范世凯在铁四院的讲座岩溶与工程.doc

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1、 岩溶与工程一、 岩溶地质现象的基本理论知识（一） 定义、类型、成因定义：岩溶（喀斯特）是指碳酸盐类可溶岩岩石（石灰岩、白云岩、大理岩、碳酸盐质砂岩或砾岩等）在地表、地下水的作用下，在漫长的地质历史中形成（溶解CaCO3及冲蚀）各种形态的沟槽、溶隙、空洞、管道等的地质现象。大型溶洞的形成还伴随崩塌作用。类型： 地表溶沟、溶槽、石芽、石林、溶蚀洼地 地下 垂直类型落水洞、天然井、漏斗、天坑等 水平类型溶洞、管道、地下河、钟乳石、石笋等成因：有节理、裂隙的岩体本身含有一定数量的CaCO3和水中含有的CO2和H+离子是产生溶解作用的主因。碳酸盐岩的溶解作用1、（主要是水中的CO2，在水中导出H+离子

2、）CaCO3在CO2水溶液中的电离CaCO3+CO2+H2O DCa2+2HCO3 （1）（Ca离子被溶解、分离溶蚀）2、CaCO3在水中分离：CaCO3DCa2+CO32 （2）CO2溶入水形成碳酸后电离：CO2+H2ODH2CO3DH+HCO3 （3）3、（1）式可写作：Ca2+ +CO32+ H+ +HCO3D Ca2+ +2HCO3其本质是CO2的作用在水中导出H+离子后才造成碳酸盐的溶解。所以，水中H+增加（PH值减小），CaCO3的溶解度也相应增大。理论研究表明：PH6.36时，水具强侵蚀性；PH值从6.368.33时，水侵蚀性由强变弱；PH接近或10时，水中H+已减少，渐失对Ca

3、CO3的侵蚀能力。CO2是岩溶的主要因素，H+离子源（其他）也要考虑。4、溶解作用中的影响因素（1）温度效应：碳酸盐岩在不同温度时，溶解度是不同的白云岩溶解速度有一部分在60C时最大，另一部分在40C最大；石灰岩、大理岩在40C时溶速最大；高温（80C）或低温（0.5C）溶速较低，可见4060C岩溶发育最有利。统计表明，温带区碳酸盐溶解最强；白云岩溶解需要更高温度（因为CaCO3 与MgCO3）温带区白云岩岩溶差。湿热带CO2含量高，所以溶蚀快；极寒带、高山区CO2含量低，所以溶蚀慢；（2）流速和浓度梯度岩、水界面处首先溶解，饱和后如不散开即形成保护膜，所以流速大小决定溶速，流速小时，浓度梯度

4、起作用。（3）离子效应：a、在同一容积溶液中加入相同离子盐时（在HCO3中加入白云岩，CaCO3析出，CaCO3的溶解度降低）同离子效应；b、溶液中加入不同离子盐（FS2或SO42）溶解更强烈，所以黄铁矿含量高时岩溶发育强烈（如乌江渡三叠系深岩溶相邻砂页岩含黄铁矿）异离子效应。总之，温度、流速、离子等因素相互消长的复杂作用要综合分析。（一） 岩溶发育的基本规律（岩性、构造、水循环）1、岩性：（易溶性）随CaO增加而提高，随MgO增加而降低（当CaO20%时呈线性）CaO/MgO比值愈大，愈易溶。如北方奥陶系马家沟组灰岩CaO达50%，方解石占95%100%，最易溶。2、构造：因为地下水在裂隙内

5、流动过程也是岩溶作用过程裂隙溶蚀扩大（1）沿断裂张、张扭、充填隔水，或断层一盘地层阻水。（2）沿褶皱轴背斜纵向张性带（管道），向斜横张带发育倒虹吸状管道。（3）沿层面和非可熔岩界面3、河流排水基准面：（现代河）（1）成层性阶地对应，如：乌江干流五级阶地对应5层水平洞，湖北恩施腾龙洞上下两层地下河（为河流下切过程中形成的）；南盘江的纳贡暗河（19km），三个出口（440m、473m、520m）对应三个相对稳定期，大溶洞（深140m）有5个台阶（对应5级阶地侵蚀基准面），湖北恩施清江腾龙洞有两层，上层干涸，下层水洞。（2）深岩溶随河流纵剖面中地下水比降，比降大，水动压大、水循环深、则岩溶深；（乌江

6、渡电站左岸深岩溶在河床下230m长江中下游则相反）4宏观不均一性（相对概念）相对均一：（1）溶隙密布地段；（2）发育十分强烈地段，各种溶隙、管道密布，形成网络状不均一：其他情况如透水性不均（K值相差很大）即强、弱岩溶蚀密布5、岩溶水运动规模的基本类型（1）溶隙型溶隙5cm以上，延续好，近似达西定律；（2）脉管型溶隙520cm，不符合达西定律；（3）管道型溶隙大于20cm，汇流面为非渗流，不符合达西定律；6、岩溶率及发育强度划分岩溶率：是指一定范围内岩溶空间的规模和密度。岩溶率在一定程度上反映岩溶发育的强度及方式，分为：点岩溶率：单位面积内岩溶空间形态的个数；线岩溶率：单位长度上岩溶空间形态的百

