武漢地區巖溶發育特征及地鐵工程中巖溶處理

李慎奎，陶 嵐（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133）

武漢地區巖溶發育特征及地鐵工程中巖溶處理

李慎奎，陶 嵐
（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133）

摘要：以武漢地鐵巖溶專項勘察資料和地鐵工程中巖溶處理案例為依據，采用綜合統計方法分析巖溶發育特征和規律，總結地鐵車站、區間隧道穿越巖溶區時的處理方法。研究表明武漢地區巖溶為淺層巖溶，主要在巖面以下0～15 m范圍發育，表現為溶洞、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。巖溶區主要分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3種地質結構類型并對應高、中、低3種巖溶塌陷風險區。根據巖溶地質結構類型分類總結武漢地鐵建設中采取的注漿填充、巖層注漿帷幕、土層隔離、旋噴加固及圍護結構入巖等處理措施。

關鍵詞：巖溶發育特征；地質結構；地鐵工程；巖溶處理

0　引言

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

工程地質勘察中的防治措施進行了分析總結；文獻［8－10］對公路隧道、城市橋梁、盾構隧道穿越巖溶區時的風險及注漿等處理措施進行了探討。以上多是對單個巖溶塌陷進行分析探討并提出處理措施或總結規律，對整個武漢地區巖溶分布、發育特征等研究較少；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。以武漢地鐵建設為依托，總結武漢地區巖溶分布、發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提供參考。

1　武漢地區巖溶基本規律

1.1巖溶分帶特征

武漢市主城區自北向南主要有3條石灰巖條帶呈東西向分布，在主城區以南區域也有多次巖溶地面塌陷發生，根據地質鉆探資料及地質專家研究，主城區以南也呈現條帶分布，橫跨長江東西向分布，根據石灰巖區域與長江位置關系分為6個石灰巖條帶，見圖1和表1。

圖1　武漢地區石灰巖條帶分布及風險分區圖Fig.1 Distribution map of limestone strip and risk zoning in Wuhan area

表1　武漢地區石灰巖條帶分布規模Table 1 Distribution scale of limestone strip in Wuhan area

1.2巖溶地質結構特征

見表2。

表2　武漢巖溶地質結構類型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），地層組合為二元結構，上部為黏性土，下部為細砂、粉細砂層覆蓋在石灰巖之上，砂層中含孔隙承壓水，石灰巖中巖溶裂隙水有承壓性，2含水層有水力聯系，細砂、粉細砂可通過溶隙、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合覆蓋層。上部為粉細砂（包括粉細砂層上部部分黏性土層），下部為中、上更新統老黏性土層覆蓋在石灰巖之上。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。武漢大片地區為下蜀系老黏土層直接覆蓋在石灰巖之上；巖

溶水頭比土巖分界面高，老黏土中若無土洞發育，此類地層基本不發生巖溶塌陷。

1.3溶洞形態特征

武漢地區巖溶由地下水垂直滲流產生，主要形態類型表現為溶洞、溶溝和溶槽洞等。根據大橋條帶、白沙洲條帶幾個地段的資料統計，洞高在0.6 m以內的溶洞占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計如表3、圖2和圖3所示。

表3　大橋條帶、白沙洲條帶溶洞高度統計表Table 3 Statistics of heights of karst caves in Daqiao strip and Baishazhou strip

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

1.4溶洞橫、豎向分布特征

武漢地區淺層巖溶的橫向分布規律受地層巖性控制，呈東西向帶狀分布。根據遇洞率、線巖溶率判別巖溶發育強度由高到低的順序為：黃龍組—觀音山組—棲霞組—大冶組，從地層巖組上區別巖溶的發育規律。表4為遇洞率和線巖溶率統計數據，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，溶洞數量迅速減少，約35%的溶洞頂板在基巖面以下2.5 m以內；約50%溶洞在基巖面以下4.5 m以內；約90%的溶洞在基巖面以下12 m以內，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范圍穩定在3%以下?？梢姡瑤r溶在基巖面以下2～4 m范圍發育較強，10 m以下發育逐漸減弱。

