武漢地鐵6號線巖溶發育特征及巖溶處理措施

劉建芳

(武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢　430030)

1　引　言

武漢市位于江漢平原東部，全境面積約 8 494 km2，石灰巖分布面積約 1 100 km2，約占該市面積的12.9%[6]。武漢市地貌形態由剝蝕堆積壟崗區(長江Ⅲ級階地)逐漸過渡為沖洪積區(長江Ⅰ級階地)。武漢歷史上出現了十多次巖溶塌陷，給工程建設帶來重大影響，且造成巨大的經濟損失，巖溶地質災害防治引起許多專家、學者及工程技術人員的重視，他們對武漢地區巖溶發育歷史[6]、發育規律[7，9]、成因機制及塌陷災害防治[3～5，9]等問題進行了研究與探討。把武漢地區巖溶劃分為多個條帶，條帶寬度為 1.2 km～6.0 km不等。武漢的軌道交通2號線、3號線、4號線、6號線、11號線、2號線南延線等工程都遇到了巖溶問題，筆者以風險較大的武漢地鐵6號線巖溶專項勘察、設計和施工為依據，總結武漢砂層覆蓋型巖溶發育特征，溶洞規模、溶洞充填特征等，總結地鐵車站區間設計施工的處理措施，希望能對后期地鐵工程建設提供參考。

2　武漢地區巖溶發育規律

2.1　武漢地區巖溶發育歷史

要具備可溶巖、地下水有溶蝕能力、地下水流動等條件才能產生巖溶地質。根據相關研究[1～7]武漢地區在晚古生代和中生代早期發生大規模的海進—海退作用，形成了石炭—二疊系和下三疊統兩套石灰巖系，為武漢地區巖溶發育提供了物質條件。中三疊世末受印支運動和燕山運動的影響，在武漢地區形成NWW-SEE走向的主構造形跡，武漢東部及東南部的梁子湖地區逐步凹陷，武漢西部及北部隆起，地勢抬升，地表、地下水向東部匯集，由于構造作用與風化、剝蝕作用，地表水對其沖刷侵蝕形成溶溝、溶槽等地表巖溶現象，由于地表水下滲及地下水的侵蝕，地下巖溶系統逐漸發育。到新近紀—早更新世受喜山運動Ⅱ幕的影響，武漢西部潛江凹陷繼續發展，地勢變為東高西低，地表、地下水由東向西流動，巖溶地下水自東向西運移，地下巖溶系統進一步發育。中晚更新世時期，受喜山運動Ⅲ幕影響，武漢及周邊地區總體下沉，形成厚 10 m～30 m不等的老黏性土，老黏性土層和碎屑巖等相對不透水層的阻隔，碳酸巖組中地下水活動較弱，巖溶作用減緩，到中晚更新世紀全新世時期武漢地區的巖溶作用很弱或基本停止。

2.2　巖溶地質結構發育特點

根據地鐵巖溶專項勘察資料及周邊的民建基坑地質勘察情況結合石灰巖上覆蓋土層類型和地下水情況，對武漢地區巖溶地質結構進行分類，主要分為以下三種地質結構類型，如表1所示。

Ⅰ類：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)，地層組合為典型二元結構，上部為黏性土，下部為粉細砂或卵礫石覆蓋在石灰巖之上，粉細砂及卵礫石層中含孔隙承壓水，石灰巖中含巖溶承壓水，兩含水層有直接水力聯系，存在統一的運動過程，粉細砂及卵礫石可直接通過溶隙、孔洞流失，覆蓋層中逐漸形成漏斗狀疏松體，從而形成地面塌陷。

Ⅱ類：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(包括粉細砂層上部的黏性土層)，下部為中、上更新統老黏性土層(包括上更新統下部的含泥粉細砂)覆蓋在石灰巖之上；下部為石灰巖。這種組合砂礫石中的地下水與石灰巖中巖溶水水力聯系被老黏土層隔斷，發生塌陷的可能性小。

