韶关港覆盖型岩溶工程地质特征及岩溶稳定性评价

■ 广东省航运规划设计院有限公司 鲁亚楠 李炳权

可溶性碳酸岩在长期地下水溶蚀作用和水动力搬运作用下易形成裂隙、溶腔或溶洞，成为岩体不连续界面和水环境入侵的通道。溶洞在自然作用以及受人类工程活动的影响下，极易诱发各种地质问题，诸如地表坍塌沉陷、地下水渗漏、边坡失稳、基础失效等，一直以来成为工程建设行业普遍关注和研究的话题[1]-[5]。按照岩溶埋藏深度的不同，一般可将其分为3种类别，即裸露型、埋藏型和覆盖型。相比于裸露型岩溶和埋藏型岩溶，覆盖型岩溶位于岩土交界面附近，具有隐蔽性，探测难度大，且成灾机理复杂，成灾时间和空间难以预测，具有突发性。范士凯[6]针对武汉地区的覆盖型岩溶，指出地下水的潜蚀作用是造成岩溶塌陷的主要因素；罗小杰[7]等根据上覆土层类别的不同，将覆盖型岩溶分为3类，并进一步细分为9个亚类；张艺凡[8]等研究了地质钻孔诱发覆盖型岩溶坍塌的机理，并指明不同上覆层厚度的稳定临界砂黏比例。由此可知，现阶段主要分析岩溶的坍塌机理较多，且大多都集中在自然因素作用的研究，对人工活动造成的岩溶坍塌过程、特征及风险预测的研究较少。本文依托韶关港乌石综合交通枢纽一期工程岩土工程勘察项目，在分析场区地质条件及水文地质特征的基础上，研究岩溶的分布范围、发育特征，建立场区岩溶坍塌模型，并基于极限平衡理论对岩溶的稳定性进行评价。

1.工程概况

韶关港乌石综合交通枢纽一期工程为新建水运港口与航道工程，位于广东省韶关市曲江区乌石镇。项目新建12个1000吨级散货码头泊位，码头岸线总长935m，其中，6#～9#泊位长310m，10#～12#泊位长235m，13#～17#泊位长390m。该项目同步建设后方堆场、火车装车塔、皮带机输送系统等设施，工程设计货物通过能力为1050万t，主要货物为煤炭、铁石矿和矿建材料等。建设项目建筑物等级为Ⅱ级，基础拟采用桩基（打入桩或灌注桩）或重力式。

2.场区工程地质条件

2.1 场区地形地貌

场区属河流侵蚀堆积作用形成的河间谷地地貌单元，地面较平坦。

2.2 地质构造

场区受仁化—英德—三水褶断构造带所控制，位于该断裂中段。断裂构造带主要由乌石—黄思脑断裂，北江向斜、官坪断裂、雪山嶂背斜等组成，其中，雪山嶂背斜由雪山嶂和三姐妹背斜及三个向斜组成。场地范围内被第四系土层覆盖，未取得岩层产状、褶皱等特征。根据地质钻探揭示场区未发现浅埋的全新活动性断层和新构造运动的痕迹，勘探过程中在钻孔终孔深度范围内未发现断层在场地分布，白垩系上统南雄群（K2nn）凝灰质砂岩、粉砂岩、砾岩与石炭系下统岩关阶孟公坳组（C1ym）灰岩呈不整合接触。

2.3 场区地层岩性

根据钻探结果分析，场区内上覆盖层为第四系全新统沉积地层，主要为砂类土、碎石土、卵石等，下伏基岩为白垩系上统南雄群（K2nn）凝灰质砂岩、粉砂岩、砾岩与石炭系下统岩关阶孟公坳组（C1ym）灰岩。灰岩主要呈灰白色和灰色，岩面起伏较大，岩体裂隙、溶洞发育，溶洞大小分布差异较大，遇洞率为38%，方解石脉较发育。

2.4 场区水文地质特征

场区地表水为北江干流，径流流量受气候影响和蒸发能力、渗透能力的影响，属于典型的降雨补给型河流。场区地下水类型按含水层性质分为孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水，按埋藏条件分为潜水和承压水。孔隙潜水较丰富，主要赋存于填土、粉细砂、粗砾砂和卵石层中，与地表水联系紧密；基岩裂隙水主要沿风化裂隙发育带分布，主要由地表水或河水（洪水期）补给；岩溶水主要在岩溶发育带分布，因其分布不均，具有一定的承压性。北江河水及大气降水是潜水及基岩裂隙水、岩溶裂水的主要补给来源，排泄主要表现为大气蒸发。根据钻探期间对陆域钻孔地下水的测量，钻孔地下水位埋藏0.60m ～7.00m，高程46.52m ～37.00m，初见水位与稳定水位接近，年变化水位幅度在1m ～3m。

