歐陽輝，徐光黎，張新杰，李勇峰，董家興

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢　430074； 2. 湖北省交通規(guī)劃設計院 巖土工程分院，武漢　430051；3.昆明理工大學 電力工程學院，昆明　650500)

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重大工程場地巖溶地面塌陷靜力學分析及危險性評價

歐陽輝1，徐光黎1，張新杰1，李勇峰2，董家興3

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢430074； 2. 湖北省交通規(guī)劃設計院 巖土工程分院，武漢430051；3.昆明理工大學 電力工程學院，昆明650500)

摘要：深圳大運中心樁基施工過程中產生大面積塌陷，其建筑重要性、場地復雜程度、地基復雜程度均為一級，需對場地巖溶地面塌陷危險性進行評價，減少工程施工事故。采用高密度電法、地質雷達、層析成像、鉆探等勘察方法查明土洞、溶洞發(fā)育特征，然后進行工程地質分析、建立土(溶)洞塌陷的靜力學分析模型；分析影響巖溶塌陷的因素，建立包括巖溶基礎條件、覆蓋層特征、建筑物屬性、水文地質條件4個一級指標及8個二級指標的巖溶塌陷危險性評價指標體系；基于MapGIS的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，利用PLS Path Model(偏最小二乘通徑模型)對場地巖溶地面塌陷危險性進行評價分區(qū)，并將地面塌陷危險性等級分為高、較高、較低和低4個等級，分別占場地總面積的1.05%,10.71%,19.39%和68.85%。評價結果客觀、合理，其方法可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：深圳大運中心；巖溶發(fā)育特征；地面塌陷；力學分析；危險性評價

1研究背景

我國巖溶分布廣泛，可溶巖分布約占國土面積的1/3以上[1]。按可溶巖出露情況將巖溶分為裸露型、覆蓋型、埋藏型3大類。隨著城市化進程加快及經濟的快速發(fā)展，在巖溶地區(qū)修建鐵路、公路、機場等交通設施等重大工程已不可避免。巖溶地區(qū)修建重大工程易出現(xiàn)地基承載力不足、差異沉降、地基滑動及地面塌陷等變形破壞問題。巖溶地面塌陷是指巖溶洞隙上方的巖土體在自然或人為因素作用下發(fā)生變形破壞，并在地面形成塌陷坑(洞)的一種巖溶動力地質現(xiàn)象。

深圳大運中心主體育館在樁基施工過程中出現(xiàn)了實際樁長與設計樁長出入很大、地面塌陷、地表開裂、樁孔揭露到土洞或溶洞，個別樁的承載力達不到設計要求等問題。由于巖溶地面塌陷在空間上具有隱蔽性，在時間上具有突發(fā)性，其一旦發(fā)生，將會危及到生命財產安全。

隨著巖溶塌陷危險性評價系統(tǒng)研究的發(fā)展，新的研究方法不斷產生，除了常用的災害動力學分析外，社會經濟效益評價方法和多種數(shù)理分析也被廣泛地應用于巖溶塌陷危險性評價中[2-11]。如：張麗霞等[2]采取綜合指數(shù)法選取了“松散層厚度、砂礫石層厚度、石灰?guī)r頂界、巖溶發(fā)育程度、地下水開采量、礦床開采水平”作為評價指標，對萊蕪市巖溶塌陷進行了預測；劉江龍等[12]選取斷裂構造發(fā)育程度、地殼穩(wěn)定性、第四系覆蓋層厚度、基巖巖性、地下水動力條件、地表人類活動強度和地下活動強度7個指標(包括21個因素)，建立基于GIS技術的信息量模型，對廣州市主城區(qū)地面塌陷地質災害危險性進行了評估。

本文在查明深圳大運中心場地巖溶發(fā)育與分布規(guī)律，對巖溶地面塌陷進行工程地質分析的基礎上，建立巖溶地面塌陷靜力學分析模型；通過借鑒相關文獻及征詢專家意見，建立場地巖溶地面塌陷危險性評價的指標體系，基于MapGIS[13]的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，利用偏最小二乘通徑模型(PLS Path Model)對深圳大運中心場地巖溶地面塌陷危險性進行了評價。該研究對于巖溶處置的工程設計、施工具有重要的科學意義，對類似工程具有借鑒意義。

