李慎奎，陶 嵐（中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133）

武漢地區(qū)巖溶發(fā)育特征及地鐵工程中巖溶處理

李慎奎，陶 嵐
（中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133）

摘要：以武漢地鐵巖溶專項(xiàng)勘察資料和地鐵工程中巖溶處理案例為依據(jù)，采用綜合統(tǒng)計(jì)方法分析巖溶發(fā)育特征和規(guī)律，總結(jié)地鐵車站、區(qū)間隧道穿越巖溶區(qū)時的處理方法。研究表明武漢地區(qū)巖溶為淺層巖溶，主要在巖面以下0～15 m范圍發(fā)育，表現(xiàn)為溶洞、溶溝、溶槽，鉆孔遇洞率約50%，線巖溶率約6%，溶洞埋置越深填充率越低。巖溶區(qū)主要分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3種地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型并對應(yīng)高、中、低3種巖溶塌陷風(fēng)險區(qū)。根據(jù)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型分類總結(jié)武漢地鐵建設(shè)中采取的注漿填充、巖層注漿帷幕、土層隔離、旋噴加固及圍護(hù)結(jié)構(gòu)入巖等處理措施。

關(guān)鍵詞：巖溶發(fā)育特征；地質(zhì)結(jié)構(gòu)；地鐵工程；巖溶處理

0　引言

武漢市（下轄7個中心城區(qū)和6個遠(yuǎn)城區(qū)）位于江漢平原東部，面積8 494 km2，石灰?guī)r分布面積1 100 km2，占該市面積的12.9%。21世紀(jì)以來在武昌區(qū)（丁公廟、陸家街中學(xué)、白沙洲阮家巷）、洪山區(qū)（青菱鄉(xiāng)毛坦港小學(xué)、烽火村）、漢陽區(qū)（中南軋鋼廠、世茂錦繡長江三期地產(chǎn)）和江夏區(qū)（文化大道江南新天地地產(chǎn)、法泗街長虹村、八壇村）等區(qū)域發(fā)生過20余次巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害。巖溶塌陷不僅影響工程建設(shè)還造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此，多位專家、學(xué)者對武漢地區(qū)巖溶進(jìn)行了研究探索。范士凱［1］對武漢幾十年來巖溶地面塌陷區(qū)分布和塌陷機(jī)制進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了淺蝕和真空吸蝕塌陷機(jī)制；羅小杰［2－3］對長江干堤內(nèi)某地面塌陷原因進(jìn)行分析，對巖溶發(fā)育特征、塌陷防治方法進(jìn)行了介紹；殷美等［4］對樁基施工引發(fā)的巖溶地面塌陷成因及防治措施進(jìn)行了討論；文獻(xiàn)［5－7］對武漢巖溶分布、發(fā)育規(guī)律及

工程地質(zhì)勘察中的防治措施進(jìn)行了分析總結(jié)；文獻(xiàn)［8－10］對公路隧道、城市橋梁、盾構(gòu)隧道穿越巖溶區(qū)時的風(fēng)險及注漿等處理措施進(jìn)行了探討。以上多是對單個巖溶塌陷進(jìn)行分析探討并提出處理措施或總結(jié)規(guī)律，對整個武漢地區(qū)巖溶分布、發(fā)育特征等研究較少；對公路、橋梁、鐵路等方面的巖溶研究較多，對城市軌道交通方面巖溶研究較少。以武漢地鐵建設(shè)為依托，總結(jié)武漢地區(qū)巖溶分布、發(fā)育特征及地鐵工程中的巖溶處理措施，以期能對后期地鐵工程建設(shè)提供參考。

1　武漢地區(qū)巖溶基本規(guī)律

1.1巖溶分帶特征

武漢市主城區(qū)自北向南主要有3條石灰?guī)r條帶呈東西向分布，在主城區(qū)以南區(qū)域也有多次巖溶地面塌陷發(fā)生，根據(jù)地質(zhì)鉆探資料及地質(zhì)專家研究，主城區(qū)以南也呈現(xiàn)條帶分布，橫跨長江東西向分布，根據(jù)石灰?guī)r區(qū)域與長江位置關(guān)系分為6個石灰?guī)r條帶，見圖1和表1。

圖1　武漢地區(qū)石灰?guī)r條帶分布及風(fēng)險分區(qū)圖Fig.1 Distribution map of limestone strip and risk zoning in Wuhan area

表1　武漢地區(qū)石灰?guī)r條帶分布規(guī)模Table 1 Distribution scale of limestone strip in Wuhan area

1.2巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

見表2。

表2　武漢巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型Table 2 Types of karst geological structures in Wuhan area

