浅谈土洞成因及地基处理措施

浅谈土洞成因及地基处理措施

刘小明

湖南省核工业地质局301大队430114

摘要：土洞是可溶岩地区特有的不良地质作用在上覆土层中形成的洞穴，它是造成地面塌陷等地质灾害的主要诱因，已成为覆盖型岩溶区工程建设的主要病害。根据多年工程实践经验，对岩溶地区覆盖型土洞的成因、分类、发育规律及勘察方法进行了分析，提出了其评价方法及地基处理措施。

关健词：土洞；成因；处理

土洞是埋藏在覆盖型岩溶地区上覆土层内的空洞，其继续发展会造成地表塌陷，是一种常见的不良地质现象。由于土洞形成的地表塌陷具有地点的隐蔽性、时间的突发性,征兆隐秘等特点，危害极大，湖南省境内部分地区属浅覆盖岩溶区，尤其是采空区影响范围为岩溶土洞地面塌陷等地质灾害易发区，因岩溶作用诱发的土洞地面塌陷时有发生，对地面和地下建构筑物、道路及附属设施、管网，以及村庄农田等造成严重破坏，给人民生命和财产造成巨大损失，并严重破坏地质环境，生态恢复治理困难。对工程建设场地的稳定性影响十分严重，威胁建筑物的安全正常使用。因此如何对土洞的成因机理、分布特征、发育规律及地基处理措施进行研究，在学术讨论与实践应用中都具有重要的意义。。

1、土洞的形成过程

土洞的形成因素主要有两种：一是内在因素（包括土的结构、构造、水文地质条件、基岩岩溶发育情况等），它们对土洞的形成起决定性作用；二是外部成因（包括天然和人为因素引起的地下水位变化所造成的潜蚀作用），它们是土洞形成的“催化剂”，其形成过程如下：

（1）在岩溶地区，地下水动力条件发生变化时，原来被堵塞的落水洞，裂隙口及与其相连的下部排水通道复活，重新成为地下水集中活动的地段；

（2）地下水位上升，遇抗水性差的土，溶蚀作用加强引起土体强烈崩解，崩解物部分顺喇叭口落入下部溶洞中，初步形成上覆土层中的土洞；

（3）地下水继续作用，土颗粒沿岩溶洞穴裂隙被带走使上层土中的空洞逐渐扩大，向上呈拱形发展；

（4）土洞进一步扩大，空洞向地表发展，顶板渐薄到不能支持上部土的重量时便突然发生塌落；

（5）塌陷后，地面便成为地表径流汇集的场所，大量冲积物日益堆集，使底部逐渐接近蝶形洼池；

（6）土洞在形成过程中，沉积在洞底的塌落土体有时不能被带走而堵塞通道，若潜蚀作用大于堵塞作用，土洞继续发展；反之土洞就停止发展。因此，不是所有土洞都能发展到地表塌陷。

2、土洞的分类

目前，国内尚无系统、完整的土洞分类方法，根据多年工程实践经验，按照土洞所处的水文地质分带、形成因素、埋深将土洞分类如表1所示。

表1土洞分类表

3、土洞的分布规律

（1）土洞是岩溶作用的产物，其分布受岩性、岩溶水、地质构造等因素控制；

（2）土洞发育地段其下覆基岩中必有岩溶水通道，这通道不一定是大的空洞，与洞底连通的往往是溶蚀沟槽、上宽下窄的溶蚀裂隙；

（3）土洞的发育速度、规模与地下水动力条件、升降幅度及频率有关，土洞常沿构造断裂带发育；

（4）土洞常沿地下水主要径流方向分布，多形成于地下水抽水量急剧变化期间；

（5）土洞常分布溶沟两侧、落水洞、石芽侧壁、溶槽、溶蚀残丘坡麓地带；

（6）土洞多分布于岩土交界面附近，常发育于抽水降落漏斗范围内。

4、土洞的勘察

凡是岩溶地区有第四纪土层发育时，都要注意土洞的发育可能性。勘察方法应该以工程地质测绘和地球物理勘探为主，辅以钻探和触探等手段加以验证，必要时结合室内物理模型实验和数值模拟。

