蔡建斯，張洪巖

(深圳市房地產(chǎn)評估和發(fā)展研究中心(深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心)，廣東 深圳 518034)

1 區(qū)域地質(zhì)背景

深圳市地處廣東省南部，東臨大亞灣和大鵬灣，西瀕珠江口和伶仃洋，南邊隔深圳河與香港相聯(lián)，北部與東莞、惠州兩城市接壤。深圳市東部某區(qū)域?qū)儆谇鹆旯鹊?盆地地貌帶，下伏地層主要有石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子組(C1ds)，為淺海臺地相碳酸鹽巖地層[1]，巖性主要為深灰色白云質(zhì)灰?guī)r，局部受熱液變質(zhì)或動熱變質(zhì)作用影響，常形成深灰色、灰色、灰白色、白色結晶灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r、大理巖等，分布于山間谷地，上部大部分為第四系覆蓋，總厚度>700 m。

2 資料收集及分析

本研究收集研究區(qū)域鉆孔45個，其中遇見溶洞的鉆孔11個，遇洞率24.4%，鉆孔巖溶率5%～10%，該區(qū)域微風化石灰?guī)r巖層表等高線見圖1。根據(jù)《巖溶工程地質(zhì)》中巖溶發(fā)育程度等級及其指標判別，該區(qū)域?qū)儆趲r溶強烈發(fā)育區(qū)，需要對該區(qū)域進行穩(wěn)定性分析。

圖1 深圳市某區(qū)域微風化石灰?guī)r層表等高線圖Fig.1 Contour map of the surface of slightly weathered limestone strata in a certain area of Shenzhen city

3 數(shù)值模擬分析條件設定

研究區(qū)巖溶較發(fā)育，其中巖洞埋深、大小、頂板厚度均不等，土洞埋深較深，在30～40 m，例如：ZK010鉆孔，溶洞埋深在23.4～33.0 m，頂板厚4.4 m；ZK025鉆孔，溶洞埋深在8.5～12.8 m，頂板厚1.8 m；ZK028鉆孔，溶洞埋深在19.1～22.5 m，頂板厚3.9 m；ZK034鉆孔，溶洞埋深在15.9～29.6 m，頂板厚0.3 m。為對研究區(qū)內(nèi)溶洞穩(wěn)定性進行基本的判斷，根據(jù)上述溶洞發(fā)育情況，結合城市工程建設動荷載等級，采用數(shù)值模擬研究方法對區(qū)域內(nèi)溶洞現(xiàn)狀進行穩(wěn)定性計算及分析[2]。設定模擬條件如下所述。

1) 研究溶洞上方不同級別地表荷載對溶洞穩(wěn)定性的影響。設定4個荷載級別，分別為100 kPa/m2、300 kPa/m2、500 kPa/m2、700 kPa/m2，模擬得出各級別荷載下溶洞的穩(wěn)定性狀況。

2) 研究溶洞大小對溶洞穩(wěn)定性的影響。設定4個級別的溶洞規(guī)模，分別為4 m×6 m、8 m×12 m、12 m×18 m、16 m×24 m，模擬得出不同大小溶洞的穩(wěn)定性情況。

3) 研究溶洞頂板厚度對溶洞穩(wěn)定性的影響。設定兩種不同的溶洞頂板厚度，分別為1 m和3 m，模擬分析溶洞頂板厚度對溶洞穩(wěn)定性的影響情況。

4) 研究溶洞埋深對溶洞穩(wěn)定性的影響。設定溶洞埋深為14 m、17 m、19 m，模擬分析不同埋深下溶洞自身的穩(wěn)定狀況。

4 模型的建立

溶洞的真實發(fā)育情況非常復雜，其幾何形態(tài)具有不確定性和復雜性[3]，僅憑勘探資料難以對溶洞的實際幾何尺寸進行推測。在采用軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬時[4]，如果根據(jù)溶洞的實際情況進行建模，那么模型將會非常復雜且不易實現(xiàn)。在實際建模時，根據(jù)勘探資料，一方面要盡可能的貼合溶洞發(fā)育形態(tài)及發(fā)育規(guī)模[5]；另一方面對溶洞的形狀進行簡化，用橢圓形來擬合溶洞發(fā)育形狀，方便模型的建立[6]。

在建模中所用的力學模型，對于土層和巖層都采用摩爾-庫倫模型(Mohr-Coulomb)。靜力模擬中，所需參數(shù)主要包括重力加速度、密度、變形模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗張強度等。參數(shù)主要是根據(jù)實測資料和《工程地質(zhì)手冊》。計算體積模量和剪切模量，由變形模量及泊松比求得，其公式見式(1)和式(2)。

(2)

式中：K為體彈性模量；G為剪切模量；E為變形模量；μ為泊松比。

數(shù)值模擬的成果分析，主要是根據(jù)各種情況下不平衡力曲線、塑性區(qū)的分布、最大主應力圖、位移等值線圖、速度矢量圖、位移矢量圖等。其中塑性區(qū)的分布結果是比較重要的，直接反應溶洞的穩(wěn)定性和破壞形式[7]；另外，位移矢量圖顯示溶洞和上部覆蓋層土體的移動情況。