7、分比；面岩溶率：单位面积上岩溶空间形态面积的百分比；体岩溶率：孔洞体积占测量可溶岩体积之百分比钻孔岩溶揭露率：在一定深度或层位的条件下，揭露到孔洞的钻孔占勘探钻孔总数的百分比。以上5种岩溶率指标，主要适用于高原或高山峡谷区、岩层大部分裸露、溶洞形态可见或可进入的岩溶区。而对于第四系下的隐伏岩溶，、两种比较适用。尤其是线岩溶率应作为主要指标，而钻孔岩溶揭露率往往夸大岩溶发育程度。如武汉地区，见洞率多超过70%，但线岩溶率多小于10%，且大部分充填或半充填，故应属中等发育或弱发育。贵州省公路规程的划分见下表：按岩溶分布与发育强度的岩溶地基分级 岩溶形态级 不利别 影响岩溶洞隙土洞与塌陷岩溶水岩面起

8、伏覆土厚薄不均地基稳定地基稳定施工及施工条件不均匀变形强烈地表个体岩溶密度5/km2、勘探点见洞隙率60%、钻孔线岩溶率10%、洞隙中有水活动，未或半充填，有近期塌落物。属覆盖型强烈发育岩溶路段，地下水位波动于岩面附近，雨季变幅大流速快，地表见塌坑洼地近期有发展和新生。类型多并具水力联系，水位高、水量大随季节变得明显、水流具较大的渗透力。岩面起伏大时有外露、隐伏的溶沟（槽）分布密度大、宽大于2.0m，深大于5.0m，且底部有软弱土分布。中等介于上、下两类之间微弱地表岩溶密度1/km2、勘探点见洞隙率30%、钻孔线岩溶率3%、洞体充填，无地下水活动，属中等或弱发育的岩溶路段、地下常水位低于岩面、

9、地表未见塌坑，土层厚、无软弱土水位及季节变幅均再岩面以下，水力坡度平缓，水量小（小于0.5l/s）。岩面埋藏浅、起伏平缓或上覆土层厚（大于10m），且无软弱土。要指出的是，岩溶发育强度的划分是相对的。应当根据工程类型（隧道、地基或场地稳定性）的要求进行有针对性的划分。（二） 岩溶水动力的垂直分带岩溶水动力分带必然对应着某些岩溶类型，这是一个问题的两个方面，而岩溶水及其动力特征是人们最关注的重要问题，因此通常以岩溶水动力的垂直和水平分带来表达岩溶的空间分布规律。1、 岩溶水动力的垂直分带2、 两种表达方式河流两岸和河间地块的分带，其规律基本一致。图1 岩溶水的垂直分带示意图岩溶类型以垂向类型如溶

10、隙、漏斗、落水洞或溶沟、溶槽为主地下水以垂向渗流为主，水平联系很弱地下水以水平运动为主，水平联系很强水平溶洞或地下河1.表层岩溶带 2.包气带 3.季节交替带 4.浅饱水带5.压力饱水带 6.深部缓流带 7.季节性下渗管流水 8. 季节性有压管流水9.有压管流涌水 10.有压裂隙水 11.隧道水 12.地下河图2 分水岭（河间地块）岩溶水动力分带与隧道涌水图1（摘自地貌学及第四纪地质学1981.1.地质出版社）为河谷两岸的岩溶水垂直分带图示；图2（摘自隧道岩溶涌水预报与处治2010.5.广西师范大学出版社）为河间地块岩溶水动力分带与隧道涌水图示。两图时隔30年，人们对岩溶及岩溶水的空间分布规律

11、的基本认识并无本质区别。表明20世纪80年代以前地貌学中对岩溶水的分带是科学、合理的。为此，我们不妨仍以1980年代以前地貌学中“岩溶水垂直分带”为基本分带来认识岩溶水的分布规律。垂直循环带（又称充气带、含表层岩溶带）：位于地表以下，最高岩溶水位以上。为降水（雨、雪）垂直下渗带，水流以垂直运动为主。其岩溶主要为垂直形态（溶沟、溶槽、竖向溶隙、落水洞、天然井等）。如有局部隔水层时可形成上层滞水，相应形成局部水平通道，出露时可形成悬挂泉。此带厚度取决于当地排水（侵蚀）基准面，其深度大时，此带厚度也大。如鄂西山区此带厚度达数百米，而平原区仅数十米。季节变化带：为最高岩溶水位与最低岩溶水位之间的地带（

12、旱季为充气带，雨季为饱和带）；水流呈垂直运动和水平运动交替出现；岩溶形态和岩溶水通道也是垂直与水平交替出现；其厚度，在滨河地带受河流高低水位控制。在分水岭地带则受岩溶化程度控制，岩溶化程度强则此带厚度小，反之则大；全饱和带：为岩溶最低水位以下，受主要排水河道所控制的饱和层。按水流方向不同可分为两个亚带，即：上部水平循环亚带大致位于河床以上，地下水流向河谷方向，大致呈水平方向运动（亦称浅饱水带）。水平岩溶通道发育，水流形式以脉状流或管道流（地下河）方式流动。此带厚度有从补给区向排泄区加大的现象；下部虹吸管式循环亚带（压力饱水带）大致位于河床以下，地下水具承压性，水流以虹吸管式顺裂隙向谷底减压带缓

