岩溶区钻探引起地面塌陷机理分析

潘启钊，刘锡儒，赵家福，叶 青

（深圳市工勘岩土集团有限公司 深圳 518026）

0 引言

岩溶塌陷是指岩溶上覆土体受到外部因素触发，通过裂隙逐渐向下伏溶洞漏失或溶、土洞顶板突然崩塌，最终在地表形成塌陷坑［1−2］。地面塌陷的危险，容易导致设备倾斜、失稳掉落，危害钻探人员及周边建构筑物、地下管线的安全。长期以来，大量学者对于岩溶塌陷成因机制与塌陷机理的研究已取得了丰硕的成果［3−4］。蒋小珍等人［5］对原状土进行物理模型试验，提出土体破坏的机理是岩溶水位下降引起的土体渗透变形（潜蚀），并且岩溶水位下降又可形成负压，破坏土体的稳定性；罗小杰等人［6］研究了砂露型岩溶塌陷的物理模型，较好地反映出砂露型地面塌陷的规律；邢宇健等人［7］构建地下水位动态变化的分析模型，分析水位变化对岩溶塌陷的影响。

现阶段，众多学者大部分研究都集中在岩溶塌陷机理的研究，对于因钻探施工引起岩溶区地面塌陷的研究还很少［8］。本文以广州地铁18 号线北延钻探施工引起地面塌陷为例，分析岩溶区钻探施工地面塌陷的原因，并采用MIDAS−GTS 三维有限元软件进行模拟分析。结合现场实际情况，对比分析得出岩溶区钻探施工地面塌陷与地下水位变化、砂土层厚度、黏土层厚度、溶洞直径的关系。

1 工程概况

广州地铁18号线北延段主线线路全长约39.7 km，全部为地下线，设站8 座。广州至清远城际联络线自应湖站接出，向西穿过现状村庄、新街河后接至广清城际一期起点花都站，联络线总长8.6 km。工程位置示意图如图1所示。

图1 广州地铁18号线北延段位置Fig.1 Location of North Extension Section of Guangzhou Metro Line 18

本线路经过地段总体地势较为平坦，现状地面高程一般为5.90～17.96 m，地貌类型为广花冲洪积平原。

场地勘察深度范围内主要分布有第四系全新统人工堆积层（Q4ml），第四系冲洪积层（Q3+4al＋pl），第四系全新统坡洪积层（Q4dl+pl），第四系残积层（Qel），下伏基岩为二叠系上统栖霞组（P2q）灰岩，石炭系中统壶天组（C2ht）灰岩、页岩，石炭系下统曲江组（C1q）、测水组（C1c）、石磴子组（C1s）灰岩、石英砂岩。典型工程地质剖面如图2所示。

图2 典型工程地质剖面Fig.2 Typical Engineering Geological Profile

根据地下水的赋存条件，沿线地下水类型可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水。松散岩类孔隙水赋存于第四系砂卵石层中，属孔隙潜水。基岩裂隙水赋存于基岩风化裂隙和构造裂隙中。岩溶水主要赋存于石炭系灰岩中，以裂隙岩溶水、溶洞水为主，具有承压性。

2 岩溶塌陷情况统计

本次勘察共揭露溶洞456个，岩溶高度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%，如图3⒜所示。揭露到两层及以上溶洞的113个孔，占揭露溶洞钻孔总数的47.3%。全充填溶洞164个，占全部溶洞的36%；半充填溶洞100个，占全部溶洞的22%；无充填溶洞192个，占全部溶洞的42%，如图3⒝所示。溶洞的见洞率为52%，线岩溶率为6.3%，岩溶强发育。

本次勘察共发生7起因钻探施工导致岩溶地面塌陷的事故，如图4所示。

图4 地面塌陷Fig.4 Ground Collapse

3 研究区岩溶塌陷原因分析

3.1 研究区岩溶塌陷机理

广州地铁18号线北延段属覆盖型岩溶区，本次勘察揭露覆盖层厚度约为8.0～55.0 m，变化较大，部分区域松散砂层与下伏灰岩直接接触，且溶洞顶板厚度较薄，当钻探施工穿过溶洞顶板时，上覆砂层与溶洞直接连通，具备形成地表塌陷的基本条件。

针对研究区钻探施工导致岩溶区地面塌陷的情况［9−10］，主要分为：①砂土漏失阶段。该阶段为塌陷的初始阶段，在灰岩上覆砂层中形成“砂洞”，表层黏土层仍处于稳定状态。②地表塌陷阶段。随着砂层不断流入溶洞内，黏土层底出现板底脱空，上方土体失稳，地表塌陷。③塌陷扩展阶段，地表发生塌陷后，塌陷坑垂直侧壁遭受剪切滑动破坏，形成漏斗状塌陷坑。

