李東亮 易 鑫 湯斌峰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

非巖溶地區(qū)的土洞，其形成機(jī)理不同于巖溶地區(qū)，但同樣對(duì)工程建設(shè)造成潛在威脅。在某地鐵車站勘察中，一鉆孔發(fā)現(xiàn)地下埋深約15～22m發(fā)育土洞，土洞內(nèi)充水、有少量粉土，粉土松散、飽和。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，該鉆孔西側(cè)為一集中供水管理站，站內(nèi)地下水井距鉆孔僅40m，抽水井深300m，井徑300 mm，抽取地下水為西橋、賈家寨等周邊村落供水，地下水年開采量約110000～120000m3。該車站處于河流漫灘區(qū)，初步分析判定該區(qū)域土洞為成井過(guò)程中抽取地下水時(shí)形成的土洞。土洞導(dǎo)致塌陷具有隱蔽性，其危害主要體現(xiàn)在洞體塌陷所引起的土體坍塌、基坑突然涌水等，對(duì)地鐵的施工和運(yùn)營(yíng)安全存在較大影響，有必要對(duì)該土洞進(jìn)行詳細(xì)勘察及對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行深入分析。

1 工程概況

該地鐵車站長(zhǎng)度為331.28m，地面高程約771.0m，基坑深度16.97m，結(jié)構(gòu)底板最大埋深為23.03m。車站采用明挖法施工，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式為鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕。

該段地貌單元為河流漫灘，地形開闊平坦，主要地層從上至下為第四系全新統(tǒng)沖洪積形成的粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土，粉細(xì)砂(此層位較穩(wěn)定，埋深6.9～19.8m，局部地段為中砂)，下部為第四系上更新統(tǒng)沖、洪積層形成的粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂。地下水類型為第四系松散層孔隙潛水，地下水埋深較高，勘察期間地下水埋深約0.4～4.7m。

2 勘察方法

本次土洞勘察采用調(diào)查、物探地震反射法和鉆探相結(jié)合的綜合勘察方法。首先，對(duì)鉆孔及集中供水管理站附近范圍進(jìn)行土洞地面調(diào)查，調(diào)查土洞是否造成地面塌陷、下沉，建筑物變形等;其次，在初勘推斷土洞發(fā)育范圍布置12條網(wǎng)格測(cè)線，采用物探地震反射法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行探測(cè);最后，根據(jù)物探成果資料，對(duì)物探提出的反射異常布置鉆孔，對(duì)其進(jìn)行鉆探驗(yàn)證和勘探。

2.1 物探方法工作布置

在初勘推測(cè)土洞范圍，布置了網(wǎng)格測(cè)線，測(cè)線間距20～30m，垂直線路方向(東西向)測(cè)線6條、平行線路方向(南北向)測(cè)線6條，共12條測(cè)線，測(cè)線覆蓋了推測(cè)的土洞發(fā)育區(qū)及無(wú)土洞區(qū)域。地震反射法采用6次迭加，Δx=2m，CDP點(diǎn)距1m的觀測(cè)系統(tǒng)。

2.2 鉆探工作布置

根據(jù)物探和初勘補(bǔ)勘結(jié)果，共布置9孔進(jìn)行了土洞鉆探驗(yàn)證和勘探，深度為30m。鉆孔位置及物探示意圖如圖1。

圖1 鉆孔布置與物探測(cè)線示意

3 勘察結(jié)果

通過(guò)對(duì)土洞發(fā)育范圍及附近調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)地面出現(xiàn)塌陷、下沉、建筑物變形等異常情況。對(duì)資料進(jìn)行處理和綜合分析解釋，推測(cè)存在8處疑似可能為土洞的異常。其中，DZ9測(cè)線距離92m附近、深度約16～20m的異常為鉆孔已揭露的土洞，該測(cè)線80m處為疑似點(diǎn)。其余疑似可能為土洞異常點(diǎn)為DZ2測(cè)線距離86m、107m兩處，DZ3測(cè)線103m一處、DZ4測(cè)線26m一處，DZ5測(cè)線95m、105m兩處，深度范圍16～25m。圖2、圖3為DZ4、DZ5兩測(cè)線的CDP迭加剖面。

圖2 DZ4 CDP迭加剖面

圖3 DZ5 CDP迭加剖面

通過(guò)對(duì)9孔的鉆探揭示，除初勘補(bǔ)勘鉆孔揭示的土洞外，勘察范圍內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)其他土洞?？辈旆秶鷥?nèi)土洞發(fā)育范圍僅為鉆孔已揭露的一個(gè)土洞附近，深度約15～22m，平面范圍面積約96m2，體積約523m3，土洞內(nèi)充水，有少量粉土，粉土松散、飽和。

