岩溶发育特征及地铁工程研究范文

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1武汉地区岩溶基本规律

1．1岩溶分带特征武汉市主城区自北向南主要有3条石灰岩条带呈东西向分布，在主城区以南区域也有多次岩溶地面塌陷发生，根据地质钻探资料及地质专家研究，主城区以南也呈现条带分布，横跨长江东西向分布，根据石灰岩区域与长江位置关系分为6个石灰岩条带，见图1和表1。

1．2岩溶地质结构特征见表2。Ⅰ型：长江一级阶地松散砂砾石覆盖层。地貌单元为长江一级阶地，第四系覆盖土层时代为全新世（Q4），地层组合为二元结构，上部为黏性土，下部为细砂、粉细砂层覆盖在石灰岩之上，砂层中含孔隙承压水，石灰岩中岩溶裂隙水有承压性，2含水层有水力联系，细砂、粉细砂可通过溶隙、孔洞流失，逐渐形成漏斗状疏松体，从而成地面塌陷。Ⅱ型：长江一级阶地松散砂砾石层加老黏性土复合覆盖层。上部为粉细砂（包括粉细砂层上部部分黏性土层），下部为中、上更新统老黏性土层覆盖在石灰岩之上。中间的老黏性土把砂砾石层中的地下水与岩溶水水力联系隔断，降低了塌陷的可能性。Ⅲ型：长江三级阶地老黏性土覆盖层。武汉大片地区为下蜀系老黏土层直接覆盖在石灰岩之上；岩溶水头比土岩分界面高，老黏土中若无土洞发育，此类地层基本不发生岩溶塌陷。

1．3溶洞形态特征武汉地区岩溶由地下水垂直渗流产生，主要形态类型表现为溶洞、溶沟和溶槽洞等。根据大桥条带、白沙洲条带几个地段的资料统计，洞高在0．6m以内的溶洞占30％，洞高在0．6～1．0m范围的溶洞占20％，洞高在1．0～3．0m范围的溶洞占40％，洞高在3．0～5．0m范围的溶洞占5．6％，洞高大于5．0m的溶洞占溶洞总数的38％，洞高大于10m的溶洞只有5个，仅占0．56％。大桥条带、白沙洲条带溶洞高度统计如表3、图2和图3所示。以上资料表明，武汉地区溶洞高度不大，多数溶洞高度在3m以内，这基本代表了武汉地区浅层溶洞的规模特征，以小规模溶洞为主，大规模的溶洞较少。

1．4溶洞横、竖向分布特征武汉地区浅层岩溶的横向分布规律受地层岩性控制，呈东西向带状分布。根据遇洞率、线岩溶率判别岩溶发育强度由高到低的顺序为：黄龙组—观音山组—栖霞组—大冶组，从地层岩组上区别岩溶的发育规律。表4为遇洞率和线岩溶率统计数据，大桥条带、白沙洲条带钻孔遇洞率分别为501％和460％，线岩溶率分别为593％和60％，2条带的钻孔遇洞率、线岩溶率相差不大，基本反映出武汉地区的遇洞率和线岩溶率情况。随着岩面以下距离的增大，溶洞数量迅速减少，约35％的溶洞顶板在基岩面以下2．5m以内；约50％溶洞在基岩面以下4．5m以内；约90％的溶洞在基岩面以下12m以内，溶洞顶板平均埋深为3．1～5．1m。线岩溶率随埋深的变化特征为：自基岩面向下线岩溶率先逐渐增大，在2～4m处达到7．5％～20．0％；随着深度的增加，线岩溶率降低，在岩面以下10～15m范围稳定在3％以下。可见，岩溶在基岩面以下2～4m范围发育较强，10m以下发育逐渐减弱。

1．5溶洞充填特征根据溶洞内填充物的多少，将溶洞划分为无填充、半填充和全填充3种类型。表5为溶洞填充类型统计表，表中数据为3种填充类型占总溶洞数量的百分比，统计表明武汉地区无填充溶洞约222％，半填充溶洞约75％，全填充溶洞约70．3％。全填充溶洞埋深较浅，半填充溶洞较深，无填充溶洞埋深最大，说明溶洞填充为自上而下，填充物主要来源于上覆土层，验证了溶洞的垂直发育规律。

2武汉地区岩溶风险划分

根据武汉石灰岩条带分布、岩溶地质结构类型和岩溶发育特征，结合武汉历史上发生的岩溶塌陷案例，将发生岩溶塌陷灾害的可能性及危害严重程度等分级为高风险、中等风险和低风险，并划分为高风险区、中等风险区和低风险区（详见图1）。

