■ 廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 魯亞楠 李炳權(quán)

可溶性碳酸巖在長期地下水溶蝕作用和水動力搬運(yùn)作用下易形成裂隙、溶腔或溶洞，成為巖體不連續(xù)界面和水環(huán)境入侵的通道。溶洞在自然作用以及受人類工程活動的影響下，極易誘發(fā)各種地質(zhì)問題，諸如地表坍塌沉陷、地下水滲漏、邊坡失穩(wěn)、基礎(chǔ)失效等，一直以來成為工程建設(shè)行業(yè)普遍關(guān)注和研究的話題[1]-[5]。按照巖溶埋藏深度的不同，一般可將其分為3種類別，即裸露型、埋藏型和覆蓋型。相比于裸露型巖溶和埋藏型巖溶，覆蓋型巖溶位于巖土交界面附近，具有隱蔽性，探測難度大，且成災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，成災(zāi)時間和空間難以預(yù)測，具有突發(fā)性。范士凱[6]針對武漢地區(qū)的覆蓋型巖溶，指出地下水的潛蝕作用是造成巖溶塌陷的主要因素；羅小杰[7]等根據(jù)上覆土層類別的不同，將覆蓋型巖溶分為3類，并進(jìn)一步細(xì)分為9個亞類；張藝凡[8]等研究了地質(zhì)鉆孔誘發(fā)覆蓋型巖溶坍塌的機(jī)理，并指明不同上覆層厚度的穩(wěn)定臨界砂黏比例。由此可知，現(xiàn)階段主要分析巖溶的坍塌機(jī)理較多，且大多都集中在自然因素作用的研究，對人工活動造成的巖溶坍塌過程、特征及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測的研究較少。本文依托韶關(guān)港烏石綜合交通樞紐一期工程巖土工程勘察項(xiàng)目，在分析場區(qū)地質(zhì)條件及水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，研究巖溶的分布范圍、發(fā)育特征，建立場區(qū)巖溶坍塌模型，并基于極限平衡理論對巖溶的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

1.工程概況

韶關(guān)港烏石綜合交通樞紐一期工程為新建水運(yùn)港口與航道工程，位于廣東省韶關(guān)市曲江區(qū)烏石鎮(zhèn)。項(xiàng)目新建12個1000噸級散貨碼頭泊位，碼頭岸線總長935m，其中，6#～9#泊位長310m，10#～12#泊位長235m，13#～17#泊位長390m。該項(xiàng)目同步建設(shè)后方堆場、火車裝車塔、皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)等設(shè)施，工程設(shè)計(jì)貨物通過能力為1050萬t，主要貨物為煤炭、鐵石礦和礦建材料等。建設(shè)項(xiàng)目建筑物等級為Ⅱ級，基礎(chǔ)擬采用樁基（打入樁或灌注樁）或重力式。

2.場區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 場區(qū)地形地貌

場區(qū)屬河流侵蝕堆積作用形成的河間谷地地貌單元，地面較平坦。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

場區(qū)受仁化—英德—三水褶斷構(gòu)造帶所控制，位于該斷裂中段。斷裂構(gòu)造帶主要由烏石—黃思腦斷裂，北江向斜、官坪斷裂、雪山嶂背斜等組成，其中，雪山嶂背斜由雪山嶂和三姐妹背斜及三個向斜組成。場地范圍內(nèi)被第四系土層覆蓋，未取得巖層產(chǎn)狀、褶皺等特征。根據(jù)地質(zhì)鉆探揭示場區(qū)未發(fā)現(xiàn)淺埋的全新活動性斷層和新構(gòu)造運(yùn)動的痕跡，勘探過程中在鉆孔終孔深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層在場地分布，白堊系上統(tǒng)南雄群（K2nn）凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖、礫巖與石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳組（C1ym）灰?guī)r呈不整合接觸。