Ⅲ類：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，直接覆蓋在石灰巖巖之上；石灰巖中巖溶水水頭高于土巖分界面，若老黏土中不存在土洞，這種地層基本不發生地面塌陷。

老黏土覆蓋范圍廣泛，粉細砂覆蓋層主要分布在長江兩岸一定范圍的全新世地層發育區，在老黏土覆蓋區巖溶水基本封閉在老黏土和相對不透水的3個碎屑巖組所圈閉的石灰巖地層中，除局部近江地段外，與地表水聯系不大，它主要與碎屑巖裂隙水存在弱水力聯系。

3　巖溶塌陷機理分析及巖溶風險劃分

所謂“巖溶地面塌陷”，是指隱伏在第四紀覆蓋層下的可溶巖中存在巖溶空洞，且存在與覆蓋層相連的通道。在某些自然因素或人為因素作用下，覆蓋層物質沿著巖溶通道進入到巖溶空洞中，引起覆蓋土體發生漏失，導致地面出現塌陷的自然現象。石灰巖覆蓋層不同地層結構類型具有不同的巖溶塌陷機理，劃分出武漢地區各巖溶條帶中發生巖溶地質災害的風險等級。

3.1?、瘛ⅱ蝾惖刭|結構塌陷機理分析

當覆蓋層為二元結構沖積層且沖積層下部飽和砂、礫石層直接蓋在巖面之上時，砂、礫石層中的孔隙水與可溶巖中的巖溶裂隙水發生直接聯系，由于水位不斷升降變化，尤其是巖溶地下水位或承壓水頭低于孔隙水位時，發生垂直向下滲流。先是在砂、礫石層中先發生潛蝕作用，形成“漏斗狀疏松體”，進而因垂直滲流加劇，局部水力坡度加大，超過“臨界水力坡度”時發生流土，即砂、礫石土呈流動狀態漏入巖溶空洞，地面出現塌陷坑，此為滲流破壞、流土、漏失機理，主要發生在Ⅰ型地質結構：長江一級階地松散砂礫石覆蓋層地質結構類型。

3.2?、笮偷刭|結構塌陷機理分析

覆蓋層為黏性土的巖溶地面塌陷過程中的“潛蝕”一般是發生在土巖接合面附近的土中。所謂“潛蝕”是指地下水在運動過程中不斷帶走土中物質的機械作用過程。最有利于發生潛蝕的條件是可溶巖表面存在溶溝、溶槽，且巖溶地下水位已脫離基巖頂面降至巖體中而在地下水位以上存在飽氣帶，即巖面上下地下水的垂直循環帶。由于基巖面的高低變化，特別是在溶溝、溶槽中易形成土層底部的小徑流，在漫長的潛蝕過程中將土中物質帶入溶洞中，在上覆黏性土層中形成“土洞”。當土洞頂板土層超越自撐能力時，洞頂冒落，發生地面塌陷。土洞形成的兩個重要條件，一是巖溶地下水位低于土巖界面，二是土巖界面高差較大。因此，土洞多數分布在山前或山間谷地。

武漢市區長江三級階地基巖面覆蓋層為黏性土地質結構，多數區域巖溶地下水位都高于土巖界面且小范圍內土巖界面高差變化不大，此類地層結構不會產生土洞，發生巖溶地面塌陷的可能性很小。

3.3　真空吸蝕機理

所謂“真空吸蝕”是指巖溶水在大量抽取后水位在短時間內急劇下降過程中的“活塞”作用下形成負壓至真空狀態。在這種負壓或真空作用下，覆蓋土層對應巖溶地下通道的薄弱位置在瞬間產生陷坑或陷洞。這種由負壓或真空對覆蓋層的抽吸作用稱為“真空吸蝕”。這種因“真空吸蝕”產生的塌陷坑往往成群出現，在短時間內可產生幾十甚至上百個陷坑或陷洞，其危害相當嚴重。是否會發生真空吸蝕，主要有兩個條件：其一是大量抽排巖溶地下水，水位在短時間內急劇下降；其二是覆蓋層對地下巖溶有良好的封閉作用，能使在水位下降的過程中形成充分的負壓或真空。這兩個條件就決定了這類塌陷分布的特殊地域性。Ⅱ型地質結構符合“真空吸蝕”作用產生塌陷的條件，因此Ⅱ型地質結構類型也有較大可能發生巖溶地面塌陷。

