桩基施工诱发岩溶塌陷的机理模式及防控措施_马骁.pdf
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1、第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023桩基施工诱发岩溶塌陷的机理模式及防控措施马骁1,蒋小珍1,雷明堂1,李亚军2,贾龙1(1中国地质科学院岩溶地质研究所 中国地质调查局岩溶塌陷防治重点实验室,广西 桂林 541004;2深圳市勘察研究院有限公司,广东 深圳 518000,2021003)摘要:随着我国城市化建设的快速发展,岩溶区所面临的岩溶塌陷问题日趋严重。其中,桩基施工诱发岩溶地面塌陷问题一直被忽视。本文以深圳市龙岗区龙园路岩
2、溶地面塌陷事件为例,运用高频率高精度岩溶地下水气压力监测手段,分析研究桩基施工对岩溶地下水的影响及隐伏土洞发育规律。结果表明:城市更新项目桩基施工导致岩溶地下水气压力突变,使第四系底部软 流塑土体流失而形成土洞,土洞不断向地面发展,最终引发岩溶地面塌陷。此外提出了岩溶区桩基施工时相应的防控措施:应在详勘阶段重视岩溶地下水气压力监测和岩溶水文地质条件分析,合理设计桩基础施工工艺,同时加强施工过程中的岩溶地下水气压力的实时监测及管控。关键词:桩基施工;岩溶塌陷;塌陷机理;防控措施;地质安全中图分类号:P64225文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0691-10Mechan
3、ism Model and Prevention and Control Measures of KarstCollapse Induced by Pile Foundation ConstructionMa Xiao1,Jiang Xiaozhen1,Lei Mingtang1,Li Yajun2,Jia Long1(1Institute of Karst Geology,CAGS/Key Laboratory of Karst Collapse Prevention,Guilin,Guangxi 541004,P China;2Shenzhen Investigation esearch
4、Institute Co,Ltd,Shenzhen,Guangdong 518000,P China)Abstract:With the rapid development of urbanization in China,the collapse hazard in karst area arebecoming moreandmoreseriousHowever,theproblemofkarstcollapseinducedbypilefoundationconstruction has not been paid attention to The Longyuan oad area in
5、 Longgang District,Shenzhen is an area withstrong karst development This paper has taken the karst ground collapse event in this area as an example,using high-frequency and high-precision karst groundwater pressure monitoring methods to analyze the influence of pilefoundation construction on karst g
6、roundwater and the law of soil cave development The results show that the renewalproject is the main inducement factor,and the pile foundation construction leads to the abrupt change of water and gaspressure in the karst underground,which leads to the loss of the soft fluid-plastic soil in the botto
