深埋复杂岩溶区地质灾害分析与治理

1深埋复杂岩溶区地质灾害分析与治理张运标（深圳市勘察研究院深圳518026）摘要深圳市东部供水隧洞掘进至龙岗区横岗镇西坑村边时突然涌水，涌水量200m3/h，引起西坑老屋村井水干枯、大面积沉降，局部塌陷、房屋倒塌。为查明地面塌陷、房屋倒塌原因，深圳市水务局邀请在深圳的水文地质、工程地质专家进行研讨，专家一致认为塌陷与岩溶关系密切，但查1：50000深圳地质图及隧洞详勘报告，老屋村地下并无岩溶地层。专家认为地层判断有错误，建议采用物探与钻探相结合的勘察手段，查清隧洞涌水点前方－西坑谷地及老屋村沉降范围地层岩性及水文地质条件。市水务局委托深圳市勘察研究院在隧洞轴线经过的西坑谷地段补孔13个，老屋村沉降、塌陷范围补孔33个，并结合钻孔CT物探及钻孔抽水试验进行勘察。勘察结果证实西坑老屋村沉降范围是埋藏型岩溶盆地，隧洞涌水点是岩溶盆地地下水的排泄口，并查清了隧洞穿越岩溶区的长度、岩溶发育程度及发育规律，建议采用全断面小导管超前注浆加固、堵水方法进行隧洞施工，结果顺利穿过了复杂岩溶地段及断裂破碎带，老屋村再未出现沉降、塌陷现象。关键词地面塌陷地面沉降岩溶盆地溶槽堆积物深圳市东部供水网络干线工程用于统筹解决深圳市的缺水问题，是深圳市城市供水系统的重要组成部分。工程起点在松子坑水库11号坝下部，终点为该市西部的西沥——铁岗水库。输水建筑以隧洞为主，全线采用重力流输水方式。一号隧洞供水网络干线从碧岭谷地南缘汤坑村附近进洞，在深圳水库沙湾大望桥北侧出洞，全长17958m，隧洞断面净宽4.2m，净高5.3m。隧洞穿越西坑村北侧，该段地面高程82.0m，设计隧洞底板高程40.2m，埋深42.0m。据隧洞详勘报告，该段8~10m以下为下石炭统测水组下段绢云母片岩，石英粉砂岩等，未发现大塘阶石磴子组大理岩、大理岩化灰岩。一号隧洞由东向西掘进至西坑村北部F38断裂破碎带时（2000年5月3日）洞内突然涌水，涌水量约200m³/h，因大量地下水被排出地表，引起西坑老屋村水井水位大幅下降或干枯，距隧洞掘进面前方200m处—老民居倒塌，地面塌陷，陷坑直径4m，深度不详，四周民居墙壁倾斜、开裂、地面沉降开裂，总变形区面积约7.3万m²。沉降2~5mm。该处地面塌陷时出现在晚上，轰隆一声巨响，人们以为发生大地震，纷纷离家到开阔地带。第二天一早，市、区领导奔赴现场视察，召集设计、施工及在深勘察单位会议，分析地面塌陷、房屋倒塌原因，委托深圳市勘察研究院与市水务局研究隧洞轴线及塌陷范围的补充勘察，查清隧洞突水，地面塌陷原因，在老屋村变形范围布孔33个，在利用原隧洞轴线钻孔基础上按间距15~25m补孔13个，对隧洞岩溶区的钻孔结合电磁波CT探测及钻孔抽水试验，同时进行地表详查，以便有针对性地进行治理。一、西坑盆地地质环境1．地形地貌西坑村位于深圳市最高峰—梧桐山北麓，四面环山，中部低洼，为一完整的低山～高丘陵盆地，四周分水岭高程290.0~943.7m，盆地中间高程82.0~122.0m，汇水面积8.15km²。受北西向断层影响，北部有东西宽270m的低洼带，成为地表水，地下水的排泄口，河流出口处高程80.0m，地表水由南向北流经安良谷地排入龙岗河。作者简介:张运标，男，高级工程师、1939年10月出生，注册工程师、勘察研究院副总工程师。主要从事水文地质，岩土工程及地质灾害防治研究及勘察，曾获工程勘察国家金奖一项，部、省级奖数十项。22．地层岩性西坑盆地四周地层为上侏罗统高基坪群凝灰岩、下石炭统测水组绢云母片岩、泥质粉砂岩、泥盆系上统碎屑岩及燕山期花岗岩。盆地中下部约10万m²（老屋村范围）地面以下9.5~49.6m，一般15.0~39.8m为下石炭统大塘阶石磴子组大理岩、大理化灰岩，其上部覆盖砂卵石层1.3~11.2m，上更新统冲洪积含砾粉质粘土2.9~23.8m，部分地段分布有测水组绢云母片岩、泥质粉砂岩风化残积的粉质粘土及溶槽堆积含砾粉质粘土。