13、慢排泄。此带深度受岩溶水位的水力坡度影响，水力坡度越大，此带深度越大。因此，在弱岩溶化地区（水力坡度大）地带深度较大，而强岩溶化地区（水力坡度小）情况则相反。深循环带（深部缓流带）：此带水流方向不受附近水文网排水作用直接影响，而是由地质构造决定。水流运动缓慢，岩溶作用也很微弱。在漫长的地质时期中形成小溶洞和蜂窝状溶孔。由上述各带地下水运动方式、方向及强度的差别可知，岩溶作用最强烈的地方在地方在地下水水面附近。因此，季节变化带和水平循环带是岩溶作用最强烈的地方，也是岩溶带水最活跃的地方。（三） 岩溶水动力的水平分带在一片较大范围地区，针对某一河流（湖、海）的侵蚀基准面而言的岩溶水系统而言，水平方

14、向上可划分为补给区、补给径流区和排泄区。具体特征如下：补给区多处于分水岭地带，常有岩溶洼地，强降水使洼地积水，可造成季节性突水、涌泥（季节性）补给径流区地下水埋深增大，浅饱水带岩溶发育强烈，岩溶发育深度较浅，产生管道状涌水，受降水影响明显（如无雨期1000方/d，大雨期7200方/d野山关白岩洞暗河）排泄区包气带厚度大、饱水带水平管道发育。特别是岩溶深度加大，可在暗河口以下或河水面以下形成倒虹汲循环带，随钻孔深度加深，钻孔水头升高说明地下水有向上运动的趋势，此带岩溶发育深度可达暗河口以下百米至数百米。隧道在暗河排泄区下面通过，往往会遇到高压涌水，导致暗河口干涸。综上所述，岩溶发育及其水动力分带

15、所代表的岩溶形态、发育强弱程度和岩溶水动力特征是非常明显的。掌握这些宏观规律至关重要。我们所在地区和某类工程所涉及的深度内，只要确认了所处的水平及垂直分带的归属也就掌握了岩溶的基本规律，在此基础上再进行具体、深入的研究，就可以得出合理的评价和可靠的工程措施。（四） 岩溶不良地质现象对工程影响的主要方面1、覆盖层下伏岩溶所导致的地面（表）塌陷。这是影响施工和破坏环境最严重的一种灾害；2、地下洞施工中，溶洞、管道、地下河突水、冒泥，洞穴充填物冒顶、片帮、底板下沉或脱空等是隧道、洞室施工中的主要障碍。其中突水、冒泥是最大危害；3、天然地基或桩基持力层的稳定性问题，桩端完整岩体厚度不足时刺穿或压塌下方

16、溶洞顶板；4、水库渗漏、绕坝渗漏以上四方面不良影响应根据不同环境和工程类型对号入座进行具体、深入分析、评价。二、 武汉地区岩溶的基本规律和岩溶水动力特征（一）武汉地区石灰岩分布条带 武汉市主城区自北向南主要有三条石灰岩带横跨长江呈近东西向分布，其余为零星分布（见图3）。北部：自岱家山、谌家矶（长江左岸）至蒋家墩、武汉钢铁公司（长江右岸）。东西长约17km，南北宽约0.82.8km。此带上没发生过岩溶地面塌陷。中部；汉阳邹家湾经十里铺、龟山北（长江左岸）至蛇山北、武汉大学、蚂蚁嶂（长江右岸）。东西长约35km，南北宽约0.52.0km。此带也没发生过塌陷。南部：自汉阳太子湖至武昌陆家街、武太闸及

17、南湖广大地区。东西长约35km，南北宽约4.05.0km。这片石灰岩是武汉地区最宽广的条带，武汉市历年发生的塌陷全都处在这个条带上。（图3）此外，在汉南区也有一条东西向狭长的石灰岩条带。上述几个条带中，北部及中部条带从来未发生过塌陷。有史以来十余起塌陷基本上都发生在南部条带和汉南条带上。图3 武汉市区碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组分布图（二）武汉地区岩溶发育历史及岩溶分带1、 平原区隐伏岩溶研究的几条基本方法（1） 地区岩溶是在基岩裸露时期，石灰岩体直接接受降水并与相邻河流之间无覆盖层阻隔情况下进行水循环才形成岩溶系统及水动力分带。因此，研究武汉地区岩溶必须首先 “扒掉”第四系覆盖层，恢复基岩裸露时

18、的古地貌形态（河谷、河间地块）；（2） 根据地貌学的“年间法”和“相关沉积法”或更精确的绝对年龄法（C14、钾铔法、热释光和光释光法及古地磁法等），确定基岩之上第四系土层的形成年代，进而推断基岩地貌的剥蚀侵蚀时代；（3） 平原区历史上形成的岩溶形态及分带，在其后地质年代中沉积的各类土层覆盖下已基本停止发展，其岩溶水动力条件已因覆盖层封堵而大大改变，但原来的垂直及水平分带没变。所以第四系覆盖下的岩溶地质与水文地质分析研究应以历史上形成的岩溶形态及分带为基础。2、 武汉地区岩溶的几个基本特征（1）按照地貌学中“年间法”和“相关沉积法”原理，可推定：武汉地区岩溶形成的地质时代是在早更新世（Q1）时期