5 數(shù)值模擬條件選取

5.1 地層概況

根據(jù)區(qū)域內(nèi)勘查資料的地層情況，主要為：0～3 m為人工填土；3～10 m為粉質(zhì)黏土；10～16 m為含礫粉質(zhì)黏土；16～19 m為微風化灰?guī)r；19～31 m為溶洞；31～50 m為微風化灰?guī)r。

5.2 參數(shù)選取

本次模擬參數(shù)的選取，主要根據(jù)土工試驗數(shù)據(jù)、巖石力學試驗以及結合一定的經(jīng)驗值獲得，具體參數(shù)詳見表1。溶洞處于微風化灰?guī)r中，但根據(jù)鉆孔資料和工程經(jīng)驗，可以確定溶洞周邊的巖體裂隙較發(fā)育，且有溶蝕現(xiàn)象，因此，對溶洞周邊巖體的黏聚力和彈性模量參數(shù)進行折減[8]，折減后分別為5.0e5 Pa、2.0e9 Pa，其余參數(shù)與微風化灰?guī)r相同。

表1 模擬參數(shù)一覽表Table 1 List of simulation parameters

5.3 邊界條件

根據(jù)場地條件，研究區(qū)內(nèi)溶洞有3 m厚的頂板，上部有16 m厚的覆蓋層，不考慮地下水的作用。實際模擬面積為80 m×1 m×50 m，并將溶洞簡化為12 m×1 m×18 m的橢圓，位于地表下-10 m處，溶洞四周封閉，位于模型中間。模型豎直方向為Z軸，坐標零點位于模型底部中點。數(shù)值模擬過程中，主要使用了位移約束邊界[9]，約束底部和四周位移(位移為零)，地面為自由邊界[10](圖2)，邊界條件設置如下：位移約束邊界，分別約束X=-40 m和X=40 m所決定的面，使之X方向位移為零；Y軸向上為正，向下為負，約束Y=0 m和Y=1 m所決定的面，使之Y位移為零；約束Z=-50 m所決定的面，使Z軸底部位移為零；自由邊界，范圍Z=0 m的地面。

6 荷載大小對溶洞穩(wěn)定性的影響

6.1 數(shù)值模型

為研究荷載大小對溶洞穩(wěn)定性的影響，取圖2中溶洞尺寸進行分析研究。

6.2 荷載加載工況

為了分析溶洞在不同荷載下的變形破壞情況，本次模擬分析在頂部(地面)上施加了100 kPa/m2、300 kPa/m2、500 kPa/m2、700 kPa/m2四個級別的荷載。

6.3 結果分析

6.3.1 自重條件下的模擬分析

圖3為初始應力條件下最大不平衡力與計算時步的關系，在兩萬多步時達到平衡。模型由開始的最大不平衡力逐漸演化到0，中間有兩處突變，這是由于建模過程中改變參數(shù)導致[11-12]。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

圖3 最大不平衡力Fig.3 Maximum unbalanced force

6.3.2 不同荷載條件下的模擬結果

荷載越大，對下部的影響深度越深。在100 kPa/m2荷載下，溶洞頂板上部的土層發(fā)生了將近1 cm的豎向位移；而在700 kPa/m2荷載下，溶洞頂板處的位移發(fā)生了近20 cm的豎向位移，如圖4所示。荷載施加的越大，在溶洞頂板處出現(xiàn)的拉應力集中區(qū)逐漸擴大，在兩腰處的壓應力集中區(qū)的壓應力值越大。在荷載不斷增大的過程中，塑性區(qū)的范圍越來越大，在溶洞頂板處的塑性區(qū)也不斷地增大，但在該種情況下，溶洞頂板處的塑性區(qū)并未貫通，溶洞都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 施加700 kPa/m2荷載條件下塑性破壞區(qū)Fig.4 Plastic failure zone under 700 kPa/m2 load

7 溶洞大小對溶洞穩(wěn)定性的影響

7.1 數(shù)值模型

為研究溶洞大小對溶洞穩(wěn)定性的影響，取軸長4 m×6 m、8 m×12 m、12 m×18 m和16 m×24 m四種溶洞尺寸進行分析研究。

7.2 結果分析

1) 在相同荷載下，各尺寸溶洞模型的豎向位移比較近似，溶洞尺寸對位移值得影響較小。

2) 溶洞尺寸越大，最大主應力范圍越大，其中包括最大壓應力和最大拉應力。

3) 在300 kPa/m2荷載下，尺寸1的塑性區(qū)分布最小，而在尺寸2、尺寸3、尺寸4三種情況下，塑性區(qū)的分布范圍都較大，但都未貫通。

4) 在500 kPa/m2荷載下，豎向位移和最大主應力的分布與300 kPa/m2荷載下的情況類似。

5) 在500 kPa/m2荷載下，各尺寸下塑性區(qū)都較大，有貫通的趨勢，但都未貫通，見圖5。

圖5 施加500 kPa/m2荷載下各尺寸的塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone of different sizes under 500 kPa/m2 load