（1）工程地质物探：按不同的工作目的开展多种比例尺的工程地质测绘，比例尺通常为（1：2000）~（1：5000），用于了解土洞可能发育的各种条件：

①区域地层岩性与结构、地质构造；

②地下水开采状况、人类活动情况；

③诱发因素、产生的地质灾害调查。

（2）地球物理勘探：采用电探为主，地面物探与井下物探相结合，根据不同的地层的地质条件、水文地质条件及拟解决的地质问题，选用有效的物探方法，尽可能采用效果好的新技术新方法，如地质雷达、浅层地震、高密度电法、瞬间电磁法等；

（3）钻探：布置适量的钻探工作，主要用于验证物探异常情况，查明土洞发育带，并结合取样、抽水试验及综合测井等多种方法取得有关参数，勘探孔数量应为物探异常点的15%~20%，以揭露浅部岩溶发育带为原则。

当基岩埋藏浅，地下水位埋藏在基岩中时，且上覆土层小于30m时，钻探深度应深至基岩面；当基岩埋藏深，钻孔深度应大于30m。如基岩中溶岩发育时，钻孔深度应根据研究场地稳定性的需要确定孔深；

（4）钎探、小口径螺纹钻、静力触探：通过钎探、小口径螺纹钻、静力触探与物探相结合，探明土层中土洞的分布特征，了解土层的变化，勘探点一般占物探异常点的25%~30%；

（5）室内物理模型实验及地下水流场数值模拟：开展预防研究工作，在广泛、渗入、细致的调查基础上，搜集与塌陷有关的气象、地质、环境地质等方面的资料。室内物理模型实验通过模拟试验，再现土洞发育过程，研究土洞形成机理。这是研究突发性地质灾害有效的方法，可以取得野外无法取得的数据资料。地下水流场数值模拟主要是建立工作区水文地质概念模拟，选择有代表性参数，注重数学模型与地质模型的一致性，进行模拟分析与预测。

5、土洞的地基处理方法

（1）清除换填法：当土洞埋藏较浅时且规模不大时，先挖小井清除土洞中松散充填物，然后回填夯实素填土、毛石或毛石混凝土等；

（2）跨越法：当土洞埋藏较浅时，采用钢筋混凝土梁或板跨越未经处理或已经处理后的土洞；

（3）挤密法：当土洞埋藏较浅时，将砂桩、木桩、铁管、混凝土桩打入土洞，并嵌入下部密实的土层中，使土洞中的松散土被挤密后，形成复合地基；

（4）灌浆法：对于中、深层土洞，因挖弃换填困难时，采用钻孔注浆，将土洞填实；对较大的土洞引起的地面塌陷，可采用先抛石再灌浆处理。

（5）强夯法：对于土洞发育区进行工程建设时，采用此法处理土洞，既可提高地基承载力，又能使非稳定土洞破坏夯实，是大面积处理浅层土洞群的有效措施之一。

6、土洞勘查与治理案例

湖南宁乡县喻家坳乡处于煤炭坝煤矿采空区影响范围，下伏基岩为二迭系下统茅口组灰岩，由于早期煤炭的大量开采，地下水的不断抽排，地下水位频繁变化，加大了采空区影响范围内岩溶（溶洞、溶蚀裂隙等）的通道的连通性，以致上部覆盖土层土洞的形成，因近几年煤矿关停，地下水位上升，地下水对土洞侧壁及顶板的侵蚀潜蚀作用，使土洞顶板越来越薄，诱发地面塌陷。2015年5月下旬喻家坳乡涌泉山村罗塘组两村民住宅中间地面形成的直径约5米的近圆形塌陷坑，深度在20米以上，属于典型的岩溶作用形成的土洞，诱发地面塌陷，以致邻近居民房屋地基失稳，墙体出现开裂，严重影响邻近村民的生活生产安全。

针对该组片区出现的不良地质现象，对该片地区采用地质雷达勘查与地质钻探相结合的手段，在塌陷处的南侧及西南侧发现并确认了浅部土洞两处，对出现的塌陷坑采用先抛块石、砂卵石，再灌注速凝混凝土逐步充填到离地面约2米，然后回填粘性土，对发现的浅部土洞采用灌浆处理。处理后对邻近建筑物进行了6个月的位移与沉降观测，墙体开裂得到了有效控制，几年来该片区再未出现地面沉降与塌陷的地质灾害现象。