巖溶區(qū)鉆探引起地面塌陷機理分析

潘啟釗，劉錫儒，趙家福，葉 青

（深圳市工勘巖土集團有限公司 深圳 518026）

0 引言

巖溶塌陷是指巖溶上覆土體受到外部因素觸發(fā)，通過裂隙逐漸向下伏溶洞漏失或溶、土洞頂板突然崩塌，最終在地表形成塌陷坑［1?2］。地面塌陷的危險，容易導致設備傾斜、失穩(wěn)掉落，危害鉆探人員及周邊建構筑物、地下管線的安全。長期以來，大量學者對于巖溶塌陷成因機制與塌陷機理的研究已取得了豐碩的成果［3?4］。蔣小珍等人［5］對原狀土進行物理模型試驗，提出土體破壞的機理是巖溶水位下降引起的土體滲透變形（潛蝕），并且?guī)r溶水位下降又可形成負壓，破壞土體的穩(wěn)定性；羅小杰等人［6］研究了砂露型巖溶塌陷的物理模型，較好地反映出砂露型地面塌陷的規(guī)律；邢宇健等人［7］構建地下水位動態(tài)變化的分析模型，分析水位變化對巖溶塌陷的影響。

現(xiàn)階段，眾多學者大部分研究都集中在巖溶塌陷機理的研究，對于因鉆探施工引起巖溶區(qū)地面塌陷的研究還很少［8］。本文以廣州地鐵18 號線北延鉆探施工引起地面塌陷為例，分析巖溶區(qū)鉆探施工地面塌陷的原因，并采用MIDAS?GTS 三維有限元軟件進行模擬分析。結合現(xiàn)場實際情況，對比分析得出巖溶區(qū)鉆探施工地面塌陷與地下水位變化、砂土層厚度、黏土層厚度、溶洞直徑的關系。

1 工程概況

廣州地鐵18號線北延段主線線路全長約39.7 km，全部為地下線，設站8 座。廣州至清遠城際聯(lián)絡線自應湖站接出，向西穿過現(xiàn)狀村莊、新街河后接至廣清城際一期起點花都站，聯(lián)絡線總長8.6 km。工程位置示意圖如圖1所示。

圖1 廣州地鐵18號線北延段位置Fig.1 Location of North Extension Section of Guangzhou Metro Line 18

本線路經(jīng)過地段總體地勢較為平坦，現(xiàn)狀地面高程一般為5.90～17.96 m，地貌類型為廣花沖洪積平原。

場地勘察深度范圍內(nèi)主要分布有第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml），第四系沖洪積層（Q3+4al＋pl），第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q4dl+pl），第四系殘積層（Qel），下伏基巖為二疊系上統(tǒng)棲霞組（P2q）灰?guī)r，石炭系中統(tǒng)壺天組（C2ht）灰?guī)r、頁巖，石炭系下統(tǒng)曲江組（C1q）、測水組（C1c）、石磴子組（C1s）灰?guī)r、石英砂巖。典型工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 典型工程地質(zhì)剖面Fig.2 Typical Engineering Geological Profile

根據(jù)地下水的賦存條件，沿線地下水類型可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水。松散巖類孔隙水賦存于第四系砂卵石層中，屬孔隙潛水。基巖裂隙水賦存于基巖風化裂隙和構造裂隙中。巖溶水主要賦存于石炭系灰?guī)r中，以裂隙巖溶水、溶洞水為主，具有承壓性。

2 巖溶塌陷情況統(tǒng)計

本次勘察共揭露溶洞456個，巖溶高度0.2～26.7 m，其中洞高小于1.0 m 的占14%，洞高1.0～3.0 m 的占33%，洞高3.0～5.0 m 的占42%，洞高大于5.0 m 的占11%，如圖3?所示。揭露到兩層及以上溶洞的113個孔，占揭露溶洞鉆孔總數(shù)的47.3%。全充填溶洞164個，占全部溶洞的36%；半充填溶洞100個，占全部溶洞的22%；無充填溶洞192個，占全部溶洞的42%，如圖3?所示。溶洞的見洞率為52%，線巖溶率為6.3%，巖溶強發(fā)育。