2工程概況

深圳大運中心于2010年年底完工并投入使用，是2011年第26屆世界大學生夏季運動會的主場館。工程位于深圳市龍崗區(qū)橫崗鎮(zhèn)西北部的麻地頭村一帶，東臨黃閣路，南接龍翔大道，西倚銅鼓嶺山丘，距水官高速出口北約1.5 km，交通極為便利。主體建筑物有主體育場、體育館、游泳館、熱身賽場、地下停車場、人工湖和道路等，占地面積52萬km2。其中，主體育場館高約50 m，地下室深10 m，單柱軸力達8 000～18 000 kN。體育館設計標高為50.4 m，設一層地下室，底板埋深4 m，地上除看臺部分采用混凝土結構外，屋蓋直至外圍護采用鋼結構，單位面積荷重90～150 kN/m2，單柱荷載在圓周外為2 000 kN，圓周內為4 000～9 000 kN。游泳館長約226.8 m，寬約121.8 m，設一層地下室，層底埋深8 m。地上看臺部分采用混凝土結構，屋蓋采用鋼結構，鋼屋蓋下單柱荷載為8 000～12 000 kN，其余為4 000～8 000 kN。本建筑物工程重要性、場地復雜程度、地基復雜程度均為一級，建筑抗震設防類別為甲類。

工程地質勘察資料表明：場地內地層從上到下依次為：人工填土層(Qml)、耕植層(Qpd)、第四系沖洪積層(Qal+pl)、第四系坡積層(Qdl)及第四系殘積層(Qel)，下伏基巖為石炭系大唐階測水組(C1c)泥質粉砂巖和石炭系大唐階石磴子組(C1s)灰?guī)r等。場地工程地質條件復雜，地層巖性多變，巖面起伏，埋藏型土洞、溶洞發(fā)育，是深圳市地質條件最復雜、巖溶最發(fā)育的場所。

圖1　現(xiàn)場施工過程中出現(xiàn)的地面塌陷Fig.1　Field ground collapse during construction

深圳大運中心體育館于2008年1月進行了大面積預應力管樁施工，于1月22日在場地中部東側發(fā)生了地面塌陷，1月23日距塌陷以南3 m處又發(fā)生了一處塌陷。2處塌陷面積各約20 m2，北面坑深約3 m，南面坑深約6 m，同時在塌陷周圍地面產生環(huán)形裂縫(圖1)。由此，深圳大運中心土(溶)洞問題引起了社會各界的關注，也為工程建設及運營的安全敲響了警鐘。

3巖溶發(fā)育分布規(guī)律

遵循“宏觀認識和重點勘察相結合，先面后點，逐步深入”的思路和原則，采用高密度電法、地質雷達、層析成像(CT)等物探方法，結合驗證性鉆探，綜合探測、查明土溶洞發(fā)育分布規(guī)律。

3.1可溶巖分布

深圳大運中心場地可溶巖為下石炭統(tǒng)大唐階石磴子組碳酸鹽巖，主要埋藏于下石炭統(tǒng)大唐階測水組泥質粉砂巖之下，按其出露條件可分為覆蓋型與埋藏型2種類型。

覆蓋型可溶巖主要分布于龍崗、坪山、坪地、坑梓等河谷及河岸平原區(qū)和坑梓東部低臺地邊緣，巖溶埋深4～50 m。按埋深將巖溶埋深區(qū)分為淺埋區(qū)(<15 m)、中埋區(qū)(15～30 m)、深埋區(qū)(>30 m)。巖溶淺埋區(qū)分布于可溶巖相對隆起帶，零星分布；巖溶中埋區(qū)分布于龍崗區(qū)的大部分地區(qū)，屬可溶巖相對緩坡帶；巖溶深埋區(qū)多位于斷裂通過的可溶巖槽谷帶。

埋藏型可溶巖主要分布于龍崗及坑梓地區(qū)。主要分布在第四系谷、盆邊緣及兩側山體低洼處的測水組(C1c)砂頁巖之下。可溶巖埋深一般大于覆蓋型的埋深，多屬深埋區(qū)。

3.2巖溶發(fā)育特征

龍崗區(qū)的巖溶發(fā)育程度不論在水平還是垂直方向上均具有明顯的規(guī)律性：

(1) 在水平方向上，沿區(qū)內NE向主干斷裂通過部位或幾組斷裂交叉切割部位及龍崗河近岸地帶兩側地下水富集帶，常形成巖溶強發(fā)育區(qū)、帶，因此巖溶發(fā)育在水平方向上明顯受構造格局的控制。

