某地鐵車站土洞勘察與形成機(jī)理分析

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)域土洞為成井過程中抽取地下水時形成的土洞。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，對地鐵的施工和運(yùn)營安全存在較大影響，有必要對該土洞進(jìn)行詳細(xì)勘察及對其形成機(jī)理進(jìn)行深入分析。

1 工程概況

該地鐵車站長度為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)格測線，采用物探地震反射法對該區(qū)域進(jìn)行探測;最后，根據(jù)物探成果資料，對物探提出的反射異常布置鉆孔，對其進(jìn)行鉆探驗(yàn)證和勘探。

2.1 物探方法工作布置

在初勘推測土洞范圍，布置了網(wǎng)格測線，測線間距20～30m，垂直線路方向(東西向)測線6條、平行線路方向(南北向)測線6條，共12條測線，測線覆蓋了推測的土洞發(fā)育區(qū)及無土洞區(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 鉆孔布置與物探測線示意

3 勘察結(jié)果

通過對土洞發(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。對資料進(jìn)行處理和綜合分析解釋，推測存在8處疑似可能為土洞的異常。其中，DZ9測線距離92m附近、深度約16～20m的異常為鉆孔已揭露的土洞，該測線80m處為疑似點(diǎn)。其余疑似可能為土洞異常點(diǎn)為DZ2測線距離86m、107m兩處，DZ3測線103m一處、DZ4測線26m一處，DZ5測線95m、105m兩處，深度范圍16～25m。圖2、圖3為DZ4、DZ5兩測線的CDP迭加剖面。

圖2 DZ4 CDP迭加剖面

圖3 DZ5 CDP迭加剖面

通過對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。勘察范圍內(nèi)土洞發(fā)育范圍僅為鉆孔已揭露的一個土洞附近，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(見圖4)，顆粒細(xì)小，附近水井成井過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)力超過土的抗拉強(qiáng)度，土體開始剝落，被剝落的土體又由動水壓力(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)注意自然降雨對該土洞發(fā)展的影響。

5 評價

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 土洞對地鐵車站的影響分析與評價

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)［9］，按該規(guī)程中構(gòu)筑物保護(hù)等級和鐵路保護(hù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，地鐵車站均屬Ⅰ級，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)的規(guī)定;(2)該土洞對車站工程存在一定影響，應(yīng)采取措施對土洞進(jìn)行處理，以確保地鐵車站工程的安全。

6 對土洞的處理措施建議

由于該土洞發(fā)育范圍較小，埋深相對較深，建議對土洞進(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)營的安全。

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