重大工程场地岩溶地面塌陷静力学分析及危险性评价

欧阳辉，徐光黎，张新杰，李勇峰，董家兴

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉　430074； 2. 湖北省交通规划设计院 岩土工程分院，武汉　430051；3.昆明理工大学 电力工程学院，昆明　650500)



重大工程场地岩溶地面塌陷静力学分析及危险性评价

欧阳辉1，徐光黎1，张新杰1，李勇峰2，董家兴3

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉430074； 2. 湖北省交通规划设计院 岩土工程分院，武汉430051；3.昆明理工大学 电力工程学院，昆明650500)

摘要：深圳大运中心桩基施工过程中产生大面积塌陷，其建筑重要性、场地复杂程度、地基复杂程度均为一级，需对场地岩溶地面塌陷危险性进行评价，减少工程施工事故。采用高密度电法、地质雷达、层析成像、钻探等勘察方法查明土洞、溶洞发育特征，然后进行工程地质分析、建立土(溶)洞塌陷的静力学分析模型；分析影响岩溶塌陷的因素，建立包括岩溶基础条件、覆盖层特征、建筑物属性、水文地质条件4个一级指标及8个二级指标的岩溶塌陷危险性评价指标体系；基于MapGIS的数据管理系统，利用PLS Path Model(偏最小二乘通径模型)对场地岩溶地面塌陷危险性进行评价分区，并将地面塌陷危险性等级分为高、较高、较低和低4个等级，分别占场地总面积的1.05%,10.71%,19.39%和68.85%。评价结果客观、合理，其方法可为类似工程提供借鉴。

关键词：深圳大运中心；岩溶发育特征；地面塌陷；力学分析；危险性评价

1研究背景

我国岩溶分布广泛，可溶岩分布约占国土面积的1/3以上[1]。按可溶岩出露情况将岩溶分为裸露型、覆盖型、埋藏型3大类。随着城市化进程加快及经济的快速发展，在岩溶地区修建铁路、公路、机场等交通设施等重大工程已不可避免。岩溶地区修建重大工程易出现地基承载力不足、差异沉降、地基滑动及地面塌陷等变形破坏问题。岩溶地面塌陷是指岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏，并在地面形成塌陷坑(洞)的一种岩溶动力地质现象。

深圳大运中心主体育馆在桩基施工过程中出现了实际桩长与设计桩长出入很大、地面塌陷、地表开裂、桩孔揭露到土洞或溶洞，个别桩的承载力达不到设计要求等问题。由于岩溶地面塌陷在空间上具有隐蔽性，在时间上具有突发性，其一旦发生，将会危及到生命财产安全。

随着岩溶塌陷危险性评价系统研究的发展，新的研究方法不断产生，除了常用的灾害动力学分析外，社会经济效益评价方法和多种数理分析也被广泛地应用于岩溶塌陷危险性评价中[2-11]。如：张丽霞等[2]采取综合指数法选取了“松散层厚度、砂砾石层厚度、石灰岩顶界、岩溶发育程度、地下水开采量、矿床开采水平”作为评价指标，对莱芜市岩溶塌陷进行了预测；刘江龙等[12]选取断裂构造发育程度、地壳稳定性、第四系覆盖层厚度、基岩岩性、地下水动力条件、地表人类活动强度和地下活动强度7个指标(包括21个因素)，建立基于GIS技术的信息量模型，对广州市主城区地面塌陷地质灾害危险性进行了评估。

本文在查明深圳大运中心场地岩溶发育与分布规律，对岩溶地面塌陷进行工程地质分析的基础上，建立岩溶地面塌陷静力学分析模型；通过借鉴相关文献及征询专家意见，建立场地岩溶地面塌陷危险性评价的指标体系，基于MapGIS[13]的数据管理系统，利用偏最小二乘通径模型(PLS Path Model)对深圳大运中心场地岩溶地面塌陷危险性进行了评价。该研究对于岩溶处置的工程设计、施工具有重要的科学意义，对类似工程具有借鉴意义。

2工程概况

深圳大运中心于2010年年底完工并投入使用，是2011年第26届世界大学生夏季运动会的主场馆。工程位于深圳市龙岗区横岗镇西北部的麻地头村一带，东临黄阁路，南接龙翔大道，西倚铜鼓岭山丘，距水官高速出口北约1.5 km，交通极为便利。主体建筑物有主体育场、体育馆、游泳馆、热身赛场、地下停车场、人工湖和道路等，占地面积52万km2。其中，主体育场馆高约50 m，地下室深10 m，单柱轴力达8 000～18 000 kN。体育馆设计标高为50.4 m，设一层地下室，底板埋深4 m，地上除看台部分采用混凝土结构外，屋盖直至外围护采用钢结构，单位面积荷重90～150 kN/m2，单柱荷载在圆周外为2 000 kN，圆周内为4 000～9 000 kN。游泳馆长约226.8 m，宽约121.8 m，设一层地下室，层底埋深8 m。地上看台部分采用混凝土结构，屋盖采用钢结构，钢屋盖下单柱荷载为8 000～12 000 kN，其余为4 000～8 000 kN。本建筑物工程重要性、场地复杂程度、地基复杂程度均为一级，建筑抗震设防类别为甲类。