隧洞轴线部位（盆地出口处）大理岩及大理岩化灰岩埋藏于测水组绢云母片岩、泥质粉砂岩下部20.7~55.5m以下，揭露宽度约150m。受北西向断裂影响其西北部与早白垩世燕山四期花岗岩侵入接触，东北部与泥盆系碎屑岩接触。3．地质构造西坑盆地地层总体走向NE30~70º，倾向NW290~340º，倾角36~60º。受南东及北西花岗岩体的侵入挤压，形成北东向背斜，背斜轴部的绢云片岩、泥质粉砂岩被风化剥蚀，山洪冲刷，背斜核部的石磴子组大理岩，大理岩化灰岩，部分与冲洪积层接触，背斜西北翼的测水组绢云母片岩、泥质粉砂岩，构成西坑盆地的西北部隔水边界（图1）。D345°113.241.404.96123456789943.7γ53(1)γ53(1)D3dc1cdc1cdc1cc1dcJ3gJ3gJ3g河田盐河坑西a2J52(2)γJ3g0梧桐山2km11.40114.963.24ds1c60°3Ddc1cbaaabjbjajbjb60°°5050°一号隧洞50°ds1c西坑1-花岗岩水量贫乏裂隙含水层;2-凝灰岩及变质砂岩、页岩、绢云母片岩隔水层；3-大理岩化灰岩水量丰富裂隙溶洞含水层；4-分水岭界线；5-张扭性断裂及产状；6-压扭性断裂；7-地层界线；8-岩溶塌陷点；9-抽水试验钻孔，左分子为孔号，分母为静止水位埋深（m），右分子为水位降低（m），分母为涌水量（l/s）。图1深圳市横岗镇西坑村基岩水文地质图Fig.1RockhydrologicalmapofWestTunnelVillage,HenggangTownofShenzhen4．断裂构造西坑盆地主要分布NE和NW向两组断裂。北东向断裂：主要有三条，走向NE50º左右，倾向NW、倾角50~60º，盆地北西侧一条，与隧洞轴线斜交，距离涌水点约800m，为花岗岩与测水组的接触断裂。盆地中下部有两条，距离涌水点400m以外，与隧洞轴线斜交，两条断裂在盆地中被第四系覆盖，此次勘3察中未揭露，盆地东西山坡露头可见，破碎带厚度20~30m。北西向断裂（隧洞详勘报告称F38）：走向NW310º，倾向SW，倾角约50º，该断裂错断了上述三条NE向断裂及盆地背斜构造，水平错距150~200m，被隧洞补勘钻孔12、13、14号揭露，破碎带揭露厚度8.0~15.0m，构造岩为碎裂岩夹薄层糜棱岩及角砾岩，被后期花岗岩、石英岩脉侵入充填，断裂上盘大理岩破碎、灰岩矽卡岩化、岩溶裂隙极发育，见溶洞3个，最大溶洞高22.4m，见溶洞异常带7处，异常带宽5.0~10.0m，高1.5~6.0m。构成西坑岩溶盆地的地下水通道。5．岩溶发育特征西坑盆地地面变形范围内施工钻孔33个，隧洞轴线补勘13个，共46个，见大理岩、大理岩化灰岩钻孔39个，一般钻孔揭露灰岩厚度3.0~6.0m，隧洞补勘钻孔11~14号揭露灰岩厚度24.4~40.4m，总揭露灰岩厚度225.41m，见溶洞钻孔10个，共10个溶洞及7处溶洞异常带，一般溶洞高0.4~2.3m，最高22.4m，溶洞总高（含溶洞异常带）47.9m，占揭露灰岩厚度的21%。见溶槽堆积物钻孔26个，占67%，一般溶槽堆积物厚度11.0~17.0m，最大厚度26m。大理岩、大理岩化灰岩顶板一般埋深15.0~39.8m，最浅9.5m，最深55.5m。灰岩顶板起伏变化大，两钻孔之间高差，一般11.0~17.0m，最大26.0m。塌陷点四周40m范围内灰岩顶板埋深相差更大，两孔之间相差15.0~32.5m。塌陷点处（W28孔揭露）溶槽堆积物直接与砂卵石层接触，构成地下水的垂直通道。北西向断裂带灰岩破碎、岩溶发育，沿隧洞轴线垂直断裂走向施工钻孔4个，见溶洞4个，溶洞异常带7处，一般溶洞高（含异常带高）1.5~6.0m，最高22.4m，溶洞总高40.0m占揭露灰岩厚度47％（图2）。6．水文地质特征西坑盆地四面环山有利于地表水、大气降水向盆地中下部（西坑老屋村）集中，盆地四周为上侏罗统凝灰岩、下石炭统测水组和泥盆系上统碎屑岩及燕山期花岗岩，组成良好的隔水边界，且隧洞北侧为背斜西北翼测水组绢云母片岩、泥质粉砂岩隔水层。