3.2 研究区岩溶塌陷原因分析

①孔隙潜水与岩溶水存在较大的水头差。地下水水位普遍埋藏浅，稳定水位埋深为0.40～8.70 m，经套管隔水观测，岩溶水水头埋深为19.80～33.70 m。孔隙潜水与岩溶水的水头差约为16.90～28.40 m。钻探施工后形成110 mm 的钻孔孔径，将孔隙潜水与岩溶水连通，不同的水头差使得孔隙潜水挟裹着砂沿着钻孔往下流动，水头差越大，流速越快，地表塌陷越易形成。②覆盖层厚度薄，灰岩直接接触砂层。本次勘察共发生7 起因钻探施工导致岩溶地面塌陷事故，对比分析岩溶区地面塌陷地质情况，其覆盖层厚度均少于20.0 m，其中6 起塌陷为灰岩直接接触砂层，1 起灰岩表层约有1.0 m厚粉质黏土，粉质黏土之上约有10.0 m厚松散中砂层。③“砂洞”上部黏土层厚度不足。“砂洞”逐渐呈拱形向上发展形成土洞，钻孔破坏土体原有结构，引起钻孔周边土体应力释放，改变原有溶、土洞脆弱的平衡状态，土层出现剪切滑动破坏，地表塌陷形成。④溶洞直径的大小也是岩溶区地面塌陷的重要影响影响因素，一般而言，溶洞直径越大，塌陷越易形成。

3.3 研究区岩溶塌陷力学分析

为了便于对极限塌陷情况进行分析，本文采用单一黏土覆盖层建立土体塌陷模型，如图5所示，并在此基础上进行力学分析。

图5 土体塌陷模型Fig.5 Model of Soil Collapse

岩溶区地面塌陷主要与上覆黏土层重力、黏土层侧摩阻力、地下水下降对上部黏土产生的渗流力、浮力有关，从本质上来讲，岩溶区地面塌陷是黏土层致塌力大于抗塌力的结果，即

其中：γw为水的重度；v为地下水平均流速。

综上所述，当K＞1 时，“砂洞”不向上扩展，黏土层稳定；当K=1时，上覆黏土层属于临界状态；当K＜1时，此时致塌力大于抗塌力，黏土层失稳，“砂洞”将继续向上扩展，最终导致地面出现塌陷。

4 岩溶塌陷三维有限元模拟

根据上一小节相关研究，得知岩溶塌陷主要与孔隙潜水和岩溶水的水头差、砂土层厚度、黏土层厚度、溶洞直径大小有关，本文运用大型通用有限元分析软件MIDAS−GTS［11］，分析不同孔隙潜水和岩溶水的水头差、不同砂土层厚度、不同黏土层厚度、不同溶洞直径时岩溶地面的塌陷情况。三维有限元模型如图6所示。三维有限元模型实体应力场如图7所示。

图6 三维有限元模型Fig.6 3D Finite Element Model

图7 三维有限元模型实体应力场云图Fig.7 Cloud Diagram of Solid Stress Field of 3D Finite Element Model

当黏土层厚度为5.0 m、砂层厚度为8.0 m、溶洞直径为3.0 m 时，孔隙潜水与岩溶水的水头差取5.0 m、10.0 m、15.0 m、20.0 m、25.0 m、30.0 m分别建立三维有限元模型。当孔隙潜水与岩溶水的水头差取10.0 m时，“砂洞”处于稳定状态，如图8所示。

图8 “砂洞”稳定状态云图Fig.8 Cloud Diagram of Stable State of“Sand Cave”

当孔隙潜水与岩溶水的水头差取15 m时，黏土层失稳，地面出现塌陷，此时地面沉降量达10.73 cm，如图9 所示。随着灰岩表面砂层不断流失，塌陷范围越来越大。

图9 地面塌陷云图Fig.9 Cloud Map of Ground Collapse

孔隙潜水与岩溶水的水头差为5.0 m、10.0 m、15.0 m、20.0 m、25.0 m、30.0 m，其地面稳定系数如图10所示。

图10 不同孔隙潜水与岩溶水水头差地表稳定系数Fig.10 Surface Stability Coefficient of Different Pore Phreatic Water and Karst Water Head Difference

从图10可知，当孔隙潜水和岩溶水的水头差为△h=10.0 m时，K=1，此时“砂洞”处于极限平衡状态；当△h＜10.0 m 时，K＞1，此时“砂洞”处于稳定状态；当△h＞10.0 m，K＜1，此时黏土层失稳，地面出现塌陷。地表稳定系数随着水头差△h的增加而减少，其在5.0～10.0 m 时变化最大，随着水头差的增加，其变化幅度越来越小。

当孔隙潜水与岩溶水的水头差为10.0 m、黏土层厚度为5.0 m、溶洞直径为3.0 m 时，砂层厚度取5.0 m、8.0 m、10.0 m、13.0 m、15.0 m、18.0 m 分别建立三维有限元模型，根据有限元分析结果，得出地表稳定系数，如图11所示。