對巖溶上述三種機理是指三種不同地質條件下的塌陷過程特點，其共同特點是，必須具備巖溶空洞及聯系通道和地下水的運動。前兩者機理是以自然因素為基本因素，“真空吸蝕”作用則以人為因素為主。

第Ⅰ類巖溶地質結構為發生巖溶地質災害高風險區，主要位于長江兩岸全新統地層覆蓋區，砂層直接覆蓋在石灰巖基巖上，約占石灰巖分布面積的3.6%。10余次巖溶陷災害都是Ⅰ類地質結構區域。第Ⅱ類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)的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災害，約占石灰巖分布面積的4.5%。中等危險區主要位于長江及其支流兩岸一級階地展布區。第Ⅲ類巖溶地質結構為發生巖溶地質災害低風險區，石灰巖地層上方直接覆蓋老黏土層基本不發生巖溶塌陷，約占石灰巖分布面積的88.8%。

根據武漢地區石灰巖巖條帶分布、巖溶地質結構類型和巖溶發育規律，結合武漢歷史上發生的巖溶塌陷案例，將武漢地區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。

4　武漢地鐵6號線巖溶發育特征

武漢地鐵6號線一期前進村站～紅建路站～馬鸚路站區段一站兩區間沿鸚鵡大道敷設，車站采用明挖法施工，區間采用盾構法施工，總長約 2 220.2 m。粉細砂、中細砂層直接覆蓋在石灰巖之上，為Ⅰ類巖溶地質。

區段巖溶段長約2 010 m，布設鉆孔277個，共揭示溶洞247個，物探共發現異常191處。鉆孔遇洞率為58.5%。溶洞大小以 3 m以下為主，其中洞高介于 0.2 m～1 m的共128個，占52%；洞高 1.0 m～2 m的共66個，占27%；洞高 2.0 m～3 m的共24個，占9%；其余大于 3 m的共29個，占12%，如圖1所示。

圖1　溶洞規模(垂直高度)統計

鉆孔揭示未充填的共103個，占42%；半充填的共67個，占28%(黏性土夾雜少量碎石)；全充填共74個，占30%(黏土，含少量碎石)，如圖2所示。

圖2　溶洞充填情況統計

根據6號線巖溶專項勘察報告及以上統計分析得出如下結論，此區段以小規模溶洞為主，大規模的溶洞較少；淺層巖溶在基巖面以下 2 m～8 m范圍發育較強，在 10 m～15 m以下發育逐漸減弱；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。

5　地鐵6號線工程中防止巖溶塌陷的措施

軌道交通是百年工程，設計既要考慮施工時巖溶塌陷風險也要考慮運營過程中的巖溶塌陷風險。根據地鐵工程建設中車站、區間所處的巖溶地質結構類型及巖溶塌陷災害的產生機理采取不同的處理措施。

處于巖溶高風險區的地鐵6號線前進村站～紅建路站～馬鸚路站區間是長江一級階地Ⅰ類地質結構類型的典型代表；覆蓋層為二元結構沖積層且沖積層下部飽和砂層直接蓋在石灰巖之上，易發生巖溶塌陷。

5.1　紅建路站巖溶處理措施

地鐵6號線紅建路站位于鸚鵡大道下，處于紅建路與鸚鵡大道交叉口，沿鸚鵡大道南北向布置。車站結構型式為雙層兩跨鋼筋混凝土矩形框架結構，車站長 228 m，寬 21.1 m，高 14.94 m；基坑深度為 18.3 m～19.5 m，主體圍護結構采用地下連續墻，車站所處位置巖溶分布情況如圖3、圖4所示。