2.3 場區(qū)地層巖性

根據(jù)鉆探結(jié)果分析，場區(qū)內(nèi)上覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沉積地層，主要為砂類土、碎石土、卵石等，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)南雄群（K2nn）凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖、礫巖與石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳組（C1ym）灰?guī)r。灰?guī)r主要呈灰白色和灰色，巖面起伏較大，巖體裂隙、溶洞發(fā)育，溶洞大小分布差異較大，遇洞率為38%，方解石脈較發(fā)育。

2.4 場區(qū)水文地質(zhì)特征

場區(qū)地表水為北江干流，徑流流量受氣候影響和蒸發(fā)能力、滲透能力的影響，屬于典型的降雨補(bǔ)給型河流。場區(qū)地下水類型按含水層性質(zhì)分為孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水，按埋藏條件分為潛水和承壓水?？紫稘撍^豐富，主要賦存于填土、粉細(xì)砂、粗礫砂和卵石層中，與地表水聯(lián)系緊密；基巖裂隙水主要沿風(fēng)化裂隙發(fā)育帶分布，主要由地表水或河水（洪水期）補(bǔ)給；巖溶水主要在巖溶發(fā)育帶分布，因其分布不均，具有一定的承壓性。北江河水及大氣降水是潛水及基巖裂隙水、巖溶裂水的主要補(bǔ)給來源，排泄主要表現(xiàn)為大氣蒸發(fā)。根據(jù)鉆探期間對陸域鉆孔地下水的測量，鉆孔地下水位埋藏0.60m ～7.00m，高程46.52m ～37.00m，初見水位與穩(wěn)定水位接近，年變化水位幅度在1m ～3m。

3.場區(qū)溶洞的分布及發(fā)育特征

3.1 溶洞分布

如圖1所示，場區(qū)共施鉆136個鉆孔，揭示溶洞110個，巖溶發(fā)育區(qū)域主要分布于場地上游、中游（6#～9#泊位及其后方，在鉆孔MA01 ～鉆孔MA22、鉆孔DK06 ～鉆孔DK10內(nèi)有溶洞揭示，10#～12#泊位及其后方，在鉆孔MA23 ～鉆孔MA37內(nèi)有溶洞揭示，圖2為場區(qū)典型的地質(zhì)縱斷面圖）。另外，下游13#～17#泊位及其后方鉆孔MA38 ～鉆孔MA69，基巖主要為礫巖，個別鉆孔揭示存在土洞。

圖1 巖溶在場區(qū)內(nèi)的分布范圍

圖2 場區(qū)典型地質(zhì)縱斷面

3.2 溶洞的發(fā)育特征

場區(qū)內(nèi)共有52個鉆孔遇到溶洞，遇洞率為38%，大于判定巖溶發(fā)育程度為巖溶發(fā)育的遇洞率30%要求，鉆孔單溶洞最大垂直高度為16.60m。表1、表2為場區(qū)揭示巖溶的尺寸、填充情況以及線溶率統(tǒng)計(jì)分析情況。從表中可以看出，場區(qū)溶洞尺寸大，1.0m ～5.0m的溶洞占絕大多數(shù)，約占65%，溶洞高度大于5.0m的數(shù)量占17%；溶洞的填充率較高，全充填的溶洞比例約占66%，未充填和半充填的溶洞比例約34%；溶洞線溶率高，線溶率主要集中在5%～20%，約占56%，線溶率大于20%的比例約為31%。

表1 揭示巖溶的尺寸、個數(shù)及比率

表2 揭示巖溶的充填情況、線溶率統(tǒng)計(jì)

從圖2可以看出，場區(qū)巖溶為覆蓋型巖溶，溶洞數(shù)量多，呈串珠狀，溶洞大小不一，溶洞與溶洞間的灰?guī)r厚度非常小，巖土交界面附近溶洞發(fā)育，灰?guī)r板受到地質(zhì)鉆探或者鉆孔灌注樁鉆孔后，極易坍塌破碎，溶洞間相互貫通，導(dǎo)致上部土層向溶洞內(nèi)遷移，引發(fā)上部塌陷和河水涌入。對覆蓋型串珠狀溶洞的坍塌機(jī)理和上覆土層的遷移過程進(jìn)行研究，是保障港口樁基工程成功施工的基本條件。

