摘要
当前隐伏岩溶地基的稳定性探测和评价较为困难。本文依托广花盆地内白云机场T3站基坑水文地质专项勘察项目的群井水头法连通试验，采用同步可视化自动化数据采集系统进行数据采集，采用以地质勘探为基础，以水文地质试验为手段的综合勘探方法，建立以水力传导速率、最大水力坡度、水位标高时间变化曲线形态特征为指标的隐伏岩溶地基稳定性分类及评价方法。将隐伏岩溶地基稳定性划分为稳定、基本稳定、不稳定和极不稳定4个类型。通过工程实践验证，以地质为基础，以地下水为媒介的综合探测方法准确有效，以水动力特征为指标的隐伏岩溶地基稳定性评价指标科学合理。
Abstract
At present， it is difficult to detect and evaluate the stability of buried karst foundation. The water head connection test of a group well is being conducted as part of the special hydrogeological investigation project， based on the foundation pit of T3 station at Baiyun Airport in Guanghua Basin. The synchronous visual automatic data acquisition system is utilized to guarantee the veracity and dependability of the gathered data. In the comprehensive exploration method based on geological and hydrogeological testing， a classification and evaluation method for the stability of buried karst foundations is established using hydraulic conductivity rate， maximum hydraulic slope， and temporal water level elevation curve as indicators. The stability of buried karst foundation can be categorized into four types： stable， generally stable， unstable， and highly unstable. Through engineering practice， it has been demonstrated that the comprehensive detection method based on geology and utilizing groundwater as the medium is accurate and effective. The evaluation index for assessing the stability of buried karst foundation， with hydrodynamic characteristics as the primary focus， is both scientific and rational.
Keywords
0 引言
广花盆地位于珠江三角洲北部，泛指广州市西部、西北部，佛山东部和花都大部的沉积型盆地。盆地内可溶岩地层以泥盆系、石炭系和二叠系石灰岩地层为主。区域内地层受以广从断裂为主的北东向断裂控制，多呈北东—南西向条带状展布，呈复试向斜产出。北西向受广三断裂和近东西向的瘦狗岭断裂组控制，地层被切割呈棋格状，如图1所示。可溶岩除了局部有小面积零星的人工开挖露头外，其余均下伏于第四系或古近系、白垩系之下，岩溶多沿北东向断裂带两翼呈带状发育。广花盆地总面积超过 1400 km2，是珠三角地区当前和未来地下空间开发建设较为活跃的区域之一。