3.场区溶洞的分布及发育特征

3.1 溶洞分布

如图1所示，场区共施钻136个钻孔，揭示溶洞110个，岩溶发育区域主要分布于场地上游、中游（6#～9#泊位及其后方，在钻孔MA01 ～钻孔MA22、钻孔DK06 ～钻孔DK10内有溶洞揭示，10#～12#泊位及其后方，在钻孔MA23 ～钻孔MA37内有溶洞揭示，图2为场区典型的地质纵断面图）。另外，下游13#～17#泊位及其后方钻孔MA38 ～钻孔MA69，基岩主要为砾岩，个别钻孔揭示存在土洞。

图1 岩溶在场区内的分布范围

图2 场区典型地质纵断面

3.2 溶洞的发育特征

场区内共有52个钻孔遇到溶洞，遇洞率为38%，大于判定岩溶发育程度为岩溶发育的遇洞率30%要求，钻孔单溶洞最大垂直高度为16.60m。表1、表2为场区揭示岩溶的尺寸、填充情况以及线溶率统计分析情况。从表中可以看出，场区溶洞尺寸大，1.0m ～5.0m的溶洞占绝大多数，约占65%，溶洞高度大于5.0m的数量占17%；溶洞的填充率较高，全充填的溶洞比例约占66%，未充填和半充填的溶洞比例约34%；溶洞线溶率高，线溶率主要集中在5%～20%，约占56%，线溶率大于20%的比例约为31%。

表1 揭示岩溶的尺寸、个数及比率

表2 揭示岩溶的充填情况、线溶率统计

从图2可以看出，场区岩溶为覆盖型岩溶，溶洞数量多，呈串珠状，溶洞大小不一，溶洞与溶洞间的灰岩厚度非常小，岩土交界面附近溶洞发育，灰岩板受到地质钻探或者钻孔灌注桩钻孔后，极易坍塌破碎，溶洞间相互贯通，导致上部土层向溶洞内迁移，引发上部塌陷和河水涌入。对覆盖型串珠状溶洞的坍塌机理和上覆土层的迁移过程进行研究，是保障港口桩基工程成功施工的基本条件。

4.岩溶稳定性评价

4.1 钻孔诱发岩溶坍塌过程分析

如图2所示，通过分析场区地层条件可知，岩溶的上覆土层主要为黏性土（⑤1粉质黏土、⑤2碎石粉质黏土）和非黏性土（②2粉砂、②4卵石）。为建立“岩溶—上覆土层”的坍塌分析模型，上覆②2粉砂土层较薄，可以忽略其影响，而⑤1粉质黏土、⑤2碎石粉质黏土的土层物理力学性质相近，可将其合并为一层粉质黏土层，如表3所示。

表3 土层的物理力学性质统计

综合分析，可以建立两种“岩溶—上覆土层”模型，如图3所示。

图3 不同模型的岩溶塌陷过程

模型①为“灰岩+卵石”的二元结构模型。卵石地层在受到地质钻孔或者钻孔灌注桩钻孔的扰动下，灰岩溶洞被击穿，上覆卵石由于颗粒较粗，相互间黏结力差，因此卵石颗粒不断向溶洞内填充，带动上部颗粒的松动和下沉，水位也出现局部下降，进一步加剧了地下水对土颗粒的“真空吸蚀”和“渗透力”作用，卵石层的滑移面与水平面的夹角大致与内摩擦角相同，在自身重力作用下，地表不断沉降直至溶洞填满，水位恢复。

模型②为“灰岩+卵石+粉质黏土”的三元结构模型。在初始阶段，由于钻孔将溶洞顶板击穿，导致粉质黏土存在临空面，在水软化作用下往溶洞内迁移，粉质黏土层形成土洞，地表仍维持原状，水位局部下降；在粉质黏土和卵石自身重量、地下水的垂直渗透压力以及“真空吸蚀”等作用下，土洞不断扩张并失稳，形成圆柱状的塌陷体；卵石层的坍塌过程与模型①基本相同，水位逐渐恢复至初始状态。