7、m of the quaternarysystem and forms the soil cave The soil cave develops constantly,and finally causes the collapse of the karst surfaceFurthermore,it is proposed that prior to the construction of pile foundations in karst areas,attention should bepaid to the analysis of karst hydrogeological condit
8、ions during the detailed investigation stage,and the monitoringof karst groundwater and gas pressure should be strengthened easonably design the construction technology of thepile foundation Furthermore,the corresponding prevention and control measures such as real-time monitoringand control of kars
9、t groundwater pressure during the construction process will be strengthenedKeywords:pile foundation construction;karst collapse;collapse mechanism;prevention and controlmeasures;geological safety收稿日期:2022-11-10(修改稿)作者简介:马骁(1994),男,山西忻州人,硕士,研究实习员,主要从事岩溶地质灾害防治研究。E-mail:532329302 qqcom通讯作者:蒋小珍(1970),女,
10、安徽桐城人,博士,研究员,博导,主要从事岩溶地质灾害防治研究。E-mail:511036641 qqcom基金项目:国家自然科学基金(42077273);中国地质调查局项目(DD20190266);中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费项目(2021015,2021003)0引言岩溶塌陷是指可溶岩洞、隙上方的岩、土体在自然或人为因素作用下产生变形破坏,并在地面形成塌陷坑(洞)的一种岩溶动力地质作用与现象1,具有隐蔽性和突发性的特点2,是岩溶区面临的主要地质灾害。我国可溶岩分布面积约 363万 km2,占我国国土面积的 1/33-4。近年来,随着城市化建设的快速发展,岩溶区岩溶地面塌陷灾害问
11、题日益突出,造成重大的经济损失,严重影响人民的生命财产安全。据统计,我国已有塌陷坑总数超 4 万个,涉及 23 个省、市、自治区5。其中,约有70%的岩溶塌陷属于人类工程活动诱发的土层塌陷6,如:武广客运专线广州金沙洲段隧道施工大量抽排地下水,2007 年 7 月 14 日以来,隧道沿线两侧 200 m 范围内,陆续出现多个地面塌陷坑和地面沉降,2 万多平方米建筑受损,影响居民 263户 1 000 多人,造成直接经济损失约 05 亿元7-10;2012 年 5 月 10 日,广西柳州市柳南区帽合村上木照屯受周边工地冲孔桩施工影响,形成 60 多个塌陷坑,最大塌坑直径 30 m,深 5 m,受
12、灾总面积约 4万平方米,民房严重损坏 30 间,一般损坏的房屋超过 100 间,直接经济损失近 2 000 万元11;武深高速公路第 5 合同段武嘉高速桥梁桩基使用冲孔桩施工,2014 年 9 月 5 日,受施工影响,高速公路沿线产生 19 个岩溶地面塌陷坑,塌陷坑平面形态多呈椭圆状,最大塌陷坑长轴长 108 m,短轴长507 m,可见深度 95 m12。以上事例表明,岩溶区桩基施工易诱发地面塌陷。但是目前岩土界普遍认可岩溶区矿区(山)疏干地下水、隧道施工抽排水、基坑降水等极易造成岩溶地面塌陷灾害13-16,并未意识桩基施工过程也会扰动岩溶地下水,引发岩溶地面塌陷。本文以深圳市龙岗区龙园路片区
13、典型桩基施工诱发岩溶地面塌陷事件为例,运用高精度高频率地下水监测为主要技术手段,深入分析龙园路片区岩溶地面塌陷的机理模式,并提出岩溶强烈发育区桩基施工的防控措施。此外,本文旨为引起勘察、设计、施工等相关单位对岩溶区桩基施工诱发塌陷问题的重视。1研究区灾害概况与地质环境条件11研究区灾害概况2019 年 12 月 5 日,深圳市龙岗区龙岗河河道、龙园路及某城市更新单元建设场地内陆续发生岩溶地质灾害,现场共形成 5 处岩溶地面塌陷,多处地面沉降、开裂。据调查统计,岩溶地面塌陷影响 面 积 约 0 09 km2,地 面 沉 降 影 响 面 积 约024 km2(图 1)。其中,龙岗河河道塌陷坑(TX