19、长江河谷下切阶段。其主要根据是，基岩面之上最老的第四系覆盖层为中更新世（Q2）老粘土或二元结构的古河道沉积层，说明之前的早更新世的武汉长江主要是处于侵蚀下切，岩溶正是在这个时代形成的，而在中更新世之后（Q2Q3Q4）则是覆盖、封闭时期（如图4）；图4：地铁3号线越汉江段地质剖面图（2）武汉地区岩溶的垂直分带目前了解到的长江在早更新世（Q1）时期的最大下切深度近100m左右，即高程约-80m，如在江汉六桥基岩深96.7m，长江两岸的阶地下基岩埋深在2030m左右，再根据岩溶形态特征及发育深度可断定：长江两岸石灰岩浅部岩溶属于“表层岩溶带”（如图5）图5：中更新世前长江岸上石灰岩岩溶分带示意图应当

20、指出，上面的分带是早更新世（Q1）时期岩溶发育期的分带。后期覆盖后的情况则因所处的地貌单元（长江一、二、三级阶地）不同，其水动力特征及其工程特征不尽相同。（3）浅部（表层）岩溶带的岩溶发育特征由于武汉地区第四系覆盖层下的石灰岩浅部处于“表层岩溶带”（形成时属于包气带）和基岩地质构造为强褶皱的陡倾角（6080）岩体，这两个因素决定了岩溶发育的垂直特征，即岩溶形态以垂直溶隙和溶沟、溶槽为主。垂向溶隙或溶洞表现为高度尺寸大，横向尺寸小的特点。也由于岩溶形成后至今的漫长地质时代（Q2Q4），石灰岩面以上接受第四纪沉积过程中使溶洞大部被充填或半充填，这已被大量勘探工作所证实。另外，由于岩溶形态以垂直类型

21、为主，仅个别地段因相对隔水层的存在而发育成局部的水平溶洞，故总体上岩溶之间的连通性较差。这种特点也为隧道施工（如地铁2#线虎泉至鲁巷段矿山法施工）所证实。总之，武汉地区基岩浅部岩溶具有垂向发育、大部被充填和水平方向连通性较差等特点。但应指出，长江两岸的临江地段，因处于水平分带的“排泄区”，其岩溶之间的连通性要比远江地段强很多。3、 武汉地区浅部岩溶水动力特征及其与相关工程的关系（1）由于浅部岩溶在其形成时（早更新世Q1）是处于表层岩溶带和包气带中， 当年是处于无连续的地下水位的非含水层状态，故总体上此带基本上不存在岩溶水的水平循环运动。但由于所处的地貌单元不同，后期地质作用造成了含水性及水动力

22、状态有较大差别。具体有三种类型： 三级阶地（或二级阶地）：Q2老粘性土直接覆盖在石灰岩之上的表层岩溶带。由于降水早已被老粘性土阻隔、岩溶被充填，侧向也有一、二级阶地的冲积层相对阻隔。因此基本上出于弱含（透）水状态或包气带状态。岩溶岩体中基本上不存在稳定的岩溶水位，即使有水也是连通性很差的基岩裂隙水或岩溶上层滞水。此类地段无土洞存在时不会发生地面塌陷。矿山法施工隧道时，也不会发生突水现象，只在局部可能发生岩溶充填物坍塌或流塑状充填物“冒泥”； 一级阶地：由于石灰岩面之上覆盖很厚的全新世（Q4）含水砂及砂砾石层，这种含水层中的有压水与长江有直接的水力联系，孔隙水也直接渗入岩溶洞、隙中。因此，原来本

23、属于包气带的岩溶岩体也变成了“后成饱水带”。虽如此，但因原始岩溶发育特点属于表层岩溶带，其与上面的孔隙含水层的联系方式是垂向渗流，相互补给。易发生漏失型塌陷。 一级阶地临江（长江）地段：此段的第四系孔隙水与长江的水力联系密切，涨落频繁，与其下的岩溶水（后成的第四系含水层中下渗补给）联系密切，岩溶水也与长江有相对直接的联系。因此，临江段的石灰岩体中岩溶会有与长江之间形成局部水平通道。一级阶地临江地段，尤其是武昌岸边一带岩溶地面塌陷频发的主要原因就在于此。武昌临江地段地面塌陷频发还有另一个重要因素，即地质构造第三系断陷的存在，其边缘一带石灰岩受构造影响较破碎，则岩溶更发育。第三系断陷是近东西走向也

24、会使岩溶与长江之间的水平联系更顺畅。因此塌陷频发。三、 岩溶地面塌陷机理、类型及其发生规律（一）引言近年在一些城市圈内的隐伏岩溶分布区，岩溶地面塌陷时有发生。如武汉、广州、深圳等大城市，由隐伏岩溶造成覆盖层地面塌陷曾导致居民财产严重受损，或建筑工程停顿，或堤防受损加固，其经济损失非常巨大。其中以武汉市最为突出，2000年4月近郊的烽火村出现22个塌陷坑，造成49栋农居楼房易地重建，经济损失500余万元；2008年4月汉南纱冒镇邻近长江大堤发生地面塌陷，仅加固堤防就耗资近3000万元；深圳某体育中心，桩基施工过程中发生地面塌陷，不但使工程停顿，还增加了大量勘探工作和加固费用，总增加投资超过100