8 溶洞頂板厚度對溶洞穩(wěn)定性的影響

8.1 數(shù)值模型

為研究溶洞頂板厚度對溶洞穩(wěn)定性的影響，取溶洞頂板厚1 m和3 m兩種情況進行研究。地層概況、土層參數(shù)的取值和邊界條件均與第6章節(jié)的數(shù)值模擬條件選取相同。

8.2 結果分析

1) 頂板越薄，荷載對下部的影響深度越深。

2) 兩種情況下，溶洞兩側(cè)的壓應力集中區(qū)的范圍大小相差不大，頂板厚1 m的壓應力集中區(qū)的值要大于3 m厚的情況；而在溶洞頂板處，拉應力集中區(qū)主要處于頂板處，頂板越薄，拉應力集中區(qū)越小，但拉應力的值卻越大。

3) 在頂板厚1 m的情況下，塑性區(qū)貫通，而在3 m的情況下塑性區(qū)并未貫通，見圖6。

9 溶洞埋深對溶洞穩(wěn)定性的影響

9.1 數(shù)值模型

研究不同深度下溶洞的穩(wěn)定性情況，取14 m、17 m、19 m三種埋深的溶洞進行分析。地層概況、土層參數(shù)、邊界條件與第6章節(jié)數(shù)值模擬條件選取相同。

9.2 結果分析

1) 上部荷載對下部的影響深度受溶洞埋深影響，溶洞埋深越深影響深度越深，導致這樣的結果主要是受下部巖層厚度的影響。

2) 溶洞埋深越深，頂板處的拉應力集中區(qū)值越大，這是因為溶洞埋深越深受上部覆蓋層的豎向壓力越大。

3) 溶洞埋深越淺受上部荷載影響越大，在埋深14 m的情況下塑性區(qū)已經(jīng)貫通，見圖7。

圖6 不同頂板厚度在500 kPa/m2荷載下塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone of different roof thickness under 500 kPa/m2 load

圖7 不同埋深在500 kPa/m2荷載下塑性區(qū)分布Fig.7 Distribution of plastic zone under 500 kPa/m2 load with different depth of burial

10 結果分析

1) 上部荷載對溶洞的穩(wěn)定性起著至關重要的作用。荷載越大，影響深度越深，對溶洞的穩(wěn)定性影響越大。

2) 溶洞尺寸的大小對溶洞穩(wěn)定性也有影響的。溶洞越小越穩(wěn)定，溶洞越大越不穩(wěn)定，但尺寸大小對溶洞穩(wěn)定性的影響較小。

3) 溶洞頂板對溶洞的穩(wěn)定性起著決定性的作用。溶洞頂板厚度越薄溶洞穩(wěn)定性越差，溶洞頂板厚度越厚溶洞穩(wěn)定性越好。

4) 發(fā)生巖溶地面塌陷時，首先是頂板出現(xiàn)塑性破壞，拉張破壞，并沿著與溶洞直徑近似大小的范圍內(nèi)向上延伸，直到與上部土體發(fā)生塑性破壞，整個塑性區(qū)貫通，發(fā)生塌陷，這與巖溶地面塌陷多以圓形或橢圓形的形狀相符。

5) 溶洞的埋深決定著溶洞的穩(wěn)定性，溶洞埋深越深受上部荷載影響越小。

6) 本次模擬分析只考慮最安全模式，即在地表施加荷載的模式下進行，未考慮工程建設過程中的基坑開挖情況。如果進行基坑開挖，將會直接減小上部覆蓋層厚度和增加側(cè)向動荷載，巖溶地面塌陷災害更易發(fā)生。

11 防治對策

11.1 保持巖溶水系統(tǒng)中輸入和輸出的平衡狀態(tài)

嚴格控制地下水的開采，汛期有針對性的控制地下水的補給輸入，避免巖溶水系統(tǒng)中局部地段的輸入和輸出量的急劇變化，導致改變水力坡度和流速，加劇水流的沖刷侵蝕作用和對溶洞內(nèi)填充物的沖蝕及遷移作用，有效減緩或防治塌陷的出現(xiàn)。

11.2 避免各種附加荷載破壞土體的極限平衡狀態(tài)

在巖溶的高發(fā)育區(qū)，要避免各種地面動荷載破壞其極限平衡狀態(tài)[13]。在工程建設開工前，采取一定的工程措施提高該區(qū)域的穩(wěn)定性，如回灌填充或加固等方式后，再進行工程建設。

11.3 防止地表水的集中滲入

定期檢查、維護地表水系統(tǒng)的防滲漏措施，防止地表水集中、大量滲漏所產(chǎn)生的動能破壞土層的穩(wěn)定狀態(tài)，以免對塌陷區(qū)造成進一步的影響[14]。

11.4 建立長期監(jiān)測點

在巖溶高發(fā)育區(qū)內(nèi)，選取人口密集區(qū)，如醫(yī)院、學校、集市等區(qū)域設立監(jiān)測點，條件允許時設立自動監(jiān)測系統(tǒng)，長期監(jiān)測地下水的變化幅度及地面沉降的異常情況。一旦發(fā)生異常情況，及時進行預警預報。