盆地中部普遍分布一层砂卵石层、厚度1.3~11.2m、埋深0.0~4.1m，含丰富的孔隙潜水，其下有一层第四系上更新统冲洪积含砾粉质粘土（厚度2.9~15.2m）及残积砂质粉质粘土（3.0~18.6m）隔水层，往下为溶槽堆积物或大理岩及大理岩化灰岩，灰岩中溶洞裂隙发育，地下水丰富，据隧洞轴线钻孔抽水试验单位涌水量56.42m³/d.m，渗透系数36.2m/d。二、地面变形、局部塌陷分析1．西坑村变形区位于盆地的中下部，是地表水、地下水的富集区，盆地中下部普遍有一层（厚度1.3~11.2m）砂卵石层，该层含丰富的孔隙潜水，地下水位埋深0.21~2.68m，暴雨后大部分地带水位上升至近地表，部分溢出地面，如老屋门前水井暴雨后自流，该层埋深0.0~4.1m，直接受地表水及降水补给。塌陷点处砂卵石层直接覆盖在溶槽堆积物之上，构成砂卵石层孔隙潜水与岩溶水的垂直通道。2．西坑老屋村多为1~2层用自制土砖砌筑的百年老屋，基础是采用当地坡积滚石、块石用石灰砂浆砌筑而成，一般砌置在砂卵石层之上，由于基础长期受地下水浸蚀，大部分已软化，土砖已湿化变软，其下部已部分剥蚀，有部分老屋已倾斜、开裂、成为危房，大部分村民已搬离老屋，到地形较高处建新居，老屋村租给外来人员居住。3．塌陷点距离隧洞突水点直线距离200m，塌陷点地下水位标高83.2m与隧洞突水部4位标高40.2m相差43.0m，水力坡度22%，存在43.0m的水柱压力。4．北西向断裂（F38）位于变形区东北侧，错断了三条北东向断裂及北东向背斜构造，断裂破碎带岩石破碎、溶洞、裂隙极发育，成为西坑岩溶盆地的地下水通道，且该断裂带部分位于西坑河下部，部分地段直接与砂卵石层接触，构成地表水，砂卵石层孔隙潜水、岩溶水的通道。5．隧洞掘进至F38断裂带时，遇溶洞或溶蚀裂隙，地下水突然涌入隧洞，涌水量约200m³/h，被迫停止掘进，加强排水措施。由于大量地下水被排出地表，引起西坑盆地大面积地下水位下降10~20m，大部分民井干枯。丰富的砂卵石层孔隙潜水通过F38断裂破碎带及溶槽堆积物（如塌陷点处该层直接与砂卵石层接触）与岩溶水构通，涌入隧洞，在水头高43.0m的压力下，地下水流带走砂卵石层及溶槽堆积物中的细颗粒，同时溶槽堆积物处于饱和，松散状态，极易被水流带走，形成空洞，引发砂卵石层往下坍塌，出现地面塌陷，房屋倒塌。因地下水位大幅降低，失去地下水充填，浮托作用，引起土层压缩固结，产生大面积地面沉降变形、开裂。382020充填溶洞1098765432155.64.961.403.2411102.10距离(m)806040055.6号一F洞隧2.30141.80131.40123DeIQal+plQdc1cds1c4.961.403.2411102.1080.737.541.862.070.071.579.330.032.043.961.371.574.080.321.044.362.071.074.681.332.346.868.876.8c1ds81.330405060708030.734.372.677.7NE70°(m)标高a1-粉质粘土；2-含粘性土卵石层；3-绢云母片岩；4-大理岩化灰岩；5-断裂破碎带；6-片状石英砂岩；7-电磁波CT异常带；8-分子为孔号，分母为静止水位埋深（m）；9-左分子为孔号，分母为静止水位埋深（m），右分子为水位降低（m），分母为涌水量（l/s）；10-隧道突水点及流量（l/s）。图2一号隧洞西坑岩溶段剖面图Fig.2SolutionsegmentsectionofNo1TunnelinWestTunnelVillage三、复杂岩溶发育带的治理1．西坑隧洞11~14号孔段为F38断裂破碎带及岩溶强发育带，为西坑岩溶盆地地下水总排泄带，其上部东侧为西坑河、此处亦为地表水总排泄口，西坑岩溶盆地地表水，地下水与该处关系极为密切，此处具有极敏感性，具有一触即发之势。要想解决隧洞能顺利通过此段及西坑老屋村地面变形、