25、0万元。由此可见岩溶地面塌陷的危害之大。隐伏岩溶地面塌陷这一不良地质现象，似乎是大家都熟知的一种地质灾害。但事实证明，许多人对它的实质含义、类型、发生及分布规律并不真正了解，甚至存在一些误区。比如一遇到地面塌陷就误认为是地下溶洞发生垮塌；这类塌陷本来是一种自然的物理地质现象，人为活动在多数情况下是诱发因素，只是在特殊情况下成为主导因素。但在塌陷发生后，往往是不分青红皂白地追究人为责任，而不去深入探讨自然规律。有鉴于此，特作如下阐述。（二）定义所谓“岩溶地面塌陷”，是指隐伏在第四纪覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，且存在与覆盖层相连的通道。在某些自然因素或人为因素作用下，覆盖层物质沿着岩溶通道进入

26、到岩溶空洞中，引起覆盖土体发生漏失，导致地面出现塌陷的自然现象。这里要强调两层含义，一是“地面塌陷”，二是“覆盖层土体”塌陷，而非可溶岩溶洞塌陷。（三）机理不同地质条件具有不同的塌陷机理。最早流行的是“潜蚀”机理。上世纪80年代出现了“真空吸蚀”机理。本文提出“”潜蚀土洞冒落”机理、“渗流破坏流土漏失”机理和“真空吸蚀”机理。实际情况是三种机理并存，不同地质条件下的塌陷符合不同机理。1、潜蚀土洞冒落机理所谓“潜蚀”是泛指地下水在运动过程中不断带走土中物质的机械作用过程。覆盖层为粘性土的岩溶地面塌陷过程中的“潜蚀”一般是发生在土岩接合面附近的土中。最有利于发生潜蚀的条件是可溶岩表面存在溶沟、溶槽

27、，且岩溶地下水位已脱离基岩顶面降至岩体中而在地下水位以上存在饱气带，亦即岩面上下地下水的垂直循环带。由于基岩面的高低变化，特别是在溶沟、溶槽中易形成土层底部的小径流，在漫长的潜蚀过程中将土中物质带入溶洞中，在上覆粘性土层中形成“土洞”。当土洞顶板土层超越自撑能力时，洞顶冒落，发生地面塌陷。土洞形成要两个重要条件，一是岩溶地下水位低于土岩界面，二是土岩界面高差较大。因此，土洞多数分布在山前或山间谷地。关键词：覆盖层为粘性土；潜蚀土洞；土洞顶冒落2、渗流破坏流土漏失机理这是一种混合类型。当覆盖层为二元结构冲积层且冲积层下部饱和粉土、砂、砾石层直接盖在岩面之上时，在粉土、砂、砾石层中的孔隙水与可溶岩

28、中的岩溶裂隙、管道水发生直接联系，形成统一运动情况下，由于水位不断升降变化，尤其是岩溶地下水位或承压水头低于孔隙水位时，发生垂直向下渗流。先是在粉土、砂、砾石层中先发生潜蚀作用，形成“漏斗状疏松体”，进而因垂直渗流加剧，局部水力坡度加大，超过“临界水力坡度（icr）”时发生流土，即砂、砾石土呈流动状态漏入岩溶空洞，地面出现塌陷坑。产生流土漏失的必要条件：（1）岩溶洞（隙）未充填或半充填，且溶洞（隙）与第四系孔隙含水层有开口通道。（2）第四系含水层中的孔隙水向下渗流，此时必要条件是：岩溶水位处于土、岩接合面以下，或岩溶承压水低于孔隙水位（或承压水头）。如图6。图6.渗流与地下水位关系（3）孔隙地

29、下水向下渗流的初始阶段先发生潜蚀，即土中细颗粒被带走，形成“漏斗状疏松体”，进而渗流加剧，局部水力坡度加大，当向下渗流的水力坡度i大于孔隙含水层的流土临界水力坡度icr时发生流土，向溶洞（隙）中漏失。孔隙水的临界水力坡度icr为：icr=r/rw式中：icr孔隙含水层的临界水力坡度；r土的浮容重；rw水的容重。（4）当可溶岩基岩面之上覆盖有一定厚度的不透水粘性土（如更新世粘性土）或隔水岩石层（如白垩第三系砂岩、泥岩）时，孔隙含水层中地下水向下渗流和流土则不会发生。关键词：覆盖土洞为砂、砾石土；孔隙水向下渗流；初始阶段发生潜蚀，形成漏斗状疏松体；渗流水力坡度超过临界水力坡度时发生流土；流土向岩溶

