摘要：覆盖层中形成的土洞是移民安置区房屋建设的主要工程地质问题之一。通过地质测绘、钻探和孔间电磁波测试手段，探测工程区土洞36个。对场地内覆盖层中土洞的成因、分布规律进行分析，发现土洞三维空间上有一定的随机性，大体沿地下水变动带和渗流通道伸展发育，根据研究结论对房屋建设基础型式的影响进行论证评价，并提出地基处理措施。
关键词：土洞；分布规律；成因；处理
前言
西部某移民安置区规划面积1.17km2，规划安置人口12064人；发现土洞的地块面积约0.08 km2，占6.8%。该地块房屋建设由25幢17层高层住宅及单层整体地下室组成，拟采用钻孔灌注桩基础，桩径φ600mm，柱下最大荷载2200 KN。场地地下水埋藏深，采用地质测绘、钻探、连通试验和孔间电磁波测试手段，了解土洞地层岩性与结构、地质构造、地下水发育状况、人类工程活动情况和诱发因素等各种条件，共发现土洞36个，土洞规模较小，顶板塌陷现象不发育，但土洞多位于桩身或者桩端以下，处理不当可能引起桩端以下土洞坍塌从而危及上部建筑物安全。因此，场地土洞的成因机理及分布规律对房屋建设具有重要的现实意义。
1、工程地质条件
工程区位于金沙江右岸冲洪积垫高造地台地上，地面高程821.6~831.3m，地形平缓开阔。场地覆盖层深厚（钻探探明厚度733.18m），岩土种类较多，勘探深度内从上到下层为①压实填土：近期人工分层碾压形成，呈稍密~中密状，重型动力触探修正后4.6~15.4击，平均值10.8击，层厚0.3~9.1m。②层粉质粘土：可塑状，标准贯入8~24击，平均值15.8击，层厚0.2~4.4m。③层中砂：中密状，局部稍密，标准贯入7~19击，平均值12.9击，层厚0.4~7.8m。④层角砾：中密状，重型动力触探修正后6.1~21.1击，平均值12.8击，层厚0.3~10.0m。⑤层碎石：灰黄~土黄色，中密~密实状，局部泥钙质胶结，块石含量5~15%不等，碎石含量40~65%不等，砾石含量10~20%，成分为单一的灰岩，重型动力触探修正击数6.0~25.4击，平均值12.8，层厚大于17.1m；土洞均位于该层中，埋深一般在28.0~42.6m（对应高程约782~798m）之间。⑥层粉质粘土：可塑~硬塑，厚度大于8.05m。
2、土洞的分布规律
为查明场地土洞的分布和成因情况，场地内勘探孔按25m*25m网格布设，勘察中发现土洞规模较大时，再其周边加密钻孔，钻孔内进行孔间电磁波CT。该场地281个钻孔共28只钻孔发现土洞，占比9.96%，土洞共计36个，土洞均无充填物，土洞上部碎石层多胶结。
场区土洞主要由地表水入渗和后山灰岩地下水，潜蚀土体带走细颗粒物质而形成，虽然在平面分布上随机性大，其也有一定的规律性：①土洞发育在崩坡积灰岩碎石层中；②各个土洞基本上无充填，洞顶部位受雨水淋漓作用形成钙质胶结一般~良好；③土洞位于地下水变幅带内，分布大体沿渗流通道伸展，连通性较好，在洞底部分有砂和细颗粒沉积物；④多发育在地势较低的洼地中。
场区土洞主要由地表水入渗和后山灰岩地下水，潜蚀土体带走细颗粒物质和自身溶蚀而形成，虽然在平面分布上随机性大，其也有一定的规律性：
（1）土洞发育在崩坡积灰岩碎石层中；
（2）各个土洞基本上无充填，洞顶部位受雨水淋漓作用形成钙质胶结一般~良好；
（3）土洞位于地下水变幅带内，分布大体沿渗流通道伸展，连通性较好，在洞底部分有砂和细颗粒沉积物；
（4）多发育在地势较低的洼地中。将钻孔掉钻次数、孔间电磁波CT中土洞发育的程度，场地中土洞主要发育8个区域（R1~R8），R2、R3、R5土洞较集中和连通性好，其余区域多零星发育。
3、土洞的形成原因
工程区属亚热带与温带共存的高原立体气候，降雨主要集中在5月~10月。场地原始地形较平缓，土洞均分布于⑤层碎石土之中，主要为第四系冲洪积和崩坡积层的混合形成，碎石土层具级配差、孔隙高（大于0.85）、透水性强（1.8cm/s~5.5cm/s）、强度低、均一性差，碎石成份为灰岩，具有可溶性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆钻探揭示上部多为角砾和中砂，下部为中密~密实状灰岩碎块石，碎石下部有厚8m的相对隔水⑥层粘土。场地位于大龙潭泉水和小龙潭泉水之间的径流区，地下水水力坡度小，地下水位处于粘土层之上，土层在垂直大气降水与地下水共同作用下，地下水变动带的水力坡度超过临界水力坡度时，地下水通过土层的孔隙不断的进行机械潜蚀和溶滤潜蚀作用，碎石土层中粉粒首先被冲刷携带走，灰岩碎石的溶蚀化，随后粗颗粒塌落至土洞底部，细小的渗透通道逐渐发育成相对集中地下水渗流通道，逐渐拓宽形成大小不一的土洞。