4.巖溶穩(wěn)定性評價(jià)

4.1 鉆孔誘發(fā)巖溶坍塌過程分析

如圖2所示，通過分析場區(qū)地層條件可知，巖溶的上覆土層主要為黏性土（⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2碎石粉質(zhì)黏土）和非黏性土（②2粉砂、②4卵石）。為建立“巖溶—上覆土層”的坍塌分析模型，上覆②2粉砂土層較薄，可以忽略其影響，而⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2碎石粉質(zhì)黏土的土層物理力學(xué)性質(zhì)相近，可將其合并為一層粉質(zhì)黏土層，如表3所示。

表3 土層的物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)

綜合分析，可以建立兩種“巖溶—上覆土層”模型，如圖3所示。

圖3 不同模型的巖溶塌陷過程

模型①為“灰?guī)r+卵石”的二元結(jié)構(gòu)模型。卵石地層在受到地質(zhì)鉆孔或者鉆孔灌注樁鉆孔的擾動下，灰?guī)r溶洞被擊穿，上覆卵石由于顆粒較粗，相互間黏結(jié)力差，因此卵石顆粒不斷向溶洞內(nèi)填充，帶動上部顆粒的松動和下沉，水位也出現(xiàn)局部下降，進(jìn)一步加劇了地下水對土顆粒的“真空吸蝕”和“滲透力”作用，卵石層的滑移面與水平面的夾角大致與內(nèi)摩擦角相同，在自身重力作用下，地表不斷沉降直至溶洞填滿，水位恢復(fù)。

模型②為“灰?guī)r+卵石+粉質(zhì)黏土”的三元結(jié)構(gòu)模型。在初始階段，由于鉆孔將溶洞頂板擊穿，導(dǎo)致粉質(zhì)黏土存在臨空面，在水軟化作用下往溶洞內(nèi)遷移，粉質(zhì)黏土層形成土洞，地表仍維持原狀，水位局部下降；在粉質(zhì)黏土和卵石自身重量、地下水的垂直滲透壓力以及“真空吸蝕”等作用下，土洞不斷擴(kuò)張并失穩(wěn)，形成圓柱狀的塌陷體；卵石層的坍塌過程與模型①基本相同，水位逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài)。

4.2 基于極限平衡理論的巖溶穩(wěn)定性計(jì)算方法

對于模型①來說，由于②4卵石層以中密為主，顆粒呈亞圓狀，直徑多在1cm ～5cm，少量為5cm ～10cm，間隙充填粗砂礫，無黏性，因此可以直接利用無黏性土的極限平衡理論得出卵石土沿著內(nèi)摩擦角滑移，其極限穩(wěn)定系數(shù)為：

式中，φc為卵石層的內(nèi)摩擦角，度。

對于模型②而言，如圖4所示，假設(shè)土洞上方圓柱形塌落體的側(cè)摩阻力小于作用于土洞的致塌力時，溶洞出現(xiàn)塌陷，其中，致塌力包含土體自重G、地下水下滲滲流力F1、地下水下滲引起的浮力增量F2、卵石遷移與粉質(zhì)黏土脫空產(chǎn)生的真空負(fù)壓F3以及地表動荷載F4，計(jì)算時假設(shè)F4=0，各項(xiàng)計(jì)算公式如下：

圖4 模型②尺寸參數(shù)

式中，h為粉質(zhì)黏土層厚度，m；△hw為地下水下降幅度，m；D為塌落拱跨徑，m；v為地下水下滲速度，m/s；γ0為地下水重度，kN/m3；γ為粉質(zhì)黏土與卵石的加權(quán)天然重度，kN/m3；p為臨界壓強(qiáng)差，取值區(qū)間為[0，50]，kPa。

土洞上方圓柱形塌落體的側(cè)摩阻力f為：

式中，k0為靜止側(cè)壓力系數(shù)；φ為粉質(zhì)黏土與卵石的加權(quán)內(nèi)摩擦角，度；c為粉質(zhì)黏土與卵石的加權(quán)黏聚力，kPa。