30、空洞（隙）中流动漏失3、真空吸蚀机理所谓“真空吸蚀”是指岩溶地下水在大量抽取或因矿井大量排水后水位在短时间内急剧下降过程中的“活塞”作用下形成负压至真空状态。在这种负压或真空作用下，覆盖土层对应岩溶地下通道的薄弱位置在瞬间产生陷坑或陷洞。这种由负压或真空对覆盖层的抽吸作用称为“真空吸蚀”。这种作用所产生的塌陷确实存在，但主要发生在矿山地区和集中抽取岩溶地下水的群井水源地，有时也发生在公路、铁路隧道施工的突水地段。这种因“真空吸蚀”产生的塌陷坑往往成群出现，在短时间内可产生几十甚至上百个陷坑或陷洞，其危害相当严重。是否会发生真空吸蚀，主要有两个特殊条件：其一是大量抽排岩溶地下水，水位在短时间内急

31、剧下降；其二是覆盖层对地下岩溶有良好的封闭作用，能使在水位下降的过程中形成充分的负压或真空。这两个条件就决定了这类塌陷分布的特殊地域性。关键词：岩溶地下水位短时急剧下降；覆盖土层封闭良好而产生负压、真空 上述三种机理是指三种不同地质条件下的塌陷过程特点，也就是说不同条件符合不同机理。其共同特点是，必须具备岩溶空洞及联系通道和地下水的运动，所不同的是覆盖土层与岩溶的组合性质不同和触发因素不同。前两者机理是以自然因素为基本因素，最后一种则以人为因素为主。（四）类型基于上述三种机理，岩溶地面塌陷有三种类型：一是饱和松散土层 “流土漏失型塌陷”，即饱和松散层在地下水向下渗流过程中发生渗流破坏流土，直接

32、漏失到岩溶空洞中，造成地面塌陷。此类塌陷规模大，突发性强，危害最大。如武汉市汉南纱冒镇塌陷，最大陷坑160m60m，最深处10m，漏失土方达15000方；烽火村塌陷22个陷坑，最大者达60m50m，深10余米，漏失土方达18000方，其中三栋小楼陷入坑中（图7）。图7 烽火村岩溶地面塌陷地质剖面图二是“土洞冒落型塌陷”，即粘性土（多为Q3-Q2老粘性土）在土岩界面上长期受地下水潜蚀而形成土洞。当土洞顶板土层厚度减小到不能自撑时，受某种触发因素（强降雨、抽水或打桩、爆破振动或地震）作用产生塌陷。此种塌陷一般规模不大，地表陷坑直径为几米至十几米，数量取决于土洞数目（图8）。三是“真空吸蚀型塌陷”，

33、无论是饱和粉土、砂、砾石覆盖层，还是粘性土覆盖层，都可能在岩溶地下水位急剧、大幅度下降过程中由于真空负压作用而发生地面塌陷。在自然条件下很少发生地下水急剧、大幅度下降过程，而多半是人为活动（抽水或矿井排水）引起的。如湖北应城的汤池温泉，在石灰岩中抽取热水时，当水位降至土岩界面以下一定深度（取水量1600T/d）便发生地面塌陷。图8 湖北大冶老土桥村土洞剖面（五）分布规律从上述的三种塌陷机理和相对应的三种塌陷类型可知，不同的地质条件决定了不同的塌陷类型。地质条件最突出的特点是可溶岩之上覆盖层性质第四纪地层组合特点和地下水埋藏类型及其变动特点，这些条件则决定了塌陷分布规律。众所周知，地貌单元决定其

34、单元内第四纪地层的时代和地层组合特征。其中，地层组合特征决定了土岩界面之上土层性质，如冲积层二元结构（上部为粘性土，下部为粉土、砂及卵砾石）就限定了塌陷类型为“流土漏失”漏失型；地层时代则决定了土层固结密实程度，也就决定了它抵抗漏失的能力，如山前坡地或山间谷地粘性土则不可能因流土而漏失，而只能是在土岩接触面附近，因长期潜蚀而形成土洞。这两种类型实际上受地貌单元的严格控制。仅以武汉及其周边地区为例，略述塌陷分布规律。武汉地区自北向南有三条隐伏石灰岩条带呈东西向分布，横穿长江及其阶地（前图3）。根据已发生的多次塌陷，概括以下四条规律：1、自1931年至今，武汉市区先后发生的12次岩溶地面塌陷全部分

35、布在长江一级阶地的二元结构冲积层中（图4），其地层组合为上部粘性土，下部粉细砂（偶见卵砾石），地层时代为Q4。地下水分三层上层滞水、孔隙承压水和岩溶承压水。产生塌陷地段的岩溶承压水头低于冲积层孔隙承压水头数米。2、长江二、三级阶地老粘土（Q2Q3）区，虽有石灰岩条带分布，但从未发生过塌陷，原因是无土洞分布（已经上万个钻孔证实）。没有土洞的原因有二：一是阶地下石灰岩面高差很小，不利于土岩面上地下水流动；二是岩溶承压水头长期高于土岩界面。3、武汉市周边的山前坡地或山间谷地老粘性土下隐伏岩溶区（乌龙泉、大冶）偶有土洞型塌陷发生。其原因是土岩界面坡度大，岩溶地下水位低于岩面，存在较大的岩溶饱气带和垂直