Ⅰ型：長江一級階地松散砂礫石覆蓋層。地貌單元為長江一級階地，第四系覆蓋土層時代為全新世（Q4），地層組合為二元結(jié)構(gòu)，上部為黏性土，下部為細(xì)砂、粉細(xì)砂層覆蓋在石灰?guī)r之上，砂層中含孔隙承壓水，石灰?guī)r中巖溶裂隙水有承壓性，2含水層有水力聯(lián)系，細(xì)砂、粉細(xì)砂可通過溶隙、孔洞流失，逐漸形成漏斗狀疏松體，從而成地面塌陷。

Ⅱ型：長江一級階地松散砂礫石層加老黏性土復(fù)合覆蓋層。上部為粉細(xì)砂（包括粉細(xì)砂層上部部分黏性土層），下部為中、上更新統(tǒng)老黏性土層覆蓋在石灰?guī)r之上。中間的老黏性土把砂礫石層中的地下水與巖溶水水力聯(lián)系隔斷，降低了塌陷的可能性。

Ⅲ型：長江三級階地老黏性土覆蓋層。武漢大片地區(qū)為下蜀系老黏土層直接覆蓋在石灰?guī)r之上；巖

溶水頭比土巖分界面高，老黏土中若無土洞發(fā)育，此類地層基本不發(fā)生巖溶塌陷。

1.3溶洞形態(tài)特征

武漢地區(qū)巖溶由地下水垂直滲流產(chǎn)生，主要形態(tài)類型表現(xiàn)為溶洞、溶溝和溶槽洞等。根據(jù)大橋條帶、白沙洲條帶幾個地段的資料統(tǒng)計(jì)，洞高在0.6 m以內(nèi)的溶洞占30%，洞高在0.6～1.0 m范圍的溶洞占20%，洞高在1.0～3.0 m范圍的溶洞占40%，洞高在3.0～5.0 m范圍的溶洞占5.6%，洞高大于5.0 m的溶洞占溶洞總數(shù)的3.8%，洞高大于10 m的溶洞只有5個，僅占0.56%。

大橋條帶、白沙洲條帶溶洞高度統(tǒng)計(jì)如表3、圖2和圖3所示。

表3　大橋條帶、白沙洲條帶溶洞高度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of heights of karst caves in Daqiao strip and Baishazhou strip

以上資料表明，武漢地區(qū)溶洞高度不大，多數(shù)溶洞高度在3 m以內(nèi)，這基本代表了武漢地區(qū)淺層溶洞的規(guī)模特征，以小規(guī)模溶洞為主，大規(guī)模的溶洞較少。

1.4溶洞橫、豎向分布特征

武漢地區(qū)淺層巖溶的橫向分布規(guī)律受地層巖性控制，呈東西向帶狀分布。根據(jù)遇洞率、線巖溶率判別巖溶發(fā)育強(qiáng)度由高到低的順序?yàn)椋狐S龍組—觀音山組—棲霞組—大冶組，從地層巖組上區(qū)別巖溶的發(fā)育規(guī)律。表4為遇洞率和線巖溶率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大橋條帶、白沙洲條帶鉆孔遇洞率分別為50.1%和46.0%，線巖溶率分別為5.93%和6.0%，2條帶的鉆孔遇洞率、線巖溶率相差不大，基本反映出武漢地區(qū)的遇洞率和線巖溶率情況。

隨著巖面以下距離的增大，溶洞數(shù)量迅速減少，約35%的溶洞頂板在基巖面以下2.5 m以內(nèi)；約50%溶洞在基巖面以下4.5 m以內(nèi)；約90%的溶洞在基巖面以下12 m以內(nèi)，溶洞頂板平均埋深為3.1～5.1 m。線巖溶率隨埋深的變化特征為：自基巖面向下線巖溶率先逐漸增大，在2～4 m處達(dá)到7.5%～20.0%；隨著深度的增加，線巖溶率降低，在巖面以下10～15 m范圍穩(wěn)定在3%以下。可見，巖溶在基巖面以下2～4 m范圍發(fā)育較強(qiáng)，10 m以下發(fā)育逐漸減弱。

圖2　大橋條帶溶洞高度分布圖Fig.2 Distribution map of heights of karst caves in Daqiao strip

圖3 白沙洲條帶溶洞高度分布圖Fig.3 Distribution map of heights of karst caves in Baishazhou strip

1.5溶洞充填特征

根據(jù)溶洞內(nèi)填充物的多少，將溶洞劃分為無填充、半填充和全填充3種類型。表5為溶洞填充類型統(tǒng)計(jì)表，表中數(shù)據(jù)為3種填充類型占總?cè)芏磾?shù)量的百分比，統(tǒng)計(jì)表明武漢地區(qū)無填充溶洞約22.2%，半填充溶洞約7.5%，全填充溶洞約70.3%。全填充溶洞埋深較淺，半填充溶洞較深，無填充溶洞埋深最大，說明溶洞填充為自上而下，填充物主要來源于上覆土層，驗(yàn)證了溶洞的垂直發(fā)育規(guī)律。