4 形成機(jī)理分析

土洞的形成與水有著密切的關(guān)系，土洞因地下水或地表水滲入地下，溶蝕可溶物，帶走細(xì)小顆粒，使土體被掏空而形成，此地質(zhì)作用稱為潛蝕。潛蝕作用主要有兩種，機(jī)械潛蝕與溶濾潛蝕。前者主要是水流將細(xì)小顆粒帶走，后者則為水將可溶物分解，最后被水流帶走。機(jī)械潛蝕的發(fā)生除了土體結(jié)構(gòu)和級(jí)配容許將細(xì)小顆粒帶走外，地下水流速還要具備將細(xì)小顆粒帶走的能力。此土洞位置地層為粉細(xì)砂層(見(jiàn)圖4)，顆粒細(xì)小，附近水井成井過(guò)程中劇烈的地下水位的變化都為土洞的形成創(chuàng)造了條件。

當(dāng)土洞初步形成后，超靜孔隙水壓力作用于土體的拉應(yīng)力超過(guò)土的抗拉強(qiáng)度，土體開始剝落，被剝落的土體又由動(dòng)水壓力(劇烈的水位變化產(chǎn)生)形成的剪應(yīng)力作用，顆粒間的粘結(jié)力被破壞，最后在地下水流的作用下被帶走。綜上所述，超靜孔隙水壓力使土的結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生剝落，而動(dòng)水壓力則使土的細(xì)顆粒產(chǎn)生遷移，兩者共同作用，土洞不斷擴(kuò)大。當(dāng)水井完工后，水井上段被封堵，地下水位不會(huì)發(fā)生劇烈的變化，土洞不再具備擴(kuò)大的條件，但應(yīng)注意自然降雨對(duì)該土洞發(fā)展的影響。

5 評(píng)價(jià)

5.1 土洞與線路的位置關(guān)系

該土洞位于車站左側(cè)，土洞邊緣距車站主體結(jié)構(gòu)輪廓線最近距離約30m。土洞頂埋深約15m，底埋深約22m，車站基坑埋深16.97m。具體位置關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 土洞與水井、地鐵結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

5.2 土洞對(duì)地鐵車站的影響分析與評(píng)價(jià)

參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(煤行管字(2000)第81號(hào))［9］，按該規(guī)程中構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)和鐵路保護(hù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，地鐵車站均屬Ⅰ級(jí)，圍護(hù)帶寬度范圍應(yīng)為20m。根據(jù)土洞所在位置位于地下水位以下，且土洞范圍地層為飽和粉土、粉細(xì)砂層為主，地層移動(dòng)角按30°計(jì)算土洞影響范圍，計(jì)算得土洞影響范圍為土洞以東地表水平距離40m范圍內(nèi)。因此，車站距土洞的安全距離為土洞以東地表水平距離60m。

(1)車站結(jié)構(gòu)距離土洞的水平距離小于60m，結(jié)構(gòu)整體埋深高于土洞埋深，車站結(jié)構(gòu)位于土洞的圍護(hù)帶范圍以內(nèi)，不滿足《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(煤行管字(2000)第81號(hào))的規(guī)定;(2)該土洞對(duì)車站工程存在一定影響，應(yīng)采取措施對(duì)土洞進(jìn)行處理，以確保地鐵車站工程的安全。

6 對(duì)土洞的處理措施建議

由于該土洞發(fā)育范圍較小，埋深相對(duì)較深，建議對(duì)土洞進(jìn)行灌砂或細(xì)石混凝土后再進(jìn)行注漿處理，起到回填充滿、加固的作用，阻塞地下水通道，防止土洞進(jìn)一步發(fā)育對(duì)車站結(jié)構(gòu)工程安全造成影響，保證地鐵車站施工與運(yùn)營(yíng)的安全。

［1］GB50307—2012 城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范［S］

［2］TB10018—2003 J261—2003 鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程［S］

［3］TB10012—2007 J124—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］

［4］常士驃，張?zhí)K民．工程地質(zhì)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007

［5］謝忠球，萬(wàn)志清，錢海濤．人工抽水引起土洞擴(kuò)展條件分析［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(7)

［6］黃克杰，黃克強(qiáng)，等．淺層地震反射法在煤田調(diào)查采空塌陷區(qū)的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2006(5)

［7］林宗元，等．巖土工程治理手冊(cè)［M］．沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993

［8］胡朝陽(yáng)．綜合勘探在采空區(qū)勘察中的應(yīng)用［J］．鐵道勘察，2013(5)

［9］煤行管字(2000)第81號(hào) 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［S］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2000

［10］杜憲花．王雙樹特大橋溶土洞塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究［J］．鐵道勘察，2011(1)

［11］高大釗，等．土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)(第三版)［M］．北京:人民交通出版社，2001