36、循环带，易于形成土洞。4、大量抽排岩溶地下水地段，易发生真空吸蚀型地面塌陷。如湖北应城汤池温泉，当将岩溶水的承压水头抽至土岩面以下数米（即抽水量达1600T/d）时，地面即发生塌陷；湖北松宜煤矿区，上世纪70年代曾因井下突水、淹井，造成地面河床处发生多处陷坑，河水大量灌入地下；湖北阳新某铜矿、黄石某铁矿都因井下突水淹井使岩溶水位急降，致使附近第四系覆盖层多处塌陷。（六）防治对策1、绕避、回填；2、桩基或桩基托换；3、填灌土洞（指土洞冒落型塌陷，不需填灌溶洞）；4、岩面铺盖帷幕（指流土漏失型塌陷）；5、灌浆堵塞溶洞及通道（指流土漏失型塌陷），防止流土随水运动至排泄区。6、限量抽水和设增压排气孔（

37、指真空吸蚀型）。（七）结论要点1、岩溶地面塌陷是指覆盖层塌陷，而非可溶岩溶洞塌陷；2、存在三种塌陷机理，不同地质条件符合不同机理；3、不同地质条件、不同机理对应不同塌陷类型；4、塌陷是否会发生、会发生何种类型及其分布规律，受控于地貌单元、地层组合、地层时代及第四系孔隙水与岩溶地下水的关系特点；5、防治对策要针对塌陷机理、类型，如土洞冒落型塌陷主要针对土洞（探测土洞位置、填灌土洞）；流土漏失型塌陷主要针对岩溶空洞和通道以堵塞通道或阻隔孔隙水向下渗流（探测溶洞位置规模、覆盖帷幕或溶洞注浆）；真空吸蚀型塌陷主要针对岩溶地下水位变动和消除真空、降低负压（限制抽水、设置通气增压孔）。四、 应用实例（武汉

38、）（一）地铁三号线一期王家湾宗关段岩溶及岩溶水规律分析及对矿山法隧道施工的影响1、 地层构造与地表水体的宏观分布格局及岩溶水流向（1） 地层走向近东西（S100E），倾向S190W，倾角陡；（2） 地层走向与汉江走向大致平行，与长江近于垂直，这决定了地下水（岩溶）顺层面发育的总方向是向长江方向（近东西），而非向汉江，但3号线距长江较远。汉江虽近，但要穿越不同时代的多种地层（见下图9）。图9：地铁3号线区域环境示意图2、 岩溶发育特点及岩溶水文地质条件1、岩溶形成时期的地貌特点（1）一第四纪覆盖层的时代鉴别此段岩溶形成于Q2（中更新世）之前。因为在Q2老粘土覆盖后已不具备降水补给条件，且石灰岩表

39、面的溶沟、溶槽及垂直洞、隙必须是基岩暴露条件下接受降水才能形成。（2）Q2以前长江两岸地貌特点（揭掉覆盖层）由于武汉长江两岸的岩溶形成于Q2以前，应将第四系覆盖层去掉，想象当时的基岩面与长江底（基岩）的地貌形态和岩溶发育带之关系。如前图5：从图5可见，当时岩溶发育属“表层岩溶带”。其岩溶形态类型多为“溶沟、溶槽”、“竖向溶隙”和小型溶洞等。由于地下水主要渗流为垂直方向，故岩溶之间水平联系差。武汉三镇浅部岩溶均显上述特点（紧邻长江段除外）。2、岩溶水文地质条件由于自第四纪中更新世前，即当年裸露基岩的岩溶形成后又沉积了Q2Q3的老粘土，至今岩溶水文地质条件已与当时有很大改变。当今的水文地质条件应以

40、地质现状条件进行分析：（1） 补给条件：石灰岩面之上覆盖20余米厚的老粘土，降水无法直接补给岩溶水；汉江水体、江底以下的第四系中有粉质粘土层，基岩为S泥岩和D石英砂岩，均为相对隔水层，因而汉江水也无法直接补给石灰岩中的岩溶水。长江水体，虽因各层石灰岩走向均垂直长江，岩溶水及第四系孔隙水与长江水体存在相互补给关系。但是江底以下尚有2030m厚的砂土夹粘性土，两岸（一级阶地）也有3050余米厚的二元冲积层。长江水需通过渗流与岩溶水联系，即间接水力联系。长江水补给岩溶水的水量其实就是长江一级阶地Q4冲积层中地下水的渗流补给量，其水量取决于Q4含水层的渗透系数和水头高度，其量是有限的（见图10）。图3

41、：地铁3号线越汉江段概化水文地质图总之，此段岩溶水的补给条件概括为：因Q2Q3老粘土阻隔，基本无降水补给；汉江水因江底及左侧基岩为S、D两时代的相对不透水砂岩、泥岩阻隔，也不能直接补给岩溶水；长江水虽与石灰岩有水力联系，但必须通过Q4冲积层渗流发生间接水力联系，其水量很小。（2） 径流条件由于本段所涉及的岩溶在其形成时为“表层岩溶带”，其发育深度为岩面以下10余米，岩溶类型多为垂直方向的溶沟、溶槽、垂向溶洞、溶隙、当时降水是垂向下渗，故水平方向连通性较差。由于中更新世以后基岩面以上接受第四纪沉积，地下水垂向下渗中使溶洞、溶隙大部被充填，故使连通性更差。以上两种特征就决定了此段石灰岩体中地下水径