本次勘察共發(fā)生7起因鉆探施工導致巖溶地面塌陷的事故，如圖4所示。

圖4 地面塌陷Fig.4 Ground Collapse

3 研究區(qū)巖溶塌陷原因分析

3.1 研究區(qū)巖溶塌陷機理

廣州地鐵18號線北延段屬覆蓋型巖溶區(qū)，本次勘察揭露覆蓋層厚度約為8.0～55.0 m，變化較大，部分區(qū)域松散砂層與下伏灰?guī)r直接接觸，且溶洞頂板厚度較薄，當鉆探施工穿過溶洞頂板時，上覆砂層與溶洞直接連通，具備形成地表塌陷的基本條件。

針對研究區(qū)鉆探施工導致巖溶區(qū)地面塌陷的情況［9?10］，主要分為：①砂土漏失階段。該階段為塌陷的初始階段，在灰?guī)r上覆砂層中形成“砂洞”，表層黏土層仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。②地表塌陷階段。隨著砂層不斷流入溶洞內(nèi)，黏土層底出現(xiàn)板底脫空，上方土體失穩(wěn)，地表塌陷。③塌陷擴展階段，地表發(fā)生塌陷后，塌陷坑垂直側壁遭受剪切滑動破壞，形成漏斗狀塌陷坑。

3.2 研究區(qū)巖溶塌陷原因分析

①孔隙潛水與巖溶水存在較大的水頭差。地下水水位普遍埋藏淺，穩(wěn)定水位埋深為0.40～8.70 m，經(jīng)套管隔水觀測，巖溶水水頭埋深為19.80～33.70 m。孔隙潛水與巖溶水的水頭差約為16.90～28.40 m。鉆探施工后形成110 mm 的鉆孔孔徑，將孔隙潛水與巖溶水連通，不同的水頭差使得孔隙潛水挾裹著砂沿著鉆孔往下流動，水頭差越大，流速越快，地表塌陷越易形成。②覆蓋層厚度薄，灰?guī)r直接接觸砂層。本次勘察共發(fā)生7 起因鉆探施工導致巖溶地面塌陷事故，對比分析巖溶區(qū)地面塌陷地質(zhì)情況，其覆蓋層厚度均少于20.0 m，其中6 起塌陷為灰?guī)r直接接觸砂層，1 起灰?guī)r表層約有1.0 m厚粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土之上約有10.0 m厚松散中砂層。③“砂洞”上部黏土層厚度不足。“砂洞”逐漸呈拱形向上發(fā)展形成土洞，鉆孔破壞土體原有結構，引起鉆孔周邊土體應力釋放，改變原有溶、土洞脆弱的平衡狀態(tài)，土層出現(xiàn)剪切滑動破壞，地表塌陷形成。④溶洞直徑的大小也是巖溶區(qū)地面塌陷的重要影響影響因素，一般而言，溶洞直徑越大，塌陷越易形成。

3.3 研究區(qū)巖溶塌陷力學分析

為了便于對極限塌陷情況進行分析，本文采用單一黏土覆蓋層建立土體塌陷模型，如圖5所示，并在此基礎上進行力學分析。

圖5 土體塌陷模型Fig.5 Model of Soil Collapse

巖溶區(qū)地面塌陷主要與上覆黏土層重力、黏土層側摩阻力、地下水下降對上部黏土產(chǎn)生的滲流力、浮力有關，從本質(zhì)上來講，巖溶區(qū)地面塌陷是黏土層致塌力大于抗塌力的結果，即

其中：γw為水的重度；v為地下水平均流速。

綜上所述，當K＞1 時，“砂洞”不向上擴展，黏土層穩(wěn)定；當K=1時，上覆黏土層屬于臨界狀態(tài)；當K＜1時，此時致塌力大于抗塌力，黏土層失穩(wěn)，“砂洞”將繼續(xù)向上擴展，最終導致地面出現(xiàn)塌陷。

