深埋复杂岩溶区地质灾害分析与治理

1、.PAGE ：.；PAGE 6作者简介: 张运标，男，高级工程师、1939年10月出生，注册工程师、勘察研讨院副总工程师。主要从事水文地质，岩土工程及地质灾祸防治研讨及勘察，曾获工程勘察国家金奖一项，部、省级奖数十项。深埋复杂岩溶区地质灾祸分析与治理张运标深圳市勘察研讨院 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忽然涌水，涌水量200m3/h，引起西坑老屋村井水干枯、大面积沉降，部分塌陷、房屋倒塌。为查明地面塌陷、房屋倒塌缘由，深圳市水务局约请在深圳的水文地质、工程地质专家进展研讨，专家一致以为塌陷与岩溶关系亲密，但查1：50000深圳地质图及隧洞详勘报告，老屋村地

2、下并无岩溶地层。专家以为地层判别有错误，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讨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物探及钻孔抽水实验进展勘察。勘察结果证明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、堵水方法进展隧洞施工，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、塌陷景象。关键词 地面塌陷 地面沉降 岩溶盆地 溶槽堆积物深圳市

3、东部供水网络干线工程用于统筹处理深圳市的缺水问题，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810m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

4、3日洞内忽然涌水，涌水量约200m/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，周围民居墙壁倾斜、开裂、地面沉降开裂，总变形区面积约7.3万m。沉降25mm。该处地面塌陷时出如今晚上，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、区指点奔赴现场视察，召集设计、施工及在深勘察单位会议，分析地面塌陷、房屋倒塌缘由，委托深圳市勘察研讨院与市水务局研讨隧洞轴线及塌陷范围的补充勘察，查清隧洞突水，地面塌陷缘由，在老屋村变形范围布孔33个，在利用原隧洞轴线钻孔根底上按间距1525m补孔13

5、个，对隧洞岩溶区的钻孔结合电磁波CT探测及钻孔抽水实验，同时进展地表详查，以便有针对性地进展治理。一、西坑盆地地质环境1地形地貌西坑村位于深圳市最顶峰梧桐山北麓，四面环山，中部低洼，为一完好的低山高丘陵盆地，周围分水岭高程290.0943.7m，盆地中间高程82.0122.0m，汇水面积8.15km。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。2地层岩性西坑盆地周围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m老屋村范围地面以

6、下9.549.6m，普通15.039.8m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1.311.2m，上更新统冲洪积含砾粉质粘土2.923.8m，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20.755.5m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NE3070，倾向NW290340，倾角3660。受南东及北西花岗岩体的侵入挤压，构成北东向背斜，背斜轴部的绢云

7、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境图1。1-花岗岩水量贫乏裂隙含水层;2-凝灰岩及蜕变砂岩、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-分水岭界限；5-张扭性断裂及产状；6-压扭性断裂；7-地层界限；8-岩溶塌陷点；9-抽水实验钻孔，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.1 Rock hydrological map of West Tunnel Vill

8、age, Henggang Town of Shenzhen4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NE50左右，倾向NW、倾角5060，盆地北西侧一条，与隧洞轴线斜交，间隔 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，间隔 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，此次勘察中未揭露，盆地东西山坡露头可见，破碎带厚度2030m。北西向断裂隧洞详勘报告称F38：走向NW310，倾向SW，倾角约50，该断裂错断了上述三条NE向断裂及盆地背斜构造，程度错距150200m，被隧洞补勘钻孔12、13、14号揭露，破碎带揭露厚

9、度8.015.0m，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5.010.0m，高1.56.0m。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，普通钻孔揭露灰岩厚度3.06.0m，隧洞补勘钻孔1114号揭露灰岩厚度24.440.4m，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，普通溶洞高0.42.3m，最高22.4m，溶洞总高含

10、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%，普通溶槽堆积物厚度11.017.0m，最大厚度26m。大理岩、大理岩化灰岩顶板普通埋深15.039.8m，最浅9.5m，最深55.5m。灰岩顶板起伏变化大，两钻孔之间高差，普通11.017.0m，最大26.0m。塌陷点周围40m范围内灰岩顶板埋深相差更大，两孔之间相差15.032.5m。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，普通溶洞高含异常带高1.56.0m，最高22.4m，溶洞总高40

11、.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，盆地周围为上侏罗统凝灰岩、下石炭统测水组和泥盆系上统碎屑岩及燕山期花岗岩，组成良好的隔水边境，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1.311.2m、埋深0.04.1m，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2.915.2m及残积砂质粉质粘土3.018.6m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实验单位涌水量56.42m/d.m，浸透系数36.2m

12、/d。二、地面变形、部分塌陷分析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1.311.2m砂卵石层，该层含丰富的孔隙潜水，地下水位埋深0.212.68m，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0.04.1m，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12层用自制土砖砌筑的百年老屋，根底是采用当地坡积滚石、块石用石灰砂浆砌筑而成，普通砌置在砂卵石层之上，由于根底长期受地下水浸蚀，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