14、01)距离更新项目建设场地最远约 500 m,坑直径 1 m,并不断有泥浆冒出,半个月后,出水变清,坑内最大可测深度 125 m(图 2);龙园路塌陷(TX02)直径22 m,中心最大沉降量大于38 cm(图3),距离施工场地 300 m。灾害发生后,相关部门紧急叫停更新项目工地桩基施工工作,并对龙园路区域进行围挡处置措施,导致龙园路交通中断,严重影响市民出行,直接、间接造成大量经济损失。图 1塌陷沉降影响区分布图Fig1Distribution of collapse and land subsidenceaffected areas图 2龙岗河河道塌坑(TX01)照片Fig2Photo o
15、f Longgang iver collapse(TX01)图 3龙园路塌陷(TX02)照片Fig3Photo of Longyuan oad collapse(TX02)296地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷12研究区地质环境背景研究区位于深圳龙岗区龙园路片区,行政区划隶属深圳市龙岗区龙岗街道管辖。北部为龙岗河干流,是区内主要河流,中部为雅豪祥苑小区、南联新市场,南部为已拆迁、建设中城市更新单元。区内主要道路为龙园路与龙岗大道,连通各大交通干线,交通便利(图 4)。图 4研究区交通位置图Fig4Traffic map of the study area研究区属亚热带季风气候,历
16、年平均降雨量为1 432 mm,日最大降水量 412 mm,年降水天数1447 d,连续最长降水天数 20 d。地貌类型属于冲洪积平原地貌,地形平坦。121区域地质背景根据 15 万惠阳幅区域地质调查报告 及收集的工勘资料,龙岗区地层岩性较复杂。地层由新到老主要为人工填土层、全新统冲洪积层、晚更新统冲洪积层、残积层、白垩系下统(K1)、侏罗系(J)、石炭系下统(C1)。根据区域地质资料,龙岗区位于龙岗复式向斜北西段,向斜轴向呈“S”形,向北东5060延展,长约20 km,影响宽度35 km,核部为测水组上段(C1c2),两翼由测水组下段(C1c1)、石磴子组(C1s)组成。研究区位于龙岗荷坳向
17、斜北西翼,清林径断裂束之将军帽 断裂(F3531)通过本区,该断裂走向北西向,发育于石炭系下统,断裂破碎岩、硅化岩带发育,构造岩由褐铁矿化碎裂岩、硅化岩组成,性质为隔水断裂。龙城断裂组(F1255)可能经过本区(图 5)。图 5区域地质构造图Fig5egional geological structure map龙岗区依据含水层岩性组合及赋水条件,地下水类型主要分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和裂隙岩溶水。其中,第四系松散岩类孔隙水赋存于砂砾石孔隙中,属潜水或半承压水性质,主要3962023 年第 2 期马骁,等:桩基施工诱发岩溶塌陷的机理模式及防控措施由大气降雨、下部裂隙岩溶水越流补给、
18、地表水补给,补给裂隙岩溶水、侧向径流和蒸发是第四系孔隙水的主要排泄途径,总体流向为北东向。碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组是区内最主要岩溶含水岩组,岩溶裂隙、溶洞主要发育于石炭系下统石磴子组碳酸盐岩,一般具有承压性。区域裂隙岩溶水受一系列平行分布的北东向断裂影响,大多由南西向北东径流。122场地地质背景研究区第四系土层以冲洪积为主,土层性质为黏性土、粉质黏土,局部为坡残积的砂砾层。研究区土层厚度变化大,最小 27 m,最大 41 m,厚度多在 1520 m。研究区为覆盖型岩溶区,岩溶发育强烈。岩溶区下伏基岩为石炭系下统石磴子组(C1s)灰岩,部分变质为大理岩、白云质大理岩,地表仅龙岗河河道部分出露。
19、根据已完成的工程勘察资料,龙河路、龙园路、南联新市场、更新项目 4#工地合计布置 59 个深度 50 m 的钻孔,33 个钻孔遇溶洞,遇洞率 56%,溶洞高 0510 m,串珠状溶洞发育。研究区内大多数溶洞发育埋深在 30 m 以下,且为软 流塑黏性土充填,更新项目 5#工地至龙岗河方向岩溶发育深度逐渐加深(图 6)。研究区地面起伏小,土层厚度变化大,因此基岩面起伏也大,溶槽、溶沟发育。图 6龙岗河 更新项目 5#工地地质剖面图Fig6Geological section of Longgang iver to Urban enewal Project No 5研究区岩溶地下水类型为溶洞裂隙岩
