武汉河流高阶地深隧工程岩溶地质问题及处理分析_彭华中.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-05-09修回日期 2020-05-11 作者简介 彭华中 （1979-） ， 男 （汉族） ， 湖北天门人， 高级工程师， 注册岩土工程师， 注册一级建造师， 现从事岩土工程勘察、 地质灾害治理等工作。 武汉河流高阶地深隧工程岩溶地质问题及处理分析 彭华中* （武汉市勘察设计有限公司， 湖北 武汉 430022） 摘要 武汉市岩溶地质条件复杂， 岩溶区分布范围广， 随着城市建设规模的扩大， 岩溶地质问题日 渐突出。以武汉某深隧工程勘察及岩溶预处理为依托， 分析了本工程岩溶不良地质问题并提出了处 理措施， 为类似区域同类工程的勘察、 设计、 施工及运营风险防范提供借鉴。 关键词 岩溶； 岩溶地质； 地质问题； 岩溶处理 中图分类号 U45 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202011-0015-04 1概述 武汉市位于鄂东大别山丘陵和鄂东南幕埠丘陵间， 石灰岩分布面积1100km2， 约占该市面积的12.9[1]。随 着城市建设规模的不断扩大， 越来越多的隧道工程穿 越岩溶区， 由此产生的岩溶地质问题等对工程建设的 影响也日渐突出。官善友等对武汉市岩溶发育规律 做过初步的分析与研究[2]； 王丹丹对岩溶区主要工程 地质问题及处理措施进行了概述 [3]； 李慎奎等对地铁 岩溶区的岩溶发育特征及岩溶处理措施提出了分析 及评价[4]。张琦等探讨了交通隧道岩溶综合治理[5]。 近年来， 全国范围内隧道工程遭遇岩溶不良地质问题 日渐突出[5-6]。 武汉岩溶地质条件复杂， 岩溶发育规律各异。本 区以往的研究多集中于河流冲积一级阶段等岩溶地质 灾害易发区的浅中埋深交通隧道工程， 而针对埋深 大、 高阶地区内隧道工程的岩溶研究的较少。本文以 武汉某深隧工程勘察及岩溶预处理为依托， 对区内高 阶地工程场地岩溶地质问题及处理进行了分析及评 价。 2河流高阶地岩溶发育规律概述 2.1岩溶平面条带分布 结合前期研究[1-2]并综合收集到的钻孔资料， 将武 汉地区碳酸盐岩的分布划分为六个条带 天兴洲条带、 大桥条带、 白沙洲条带、 沌口条带、 军山条带及汉南条 带。碳酸盐条带分布见图1。 2.2工程地质特征及塌陷风险 武汉市河流高阶地主要分布于长江、 汉江以南， 以 及北、 东部地区亦存在小片存在， 并有残丘分布于平原 中。 区内覆盖层由第四系更新统地层构成， 上部主要 为老粘性土或粘土夹碎石， 中部为红粘土或红粘土夹 碎石， 下伏碳酸盐岩。岩溶裂隙水赋存于碳酸盐岩中， 上部老粘性土或粘土夹碎石为隔水层。老粘性土厚度 一般较大， 地下水贫瘠； 当碳酸盐岩表面不存在深、 大 溶沟及溶槽且软流塑状红与基岩直接接触情况下， 发生岩溶地面塌陷的可能性较小， 但上述条件除外局 部地段在人类活动因素的影响下也出现过地面塌陷等 现象。总体上来讲武汉市河流高阶地岩溶区发生地面 15 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 塌陷的风险较小。 2.3岩溶发育基本特征 根据统计资料， 武汉高阶地区溶洞高度普遍不大， 多数溶洞高度在3m以下， 岩溶形态以小规模溶洞及溶 隙为主； 溶洞充填以全充填为主， 无充填及半充填溶洞 数量相对较少； 碳酸盐岩条带岩溶发育程度表现为由 北向南逐渐增大的特点； 不同时代碳酸盐岩岩溶发育 强弱顺序为 黄龙组栖霞组大冶组； 碳酸盐岩中所 发育的溶洞大部分为浅层溶洞， 尤其在基岩面以下 4.0m范围内的最多， 占溶洞总数的85左右； 随着岩面 以下的距离增大， 溶洞数量迅速减少， 在基岩面2～4m 范围内较为发育， 10m以下发育程度逐渐减弱[8]。 3工程概况 武汉某市政公路隧道下穿段地铁11号车站及地下 停车场， 下穿交叉总长度约76.9m， 其中穿越地下停车 场约53m， 穿越车站约23.9m。