土洞发展过程中，洞内塌落土体若没有立即被地下水流带走，洞顶塌落物松散使孔隙比变大，存在填满洞体的空间的可能，对土洞起到一定的天然支撑作用，使土洞无法继续向洞顶和两侧发展，土洞处于暂时稳定状态。因此，在土洞的形成过程始终存在着地下水的搬运与塌落物对洞体和岩溶通道堵塞的矛盾，当搬运大于堵塞，土洞就继续发展，反之，土洞就暂时停止。可想而知，场地内的土洞埋深较大，土洞塌陷发展到地表的难度较大，不会影响到地表的构筑物，但受水库蓄水地下水的升降对土洞的坍塌将直接影响桩基础。
4、土洞对建筑地基的影响分析
从土洞的分布图1看出，场地部分高层建筑和地下室位于土洞发育区。场地土洞分布的⑤层碎石为场地主要地基土层，工程性能较好，是拟建高层建筑的桩端持力层；设计单桩承载力试算，拟采用Φ600mm钻孔灌注桩所需桩长约20m~30m，土洞埋深一般在28.0m~42.6m（对应高程约782m~798m）之间，大多土洞位于桩端以下8m~15m，部分位于桩身、桩端处；这样将直接影响桩体自身的稳定性。另外，场地位于水库旁边，水库运行水位长期在785m～825m之间，场地的地下水将随水库水位的升降而变化，库水浸泡和水位涨落不仅会降低土层物理力学性质和沉降变形，而且地下水力坡度的变化加速机械潜蚀和灰岩溶蚀搬运，经过一段时间后引起土洞进一步扩大，最终塌陷。高层建筑上部荷载大，处理不当可能引起桩端以下土洞坍塌，从而影响建筑物基础的安全和可靠性。
5、处理措施
该场地共有28个钻孔发现有土洞，见洞率约9.96%，地层岩性以碎石土为主。场地土洞埋藏较深，不能采用明挖回填素填土、毛石换填和强夯进行处理，需结合构筑物桩基础型式，采用合适的桩型和灌浆回填措施，消除土洞安全隐患。
（1）如采用冲抓锥成孔设备操作简易，适用于黏性土、砂土、砂黏土夹碎石，及粒径50mm~100mm含量在40%以内的碎卵石层，施工过程中碎石层易发生坍塌，影响周边紧邻构筑物的安全。静压管桩穿越碎石层难度大，土洞发育段难以处理，影响工程质量。
（2）可通过桩基础桩径的改变，将桩径变大，桩长缩短，减少土洞对基础的直接影响，但需考虑水库蓄水对土洞的环境改变带来的影响
（3）对场地土洞发育区域Rl~R8进行一桩一孔的施工勘探，受水库蓄水水位变动会加剧灰岩碎块石土层潜蚀、溶蚀及土洞进一步发展，钻孔终孔深度按高程780m控制，预计孔深约42～49m。
（4）对于桩身段出现土洞的情况，桩基施工中采用砂土石、砂浆或混凝土充填；土洞空腔过大无法充填密实时，可采用下套筒浇筑桩身混凝土。
（5）土洞出现在桩端以下5m内的，通过加长桩长穿越土洞，采用砂土石、砂浆或混凝土充填土洞。土洞出现在桩端以下5m之外的，考虑利用超前钻探孔，进行回填灌浆处理。
6、结论
土洞的形成原因与场地地形地貌、地层岩性、地表水的渗透、地下水的活动等因素有关，地下水变动带的水力坡度超过临界水力坡度是主因，加之灰岩碎石的溶蚀作用容易形成土洞发育。土洞三维空间上有一定的随机性，大体沿地下水变动带和渗流通道伸展发育。对土洞施工勘探、回填灌浆处理是改善桩基础条件的有效手段。
参考文献：
[1]韩庆之，曾克峰，梁杏.特殊的地表岩溶形态及成因探讨[J].中国岩溶，1998，17（4）：392-396.
[2]工程地质手册（第五版）[M].中国建筑工业出版社2018.
[3]顾晓鲁，钱鸿缙等.地基与基础（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社1993.
[4]丁春林，甘百先等.含土洞、溶洞的机场滑行跑道路基稳定性评价[J].岩石力学与工程学报，2003，22（8）：1329-1333.
论文作者:王平
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/20
标签：地下水论文; 碎石论文; 场地论文; 钻孔论文; 土层论文; 中土论文; 坡度论文; 《基层建设》2019年第24期论文;