隐伏岩溶不仅对矿山安全环境（邱彪和崔国伟，2023）构成很大威胁，对城市建设安全（覃夏南等，2023）也具有很强的威胁性。广花盆地不仅具有复杂多变的地质条件，也具有极为复杂的水文地质条件。通过对前辈们对广花盆地在构造、岩溶、地面沉降、工程事故等方面丰富的研究成果进行分析，发现隐伏岩溶地基稳定性是岩溶区内工程建设活动和城市安全最重要的影响因素。
广花盆地岩溶及水文地质特征研究始于 20 世纪中期，1991 年后较为活跃，这与地区经济发展活跃程度基本一致。广花盆地内岩溶分布特征与地下水分带是基本一致的，分为标高-80 m 以上的强循环带，-200～-80 m的弱循环带，和-200 m以下的滞流带（方国祥和郑建生，1991；骆荣等，2011；蒙彦等，2019）。岩溶水化学特征为HCO3-Ca、HCO3-Na· Ca、HCO3·SO4-Na·Ca 和HCO3·Cl-Na·Ca型（郝艳茹等，2020）。岩溶发育受矿物组分、结构构造以及岩石破碎程度和溶蚀面积所控制，其沿断层两侧发育强烈，随深度增加逐步减弱（史栾生和陈敬德， 1996；刘勇健等，2013；郑小战等，2013；蒙彦， 2020）。岩溶发育控制了广花盆地内地面塌陷的形成（郑小战，2009），地下水开采促进了地面塌陷和岩溶发展（苏贵臣，2008）。总结广花盆地内岩溶发育规律，以此为广花盆地内岩溶地段工程建设提供加固措施建议（柳柳和王俊，2022）。广花盆地内岩溶发育等级进行了系统分析，开展了以线岩溶率为主，以钻孔见洞率为辅为原则的等级划分（彭功勋等，2023），采用了数值指标进行分级评价等（郑福焱等，2018）。在岩溶区对隧道开挖的岩溶稳定性 （吴贤国等，2018）进行了分级和评价指标建议。但对岩溶地下水通道的连通性、连通通道类型的分类，连通通道稳定性的评价和评价指标的确定研究较少。
随着广花盆地内工程建设速度的加快，数量的增加，地下工程的稳定性问题日益突出，隐伏岩溶管道稳定性问题对既有地下工程或新建工程都有巨大的影响。广花盆地内隐伏岩溶管道稳定并非仅由近场区域扰动造成，有的影响源位于被扰动工程的几百米甚至数千米之外，如 2023 年 11 月某基坑出现涌水，位于其 500 m 开外的某地铁线 2 天后的轨道沉降已超报警值。随着广花盆地内地下工程病害的大幅增加，广花盆地内的工程地质、水文地质风险问题受到越来越多的重视。如9月份广州地铁集团组织同行院士对广花城际攻克重大安全风险出“良方”就是又一例证。
地下水连通性的各种试验方法中（汪民等， 2012），水位法中的抽水试验较为适合广花盆地内深埋的岩溶管道连通性试验。利用示踪剂的时间-浓度关系对岩溶管道的特性研究时（陈亚洲和董维红，2022；赵小二等，2023），仅能简单定性管道交叉关系特征，对岩溶管道进行简化研究只能简单地建立管道模型，无法对岩溶管道在水动力条件下的各种变化特征做出明确的量化关系。通过群井，长时间抽水试验，分析采集准确的海量数据，建立评价方法，可对深埋地下水位以下的隐伏岩溶管道稳定性进行量化评价。
广花盆地的隐伏岩溶特征在全国乃至世界具有一定的代表性。当前对岩溶地区的稳定性探测主要有钻探和物探法，这两种方法可直观的揭露地层结构和岩体完整性以及岩溶分布特征，但对于岩溶地基什么条件下容易出现失稳，失稳程度如何，怎样进行控制和预防的问题并没有得到很好的解决。隐伏岩溶区地质条件复杂多变的特性，决定了对以上问题解决的困难程度。结合工程经验，广花盆地隐伏岩溶区地基失稳的主要诱因是工程建设扰动和地下水条件变化所至，基于此利用钻探揭露岩溶分布和地层结构特征，以水动力变化作为中间媒介探测岩溶稳定性，建立以水动力条件作为主要评价指标的隐伏岩溶地基稳定性评价体系。本次研究依托白云机场 T3 站基坑水文地质专项勘察项目进行，提供一种新的综合性探测方法及评价方法。
图1广花盆地可溶岩分布示意图