3.3土洞、溶洞發(fā)育情況

通過布置高密度電法測線84條，完成地質雷達探測33個剖面，層析成像24對，驗證性工程地質鉆探50個，結合工程詳細勘察階段、超前鉆探揭露的土洞和溶洞情況，分別對體育館、體育場、游泳館發(fā)育的溶洞和土洞進行分析。根據(jù)鉆探資料統(tǒng)計揭露見洞率見表1。

由表1可知：體育場、體育館和游泳館的土洞或溶洞發(fā)育，共有342個鉆孔揭露到了土洞或溶洞，平均見洞率約為14%，其中土洞約占5%。土洞或溶洞大多有洞穴堆積物充填，空洞只占3%。但是，在體育館和游泳館的局部巖溶強發(fā)育區(qū)，見洞率高達50%以上。巖溶發(fā)育是極不均勻的。

表1　大運中心場地鉆孔所揭露土洞和溶洞分布統(tǒng)計

4巖溶地面塌陷靜力學分析

巖溶塌陷存在內部塌陷及地表塌陷2個過程，土洞、溶洞的存在是巖溶塌陷開始的標志。在具備開口巖溶洞穴(此處為溶洞、土洞)、松散覆蓋層及水氣外動力條件等3個基本要素的情況下，巖溶塌陷以覆蓋層中的土洞為起點。根據(jù)大運中心體育館塌陷補勘資料，溶洞上方覆蓋層(第四系及強風化粉砂巖)厚度大約70 m，若土洞是存在于基巖和風化砂頁巖的接觸帶，很難在外力作用下產生塌陷(抗塌力遠大于致塌力)，土洞存在一個向上逐漸發(fā)展的過程，即存在比較明顯的內部塌陷階段。在土、巖接觸面形成初始土洞后，在地下水作用下逐漸被掏空，發(fā)展到臨界土洞階段，在外力觸發(fā)因素下發(fā)生塌陷。

圖2　塌坑受力分析Fig.2　Stress analysis diagram for the collapsed pit

(1)

(2)

(3)

式中：c為黏聚力(kPa)；D為洞孔直徑(m)；h為塌陷體高度(m)；P2為洞內大氣壓強(kPa)；P為外荷載(kN)；Pa為大氣壓力(kPa)；ρ為土體密度(kg/m3)。

從式(3)可以看出，F(xiàn)s和D成反比，當其它相同時，穩(wěn)定性系數(shù)隨著洞孔直徑的增大而降低。

現(xiàn)以圖1所示的塌坑為例，分析其穩(wěn)定性，根據(jù)已有勘察資料和類似工程實例，可以確定相關計算參數(shù)如表2。

表2　塌陷坑計算參數(shù)

將計算參數(shù)代入(3)可計算得出抗塌系數(shù)為1.03，處于臨界不穩(wěn)定狀態(tài)，因此在外荷載作用下(本場地為打樁)即可產生塌陷。

5巖溶地面塌陷危險性評價

5.1評價指標體系及其量化

在巖溶塌陷區(qū)域危險性評價方面，不同專家學者選取的指標不盡相同[6-9]。結合場地實際條件，考慮場地隸屬一個地貌和地質構造單元、地形變化不大、蓋層成因基本一致、地下水波動幅度不大等原因，借鑒相關文獻，最終選取了巖溶基礎條件、覆蓋層特征、建筑物屬性、水文地質條件等一級指標，通過征詢專家意見，建立的場地危險性評價指標體系見表3。

表3　場地巖溶塌陷危險性評價指標體系

5.2基于PLS Path Model 的危險性評價

為了采用偏最小二乘通徑模型(PLS Path Model)對深圳大運中心場地巖溶地面塌陷危險性評價，基于已建立的危險性評估體系，將一級指標可定為隱變量，一級指標相對應的二級指標可定為顯變量(表4)。

表4　巖溶地面塌陷危險性評估顯變量組與對應的隱變量

按照顯變量(二級指標)對巖溶地面塌陷危險性影響程度對各單元的二級指標量化，運用反映方式，對4組變量作主成分分析，并進行唯一度的檢驗，結果表明唯一條件均檢驗通過。因此，可以按照上述方法構建深圳大運中心巖溶地面塌陷危險性評價的PLS Path Model，搭建隱變量之間和隱變量與顯變量間的路徑關系，如圖3所示。該模型圖的左邊分別為反映4個一級指標的(ξ1,ξ2,ξ3,ξ4)的顯變量組x11—x14，x21—x22，x31和x41，模型圖的右邊是由所有顯變量組成的一個大變量組，用x11—x41表示，相應的隱變量用ξ5表示。