2　武漢地區(qū)巖溶風(fēng)險劃分

根據(jù)武漢石灰?guī)r條帶分布、巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型和巖溶發(fā)育特征，結(jié)合武漢歷史上發(fā)生的巖溶塌陷案例，將發(fā)生巖溶塌陷災(zāi)害的可能性及危害嚴(yán)重程度等分級為高風(fēng)險、中等風(fēng)險和低風(fēng)險，并劃分為高風(fēng)險區(qū)、中等風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)（詳見圖1）。

表4　大橋條帶、白沙洲條帶鉆孔遇洞率和線巖溶率統(tǒng)計(jì)表Table 4 Karst cave encountering rate in borehole drilling and linear karst rate in Daqiao strip and Baishazhou strip　%

表5　溶洞充填類型統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistics of filling types of karst caves　%

2.1高風(fēng)險區(qū)

第Ⅰ型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)為發(fā)生巖溶地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)，主要為砂層直接覆蓋在石灰?guī)r基巖上的長江一級階地全新統(tǒng)地層覆蓋區(qū)，分布在白沙洲條帶和漢南條帶與長江相交處。高風(fēng)險區(qū)面積約占石灰?guī)r分布總面積的3.6%。前文中提到的武漢歷史上10余次巖溶塌陷災(zāi)害都是Ⅰ型地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)域。

2.2中等風(fēng)險區(qū)

第Ⅱ型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)為中等風(fēng)險區(qū)，其特點(diǎn)是全新統(tǒng)粉細(xì)砂層下部有一定厚度的（大于3 m）老黏土層覆蓋在石灰?guī)r基巖層之上，這類地層在天然狀態(tài)下不會產(chǎn)生巖溶塌陷，當(dāng)人類活動如深井降水、地質(zhì)鉆孔等穿透了老黏土層時則有可能發(fā)生巖溶塌陷。中風(fēng)險區(qū)面積約占石灰?guī)r總面積的4.5%。根據(jù)資料，中等危險區(qū)主要分布于長江及其支流兩岸一級階地區(qū)域，在天興洲條帶、白沙洲條帶、沌口江夏條帶和漢南條帶靠近長江地段有局部分布（見圖1）。

2.3低風(fēng)險區(qū)

第Ⅲ型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)為發(fā)生巖溶地質(zhì)災(zāi)害低風(fēng)險區(qū)，老黏性土直接覆蓋在石灰?guī)r地層上，此地層結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生巖溶塌陷，低風(fēng)險區(qū)面積約占石灰?guī)r總面積的88.9%。

3　武漢地鐵工程中巖溶處理技術(shù)及案例

對武漢地鐵工程中車站、區(qū)間隧道穿越巖溶區(qū)時的處理措施進(jìn)行了分類總結(jié)，如表6所示。

表6　地鐵工程中巖溶處理分類表Table 6 Classification of treatment methods for karst encountered in construction of Wuhan Metro

圍護(hù)結(jié)構(gòu)巖層以下15 m進(jìn)行帷幕注漿，注漿孔間距2 m，可形成有效隔水、隔砂帷幕，減少圍護(hù)內(nèi)外的水力聯(lián)系，形成封閉體系。注漿自下而上分段進(jìn)行，鉆孔一次成孔到設(shè)計(jì)深度，提鉆清孔，下入注漿導(dǎo)管至孔底或溶洞底板下部1.0 m處，水泥砂漿封閉孔口，封閉深度進(jìn)入原生黏土層大于0.5 m，以0.3～0.5 MPa的壓力自下而上進(jìn)行注漿。臨時立柱樁位處施作超前鉆，每樁一孔深度至巖面以下10 m或樁端以下5倍樁徑深度，對超前鉆揭露的溶洞進(jìn)行灌漿處理。車站底板下設(shè)置牛腿與圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接，由圍護(hù)結(jié)構(gòu)、臨時立柱樁共同支撐車站（見圖4）。車站基底旋噴格構(gòu)式土墩柱，將基底分割為多塊區(qū)域，減少基底水的流動，從而阻隔砂層的流失，提高基底強(qiáng)度，降低巖溶塌陷風(fēng)險（見圖5）。

圖4　車站溶洞注漿處理圖Fig.4 Grouting treatment of karst caves encountered in construction of Metro station

圖5　車站基底格構(gòu)式抽條旋噴加固圖Fig.5 Reinforcement of foundation base of Metro station by jetgrouting piles