图11 地表稳定系数Fig.11 Surface Stability Coefficient

由图11⒜可知，当砂层厚度H=8.0 m 时，K=1，此时“砂洞”处于极限平衡状态，当H＜8.0 m时，K＞1，此时“砂洞”处于稳定状态，当H＞8.0 m，K＜1，此时黏土层失稳，地面出现塌陷。地表稳定系数随着砂层厚度H的增加而减少，当H大于13.0 m时，其地表稳定系数保持不变，均为0.85。

当孔隙潜水与岩溶水的水头差为10.0 m、砂层厚度为8.0 m、溶洞直径为3.0 m时，黏土层厚度取1.0 m、3.0 m、5.0 m、7.0 m、9.0 m、11.0 m分别建立三维有限元模型，根据有限元分析结果，得出地表稳定系数，如图11⒝所示。

由图11⒝可知，当黏土层厚度H=5.0 m 时，K=1，此时“砂洞”处于极限平衡状态，当黏土层厚度H＞5.0 m 时，K＞1，此时“砂洞”处于稳定状态，当黏土层厚度H＜5.0 m 时，此时黏土层失稳，地面出现塌陷。地表稳定系数随着黏土层厚度的增加而增加。

当孔隙潜水与岩溶水的水头差为10.0 m、黏土层厚度为5.0 m、砂层厚度为8.0 m时，溶洞直径取1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m 分别建立三维有限元模型，根据有限元分析结果，得出地表稳定系数，如图12所示。

图12 不同溶洞直径地表稳定系数Fig.12 Surface Stability Coefficient of Different Karst Cave Diameters

从图12 可知，当溶洞直径D=3.0 m 时，K=1，此时“砂洞”处于极限平衡状态，当溶洞直径D＜3.0 m时，K＞1，此时“砂洞”处于稳定状态，当溶洞直径D＞3.0 m 时，此时黏土层失稳，地面出现塌陷。地表稳定系数随着溶洞直径的增加而减少。

5 钻探施工导致岩溶区地面塌陷预防措施

⑴开钻前，对附近场地进行平整处理，将钻机位置调平、调整，并对机座地面及平台进行加固，水上钻孔，采取打桩等固定钻机平台的方法，确保钻探前和钻探过程中钻机平台稳定，防止发生倾斜等。

⑵钻孔击穿空洞、溶洞顶板或所处岩层裂隙发育，连通性好，容易发生漏浆、漏水。当漏浆不严重时应及时增大循环水，必要时可在泥浆中添加护壁剂、锯末等增加泥浆相对密度。

⑶当发生卡钻事故时，需继续保持循环水的供给，同时应在缓慢旋转钻具时提升钻具，当此法无效时，改用吊锤反打的方法慢慢提钻。

⑷封孔方案根据封堵工具为为两种：①木塞+编织袋方案；②木塞+编织袋+PVC 管方案。两种方案的根本目的都是为了防止上部砂层流入溶洞内，共同点都是以木塞+编织袋作为封堵工具。

⑸钻探完成后，只有在岩面封堵成功以后才能拔套管，拔套管不能冒进，建议采取边拔套管边灌浆封孔的措施。

6 结论

本文通过对广州18 号线北延岩溶塌陷机理进行分析，建立了相应的力学模型，并利用三维有限元分析方法，综合考虑孔隙潜水和岩溶水的水头差、砂土层厚度、黏土层厚度、溶洞直径等因素，对不同条件下岩溶区钻探施工地面塌陷情况进行分析，得到以下结论：

⑴钻探施工导致岩溶区地面塌陷的情况主要分为3 个阶段：①砂土漏失阶段；②地表塌陷阶段；③塌陷扩展阶段。

⑵ 岩溶区钻探施工导致地面塌陷的原因主要为：①孔隙潜水与岩溶水存在较大的水头差；②覆盖层厚度薄，灰岩直接接触砂层；③“砂洞”上部黏土层抗剪强度；④溶洞直径大小。

⑶本文通过控制变量法，分析了钻探施工时不同孔隙潜水和岩溶水的水头差、不同砂土层厚度、不同黏土层厚度、不同溶洞直径大小时岩溶地面塌陷情况，得出地表稳定系数随着水头差△h的增加而减少，其在5.0～10.0 m 时变化最大，随着水头差的增加，其变化幅度越来越小；地表稳定系数随着砂层厚度H的增加而减少，当H大于13.0 m时，其地表稳定系数保持不变，均为0.85；地表稳定系数随着黏土层厚度的增加而增加；地表稳定系数随着溶洞直径的增加而减少。

⑷本文提出两种封孔方案：①木塞+编织袋方案；②木塞+编织袋+PVC 管方案。以预防岩溶区钻探施工引起地面塌陷的发生。