檢測LFS-01對JeKo-1細胞增殖的影響時，將融合度約90%的JeKo-1細胞以每孔3 000個細胞的密度接種于96孔板中；然后添加終濃度分別為0（作為對照）、2、4、8、20、40和80 μmol/L的LFS-01，每個濃度均設置3個復孔；分別培養(yǎng)24和48 h后，用CCK-8檢測試劑盒檢測每孔在450 nm波長處的D值，計算細胞增殖活力及藥物的半數(shù)抑制濃度（50% inhibitory concentration，IC50）。細胞增殖活力（%）＝（D實驗組-D調零孔）/（D對照組-D調零孔）×100%。

圖3　研究區(qū)巖溶地面塌陷危險性評估路徑設計Fig.3　Path design for the risk assessment of karstground collapse in the study area

從圖3可以看到，以這種方式獲取的隱變量ξ5，不僅可反映隱變量ξ1—ξ4所具有的信息，而且與全部原始顯變量間有著最強關聯(lián)性。另外，ξ5反映了研究場地巖溶地面塌陷的危險性，值越高說明越容易塌陷。因此，ξ5可以作為概括原始變量的信息的綜合指標，成為對深圳大運中心場地巖溶地面塌陷危險性進行綜合評價排序的依據(jù)。

對所有顯變量進行標準化處理，然后利用偏最小二乘通徑模型進行計算，通過以上算法可得到各隱變量及其相對應的顯變量間的相關系數(shù)。由于二者間存在較為明顯的相關性，因此，可以建立隱變量對顯變量的PLS回歸模型。各隱變量定為因變量，其各自對應的顯變量即為自變量，進行PLS回歸分析，得回歸方程為

(4)

由于各隱變量間不存在明顯的關聯(lián)性，所以需采用多元回歸模型分析，可得回歸方程為

(5)

通過計算得到此模型調整復測定系數(shù)為0.998，這表明很好地擬合了數(shù)據(jù)，各項系數(shù)與所有整體模型均通過了顯著性檢驗。

5.3基于MapGIS的數(shù)據(jù)管理的及危險性評價

圖4　場地網格剖分Fig.4　Grid subdivisionfor the site

在場地工作基礎條件下，將野外工程地質工作成果、測量成果、鉆探成果、物探成果數(shù)字化，生成大運中心巖溶塌陷危險性評價因素數(shù)據(jù)庫。為簡便，采用規(guī)則網格劃分對場地巖溶塌陷危險性進行評價。將場地劃分為10 m×10 m的正方形單元共6 843個，如圖4所示。依據(jù)基礎資料，分別繪制8個二級指標的圖層，通過Visual C++開發(fā)環(huán)境下的二次開發(fā)程序，每個單元均可按照表3自動獲得相關的8個評價因子的數(shù)值。限于篇幅，本文中并未列出各因子圖層對應圖件。

在場地巖溶塌陷影響指標數(shù)據(jù)庫支持下，按照式(4)和式(5)，將每個網格單元指標與權重系數(shù)進行計算，對每個單元打分，即確定各個單元ξ5值?；厩闆r如下：最低得分為18.76，最高得分為81.69。將得分區(qū)間劃分為6段，統(tǒng)計每個區(qū)段的格網單元數(shù)和鉆探查明的存在土溶洞的單元數(shù)，如表5所示。單元得分統(tǒng)計的直方圖見圖5。根據(jù)表5、圖5的結果，將場地單元的危險性級別劃分為：高、較高、較低、低4個等級，危險性綜合評價結果如圖6所示。

表5　網格單元得分

圖5　單元得分統(tǒng)計直方圖Fig.5　Histogram of unit score

圖6　基于PLS Path Model的巖溶地面塌陷評價結果Fig.6　Assessment result of karst ground collapse basedon PLS Path Model

從圖6看出巖溶地面塌陷危險性高的區(qū)域主要出現(xiàn)在體育館東邊、東南角，體育場的西北角、東邊和游泳館西南角等部分；巖溶地面塌陷危險性較高區(qū)：主要出現(xiàn)在體育館東邊、東南角，體育場的西北角、東邊，地下停車場東邊和游泳館西南角，以及2條推測斷層的附近等地方；巖溶地面塌陷危險性較低區(qū)：主要出現(xiàn)在大運路附近，體育場的場區(qū)、地下室、東側廣場邊等地方；巖溶地面塌陷危險性低區(qū)：主要出現(xiàn)在黃閣路西段，水體、綠化帶、停車場等地方。