圖3紅建路站溶洞、異常平面分布圖

圖4　紅建路站溶洞、異常剖面圖

(1)巖溶處理思路

車站施工期間要避免連續墻成槽及臨時立柱樁成孔時出現的巖溶塌陷，通過對連續墻成槽位置及臨時立柱樁樁位下的巖層裂隙及溶洞進行注漿處理。后期運營期間，考慮到列車行駛中的振動，受周邊環境的變化及地下水活動的影響，可能出現砂層的漏失出現坍塌而影響地鐵運營，考慮利用地下連續墻入巖形成的閉合體系，加大連續墻自身剛度與車站主體結構支撐連接在車站底板下設置牛腿與連續墻連接，臨時立柱入巖并作為永久支撐結構等一系列措施?；拥撞捎眯龂姌陡駯攀匠闂l加固，從車站底板至巖面，格柵式加固體也可提供豎向支撐。保護措施把車站結構都與基巖面有了直接連接支撐，即便后期砂層出現漏失現象，依靠連續墻、臨時立柱、格柵加固體也能把整個車站支撐起來確保安全。

(2)巖溶處理方法

①對連續墻范圍內溶洞的處理。

先對連續墻位置下的灰巖層 15 m進行注漿帷幕，注漿孔間距 2 m，形成有效的隔水、隔砂層，盡量阻斷或降低車站范圍內外巖層的水力聯系，使連續墻內結構及地層形成封閉體系。灌漿自下而上分段灌漿，鉆孔一次性成孔到設計深度，提鉆清孔，下入注漿導管至孔底或溶洞底板下部 1.0 m處，采用水泥砂漿封閉孔口，封閉深度進入原生黏土層 0.5 m以上，待水泥砂漿凝固后，接通注漿管至注漿機，在 0.3 MPa～0.5 MPa壓力下自下而上進行注漿。車站圍護結構連續墻落底進入巖層。

②對車站臨時立柱樁及中間立柱樁的處理。

車站臨時立柱樁及中間立柱樁樁位處施做超前鉆，每樁一孔，深度至基巖面以下 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。對于小型溶洞、溶隙，在滿足施工要求的前提下，也可以通過適當調整樁位避開溶洞范圍，保證樁體受力安全。車站底板下設置牛腿與圍護結構連接，由牛腿、臨時立柱樁共同承擔車站及上部荷載，如圖5所示。

圖5　車站溶洞注漿處理圖

③對于車站范圍內基底進行格構式抽條加固。

對車站基底旋噴格構式土墩柱，把基底分割為多塊區域，以減少基底砂土層水的流動，從而阻止砂層的流失提高基底強度，降低巖溶塌陷的風險。最后對車站基坑范圍內已探明溶洞進行注漿處理，異常點驗證后處理，如圖6所示。

圖6　車站基底格構式抽條旋噴加固圖

④巖溶水的處理。

車站基坑開挖前嚴禁降巖溶水，只降砂層中的承壓水，保證地下水位在基坑下 1 m～2 m即可，同時降水時必須防止出現砂層向巖層的豎向流動，避免砂層進入巖容裂隙中，發生砂層的漏失引起塌陷。施工過程中，對巖溶水位變化以及承壓水位進行嚴密觀測，指導施工安全進行。

5.2　紅建路站～馬鸚路站區間巖溶處理措施

6號線紅建路站～馬鸚路站區間位于鸚鵡大道下，長度 1 309 m，覆土 9 m～17.5 m，采用盾構法施工。區間處于Ⅰ類地質結構類型巖溶區，此區域巖溶較發育在歷史上多次發生巖溶地面塌陷，地鐵工程施工及運營風險很大。區間所處位置巖溶分布情況如圖7、圖8所示。