20、溶水,赋存于石炭系下统石磴子组灰岩、大理岩发育的岩溶裂隙和溶洞中,具有承压性。由于北西向 F3531 隔水断裂存在,大功率充电法17-18 探测结果显示,研究区发育北西向新、老岩溶地下水强径流带,其中,新地下河主径流带路径为:更新项目 5#工地更新项目 4#工地中部南联新市场北东侧雅豪祥苑龙岗河排泄点(TX01);老地下河主径流带路径为:更新项目 5#工地更新项目 4#工地南西侧龙园路塌陷点(TX02)南联新市场南西侧雅豪祥苑龙岗河(图 7)。2技术手段与方法为了分析塌陷机理,了解研究区地下水动态特征,研究区采用高频率高精度监测岩溶地下水气压力的方法。该方法可以真实、充分地反映地下水气压力变化
21、信息19-25。岩溶地下水气压力高频高精度监测孔选取区内已完成的地质钻孔,主要目的为监测降雨、钻探与桩基施工对岩溶地下水的影响程度和范围。监测设备信息如表 1。图 7地下水监测点、强径流带分布图Fig7Distribution of groundwater monitoring pointsand karst groundwater strong runoff zone496地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷表 1监测设备信息表Table 1Monitoring instrument information设备名称仪器型号量程/m精度/%地下水自动记录仪(渗压计)SolinstLe
22、velogger300130005为确保对岩溶地下水气压力的有效监测,尽可能还原钻探前的地质条件,监测孔成孔后需将第四系孔隙水隔绝,传感器严格按照流程进行安装与固定,安装完毕后密封孔口。具体安装方法为:(1)安装前测量点位水位埋深与孔深,确定传感器放置深度;(2)启动传感器,设置启动时间与数据采集时间间隔(本项目设置数据采集时间间隔为 2 min);(3)传感器启动后使用钢丝绳绑定,并进行标定工作;(4)传感器标定完成后,放置于设计深度,孔口位置用钢丝绳固定,同时进行孔口密封(图 8)。2020 年 2 月开始,每完成一个钻孔,及时安装水压力传感器,5 月份完成野外钻孔工作,合计安装 65 个
23、钻孔孔隙水气压力传感器(图 9)。图 8水气压力传感器安装示意图Fig8Schematic diagram of installation of waterand gas pressure sensor图 9现场设备安装照片Fig9Photos of field equipment installation3监测结果研究区在 2020 年 5 月前受新冠疫情等诸多因素影响,除本项目勘察钻孔施工外,无其他工程活动。监测数据显示,研究区降雨、钻探及桩基施工均易引起岩溶地下水异常波动。31降雨对岩溶地下水的影响分析数据选取 58 月降雨期间的 34 d,其中4 d 单日雨量大于 50 mm。根据已有
24、岩溶地下水监测数据分析,随着降雨量的增大,各监测点地下水气压力上升幅度增大,其中以单日降雨 25 mm、30 mm、40 mm、60 mm 时变化最为明显(图 10)。图 10研究区降雨影响岩溶地下水气压力监测数据Fig10Monitoring data of karst groundwater pressure affectedby rainfall in the study area(1)当日降雨量小于 25 mm 时,水位上升幅度较小,平均上升幅度小于 20 cm。(2)当日降雨量 2540 mm 时,水位上升速率明显加快,但上升幅度相对较小,平均上升幅度约30 cm。(3)当日降雨量
25、4060 mm 时,水位上升幅度显著增大,平均上升幅度大于 50 cm。(4)当日降雨量大于 60 mm 时,水位平均上升幅度大于80 cm,靠近龙岗河排泄点(TX01)的监测点,水位上升幅度达 15 m。以上说明,研究区岩溶地下水位对暴雨的响应敏感度强,且越靠近排泄口,受降雨直接灌入影响,水气压力顶托作用强,岩溶地下水位上升幅度越大,而远离排泄口岩溶地下水位上升幅度逐渐减弱。5962023 年第 2 期马骁,等:桩基施工诱发岩溶塌陷的机理模式及防控措施32钻探、桩基施工对岩溶地下水的影响研究区内主要的工程活动为岩溶塌陷应急勘察阶段的钻孔施工和更新项目的旋挖桩施工,两者成孔工艺类似,均采用旋转
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