本文所得評價結果能較為準確地指導土洞、溶洞發(fā)育部位的處置設計及施工，說明了危險性評價指標選取及評價方法的合理性。

6結論

本文在結合區(qū)域地質資料、現(xiàn)場勘查資料，利用工程地質學、靜力學相關知識分析了深圳大運中心場地土(溶)洞發(fā)育特征，以及基于MapGIS數(shù)據(jù)管理軟件與偏最小二乘通徑模型進行了危險性評價，得到以下幾點結論：

(1) 場地可溶巖分布全區(qū)，巖溶發(fā)育。場地見洞率為11%～19%，平均14%，其中土洞約占5%。土洞或溶洞大多有洞穴堆積物充填，空洞占3%。巖溶發(fā)育分布不均，在場地不同部位表現(xiàn)出不同的特征。體育館東、東南，體育場東、西和西北，游泳館西南、北，地下停車場東等地為巖溶強發(fā)育區(qū)，局部見洞率超過50%。

(2) 在宏觀把握場地巖溶發(fā)育情況的條件下，概化出土洞塌陷的靜力學分析模型，并選取相關工點進行了驗算。計算結果表明該工點處于臨界不穩(wěn)定狀態(tài)，因此在外荷載作用下(本場地為打樁)即可產生塌陷，此結論與實際打樁引起的地面塌陷現(xiàn)象一致，驗證了該模型的適用性。

(3) 基于PLS Path Model和MapGIS的巖溶地面塌陷危險性評價評價結果為：在體育館東邊、東南角，體育場的西北角、東邊和游泳館西南角為巖溶地面塌陷高-較高危險區(qū)；地下停車場東邊和游泳館西南角，以及2條推測斷層的附近為巖溶地面塌陷較高危險區(qū)；大運路附近，體育場的場區(qū)、地下室、東側廣場邊為巖溶地面塌陷危險性較低區(qū)；黃閣路西段，水體、綠化帶、停車場為巖溶地面塌陷危險性低區(qū)?？傮w來看，深圳大運中心巖溶地面塌陷危險性高、較高、較低和低的4個等級分區(qū)分別占總面積的1.05%，10.71%，19.39%和68.85%。評價結果客觀、合理，說明PLS Path Model能成功應用于場地巖溶地面塌陷的危險性評價中。

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(編輯：王慰)

Static Analysis and Hazard Assessment of Karst GroundCollapse in Vital Project

OUYANG Hui1, XU Guang-li1, ZHANG Xin-jie1, LI Yong-feng2, DONG Jia-xing3

(1.Faculty of Engineering ,China University of Geosciences, Wuhan430074, China; 2.Communications Planning and Design Institute of Hubei Province，Wuhan430051, China; 3.Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming650500, China)

Abstract:Collapse of large area occurred in Shenzhen universiade sports center during its pile foundation construction. Because the project is very important, and the ground and foundation are very complicated, we need to assess the hazard of karst ground collapse in order to reduce accidents. Firstly, we employed exploration methods inclusive of high-density electrical method, geologic radar, CT tomography, and drilling to investigate the development of soil holes and karst caves. On this basis, we built the statics model of the ground collapse through engineering geological analysis. Furthermore, we summarized the factors affecting the karst ground collapse and established a risk assessment index system based on the analysis of space distribution regularity of karst development and formation mechanism. The index system includes 4 first-level indicators (karst foundation condition, cover layer characteristics, building attributes and hydrogeological condition) and 8 secondary level indicators. At last, we adopted MapGIS and PLS (Partial Least Squares) Path Model to assess the hazard of karst ground collapse, and divided the ground collapse hazard into four levels: high, relatively high, relatively low and low, accounting for 1.05%, 10.71%, 19.39%, and 68.85% of the whole site respectively. The assessment and prediction results are objective and reasonable, and the proposed system can be used in similar projects.

Key words:Shenzhen universiade center; karst development; ground collapse; mechanics analysis; hazard assessment

中圖分類號：TU443

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)05-0088-06

doi:10.11988/ckyyb.201409542016,33(05):88-93

作者簡介：歐陽輝(1973-)，男，湖南隆回人，副教授，博士研究生，主要從事工程力學、巖土體工程性質方面的教學、科研工作，(電話)13297984099(電子信箱)oyhcug@163.com。通訊作者：董家興(1986-)，男，云南宣威人，講師，博士，主要從事巖土體穩(wěn)定性方面的教學和研究工作，(電話)18213916817(電子信箱)djx-djx001@163.com。

收稿日期：2014-11-13；修回日期：2014-12-03