1 试验方法选取与依托项目概况
1.1 试验方法选取
参考规程规范、试验手册及研究成果。本次试验既要符合规范操作要求、达到试验目的，解决工程地质问题，又要满足创新研究的需求。结合广花盆地内岩溶构造特征，工程水文地质环境，和工程结构，分析对比各种连通试验方法（汪民等，2012），如表1所示。本次试验采用表1所示的水位传递法中的抽水试验，数据采集使用广东省岩石科技有限公司的自动化可视化采集系统水文试验V1. 01。该系统能即时显示数据变化情况，试验采集超过50万条数据，数据精度为 1‰，采样频率为每秒钟一次，主井与观测井的动水位实行同步采集，持续抽水试验连续8 d。
表1地下水连通试验的各种试验方法及其目的
1.2 依托工程概况
白云机场 T3 站基坑采用明挖法施工。以地下连续墙加内支撑的支护形式进行基坑支护。基坑总长1486 m，横向宽度20～150 m，基坑最大深度约 25 m，盾构井最深 33 m，基坑形态复杂。为广中珠澳线，广从城际线，广澳高速，芳白城际线，广河高铁等与机场衔接的综合性枢纽，T3站基坑简图如图2所示。
图2T3站基坑形态图（绿色线为基坑边线，粉色线为基坑内轨道线，a为试验区）
2 试验方案及试验
2.1 方案设计
本次水文地质专项勘察以地质钻探为基础、水文地质调查和现场试验为主的方式开展勘察工作。首先进行整体调查和地质钻探，依据区域地质特征和钻探揭露地质条件选择线岩溶率超过 15%、断裂发育的相邻区域作为试验区域，以勘察目标为导向、地质为基础、试验为手段的工作路线开展研究工作。为详细查明岩溶、断层及相互叠加区域的水文地质特征。连通试验选择以覆盖岩溶、断裂及其相互叠加区域为试验区。
地下水浅埋区的连通试验采用水位法中的负水头法较为适宜。通过预抽水试验发现试验区内具有抽水流量大，各观测井中水位变化快慢相差较大的特点，故对主井中的抽水量与动水位、主井与观测井、各观测井中水位数据采集必须同步进行。为此数据采集中流量数据选择精度为0.5‰的电子流量计进行实时采集，串联常规机械水表进行计量和验证。动水位采用精度为1‰的水位传感器进行采集，传感器安装前逐一进行精度和灵敏度验证，把符合要求的传感器探头放入与主孔预计降深水位深度一致的深度以下，并测量各井的水深，井管高度，读取传感器入水深度数据进行逐一验证，确定每一个探头读数的准确性。本次试验采用广东岩石科技有限公司的自动化可视化数据采集系统，对各相关数据进行同步采集，存储，分析显示，主屏显示流量-时间和水位-时间关系曲线，并对异常数据进行条件甄别和显示报警。技术人员可对报警的异常数据进行即时验证。试验井成井、设备安装、数据采集按规范和文献方法进行（邓敬友等， 2022；沈秋华等，2023；苏再非等，2023）。
2.2 连通试验及成果
2.2.1 试验井布设
本次试验位置选择基坑中部，断裂与岩溶叠加地带。布设 2 个主井（YR-CS01 和 DL-CS01），8 个观测井，编号为YR-CS01-**和DL-CS01-**。观测井布设于主井中心圆，半径60 m的范围内。试验区地质概况及观测井布设如图3所示。因试验前无法对地下水连通通道进行分区，故以主孔和观测孔连线进行方向划分（表2）。
图3试验区地质条件及测井布设图
表2试验孔布设关系
采用水位法对岩溶，断裂带及相互间的连通性进行试验。试验分两个阶段进行，第一阶段试验于 2021 年 1 月 13 日 10 时开始，于 2021 年 1 月 14 日 12 时结束，稳定时间为 8.5 h，稳定流量为 1348 m3 /d。稳定流持续抽水 24 h，本文截取中间变化较大的 18 h 数据进行分析，各井地下水水位标高变化时间曲线如图4所示。
第二阶段于 2021年 1月 20日 8时开始，于 2021 年 1 月 26 日 12 时结束，稳定时间为 19.9 h，稳定流量为 2348 m3 /d。持续时间 6 d 多，第二阶段先启动断层主井进行抽水，36 h后启动岩溶区主井进行双主井同时抽水，观测给孔水位联动敏感性。试验过程中的地下水位标高变化时间曲线如图5所示。第二阶段稳定时试验区地下水等水位线图如图6所示。
