中1批灌孔用于宿舍楼地基加固；本项目均采用引孔压力注浆，设计注浆点分布图见图4。

图4 设计注浆点分布图

6 监测方案及数据分析

本项目布设沉降监测点、倾斜监测点和裂缝监测点对塌陷区及周边进行监测。沉降观测点布设在建筑物主体或各构筑物的阳角上，沿外墙10m～20m处或每隔2～3根柱基，以及高低层建筑交接处布设；倾斜观测点布设在受塌陷区直接影响的宿舍楼四个边角的顶部；裂缝监测点布设在建筑物及周边地面裂缝两边。

观测周期为施工期间或变化未稳定期每天监测3次，塌陷区稳定后可根据适当减少观测次数，但需增加巡视；当观测沉降速率小于0.04mm/d方可停止监测。本项目监测预警值为建筑物基础沉降累计值≥200mm，相邻柱基垂直位移差0.002L，整体倾斜值0.002。

本文以沉降监测数据为例分析（见图5），起初地面塌陷发生后，沉降量逐渐增大，沉降速度也在增大，当第1批注浆完成后，塌陷区地层开始趋于稳定；强降雨引起地下水位的变化使地层再次处于不稳定状态，通过2、3批的注浆，虽然加固了宿舍楼的地基，但沉降现象无明显改变，故对塌陷影响区域的外围进行了1次注浆加固（第4批），沉降速度开始减小，地面塌陷得到了控制。为尽快恢复学校对该区域使用，对建筑物周边及塌陷区再次注浆加固，有沉降曲线可知地面塌陷得到了有效控制，并且在3d后达到了终止监测的条件。

图5 沉降监测图

7 结语

本次地面塌陷形成的塌陷坑平面近圆形，直径约15m，属小型岩溶地面塌陷坑。主要由岩面附近浅层溶洞、溶洞顶板坍塌及基岩面附近土体中的土洞扩大引起，受岩溶发育程度、地形地貌、地层岩性、地质构造及地震、地下水运动、人类工程活动等因素影响，随溶洞顶板坍塌，基岩面附近土体中的土洞逐渐扩大，两者贯通形成更大的空洞，当该空洞的顶部变薄到无法支持上部土层而坍塌时，形成了这次岩溶地面塌陷，属于土层塌陷与岩层塌陷综合作用形成的地面塌陷。

塌陷区场地及周边属岩溶强烈发育区，地质条件复杂，塌陷坑现处于不稳定状态，若不及时治理，学校房屋、设施将会加重损坏程度。

采用拆除塌陷区上损毁建（构）筑物、塌陷坑回填、塌陷区周边分5批注浆处理的措施，使得塌陷区地面恢复，并减小消除塌陷区的危害。通过监测数据分析，发现周边沉降变化量逐渐归零，周边房屋裂缝不再扩大，房屋整体不再继续倾斜。故本项目治理方案是切实有效的。

回顾本项目，不难发现岩溶塌陷的发育、治理始终与地下水位变化相关，故岩溶地区需要控制地下水位的变化量。而发生岩溶塌陷的场地，制定合理的注浆步骤，应短时间内完成封闭式注浆，减小地下水位变化对塌陷区的不利影响。