工程地质勘察资料表明：场地内地层从上到下依次为：人工填土层(Qml)、耕植层(Qpd)、第四系冲洪积层(Qal+pl)、第四系坡积层(Qdl)及第四系残积层(Qel)，下伏基岩为石炭系大唐阶测水组(C1c)泥质粉砂岩和石炭系大唐阶石磴子组(C1s)灰岩等。场地工程地质条件复杂，地层岩性多变，岩面起伏，埋藏型土洞、溶洞发育，是深圳市地质条件最复杂、岩溶最发育的场所。

图1　现场施工过程中出现的地面塌陷Fig.1　Field ground collapse during construction

深圳大运中心体育馆于2008年1月进行了大面积预应力管桩施工，于1月22日在场地中部东侧发生了地面塌陷，1月23日距塌陷以南3 m处又发生了一处塌陷。2处塌陷面积各约20 m2，北面坑深约3 m，南面坑深约6 m，同时在塌陷周围地面产生环形裂缝(图1)。由此，深圳大运中心土(溶)洞问题引起了社会各界的关注，也为工程建设及运营的安全敲响了警钟。

3岩溶发育分布规律

遵循“宏观认识和重点勘察相结合，先面后点，逐步深入”的思路和原则，采用高密度电法、地质雷达、层析成像(CT)等物探方法，结合验证性钻探，综合探测、查明土溶洞发育分布规律。

3.1可溶岩分布

深圳大运中心场地可溶岩为下石炭统大唐阶石磴子组碳酸盐岩，主要埋藏于下石炭统大唐阶测水组泥质粉砂岩之下，按其出露条件可分为覆盖型与埋藏型2种类型。

覆盖型可溶岩主要分布于龙岗、坪山、坪地、坑梓等河谷及河岸平原区和坑梓东部低台地边缘，岩溶埋深4～50 m。按埋深将岩溶埋深区分为浅埋区(<15 m)、中埋区(15～30 m)、深埋区(>30 m)。岩溶浅埋区分布于可溶岩相对隆起带，零星分布；岩溶中埋区分布于龙岗区的大部分地区，属可溶岩相对缓坡带；岩溶深埋区多位于断裂通过的可溶岩槽谷带。

埋藏型可溶岩主要分布于龙岗及坑梓地区。主要分布在第四系谷、盆边缘及两侧山体低洼处的测水组(C1c)砂页岩之下。可溶岩埋深一般大于覆盖型的埋深，多属深埋区。

3.2岩溶发育特征

龙岗区的岩溶发育程度不论在水平还是垂直方向上均具有明显的规律性：

(1) 在水平方向上，沿区内NE向主干断裂通过部位或几组断裂交叉切割部位及龙岗河近岸地带两侧地下水富集带，常形成岩溶强发育区、带，因此岩溶发育在水平方向上明显受构造格局的控制。

3.3土洞、溶洞发育情况

通过布置高密度电法测线84条，完成地质雷达探测33个剖面，层析成像24对，验证性工程地质钻探50个，结合工程详细勘察阶段、超前钻探揭露的土洞和溶洞情况，分别对体育馆、体育场、游泳馆发育的溶洞和土洞进行分析。根据钻探资料统计揭露见洞率见表1。

由表1可知：体育场、体育馆和游泳馆的土洞或溶洞发育，共有342个钻孔揭露到了土洞或溶洞，平均见洞率约为14%，其中土洞约占5%。土洞或溶洞大多有洞穴堆积物充填，空洞只占3%。但是，在体育馆和游泳馆的局部岩溶强发育区，见洞率高达50%以上。岩溶发育是极不均匀的。

表1　大运中心场地钻孔所揭露土洞和溶洞分布统计

4岩溶地面塌陷静力学分析

岩溶塌陷存在内部塌陷及地表塌陷2个过程，土洞、溶洞的存在是岩溶塌陷开始的标志。在具备开口岩溶洞穴(此处为溶洞、土洞)、松散覆盖层及水气外动力条件等3个基本要素的情况下，岩溶塌陷以覆盖层中的土洞为起点。根据大运中心体育馆塌陷补勘资料，溶洞上方覆盖层(第四系及强风化粉砂岩)厚度大约70 m，若土洞是存在于基岩和风化砂页岩的接触带，很难在外力作用下产生塌陷(抗塌力远大于致塌力)，土洞存在一个向上逐渐发展的过程，即存在比较明显的内部塌陷阶段。在土、岩接触面形成初始土洞后，在地下水作用下逐渐被掏空，发展到临界土洞阶段，在外力触发因素下发生塌陷。