盾构管片外径15.5m， 穿越范围内与停车场结构最小净距为19.9m （1.28D） ， 与车站结构最小净距为10.76m （0.69D） 。隧道顶板埋 深约52.0～56.0m， 采用盾构法施工， 工程纵断面见图 2。 图2工程纵断图 4场地岩溶发育规律 沿线下伏基岩为二叠系碳酸盐岩， 上覆主要为近 代人工填土层、 第四系更新统河流冲洪积土层， 覆盖层 厚度约15m， 场地地层分布较均匀。根据设计标高， 隧 道底基本位于基岩中且距基岩面约40.0m。 根据钻孔遇洞率和线岩溶率统计， 场地内栖霞组、 龙潭组和大隆组钻孔遇洞率分别为78.6、 1.10， 线 岩溶率分别为11.7、 0.05。考虑到龙潭组和大隆组 碳泥质成分含量高， 其遇洞率及线岩溶率均栖霞组碳 酸盐岩低。 根据溶洞洞高统计， 洞高在1.0～6.0m间的溶洞占 比73.2， 洞高在1.0m以下的溶洞占比21.9， 说明本 场地发育的溶洞洞高多在6.0m以下 （见图3） 。从溶洞 充填占比图 （见图4） 可以判定各地层中的溶洞以全充 填为主， 少量无充填及半充填。 根据勘察结果判定工程沿线栖霞组碳酸盐岩溶蚀 现象明显， 岩溶强烈发育， 是影响工程施工与运营安全 的主要不良地质。 图3溶洞洞高统计比例图 图4溶洞充填统计比例图 5岩溶地质问题分析 场区内岩溶、 岩溶裂隙水与隧道工程关系密切， 岩 溶和岩溶裂隙水对隧道工程潜在的主要灾害为岩溶地 面塌陷、 岩溶地基稳定性、 岩溶承压水引起的隧道突水 涌泥及软流塑状红粘土等带来的问题。 5.1岩溶地面塌陷 场区内以覆盖型岩溶为主， 覆盖层下伏岩溶可导 致地面 （表） 塌陷， 主要表现为洞顶板塌陷。土洞坍塌 可分为两类 一种是粘性土土洞塌陷， 另一种是砂性土 土洞塌陷。粘性土土洞塌陷常发生于粘性土层覆盖 区， 一般是发生在土岩接合面附近的土中， 上部土体在 地下水运动过程中受潜蚀作用不断带走土中物质所形 成。在上覆粘性土层中形成 “土洞” ， 当土洞规模逐渐 加大使其顶板土层超越自撑能力时， 洞顶冒落， 发生地 面塌陷。砂性土土洞塌陷主要发生于覆盖层为二元结 构冲积层且下部饱和粉土、 砂土直接盖在可溶岩岩面 之上， 粉土、 砂土层在地下水运动过程中产生渗流破 坏， 形成流土， 漏失于岩溶空洞中形成土洞， 当其规模 达到上覆粘性土地层难以自撑时， 即发生地面塌陷[8]。 本工程沿线未发生过岩溶地面塌陷历史事件， 场 16 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 区岩溶地下水位均较高、 形成土洞的可能性较小且岩 土界面上部大多为硬塑状第四系上更新统老粘土夹碎 石。综合判定， 工程沿线在自然条件下一般不易产生 岩溶地面塌陷。 5.2岩溶地基稳定性 根据溶洞与隧道工程关系统计 （见表1） 位于区间 隧道洞身范围内的溶洞、 物探探测岩溶异常点分别有 12个和18个； 位于区间隧道底板标高以下8m0.5倍隧 道洞径范围内分布的溶洞、 物探推测岩溶异常点分别 有5个和7个； 位于区间隧道底板标高以下8～16m范 围内分布的溶洞、 物探推测岩溶异常点分别有3个和 11个。位于隧道工程底板以下、 规模较大或长轴与隧 道线路一致且溶洞 （物探推测岩溶异常点） 顶板与隧道 底板间岩体有效厚度较小时， 可能导致溶洞顶板坍塌 进而引起岩溶地基塌陷， 危及隧道的施工与运营安全。 在隧道设计与施工时， 应对与隧道工程关系较密 切的溶洞或物探推测岩溶异常点进行处理， 在施工中 采取必要的防护措施。 