13、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塌陷点间隔 隧洞突水点直线间隔 200m，塌陷点地下水位标高83.2m与隧洞突水部位标高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，地下水忽然涌入隧洞，涌水量约200m/h，被迫停顿掘进，加强

14、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1020m，大部分民井干枯。丰富的砂卵石层孔隙潜水经过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，松散形状，极易被水流带走，构成空洞，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，引起土层紧缩固结，产生大面积地面沉降变形、开裂。1-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；

15、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.2 Solution segment section of No 1 Tunnel in West Tunnel Village三、复杂岩溶发育带的治理1西坑隧洞1114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亲密，此处具有极敏感性，具有一触即发之势。要想处理隧洞能顺利经过此段及西坑老屋村地面变形、

16、塌陷等问题，必需处理隧洞掘进过程中的地下水治理，使其涌水量减少到不超越地下水正常排泄量，坚持西坑村正常井水位。隧洞掘进前必需先堵水，再掘进，边堵水边掘进。据上述补勘资料分析，可采用分段全断面超前钻孔高压注浆的治理方法进展治理。深圳市水利规划设计院根据隧洞轴线补充勘察报告，采用径向全断面小导管超前注浆加固、堵水方法，在掘进掌子面按1.01.0m之间距布孔，呈放射状钻孔图3，孔径32mm， 注浆孔布置纵剖面图 注浆开孔布置图图3 全断面小导管超前注浆孔布置图Fig.3 Bores arrangement of full section ductule super forward grouting注

17、浆范围为毛轮廓外57m，注浆段1012m，注浆终压1.5MPa，浆液分散半径1.0m，终孔间距3.2m，开挖段长57m。施工要求：1注浆方式必需与地下水处置原那么相顺应，采用前进式或全孔一次压入式，即在钻孔过程中未发现涌水时，就一钻究竟，全孔一次压入式注浆，在钻进过程中，一旦涌水，立刻停顿钻孔，采用前进式注浆，即钻孔一注浆循环往复直至到达设计段长位置；2注浆作业顺序：先外圈，后内圈，间隔钻孔注浆，出水上方的涌水量大部位先钻孔注浆封堵，再钻孔注浆封堵涌水量小的部位或无水流部位；3止浆墙及止浆岩盘：第一次注浆循环的起点，采用砌筑4m厚200号砼作止浆墙，以后各注浆循环段预留5.0m厚止浆岩盘；4在

18、掘进前必需严厉检查注浆效果，未到达止水效果的应补注浆，开挖必需采用对围岩弱扰动的方法。严禁超长开挖，必需留足下段止浆岩盘厚度；5单孔注浆在到达设计注浆压力时稳定1015min，方可终了注浆；6单孔包括检查孔涌水量0.15m/h或掌子面涌水量5m/d时，方可终了注浆；7对洞穴堆积带，假设出现钻进速度快，吸浆量过大，那么改注水泥砂浆，并力求将洞穴充填密实。3采用全断面小导管超前注浆法，对涌水量较大地段采用前进式注浆法施工，顺利经过了西坑村F38断裂破碎带及复杂岩溶区，尚未再出现西坑老屋村地面沉降变形。一号隧洞供水网络干线已全线贯穿，已通水至西沥铁岗水库，圆满处理了深圳的缺水问题。四、结语1在深埋复

19、杂岩溶区进展勘察时，应结合场区的地貌、地层及构造、水文地质等条件，采用多种勘察手段，查清可溶岩、岩溶的发育规律，并分析对工程建立的危害程度；2在岩溶区，施工降排水呵斥大面积地下水位下降会呵斥大面积的地面沉降、塌陷等地质灾祸；3对岩溶区地质灾祸的治理，实践上是对地下水的治理，减少地下水的流失量，坚持相应平衡的地下水位，是治理的关键。4对掘进隧洞过程中地下水的治理，采用全断面小导管超前注浆堵水方法，特别是断裂部位的注浆堵水，效果比较明显。Analysis and Implementation of Geologic Disaster in Deep-seated Domplex KarstZhan

20、g Yunbiao(Shenzhen Investigation & Research Institute Shenzhen 518026)Abstract: When Shenzhen eastern water supply tunnel was dug to West Tunnel Village, Henggang Town of Shenzhen city, a large amount of water gushed out of the earth surface suddenly by 200 cube meter per hour. Later some phenomena

21、occurred, for example, drying of well, surface settlement, local caving in of ground, house collapse. In order to find out the causation of the above phenomena, Shenzhen Water Affairs Bureau invited many experts in hydrology and engineering geology to discuss the relevant problems. The experts thoug

22、ht that ground caving in was closely related to solution unanimously. But according to Shenzhen geological map of 1:50000 and the detailed investigation report, there was no solution stratum in Old House area. So experts thought that there was something wrong about the judgment of the stratum. They

23、suggested to make clear the lithology and the hydrological conditions by means of drilling and physical exploration in such area. Shenzhen Water Affairs Bureau committed Shenzhen Investigation & Research Institute to add 14 bores in the tunnel axis and 30 bores in the settlement and caving in area of Old H