4 巖溶塌陷三維有限元模擬

根據(jù)上一小節(jié)相關研究，得知巖溶塌陷主要與孔隙潛水和巖溶水的水頭差、砂土層厚度、黏土層厚度、溶洞直徑大小有關，本文運用大型通用有限元分析軟件MIDAS?GTS［11］，分析不同孔隙潛水和巖溶水的水頭差、不同砂土層厚度、不同黏土層厚度、不同溶洞直徑時巖溶地面的塌陷情況。三維有限元模型如圖6所示。三維有限元模型實體應力場如圖7所示。

圖6 三維有限元模型Fig.6 3D Finite Element Model

圖7 三維有限元模型實體應力場云圖Fig.7 Cloud Diagram of Solid Stress Field of 3D Finite Element Model

當黏土層厚度為5.0 m、砂層厚度為8.0 m、溶洞直徑為3.0 m 時，孔隙潛水與巖溶水的水頭差取5.0 m、10.0 m、15.0 m、20.0 m、25.0 m、30.0 m分別建立三維有限元模型。當孔隙潛水與巖溶水的水頭差取10.0 m時，“砂洞”處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 “砂洞”穩(wěn)定狀態(tài)云圖Fig.8 Cloud Diagram of Stable State of“Sand Cave”

當孔隙潛水與巖溶水的水頭差取15 m時，黏土層失穩(wěn)，地面出現(xiàn)塌陷，此時地面沉降量達10.73 cm，如圖9 所示。隨著灰?guī)r表面砂層不斷流失，塌陷范圍越來越大。

圖9 地面塌陷云圖Fig.9 Cloud Map of Ground Collapse

孔隙潛水與巖溶水的水頭差為5.0 m、10.0 m、15.0 m、20.0 m、25.0 m、30.0 m，其地面穩(wěn)定系數(shù)如圖10所示。

圖10 不同孔隙潛水與巖溶水水頭差地表穩(wěn)定系數(shù)Fig.10 Surface Stability Coefficient of Different Pore Phreatic Water and Karst Water Head Difference

從圖10可知，當孔隙潛水和巖溶水的水頭差為△h=10.0 m時，K=1，此時“砂洞”處于極限平衡狀態(tài)；當△h＜10.0 m 時，K＞1，此時“砂洞”處于穩(wěn)定狀態(tài)；當△h＞10.0 m，K＜1，此時黏土層失穩(wěn)，地面出現(xiàn)塌陷。地表穩(wěn)定系數(shù)隨著水頭差△h的增加而減少，其在5.0～10.0 m 時變化最大，隨著水頭差的增加，其變化幅度越來越小。

當孔隙潛水與巖溶水的水頭差為10.0 m、黏土層厚度為5.0 m、溶洞直徑為3.0 m 時，砂層厚度取5.0 m、8.0 m、10.0 m、13.0 m、15.0 m、18.0 m 分別建立三維有限元模型，根據(jù)有限元分析結果，得出地表穩(wěn)定系數(shù)，如圖11所示。

圖11 地表穩(wěn)定系數(shù)Fig.11 Surface Stability Coefficient

由圖11?可知，當砂層厚度H=8.0 m 時，K=1，此時“砂洞”處于極限平衡狀態(tài)，當H＜8.0 m時，K＞1，此時“砂洞”處于穩(wěn)定狀態(tài)，當H＞8.0 m，K＜1，此時黏土層失穩(wěn)，地面出現(xiàn)塌陷。地表穩(wěn)定系數(shù)隨著砂層厚度H的增加而減少，當H大于13.0 m時，其地表穩(wěn)定系數(shù)保持不變，均為0.85。

當孔隙潛水與巖溶水的水頭差為10.0 m、砂層厚度為8.0 m、溶洞直徑為3.0 m時，黏土層厚度取1.0 m、3.0 m、5.0 m、7.0 m、9.0 m、11.0 m分別建立三維有限元模型，根據(jù)有限元分析結果，得出地表穩(wěn)定系數(shù)，如圖11?所示。

由圖11?可知，當黏土層厚度H=5.0 m 時，K=1，此時“砂洞”處于極限平衡狀態(tài)，當黏土層厚度H＞5.0 m 時，K＞1，此時“砂洞”處于穩(wěn)定狀態(tài)，當黏土層厚度H＜5.0 m 時，此時黏土層失穩(wěn)，地面出現(xiàn)塌陷。地表穩(wěn)定系數(shù)隨著黏土層厚度的增加而增加。