岩溶 类型 钻孔揭露 溶洞 物探推测岩溶异常 点 发育层位 位置关系 位于隧道范围 位于隧道顶板上8m内 位于隧道底板下8m内 位于隧道底板下8～16m 位于隧道范围 位于隧道顶板上8m内 位于隧道底板下8m内 位于隧道底板下8～16m P2q 个数 12 6 5 3 18 7 7 11 高度 （m） 0.9～6.5 0.8～2.5 0.7～1.6 0.3～2.2 0.7～26.2 2.2～13.7 1.7～6.8 1.9～14.2 P3ld 个数 0 0 1 0 0 0 2 0 高度 （m） 1.2 1.8～2.0 表1钻孔揭露溶洞与物探推测异常点与隧道相对关系 影响区 显著影响区 一般影响区 水平距离 m ≤5 5＜h≤10 竖向距离 （m） 隧道底板 ≤8 8＜ h≤16 隧道顶板 ≤5 5＜h≤10 表2隧道岩溶地质影响区划分 注 h为隧道轮廓线以外距离。 5.3突水涌泥 当溶洞位于隧道洞顶、 洞身或边墙部位时， 现揭露 的溶洞大部分被充填或半充填， 岩溶水较丰富， 隧道施 工在过程中， 不排除在隧道顶部有充填物冒落、 侧向挤 入或隧道底板局部下沉现象， 导致突水、 涌泥及地基失 稳、 盾构机具陷落等事故， 影响施工安全， 需采取预先 的防护措施。 5.4红粘土 红粘土层局部呈软流塑状， 充填于溶洞中的红 粘土与隧道的建设和运营关系密切， 在隧道施工时可 能被扰动流失， 将可能会使隧道地基失稳、 塌陷， 给隧 道的建设和运营带来严重的安全影响， 建议在施工中 采取防护措施， 加强注浆处理。 6岩溶处理措施 6.1岩溶地质影响区划分 本隧道工程外径为15.5m， 属大直径隧洞工程， 场 地岩溶发育， 加之周边环境复杂， 隧道工程施工风险 高。根据隧道周边岩溶地质条件及受工程扰动的程度 并结合地区类似工程设计及施工经验， 将隧道周边划 分为显著影响区和一般影响区 （见表2） 。 6.2岩溶处理范围岩溶处理范围应结合隧道埋深、 溶洞位置及隧道 17 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 影响区等因素综合划定， 具体要求如下 盾构掘进范围 内的溶洞必须全部处理； 隧道底板以下显著影响区范 围内溶洞均应处理； 底板以下一般影响区范围内的溶 洞， 若覆岩比小于1， 需进行充填处理， 若覆岩比不小于 1， 无需进行充填处理须处理； 隧道结构轮廓线左侧、 右 侧、 上部显著影响区范围内须处理； 处于处理区与非处理区间的溶洞按处理区进行处 理。 6.3岩溶处理原则 依据场地工程地质及水文地质条件， 参考区内类 似工程岩溶处理经验， 隧道岩溶处理原则如下 对于钻 孔揭示岩溶溶洞高度不大于1m且无填充和半填充溶 洞， 以及全填充溶洞 （充填物强度较低的） 均直接采用 纯水泥浆进行静压式灌浆； 对于钻孔揭示岩溶溶洞高 度1～3m且无填充溶洞和半填充溶洞， 灌浆一般采用 间歇式静压灌浆。灌浆时间控制在20min， 间歇6h后 再灌， 依次类推， 直到终孔为止； 对于溶洞高度3～6m 无填充溶洞和半填充溶洞， 可考虑先投碎石， 后采用注 浆加固的方法； 对于溶洞高度大于6m的特大型无填充 溶洞， 建议上报召开专项会议； 对异常区进行钻孔验 证， 溶洞处理则参考以上方法处理。 溶洞处理应遵循 “先深后浅， 先大后小” 的顺序； 对 于多层上下串通溶洞， 应对串通溶洞进行全压浆填充 处理； 对于体积特别巨大 （投石量或灌浆量大于75m3） ， 应停止投石或灌浆并立即召集各方现场共同协商处 理。 6.4岩溶处理效果检测 根据钻孔取芯岩芯抗压试验统计， 岩溶注浆固结 体28d的无侧限抗压强度在0.3～0.4MPa间。岩溶加 固处理后质量检查孔压水试验透水率多在4～6Lu间， 合格率达95以上， 岩溶处理满足设计要求。 7结论 （1） 隧道工程沿线场地岩溶形态主要表现为溶洞 与溶隙， 岩溶强发育。岩溶发育程度， 由强至弱依次 为 栖霞组 （P2q） 龙潭和大隆组 （P3ld） 。 （2） 场地内岩溶地质问题 地面塌陷问题、 地基失 稳、 岩溶水突水涌泥和软流塑状红粘土等带来的问 题。 （3） 岩溶处理划分了岩溶地质影响区， 结合溶洞规 模， 选用纯水泥浆、 水泥砂浆或投石辅以注浆等不同的 方法， 最后应对岩溶处理效果进行检验、 检测。 参考文献 [1]罗小杰. 试论武汉地区构造演化与岩溶发育史[J]．中国岩 溶, 2013, 322 195-202． [2]官善友, 蒙核量, 周淼. 