图4曲线图表表明，第一试验阶段水位标高变化曲线具有 3 个明显的水文地质特征：①主孔水位下降过程中，观测孔 YR-CS01-1 和 DL-CS01-1 中的水位始终保持不变；②观测孔YR-CS01-3的水位随着试验进程，出现大幅度的变化，在水位下降过程中，出现 3 次快速下降，且下降幅度一次大过一次，在第3次下降企稳后出现快速上升，至主孔水位稳定阶段，其水位始终处于一个较高的位置，通过分析认为是洞内充填物在水动力条件下出现垮塌所至；③观测孔 DL-CS01-2 在主孔停止抽水后，水位并未快速恢复上升，直至 1 个多小时后主孔水位标高恢复至4.51 m后才出现快速上升。
图4第一阶段试验水位高程变化时间关系曲线
图5第二阶段试验水位高程变化时间关系曲线
如图5曲线图中表明，第二试验阶段有二个异常特征，即观测孔YR-CS01-3的水位在主孔抽水阶段的下降过程中，发生的现象与第一阶段试验相反，在水位下降至标高 3.77 m 后出现波动，随着水位标高的降低，波动幅度越来越大，降至3. 0 m后出现快速上升，最高上升至标高5. 05 m时出现逐步下降，呈波动式降至标高 3.66 m 后，基本维持该水位直至试验结束。在观测孔 YR-CS01-3 的水位异常段DL-CS01-3的水位也出现小弧度的上升，随后回落至正常趋势线上。
图6第二阶段稳定状态地下水降落漏斗等高线图
a—稳定状态降落漏斗等高线图；b—北东向水文剖面；c—北西向水文剖面
观测孔 YR-CS01-1 钻孔 0～11.50 m 段粉质黏土、11.50～15.30 m 微风化石灰岩，15.30～22.80 m串珠状溶洞，钻进不漏水，22.80～26.20 m微风化石灰岩，26.20～40.10 m 段串珠状溶洞，钻进不漏水。 DL-CS01-1 钻孔 0～10.70 m 段粉质黏土、 10.70～14.70 m全风化粉砂岩，14.70～16. 00 m溶洞，钻进不漏水，16. 00～26. 00 m 段碎石土桩断层破碎带，26. 00～28. 00 m 段微风化石灰岩，28. 00～39. 00 m 段串珠状溶洞，钻进不漏水，39. 00～40. 00 m 段微风化石灰岩。在地层结构分布方面与周边钻孔基本一致，但地下水与周边钻孔基本不存在水力联系，或水力联系极为微弱，这种地下水孤岛现象在岩溶区较为常见，这种现象会造成两种结果，其一它具有指示其周边可能存在较大的岩溶管道，其二它会在单井抽水试验中造成岩溶不透水和涌水量较小的假象。
2.2.2 试验现象及结果分析
（1） 试验现象
图4和图5所示观测孔YR-CS01-1内的水位在整个试验过程中始终处于稳定状态，说明其孔内地下水与周边环境的水力联系极为微弱。其余观测孔均随主孔水位下降而整体下降，在主孔 DL-CS01 降水阶段，观测孔 DL-CS01-3 和 YR-CS01-3 中的水位出现不同幅度的上升和回落现象。通过验证，证实 YR-CS01-3 中的水位数据上升是实际发生的地下水位上升所至，YR-CS01-3观测孔与主孔间的水头差扩大到6 m后出现上升，通过现场分析发现，地下水位上升是由于溶洞内出现垮塌，形成溶洞内 “堰塞湖”效应所至，使得YR-CS01-3水位快速上升近 3. 0 m，随后因水动力作用冲溃了溶洞内“堰塞湖”后， YR-CS01-3中水位下降了近 1.5 m，至此一直维持该水位至试验结束。观测孔 DL-CS01-3 的水位在YR-CS01-3孔出现水位上升后，也上升了近 1.7 m，后随 YR-CS01-3 的水位下降同步回落至趋势线上。
利用第二阶段各个孔最大降深时的稳定水位，编制稳定状态时的地下水等水位线图，如图6所示，对等水位线图进行北东-南西、北西-南东两个方向的等水位线剖面切图，如图6所示。通过图6显示岩溶和断裂地下水位具有良好的连通性，从图5中的水位变化同步性表明，各孔间水位联动接近同步。在 YR-CS01-1 和 DL-CS01-1 带为地下水孤岛带，孤岛区域地下水与周边水力联系极弱。