圖7　紅建路站～馬鸚路站區間溶洞、異常平面分布圖

圖8　紅建路站～馬鸚路站區間溶洞、異常剖面圖

(1)巖溶處理思路

砂層在重力、地下水活動作用下產生漏失和真空吸蝕后，極易塌陷多形成圓錐形塌陷坑，影響范圍很廣，覆蓋層中構筑物和地表建筑物一起塌陷，處于覆蓋層中的隧道便是“被塌陷”對象。塌陷除直接破壞隧道結構外，還可能造成隧道偏壓影響隧道的穩定和安全。

圖9　隧道埋深與塌陷漏斗關系圖

根據武漢地區塌陷資料及地質專家的研究成果，巖溶塌陷角φ約為40°。根據圖9分析隧道到塌陷漏斗中心的距離b與隧道到基巖面的距離h2有關：b=h2·ctgφ；只要隧道與巖溶塌陷漏斗有一定距離就可避免破壞。因此通過處理措施保證隧道與塌陷漏斗之間的距離大于b即可保證隧道的安全。巖溶處理主要思路：首先隧道線路盡量把隧道高度下壓，降低隧道與基巖面的距離，然后對左、右線隧道兩側一定范圍內的石灰巖進行注漿處理，在兩側形成一道注漿帷幕以減少帷幕兩側巖溶裂隙及地下水的連通性，帷幕深度為巖面以下 15 m，根據前文武漢地區淺層巖溶發育范圍基本在巖面以下 15 m；最后對兩側帷幕之間的溶洞進行注漿處理，確保兩側帷幕之間不會發生巖溶塌陷。

(2)巖溶處理方法

①巖面以下處理措施。

隧道兩側輪廓線外大于B米處布置一排帷幕注漿孔對基巖面以下 15 m進行注漿，注漿孔間距 2 m。注漿帷幕之間根據巖溶專項勘察資料有針對性地對溶洞和物探異常進行注漿處理，如圖10所示。

圖10　溶洞注漿與帷幕注漿處理圖

②巖面以上處理措施。

當隧道覆土淺與基巖面距離大時，計算出注漿帷幕與隧道距離B較大時注漿孔因地面交通條件或建構筑物限制等因素無法實施，可考慮縮短B距離進行帷幕注漿，在土層部分采取隔斷的措施減少塌陷漏斗對區間隧道的影響，如圖11所示。

圖11　溶洞注漿與土層隔斷處理圖

砂層中采用一排Φ800@1000灌注樁+Φ800旋噴樁咬合，灌注樁入巖不小于 0.5 m。

6　結論與探討

(1)武漢地鐵6號線巖溶區段巖溶基巖面以下 2 m～8 m范圍發育較強，10 m～15 m以下發育逐漸減弱，全充填溶洞占約30%，半充填溶洞約28%，未充填溶洞約42%；溶洞距離土巖分界面越近溶洞的填充率越高，充填物與覆蓋層土層性質相近。

(2)防止巖溶塌陷的處理措施既要考慮施工期間也要考慮運營期間的安全。Ⅰ類地質結構類型首先考慮車站區間盡量靠近基巖面，巖溶處理措施必須考慮車站區間兩側巖面下 15 m的帷幕注漿，圍護結構須入巖，區間根據地面情況可考慮土層中隔斷樁的設置；注漿帷幕之間溶洞進行注漿充填處理，物探異常驗證后注漿處理。

(3)根據武漢地區巖溶塌陷資料Ⅰ型地質結構類型塌陷坑一般成片、成群出現，還要進一步研究此類地質結構中承壓水和巖溶水的流動規律評估塌陷點引起的塌陷區半徑，以此為依據擴大地鐵影響控制紅線，控制該范圍內的各類工程項目，尤其是影響范圍內有深層降水及入巖樁基的工程。建議有關職能部門能出臺相關管理辦法以保證地鐵長期運營安全。地鐵運營期間，應建立長期的觀測體系對周邊水位及地鐵結構沉降、變形進行監測，建立預警系統等都是需要進一步研究的內容。