武汉市岩溶分布与发育规律[J]. 城市 勘测, 20084 145-149． [3]王丹丹.岩溶地区的主要工程地质问题及处理措施分析[J]， 科学技术， 2017 （8） 92-93. [4]李慎奎, 陶岚．武汉地区岩溶发育特征及地铁工程中的岩 溶处理[J]. 隧道建设, 2015, 355 449- 454. [5]张琦， 等.地铁隧道穿越岩溶区的综合治理[J].山西建筑， 2017,37 （5） 161-162. [6]杨秀竹, 雷金山, 赵国旭, 马卉．广州轨道交通沿线岩溶形 成和发育特征及对隧道施工的影响[J]. 铁道科学与工程学 报, 2010, 71 37- 41． [7]刘建芳. 武汉轨道交通6号线工程岩溶发育特征及处理措 施[J]. 施工技术, 20187 134-137. [8]余泰敏, 喻理传. 武汉地区砂土渗流漏失型岩溶地面塌陷 致塌模式分析[J]. 资源环境与工程, 2015, 296 887-891. （上接第14页） WANG De-min Liaoning Architectural Design and Research Institute Geotechni- cal Engineering Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110005, China Abstract By eliminating tropospheric error, current layer error, satellite clock error and receiver clock error, absolute positioning technology is used to determine reference point coordinates, and least square is used to solve GPS relative positioning pre- cise coordinates; WGS-84 coordinates are converted into national 2000 coordinates with seven parameters to realize GPS positioning technology. The least square is used to fit the height of ge- oid, and the fitting parameters are obtained. This paper discusses the selection of SH-30 drilling rig and rotary drilling rig through the engineering geological investigation of soil quality and ground- water level, expounds the geological causes of undisturbed soil, and discusses how to determine the drilling depth under the condi- tions of strip foundation, rectangular foundation, raft foundation, pile foundation and composite foundation in the drilling layout scheme. Key words survey technology；hole depth determination；undis- turbed soil；sedimentary cycle GPS cubic difference；least square ； elevation fitting； Elevation fitting 18 ChaoXing