第一阶段中 DL-CS01-2 水位滞后恢复现象在第二阶段试验中并未出现。
（2） 结果分析
通过对以上结果进行分析，岩溶区岩溶管道具有以下特征：①岩溶区存在地下水孤岛，该区域的地下水与周边地下水间的水力联系极为微弱；②岩溶管道在水动力作用下存在“筑坝”与“溃坝”效应； ③岩溶管道随水动力条件的变化而变化；④水文地质条件的改变可以引起工程地质条件的改变，同样工程地质条件的改变也可以引起水文地质条件的改变。
3 评价指标的确定及适用条件
当前对岩溶管道的畅通性，稳定性的评价，尚缺乏对应的评价指标。评价指标既需要特征明显，又要具有稳定特征的指标标示。参考压水试验（王行本等，2018）依据曲线形态对裂隙类型的分类，从试验中选取以下指标作为评价体系的建立基础。
3.1 平均水力传导速率（Hv）
在群井试验中，主孔水位标高（H）变化与观测孔水位标高（h）变化间的联动性，反应了主孔与观测孔间的地下水连通通道的畅通性。利用孔间距离（L），与动水位联动响应时间差（△t）的商（Hv）作为连通通道畅通性的评价指标，单位 m·s-1。
(1)
利用试验数据计算各观测孔与主孔间水位变化与时间的关系，如图7所示，读取每一条水位时间曲线的第一个拐点时间（如图7中箭头所指处），与主孔启动时间之间的差值作为△t，按（1）式计算的水力传导速率，如表3所示。
图7水位联动响应时间读取示意图
图中箭头指示为水位变化启动时间点
表3主孔与观测孔间水位联动时间差及水力传导速率
3.2 稳定状态的平均水力坡度（I）
试验中当各孔水位处于稳定状态时，各方向上观测孔与主孔间的水力坡度也是稳定的。水力坡度的大小反应了观测孔与主孔间连通通道的畅通性，水力坡度越大，畅通性越差。水力坡度计算如式（2）所示。I为水力坡度，h-H 水头差/m，L计算孔间距离/m。
(2)
利用试验数据，计算各观测孔与主孔间水力坡度关系，按式（2）计算的水力坡度，如表4所示。
3.3 动水位标高曲线形态
如图4～图8所示，在试验过程中，在地下动水位标高随时间变化曲线中，随着主孔水量的稳定输出或注入，按曲线变化形态可分为 4 类：①稳定型，下降和稳定阶段水力坡度基本稳定，动水位随时间变化曲线维持稳定的变化态势；②逐渐减小型，在观测孔动水位标高随时间变化曲线中，下降阶段水力坡度逐步增大；③逐渐增大型，在观测孔动水位随时间变化曲线中，下降阶段水力坡度逐步减小； ④波动型，在观测孔动水位随时间变化曲线中，水力坡度没有固定的变化趋势。
表4主孔与观测孔间稳定状态的水力坡度
3.4 评价方法及指标
依据水位标高时间关系曲线形态、水力坡度、水力传导速率对溶洞畅通性及稳定性进行划分，结合表3和表4试验数据与结论，溶洞畅通性及稳定性分类指标及类型如表5所示。
图8水位标高时间变化曲线趋势图
表5隐伏岩溶管道稳定性分类
3.5 评价结果
在查明工程地质条件的基础上，依据水文地质试验成果表3和表4、图4和图5试验结果，按表5评价指标进行地基稳定性划分，T3基坑隐伏岩溶区地基稳定性分区（如图9所示）为极不稳定区 2.3 万 m2，不稳定区 2. 0 万 m2，基本稳定区 5.7 万 m2 和稳定区1.9万 m2，至2004年6月30日基坑顶板浇筑完毕，标志主题工程顺利完成。
图9基坑范围内地基稳定性分区图
3.6 需注意问题
（1）水文试验工作必须在充分查明场地工程地质条件的基础上进行。
（2）观测井布设应覆盖整个试验区。
（3）采用抽水试验方法适用于地下水位埋藏较浅或隐伏岩溶淹没于地下水位之下的地区。
（4）试验数据采集必须采用高频同步自动化采集，才能准确确定观测孔水位变化相应时间。
（5）试验过程必须采用成果可视化系统，对异常数据进行现场效应，以确定其取舍依据。
（6）水位时间关系曲线应采用各观测井的水位标高数据进行成图，不应采用降深数据。
（7）既能有效查明地下水连通通道随水动力条件变化而变化的特征，又能查明因地下水连通通道的变化而导致地下水动力流场变化的特征。