當孔隙潛水與巖溶水的水頭差為10.0 m、黏土層厚度為5.0 m、砂層厚度為8.0 m時，溶洞直徑取1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m 分別建立三維有限元模型，根據(jù)有限元分析結果，得出地表穩(wěn)定系數(shù)，如圖12所示。

圖12 不同溶洞直徑地表穩(wěn)定系數(shù)Fig.12 Surface Stability Coefficient of Different Karst Cave Diameters

從圖12 可知，當溶洞直徑D=3.0 m 時，K=1，此時“砂洞”處于極限平衡狀態(tài)，當溶洞直徑D＜3.0 m時，K＞1，此時“砂洞”處于穩(wěn)定狀態(tài)，當溶洞直徑D＞3.0 m 時，此時黏土層失穩(wěn)，地面出現(xiàn)塌陷。地表穩(wěn)定系數(shù)隨著溶洞直徑的增加而減少。

5 鉆探施工導致巖溶區(qū)地面塌陷預防措施

⑴開鉆前，對附近場地進行平整處理，將鉆機位置調(diào)平、調(diào)整，并對機座地面及平臺進行加固，水上鉆孔，采取打樁等固定鉆機平臺的方法，確保鉆探前和鉆探過程中鉆機平臺穩(wěn)定，防止發(fā)生傾斜等。

⑵鉆孔擊穿空洞、溶洞頂板或所處巖層裂隙發(fā)育，連通性好，容易發(fā)生漏漿、漏水。當漏漿不嚴重時應及時增大循環(huán)水，必要時可在泥漿中添加護壁劑、鋸末等增加泥漿相對密度。

⑶當發(fā)生卡鉆事故時，需繼續(xù)保持循環(huán)水的供給，同時應在緩慢旋轉(zhuǎn)鉆具時提升鉆具，當此法無效時，改用吊錘反打的方法慢慢提鉆。

⑷封孔方案根據(jù)封堵工具為為兩種：①木塞+編織袋方案；②木塞+編織袋+PVC 管方案。兩種方案的根本目的都是為了防止上部砂層流入溶洞內(nèi)，共同點都是以木塞+編織袋作為封堵工具。

⑸鉆探完成后，只有在巖面封堵成功以后才能拔套管，拔套管不能冒進，建議采取邊拔套管邊灌漿封孔的措施。

6 結論

本文通過對廣州18 號線北延巖溶塌陷機理進行分析，建立了相應的力學模型，并利用三維有限元分析方法，綜合考慮孔隙潛水和巖溶水的水頭差、砂土層厚度、黏土層厚度、溶洞直徑等因素，對不同條件下巖溶區(qū)鉆探施工地面塌陷情況進行分析，得到以下結論：

⑴鉆探施工導致巖溶區(qū)地面塌陷的情況主要分為3 個階段：①砂土漏失階段；②地表塌陷階段；③塌陷擴展階段。

⑵ 巖溶區(qū)鉆探施工導致地面塌陷的原因主要為：①孔隙潛水與巖溶水存在較大的水頭差；②覆蓋層厚度薄，灰?guī)r直接接觸砂層；③“砂洞”上部黏土層抗剪強度；④溶洞直徑大小。

⑶本文通過控制變量法，分析了鉆探施工時不同孔隙潛水和巖溶水的水頭差、不同砂土層厚度、不同黏土層厚度、不同溶洞直徑大小時巖溶地面塌陷情況，得出地表穩(wěn)定系數(shù)隨著水頭差△h的增加而減少，其在5.0～10.0 m 時變化最大，隨著水頭差的增加，其變化幅度越來越??；地表穩(wěn)定系數(shù)隨著砂層厚度H的增加而減少，當H大于13.0 m時，其地表穩(wěn)定系數(shù)保持不變，均為0.85；地表穩(wěn)定系數(shù)隨著黏土層厚度的增加而增加；地表穩(wěn)定系數(shù)隨著溶洞直徑的增加而減少。

⑷本文提出兩種封孔方案：①木塞+編織袋方案；②木塞+編織袋+PVC 管方案。以預防巖溶區(qū)鉆探施工引起地面塌陷的發(fā)生。