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

根據溶洞內填充物的多少，將溶洞劃分為無填充、半填充和全填充3種類型。表5為溶洞填充類型統計表，表中數據為3種填充類型占總溶洞數量的百分比，統計表明武漢地區無填充溶洞約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，驗證了溶洞的垂直發育規律。

2　武漢地區巖溶風險劃分

根據武漢石灰巖條帶分布、巖溶地質結構類型和巖溶發育特征，結合武漢歷史上發生的巖溶塌陷案例，將發生巖溶塌陷災害的可能性及危害嚴重程度等分級為高風險、中等風險和低風險，并劃分為高風險區、中等風險區和低風險區（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計表Table 4 Karst cave encountering rate in borehole drilling and linear karst rate in Daqiao strip and Baishazhou strip　%

表5　溶洞充填類型統計表Table 5 Statistics of filling types of karst caves　%

2.1高風險區

第Ⅰ型巖溶地質結構為發生巖溶地質災害高風險區，主要為砂層直接覆蓋在石灰巖基巖上的長江一級階地全新統地層覆蓋區，分布在白沙洲條帶和漢南條帶與長江相交處。高風險區面積約占石灰巖分布總面積的3.6%。前文中提到的武漢歷史上10余次巖溶塌陷災害都是Ⅰ型地質結構區域。

2.2中等風險區

第Ⅱ型巖溶地質結構為中等風險區，其特點是全新統粉細砂層下部有一定厚度的（大于3 m）老黏土層覆蓋在石灰巖基巖層之上，這類地層在天然狀態下不會產生巖溶塌陷，當人類活動如深井降水、地質鉆孔等穿透了老黏土層時則有可能發生巖溶塌陷。中風險區面積約占石灰巖總面積的4.5%。根據資料，中等危險區主要分布于長江及其支流兩岸一級階地區域，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低風險區

第Ⅲ型巖溶地質結構為發生巖溶地質災害低風險區，老黏性土直接覆蓋在石灰巖地層上，此地層結構基本不發生巖溶塌陷，低風險區面積約占石灰巖總面積的88.9%。

3　武漢地鐵工程中巖溶處理技術及案例

對武漢地鐵工程中車站、區間隧道穿越巖溶區時的處理措施進行了分類總結，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

圍護結構巖層以下15 m進行帷幕注漿，注漿孔間距2 m，可形成有效隔水、隔砂帷幕，減少圍護內外的水力聯系，形成封閉體系。注漿自下而上分段進行，鉆孔一次成孔到設計深度，提鉆清孔，下入注漿導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行灌漿處理。車站底板下設置牛腿與圍護結構連接，由圍護結構、臨時立柱樁共同支撐車站（見圖4）。車站基底旋噴格構式土墩柱，將基底分割為多塊區域，減少基底水的流動，從而阻隔砂層的流失，提高基底強度，降低巖溶塌陷風險（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　車站基底格構式抽條旋噴加固圖Fig.5 Reinforcement of foundation base of Metro station by jetgrouting piles

根據研究，武漢巖溶塌陷角φ約為40°，假設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行注漿處理（見圖6）；當h2較大，計算出B值較大時，注漿帷幕因地面交通條件或建構筑物限制等無法實施，可減小B進行帷幕注漿，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　結論與建議

1）武漢巖溶自北向南主要劃分6個條帶，總結為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ型3種地質結構類型分別占石灰巖分布面積的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范圍發育最強，10～15 m以下發育逐漸減弱，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相近。

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

4）建議進一步研究Ⅰ型地質結構中承壓水和巖溶水的流動規律來評估巖溶塌陷點引起的塌陷區半

徑，擴大地鐵影響控制線。控制該范圍內有深層降水及入巖樁基的工程項目，建議有關職能部門出臺成套相關管理辦法以保證地鐵長期運營安全。地鐵運營期間，應建立長期監測體系對周邊水位及地鐵結構沉降、變形進行監測并建立預警系統，這些都是需要進一步研究的內容。

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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，山東金鄉人，2009年畢業于蘭州交通大學，防災減災及防護工程專業，碩士，工程師，現從事隧道及地下結構工程設計工作。

收稿日期：2015－01－08；修回日期：2015－03－12

中圖分類號：U 455.4

文獻標志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）05－0449－06

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