（8）该方法即适用于工程建设中查明地下径流路径，也适用于矿山地下水径流路径的勘查。
4 讨论
隐伏岩溶区采用地质钻探与群井水文试验的勘探方法，可有效查明不稳定区及地下水动力特征。
1）通过钻探揭露地层结构及岩溶分布特征，选择岩溶较发育等级以上的区域进行水文试验。
2）依据工程需要采用适合的试验方法，本文中的浅埋地下水采用负水头法进行试验。试验凿井、洗井、井安装等应依据规范进行，当规范提示的方法无法满足要求时，应研究分析采用新的手段和方法，比如本次研究中为解决岩溶区大直径凿井中的 “S”型井问题，采用大直径、超长岩芯管进行钻进 （沈秋华等，2023）。
3）群井水文试验设计很多相互关联的参数，如主孔流量与水位，主孔与观测孔、各观测孔间的水位联动应采用同步采集。
4）数据分析应在试验前对数据结构设立预想结果，对超出常规或预想的数据现象，现场进行核验，确认产生异常的原因，并对数据进行取舍。如本次试验中 YR-CS01-1 孔中水位变化极小，YR-CS01-3孔中水位变化波动极大，通过现场验证数据变化确为地下水变化所至，对此依据数据对地下水流通通道的变化做出解释。
5）评价指标的意义：
（1）平均水力传导速率（Hv），它表征某一方向地下水连通通道的畅通性，畅通性越好，主孔与观测孔间的水位联动越快，平均水力传导速率（Hv）越大。相反，主孔与某一观测孔间的平均水力传导速率（Hv）越小，说明主孔与观测间的地下水连通通道的畅通性越差，水力联动性越弱。
（2）稳定状态的平均水力坡度（I），它表征在一定距离的地层中所能维持的最高水头，稳定状态的平均水力坡度（I）越小，说明地层或地下水通道越畅通。相反，一定距离的地层中稳定状态的平均水力坡度（I）越大，说明地层或地下水通道的畅通差。
（3）动水位标高曲线形态，动水位标高时间曲线的形态反应观测孔处地下水的补排强弱关系。在假定试验区外补给强度相同、稳定流抽水试验时，也反应观测孔与主孔间的地下水通道变化情况，例如YR-CS01-3孔在第一阶段与第二阶段的水位变化截然相反，在第一阶段出现水位快速下降后快速恢复，且后期稳定水位标高（5.207）高于变化前稳定水位标高（4.422），说明该方向岩溶管道被冲溃后因顶部或侧壁垮塌造成堵塞。第二阶段在下降阶段出现水位快速升高，后快速下降，且后期稳定水位标高（3.60）高于变化前稳定水位标高 （3.14），说明该方向岩溶管道因顶部或侧壁垮塌造成“堰塞坝”，在水头持续升高后坝体被地下水冲溃。
依据以上指标确定岩溶管道和上覆地层的稳定性，下伏岩溶失稳的情况下，上覆地基也不会长期稳定。故此采用以上指标可以判定隐伏岩溶地基的稳定性。
6）本研究的探测及评价方法优势为：（1）证明了客观实体变化的规律蕴藏于真实的数据之中。 （2）为隐伏岩溶地基稳定勘测和评价提供一种新的方法。（3）在地质钻探的基础上，可通过观测隐伏岩溶区大范围内的地下水动力特性区划出不同程度的地基稳定区域。（4）采用短时试验寻找出不稳定区域适合于既有城市密集区的稳定性评价。（5）通过试验可确定地下水动力条件变化所引起的地基失稳的范围和程度。
7）本研究的探测及评价方法局限性为：（1）需要两种或两种以上的探测方法相结合，很多中小型项目难以开展。（2）需要责任心强、技术水平高、创新能力强的技术人才队伍，当前市场环境难以满足。
5 结论与建议
鉴于广花盆地复杂的地层结构及其构造特征、水文地质特征，工程建设勘察需要新的勘察手段及评价体系，对区内隐伏岩溶管道稳定性采用定量和半定量指标进行分类和定性评价。
1）应采用群井水头法对深埋基坑、隧道、复杂地层构造地段进行抽水试验，试验应采用相关数据同步采集，异常数据现场验证的方法进行。
2）试验中的水位变化曲线，应采用水位标高时间关系曲线进行分析，降深时间关系曲线具有信息隐藏效应。
3）通道平均水力坡度应采用稳定状态时的水位差进行计算，稳定状态时的水力坡度是通道内地层所能维持的最大水力坡度。
4）水力传导速率是观测孔与主孔间通道的最短水位传递时间，水压力变动是引起溶洞稳定性变化的直接扰动原因。