根據(jù)研究，武漢巖溶塌陷角φ約為40°，假設(shè)隧道輪廓到溶洞塌陷漏斗中心距離為B，隧道到基巖面的距離為h2。B＝h2·ctg φ；可見，隧道與巖面距離越近巖溶塌陷對隧道影響越小，通過注漿帷幕和注漿填充溶洞等措施保證B范圍內(nèi)溶洞不塌陷，隧道就是安全的。處理方案為：巖面以下15 m深隧道兩側(cè)輪廓線外大于B處布置1排注漿帷幕，注漿孔間距2 m，注漿帷幕之間的溶洞和物探異常進(jìn)行注漿處理（見圖6）；當(dāng)h2較大，計(jì)算出B值較大時，注漿帷幕因地面交通條件或建構(gòu)筑物限制等無法實(shí)施，可減小B進(jìn)行帷幕注漿，并在土層部分采取鉆孔樁隔斷措施降低塌陷漏斗對隧道的影響，采用1排800＠1 000灌注樁＋800旋噴樁咬合隔斷措施，灌注樁入巖不小于1 m（見圖7）。

圖6　區(qū)間溶洞注漿與帷幕注漿處理圖Fig.6 Grouting treatment and curtain grouting treatment of karst caves encountered in construction of running tunnel

圖7　區(qū)間溶洞注漿與土層隔斷處理圖Fig.7 Grouting treatment and isolation treatment of karst caves encountered in construction of running tunnel

4　結(jié)論與建議

1）武漢巖溶自北向南主要劃分6個條帶，總結(jié)為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ型3種地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型分別占石灰?guī)r分布面積的3.6%，4.5%和88.8%；溶洞鉆孔遇洞率約47.5%，線巖溶率約5.97%，90%的溶洞高度小于3.0 m，平均洞高約1.5 m。

2）溶洞在基巖面以下2～4 m范圍發(fā)育最強(qiáng)，10～15 m以下發(fā)育逐漸減弱，全充填溶洞占71%，半充填溶洞8%，未充填溶洞21%；溶洞距離土巖分界面越近填充率越高，充填物與覆蓋層土層性質(zhì)相近。

3）地鐵工程中主要以Ⅰ，Ⅱ型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)處理為主，主要采取巖面下15 m帷幕注漿、圍護(hù)結(jié)構(gòu)入巖、基底旋噴加固、隔斷樁和溶洞注漿充填等措施；Ⅲ型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)以注漿填充溶洞為主。

4）建議進(jìn)一步研究Ⅰ型地質(zhì)結(jié)構(gòu)中承壓水和巖溶水的流動規(guī)律來評估巖溶塌陷點(diǎn)引起的塌陷區(qū)半

徑，擴(kuò)大地鐵影響控制線?？刂圃摲秶鷥?nèi)有深層降水及入巖樁基的工程項(xiàng)目，建議有關(guān)職能部門出臺成套相關(guān)管理辦法以保證地鐵長期運(yùn)營安全。地鐵運(yùn)營期間，應(yīng)建立長期監(jiān)測體系對周邊水位及地鐵結(jié)構(gòu)沉降、變形進(jìn)行監(jiān)測并建立預(yù)警系統(tǒng)，這些都是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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Features of Karst Development in Wuhan Area and Treatment of Karsts Encountered in Construction of Wuhan Metro

LI Shenkui，TAO Lan
（China Railway Tunnel Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300133，China）

Abstract：The features and pattern of karst development in Wuhan area are analyzed on the basis of the karst investigation data and the karst encountered in the construction of Wuhan Metro.The treatment methods for the karst encountered in the construction of Wuhan Metro are also summarized.Conclusions drawn are as follows：1）The karst in Wuhan area belongs to shallow karst，which develops mainly within the scope of 0～15 m below the rock surface；2）The karst in Wuhan area takes the shape of karst caves，karst channels and karst troughs；3）The rate of karst cave encountering in borehole drilling is about 50%，and the rate of linear karst is about 6%；4）The deeper the karst caves，the smaller the karst cave filling rate；5）The karst can be classified into 3 geological structural types，i.e.，Type I，TypeⅡand TypeⅢ，which correspond to 3 karst subsidence risk zones，i.e.，high karst subsidence risk zone，medium karst subsidence risk zone and low karst subsidence risk zone；6）Countermeasures，including karst cave filling by grouting，grouting curtain installed in rocks，isolation of soil layers，reinforcement by jetgrouting piles and extending the retaining structures into the rock，are taken to cope with the karst encountered in the construction of Wuhan Metro.

Key words：karst development feature；geological structure；Metro works；karst treatment

作者簡介：李慎奎（1984—），男，山東金鄉(xiāng)人，2009年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事隧道及地下結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015－01－08；修回日期：2015－03－12

中圖分類號：U 455.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）05－0449－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.010