42、流条件（渗透性）较差，也就决定了石灰岩体中岩溶地下水不可能很丰富。（3）排泄条件王家湾至宗关段第四系之下的基岩体，在更新世早期（即岩溶形成期）为河间地块（即王家湾古河道与汉水、长江之间的凸出高地），当时的地下水排泄条件良好。但后期接受第四纪沉积后，河间地块之上及四周均已被第四纪沉积层“包围”（见线路地质剖面图），岩体中的地下水几乎无排泄条件。现今的岩溶水系“埋存水”。综上，从宏观的、历史的时空分析可定性此段石灰岩体中的岩溶水文地质条件属于“弱富水、渗透差、弱循环”类型。专项勘察的各项成果和2号线卓豹路段施工也已证明，上述结论是符合实际的。3、 结论及建议1、 从岩溶发育历史及现状岩溶发育特点可

43、确认，此段岩溶在第四纪早期属于“表层岩溶带”，岩溶类型多为溶沟、溶槽、垂向溶隙或竖向溶洞，不存在水平向贯通的管道；2、 从岩溶水文地质条件（补给、径流、排泄）分析和专项勘察成果验证，可确认该段石灰岩体属于“弱富水、弱渗透、循环差”的埋存岩溶水类型；3、 以上两种特征决定了隧道施工过程中不可能产生大的突水现象，只可能产生局部少量溶洞“埋存水和泥”涌出现象；4、 由于现存溶洞已大部被填充或半填充，不排除在隧道顶部有充填物土体冒落、侧向挤入或在隧洞底有充填物使局部洞底下沉现象，需采取应急防护和永久性结构措施；5、 隧道洞顶、侧帮或洞底遇到未充填的空洞时，需采取永久性结构措施。6、 建议在“专项勘察报

44、告”中加入一节“岩溶及岩溶水文地质的宏观分析”将上述内容精炼化；7、 报告“结论”要明确、肯定，要相信自己的工作和判断，不要陷入“不可知论”、“结论面前退半步”而附加不必要的所谓“超前探测”之类的要求。提示：1、搞工程地质工作要进行区域、宏观、历史地分析，这是前提和基础；要有“大思维”，尽量避免“一头扎到具体的、局部的问题上而不能自拔”；2、有关岩溶的基本理论（如岩溶的垂直分带和岩溶水动力的垂直分带、水平分带）和岩溶发育、分布的基本规律等至关重要！应牢记掌握、运用。（二）地铁6号线岩溶处理方案解析1、 岩溶地面塌陷对地铁的影响是灾难性的（1） 岩溶地面（表）塌陷是石灰岩基岩面以上的覆盖土层塌陷

45、，而非岩溶顶板岩层塌陷。塌陷发生时，覆盖层上的构筑物和地表建筑物一起塌陷，也可以说，埋藏在覆盖层中的隧道是“被塌陷”的构筑物。可想而知，一旦塌陷发生，隧道下沉数米，弯曲破裂、移位，流砂，淤泥充满隧道数十米将是不可处理的事故。如果运行车辆处于其中，后果是更不堪设想！（2） 地铁6#线所经地段有约1.7km范围内是石灰岩面以上为Q4饱和砂土层直接覆盖，这种地层组合最易在岩溶发育地段且存在未充填、半充填溶洞时发生漏失型塌陷。1978年汉阳轧钢厂钢材库发生塌陷，库房和大量钢材陷入塌陷坑中。武汉市工程地质分区图中将此段石灰岩分布带定位潜在塌陷区。总之，地铁6#线设计与施工应高度重视岩溶地表塌陷的重大隐患

46、，要不惜代价，防止它在施工和长期运营中发生。2、 塌陷机理及影响性质、范围（1） 三种机理之一：“渗流破坏流土漏失”型塌陷。关键点是“漏失”饱和粉细砂渗流破坏后“流土”漏失到岩溶空洞中，导致覆盖层塌陷至地面。而非岩溶洞隙顶板塌陷。（2） 漏失塌陷形成及范围3、 区间隧道受漏失影响的范围（1）埋在覆盖土层中的隧道是随漏斗下沉的“被塌陷对象”；（2）被下沉的范围由“隧道洞身至岩面距离”和饱和砂向洞中漏失后形成漏斗的“塌陷角”决定的，如图所示。图11.隧道埋深与漏斗塌陷角的关系4、 隧道埋深确定后，岩溶处理范围的界定由于塌陷影响范围是由隧洞位置距岩面距离和砂层塌陷角决定的，因而对一定埋深处需对岩溶处理的宽度则应按下图模式确定。假定塌陷角取 =40，隧道外沿（中轴）距岩面16m，则基岩处理范围外扩距离为b=htg40，即b=16m0.84=13.44m。两侧共外扩13.44m2=26.88m，可见此处理方案各外扩5m是不够的。5、 处理方案设想及选择建议针对“漏失”机理，为防止饱和砂层向岩溶空洞漏失而发生塌陷，则处理方案可分为三种类型：第一类：在砂层与岩面加水平帷幕，厚34m。帷幕常用高压旋喷注浆，基岩浅时可用深层搅拌；第二类：在基岩面以下，对岩溶空洞进行注