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

(1)

(2)

(3)

式中：c为黏聚力(kPa)；D为洞孔直径(m)；h为塌陷体高度(m)；P2为洞内大气压强(kPa)；P为外荷载(kN)；Pa为大气压力(kPa)；ρ为土体密度(kg/m3)。

从式(3)可以看出，Fs和D成反比，当其它相同时，稳定性系数随着洞孔直径的增大而降低。

现以图1所示的塌坑为例，分析其稳定性，根据已有勘察资料和类似工程实例，可以确定相关计算参数如表2。

表2　塌陷坑计算参数

将计算参数代入(3)可计算得出抗塌系数为1.03，处于临界不稳定状态，因此在外荷载作用下(本场地为打桩)即可产生塌陷。

5岩溶地面塌陷危险性评价

5.1评价指标体系及其量化

在岩溶塌陷区域危险性评价方面，不同专家学者选取的指标不尽相同[6-9]。结合场地实际条件，考虑场地隶属一个地貌和地质构造单元、地形变化不大、盖层成因基本一致、地下水波动幅度不大等原因，借鉴相关文献，最终选取了岩溶基础条件、覆盖层特征、建筑物属性、水文地质条件等一级指标，通过征询专家意见，建立的场地危险性评价指标体系见表3。

表3　场地岩溶塌陷危险性评价指标体系

5.2基于PLS Path Model 的危险性评价

为了采用偏最小二乘通径模型(PLS Path Model)对深圳大运中心场地岩溶地面塌陷危险性评价，基于已建立的危险性评估体系，将一级指标可定为隐变量，一级指标相对应的二级指标可定为显变量(表4)。

表4　岩溶地面塌陷危险性评估显变量组与对应的隐变量

按照显变量(二级指标)对岩溶地面塌陷危险性影响程度对各单元的二级指标量化，运用反映方式，对4组变量作主成分分析，并进行唯一度的检验，结果表明唯一条件均检验通过。因此，可以按照上述方法构建深圳大运中心岩溶地面塌陷危险性评价的PLS Path Model，搭建隐变量之间和隐变量与显变量间的路径关系，如图3所示。该模型图的左边分别为反映4个一级指标的(ξ1,ξ2,ξ3,ξ4)的显变量组x11—x14，x21—x22，x31和x41，模型图的右边是由所有显变量组成的一个大变量组，用x11—x41表示，相应的隐变量用ξ5表示。

检测LFS-01对JeKo-1细胞增殖的影响时，将融合度约90%的JeKo-1细胞以每孔3 000个细胞的密度接种于96孔板中；然后添加终浓度分别为0（作为对照）、2、4、8、20、40和80 μmol/L的LFS-01，每个浓度均设置3个复孔；分别培养24和48 h后，用CCK-8检测试剂盒检测每孔在450 nm波长处的D值，计算细胞增殖活力及药物的半数抑制浓度（50% inhibitory concentration，IC50）。细胞增殖活力（%）＝（D实验组-D调零孔）/（D对照组-D调零孔）×100%。

图3　研究区岩溶地面塌陷危险性评估路径设计Fig.3　Path design for the risk assessment of karstground collapse in the study area

从图3可以看到，以这种方式获取的隐变量ξ5，不仅可反映隐变量ξ1—ξ4所具有的信息，而且与全部原始显变量间有着最强关联性。另外，ξ5反映了研究场地岩溶地面塌陷的危险性，值越高说明越容易塌陷。因此，ξ5可以作为概括原始变量的信息的综合指标，成为对深圳大运中心场地岩溶地面塌陷危险性进行综合评价排序的依据。

对所有显变量进行标准化处理，然后利用偏最小二乘通径模型进行计算，通过以上算法可得到各隐变量及其相对应的显变量间的相关系数。由于二者间存在较为明显的相关性，因此，可以建立隐变量对显变量的PLS回归模型。各隐变量定为因变量，其各自对应的显变量即为自变量，进行PLS回归分析，得回归方程为

(4)

由于各隐变量间不存在明显的关联性，所以需采用多元回归模型分析，可得回归方程为

(5)