由此可得到極限穩(wěn)定系數(shù)為：

如圖4所示，對于塌落拱跨徑D可用以公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，d為地質(zhì)鉆孔或者鉆孔灌注樁的孔徑，m；R為溶洞頂板的高度，m；φr為灰?guī)r內(nèi)摩擦角，度。

4.3 巖溶穩(wěn)定性評價(jià)分析

綜合分析場區(qū)的勘察成果，對模型①和模型②計(jì)算時的各項(xiàng)參數(shù)選取如表4所示：

表4 巖溶穩(wěn)定性計(jì)算基本參數(shù)

考察不同覆蓋層厚度和常規(guī)地質(zhì)鉆孔、鉆孔灌注樁鉆孔直徑的影響，計(jì)算時對土層厚度分別取為10.0m、5.0m、2.5m，常規(guī)地質(zhì)鉆孔孔徑分別取為75mm、91mm、110mm、130mm、150mm，常規(guī)鉆孔灌注樁鉆孔直徑分別取為0.5m、0.8m、1.0m、1.2m、1.5m、2.0m。

對于模型性①，由公式（1）可知，上覆土層厚度和鉆孔直徑對極限穩(wěn)定性系數(shù)無影響，只與卵石層的內(nèi)摩擦角相關(guān)，但在實(shí)際施工過程中，無論是地質(zhì)鉆探還是鉆孔灌注樁的成孔，都對卵石具有震動和擾動效應(yīng)，卵石顆粒較粗，相互之間黏結(jié)，受到擾動后極易松散和強(qiáng)度折減。

圖5為模型②不同覆蓋層厚度和不同鉆孔直徑的極限穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算曲線。從圖中可以看出，在任意覆蓋層厚度條件下，覆蓋層巖溶的極限穩(wěn)定系數(shù)與鉆孔之間呈現(xiàn)明顯的對數(shù)關(guān)系，隨著鉆孔直徑的增大，極限穩(wěn)定系數(shù)迅速降低。覆蓋層巖溶的極限穩(wěn)定性系數(shù)與上覆土層的厚度明顯相關(guān)，隨著覆蓋層厚度的增加，極限穩(wěn)定性系數(shù)降低，在覆蓋層厚度為2.5m、鉆孔直徑大于1.2m時，巖溶的極限穩(wěn)定性系數(shù)k＜1.0，出現(xiàn)坍塌風(fēng)險(xiǎn)。在6#～9#泊位位置處，由于臨近江水，施作樁基礎(chǔ)尤為危險(xiǎn)。

圖5 不同覆蓋層厚度和鉆孔直徑對極限穩(wěn)定性系數(shù)的影響

5.結(jié)論

韶關(guān)港烏石綜合交通樞紐一期工程港區(qū)范圍內(nèi)巖溶發(fā)育、溶洞數(shù)量大、線溶率高、遇洞率高，為典型的覆蓋型巖溶，綜合分析地層后可建立“灰?guī)r+卵石”的二元結(jié)構(gòu)模型和“灰?guī)r+卵石+粉質(zhì)黏土”的三元結(jié)構(gòu)模型來揭示其坍塌過程和機(jī)理。

對不同上覆厚度與常規(guī)地質(zhì)鉆孔孔徑、樁基礎(chǔ)成孔孔徑計(jì)算巖溶的極限穩(wěn)定性系數(shù)表明，對于“灰?guī)r+卵石+粉質(zhì)黏土”三元結(jié)構(gòu)模型，巖溶的極限穩(wěn)定系數(shù)與上覆土層厚度和鉆孔的直徑有關(guān)，且與直徑成對數(shù)衰減規(guī)律，而“灰?guī)r+卵石”二元結(jié)構(gòu)模型的極限穩(wěn)定系數(shù)與后兩者無關(guān)，但在實(shí)際施工中應(yīng)注意施工對卵石層的擾動造成的強(qiáng)度指標(biāo)折減。