4.2 基于极限平衡理论的岩溶稳定性计算方法

对于模型①来说，由于②4卵石层以中密为主，颗粒呈亚圆状，直径多在1cm ～5cm，少量为5cm ～10cm，间隙充填粗砂砾，无黏性，因此可以直接利用无黏性土的极限平衡理论得出卵石土沿着内摩擦角滑移，其极限稳定系数为：

式中，φc为卵石层的内摩擦角，度。

对于模型②而言，如图4所示，假设土洞上方圆柱形塌落体的侧摩阻力小于作用于土洞的致塌力时，溶洞出现塌陷，其中，致塌力包含土体自重G、地下水下渗渗流力F1、地下水下渗引起的浮力增量F2、卵石迁移与粉质黏土脱空产生的真空负压F3以及地表动荷载F4，计算时假设F4=0，各项计算公式如下：

图4 模型②尺寸参数

式中，h为粉质黏土层厚度，m；△hw为地下水下降幅度，m；D为塌落拱跨径，m；v为地下水下渗速度，m/s；γ0为地下水重度，kN/m3；γ为粉质黏土与卵石的加权天然重度，kN/m3；p为临界压强差，取值区间为[0，50]，kPa。

土洞上方圆柱形塌落体的侧摩阻力f为：

式中，k0为静止侧压力系数；φ为粉质黏土与卵石的加权内摩擦角，度；c为粉质黏土与卵石的加权黏聚力，kPa。

由此可得到极限稳定系数为：

如图4所示，对于塌落拱跨径D可用以公式进行计算：

式中，d为地质钻孔或者钻孔灌注桩的孔径，m；R为溶洞顶板的高度，m；φr为灰岩内摩擦角，度。

4.3 岩溶稳定性评价分析

综合分析场区的勘察成果，对模型①和模型②计算时的各项参数选取如表4所示：

表4 岩溶稳定性计算基本参数

考察不同覆盖层厚度和常规地质钻孔、钻孔灌注桩钻孔直径的影响，计算时对土层厚度分别取为10.0m、5.0m、2.5m，常规地质钻孔孔径分别取为75mm、91mm、110mm、130mm、150mm，常规钻孔灌注桩钻孔直径分别取为0.5m、0.8m、1.0m、1.2m、1.5m、2.0m。

对于模型性①，由公式（1）可知，上覆土层厚度和钻孔直径对极限稳定性系数无影响，只与卵石层的内摩擦角相关，但在实际施工过程中，无论是地质钻探还是钻孔灌注桩的成孔，都对卵石具有震动和扰动效应，卵石颗粒较粗，相互之间黏结，受到扰动后极易松散和强度折减。

图5为模型②不同覆盖层厚度和不同钻孔直径的极限稳定性系数计算曲线。从图中可以看出，在任意覆盖层厚度条件下，覆盖层岩溶的极限稳定系数与钻孔之间呈现明显的对数关系，随着钻孔直径的增大，极限稳定系数迅速降低。覆盖层岩溶的极限稳定性系数与上覆土层的厚度明显相关，随着覆盖层厚度的增加，极限稳定性系数降低，在覆盖层厚度为2.5m、钻孔直径大于1.2m时，岩溶的极限稳定性系数k＜1.0，出现坍塌风险。在6#～9#泊位位置处，由于临近江水，施作桩基础尤为危险。

图5 不同覆盖层厚度和钻孔直径对极限稳定性系数的影响

5.结论

韶关港乌石综合交通枢纽一期工程港区范围内岩溶发育、溶洞数量大、线溶率高、遇洞率高，为典型的覆盖型岩溶，综合分析地层后可建立“灰岩+卵石”的二元结构模型和“灰岩+卵石+粉质黏土”的三元结构模型来揭示其坍塌过程和机理。

对不同上覆厚度与常规地质钻孔孔径、桩基础成孔孔径计算岩溶的极限稳定性系数表明，对于“灰岩+卵石+粉质黏土”三元结构模型，岩溶的极限稳定系数与上覆土层厚度和钻孔的直径有关，且与直径成对数衰减规律，而“灰岩+卵石”二元结构模型的极限稳定系数与后两者无关，但在实际施工中应注意施工对卵石层的扰动造成的强度指标折减。