通过计算得到此模型调整复测定系数为0.998，这表明很好地拟合了数据，各项系数与所有整体模型均通过了显著性检验。

5.3基于MapGIS的数据管理的及危险性评价

图4　场地网格剖分Fig.4　Grid subdivisionfor the site

在场地工作基础条件下，将野外工程地质工作成果、测量成果、钻探成果、物探成果数字化，生成大运中心岩溶塌陷危险性评价因素数据库。为简便，采用规则网格划分对场地岩溶塌陷危险性进行评价。将场地划分为10 m×10 m的正方形单元共6 843个，如图4所示。依据基础资料，分别绘制8个二级指标的图层，通过Visual C++开发环境下的二次开发程序，每个单元均可按照表3自动获得相关的8个评价因子的数值。限于篇幅，本文中并未列出各因子图层对应图件。

在场地岩溶塌陷影响指标数据库支持下，按照式(4)和式(5)，将每个网格单元指标与权重系数进行计算，对每个单元打分，即确定各个单元ξ5值。基本情况如下：最低得分为18.76，最高得分为81.69。将得分区间划分为6段，统计每个区段的格网单元数和钻探查明的存在土溶洞的单元数，如表5所示。单元得分统计的直方图见图5。根据表5、图5的结果，将场地单元的危险性级别划分为：高、较高、较低、低4个等级，危险性综合评价结果如图6所示。

表5　网格单元得分

图5　单元得分统计直方图Fig.5　Histogram of unit score

图6　基于PLS Path Model的岩溶地面塌陷评价结果Fig.6　Assessment result of karst ground collapse basedon PLS Path Model

从图6看出岩溶地面塌陷危险性高的区域主要出现在体育馆东边、东南角，体育场的西北角、东边和游泳馆西南角等部分；岩溶地面塌陷危险性较高区：主要出现在体育馆东边、东南角，体育场的西北角、东边，地下停车场东边和游泳馆西南角，以及2条推测断层的附近等地方；岩溶地面塌陷危险性较低区：主要出现在大运路附近，体育场的场区、地下室、东侧广场边等地方；岩溶地面塌陷危险性低区：主要出现在黄阁路西段，水体、绿化带、停车场等地方。

本文所得评价结果能较为准确地指导土洞、溶洞发育部位的处置设计及施工，说明了危险性评价指标选取及评价方法的合理性。

6结论

本文在结合区域地质资料、现场勘查资料，利用工程地质学、静力学相关知识分析了深圳大运中心场地土(溶)洞发育特征，以及基于MapGIS数据管理软件与偏最小二乘通径模型进行了危险性评价，得到以下几点结论：

(1) 场地可溶岩分布全区，岩溶发育。场地见洞率为11%～19%，平均14%，其中土洞约占5%。土洞或溶洞大多有洞穴堆积物充填，空洞占3%。岩溶发育分布不均，在场地不同部位表现出不同的特征。体育馆东、东南，体育场东、西和西北，游泳馆西南、北，地下停车场东等地为岩溶强发育区，局部见洞率超过50%。

(2) 在宏观把握场地岩溶发育情况的条件下，概化出土洞塌陷的静力学分析模型，并选取相关工点进行了验算。计算结果表明该工点处于临界不稳定状态，因此在外荷载作用下(本场地为打桩)即可产生塌陷，此结论与实际打桩引起的地面塌陷现象一致，验证了该模型的适用性。

(3) 基于PLS Path Model和MapGIS的岩溶地面塌陷危险性评价评价结果为：在体育馆东边、东南角，体育场的西北角、东边和游泳馆西南角为岩溶地面塌陷高-较高危险区；地下停车场东边和游泳馆西南角，以及2条推测断层的附近为岩溶地面塌陷较高危险区；大运路附近，体育场的场区、地下室、东侧广场边为岩溶地面塌陷危险性较低区；黄阁路西段，水体、绿化带、停车场为岩溶地面塌陷危险性低区。总体来看，深圳大运中心岩溶地面塌陷危险性高、较高、较低和低的4个等级分区分别占总面积的1.05%，10.71%，19.39%和68.85%。评价结果客观、合理，说明PLS Path Model能成功应用于场地岩溶地面塌陷的危险性评价中。

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(编辑：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

中图分类号：TU443

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0088-06

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

作者简介：欧阳辉(1973-)，男，湖南隆回人，副教授，博士研究生，主要从事工程力学、岩土体工程性质方面的教学、科研工作，(电话)13297984099(电子信箱)oyhcug@163.com。通讯作者：董家兴(1986-)，男，云南宣威人，讲师，博士，主要从事岩土体稳定性方面的教学和研究工作，(电话)18213916817(电子信箱)djx-djx001@163.com。

收稿日期：2014-11-13；修回日期：2014-12-03