2．1高风险区第Ⅰ型岩溶地质结构为发生岩溶地质灾害高风险区，主要为砂层直接覆盖在石灰岩基岩上的长江一级阶地全新统地层覆盖区，分布在白沙洲条带和汉南条带与长江相交处。高风险区面积约占石灰岩分布总面积的3．6％。前文中提到的武汉历史上10余次岩溶塌陷灾害都是Ⅰ型地质结构区域。

2．2中等风险区第Ⅱ型岩溶地质结构为中等风险区，其特点是全新统粉细砂层下部有一定厚度的（大于3m）老黏土层覆盖在石灰岩基岩层之上，这类地层在天然状态下不会产生岩溶塌陷，当人类活动如深井降水、地质钻孔等穿透了老黏土层时则有可能发生岩溶塌陷。中风险区面积约占石灰岩总面积的4．5％。根据资料，中等危险区主要分布于长江及其支流两岸一级阶地区域，在天兴洲条带、白沙洲条带、沌口江夏条带和汉南条带靠近长江地段有局部分布（见图1）。

2．3低风险区第Ⅲ型岩溶地质结构为发生岩溶地质灾害低风险区，老黏性土直接覆盖在石灰岩地层上，此地层结构基本不发生岩溶塌陷，低风险区面积约占石灰岩总面积的88．9％。

3武汉地铁工程中岩溶处理技术及案例

对武汉地铁工程中车站、区间隧道穿越岩溶区时的处理措施进行了分类总结。围护结构岩层以下15m进行帷幕注浆，注浆孔间距2m，可形成有效隔水、隔砂帷幕，减少围护内外的水力联系，形成封闭体系。注浆自下而上分段进行，钻孔一次成孔到设计深度，提钻清孔，下入注浆导管至孔底或溶洞底板下部1．0m处，水泥砂浆封闭孔口，封闭深度进入原生黏土层大于0．5m，以0．3～0．5MPa的压力自下而上进行注浆。临时立柱桩位处施作超前钻，每桩一孔深度至岩面以下10m或桩端以下5倍桩径深度，对超前钻揭露的溶洞进行灌浆处理。车站底板下设置牛腿与围护结构连接，由围护结构、临时立柱桩共同支撑车站（见图4）。车站基底旋喷格构式土墩柱，将基底分割为多块区域，减少基底水的流动，从而阻隔砂层的流失，提高基底强度，降低岩溶塌陷风险。根据研究，武汉岩溶塌陷角φ约为40°，假设隧道轮廓到溶洞塌陷漏斗中心距离为B，隧道到基岩面的距离为h2。B＝h2•ctgφ；可见，隧道与岩面距离越近岩溶塌陷对隧道影响越小，通过注浆帷幕和注浆填充溶洞等措施保证B范围内溶洞不塌陷，隧道就是安全的。处理方案为：岩面以下15m深隧道两侧轮廓线外大于B处布置1排注浆帷幕，注浆孔间距2m，注浆帷幕之间的溶洞和物探异常进行注浆处理（见图6）；当h2较大，计算出B值较大时，注浆帷幕因地面交通条件或建构筑物限制等无法实施，可减小B进行帷幕注浆，并在土层部分采取钻孔桩隔断措施降低塌陷漏斗对隧道的影响，采用1排800＠1000灌注桩＋800旋喷桩咬合隔断措施，灌注桩入岩不小于1m（见图7）。

4结论与建议

1）武汉岩溶自北向南主要划分6个条带，总结为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ型3种地质结构类型分别占石灰岩分布面积的3．6％，4．5％和88．8％；溶洞钻孔遇洞率约47．5％，线岩溶率约5．97％，90％的溶洞高度小于3．0m，平均洞高约1．5m。2）溶洞在基岩面以下2～4m范围发育最强，10～15m以下发育逐渐减弱，全充填溶洞占71％，半充填溶洞8％，未充填溶洞21％；溶洞距离土岩分界面越近填充率越高，充填物与覆盖层土层性质相近。3）地铁工程中主要以Ⅰ，Ⅱ型岩溶地质结构处理为主，主要采取岩面下15m帷幕注浆、围护结构入岩、基底旋喷加固、隔断桩和溶洞注浆充填等措施；Ⅲ型岩溶地质结构以注浆填充溶洞为主。4）建议进一步研究Ⅰ型地质结构中承压水和岩溶水的流动规律来评估岩溶塌陷点引起的塌陷区半径，扩大地铁影响控制线。控制该范围内有深层降水及入岩桩基的工程项目，建议有关职能部门出台成套相关管理办法以保证地铁长期运营安全。地铁运营期间，应建立长期监测体系对周边水位及地铁结构沉降、变形进行监测并建立预警系统，这些都是需要进一步研究的内容。

作者：李慎奎 陶岚 单位：中铁隧道勘测设计院有限公司