長沙地鐵四號線大學城區(qū)域巖溶發(fā)育特征及其對盾構(gòu)施工的影響

賀湘東，張可能，穆巖松，吳昊，廖陽

(1.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室(中南大學)，湖南 長沙 410083；3.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 引 言

長沙地鐵4號線溁灣鎮(zhèn)站～阜埠河路站區(qū)段穿越岳麓山大學城，該區(qū)段下伏石灰?guī)r地層中，巖溶、破碎帶較發(fā)育，多分布在地鐵結(jié)構(gòu)線影響范圍，不良地質(zhì)條件可能造成地面塌陷、隧道塌陷和突水、突泥、盾構(gòu)機陷落等工程事故，將嚴重影響地鐵建設安全[1，2]，尤其是對大學城的影響必須得到足夠的重視。因此，對該區(qū)段巖溶發(fā)育特征及其對地鐵施工的影響進行研究，對保證地鐵安全施工，盡量避免大學城校園建筑受到影響有重要意義。

在巖溶特征的研究中，羅小杰、楊秀竹[3，4]運用綜合分析和數(shù)學統(tǒng)計的方法，分別對武漢地區(qū)、廣州軌道及交通沿線巖溶的發(fā)育特征進行了較為深入地研究；簡文星[5]主要從巖溶形態(tài)入手，對平寨壩址左岸巖溶的分布規(guī)律進行了研究；金新鋒[6]依據(jù)表層巖溶帶的形成條件和影響因素對表層巖溶帶進行類型劃分。本文在前人的研究基礎上，通過對長沙地鐵四號線溁灣鎮(zhèn)站至阜埠河路站區(qū)間即大學城范圍內(nèi)的地形地貌、區(qū)域氣象、水系與巖溶水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、可溶巖分布的分析，研究區(qū)域內(nèi)的巖溶發(fā)育特征，并對湖大研究生樓和軟件學院樓的巖溶發(fā)育進行定性的預測，最后根據(jù)結(jié)論分析了巖溶發(fā)育對地鐵盾構(gòu)施工的影響，為地鐵四號線在大學城區(qū)域的施工提供理論支持，并為類似地質(zhì)條件下的地鐵工程提供借鑒與參考。

2 地質(zhì)概況

2.1 可溶巖分布特征

本區(qū)間場地巖溶主要發(fā)育在石炭系中上統(tǒng)壺天群灰?guī)r層(C)及三疊系上統(tǒng)安源組泥灰?guī)r層(T)中，溶洞為半充填或全充填，全充填物質(zhì)主要為礫石及黏性土。

壺天群的上段以淺灰色石灰?guī)r為主，夾少量白云質(zhì)灰?guī)r，厚層狀、塊狀構(gòu)造，質(zhì)較純，在頂部有時夾硅質(zhì)條帶或燧石結(jié)核，偶見珊瑚和細小的蜓科化石。

中段以灰白色白云巖為主，夾白云質(zhì)灰?guī)r，巨厚層狀、塊狀構(gòu)造或角礫狀構(gòu)造(夾礫狀灰?guī)r)，地貌一般呈渾圓狀小山丘，不生植被。風化后表面常呈疏松的粉砂狀和皺紋狀。

下段以灰色石灰?guī)r為主，夾白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r，厚層狀、塊狀構(gòu)造，底部常見燧石結(jié)核和角礫狀灰?guī)r，角礫成分為石灰?guī)r，礫徑大小不一，一般 5 cm～30 cm，鐵質(zhì)、鈣泥質(zhì)膠結(jié)，呈肉紅色、灰色，底部常見溶洞，有時見古溶洞沉積物。

2.2 巖溶水文地質(zhì)

本區(qū)裂隙巖溶水含水層主要被砂巖以及黏性土所覆蓋，巖土層分布不均勻，起伏較大，部分區(qū)域大氣降水能直接補給，但主要通過地表水或其他含水層補給。

裂隙巖溶水的地表補給主要接受大氣降水、地下管線滲漏補給，亦和周邊地表水體呈互補關系；湘江在本區(qū)東部，枯水期時，地下水由兩側(cè)向湘江徑流，以側(cè)向滲流運動方式向河流排泄；汛期時，河流水位急劇抬升，河水向兩側(cè)補給地下水；在有巖溶通道或斷裂、裂隙相溝通時可能得到其他含水層的補給。

本區(qū)裂隙巖溶水的徑流特征與巖溶發(fā)育程度密切相關。在巖溶發(fā)育程度高、溶洞充填率低的地段，裂隙巖溶水交替循環(huán)快，呈管狀紊流；相反，徑流緩慢。本區(qū)裂隙巖溶水除被水井開發(fā)利用外，排泄方式主要是枯水季節(jié)排入湘江。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)屬地層年代相對較老的褶皺丘陵，斷裂構(gòu)造以北東向較發(fā)育，其次為北西向和東西向，再次為北北東向和南北向。根據(jù)圖1所示，葫蘆坡-金盆嶺-炮臺子斷裂(F101)、施家沖-新開鋪磊石斷裂(F106)、張家咀-溁灣鎮(zhèn)-新塘灣斷裂(F85)和二里半斷裂(F35)四條發(fā)育于擬建4號線區(qū)域內(nèi)，除F106外，其余均可能與本標段線路交匯。

圖1 區(qū)域地質(zhì)圖

(1)褶皺

岳麓山向斜為一近橢圓形向斜，軸線方向N35°E，長約 3 km，向斜東南翼被二里半壓性斷裂截切，軸部由石炭系地層組成，翼部有泥盆系地層組成。翼部巖層傾角15°～30°左右，為一殘缺不全的寬展性向斜。本區(qū)間位于岳麓山向斜東翼。

(2)構(gòu)造

二里半斷裂(F35)整體上呈北東-南西延伸，傾向南東，由二里半主斷裂及東側(cè)愛晚亭伴生斷裂組成，愛晚亭斷裂與主斷裂以小角度斜交于湖南大學站附近后合并。該斷裂將岳麓山向斜破壞，北西盤地層主要為石炭系至泥盆系上統(tǒng)石英砂巖、粉砂巖和泥巖，主斷裂與伴生斷裂之間為三疊系上統(tǒng)安源組石英砂巖、泥巖，愛晚亭斷裂以東主要為泥盆系上統(tǒng)余田橋組粉砂質(zhì)黏土巖、石英砂巖夾泥灰?guī)r。地鐵線路于里程樁號ZCK 28+700～28+789、YCK 28+700～28+779處即湖南師范大學站南段附近斜穿該斷裂破碎帶。

3 巖溶發(fā)育特征分析

3.1 巖溶發(fā)育的控制因素分析

巖溶的發(fā)生、發(fā)展必須具備一定的條件，其中主要是巖石的可溶性、裂隙性、水的侵蝕性及流通條件[6]。這些巖溶發(fā)育的控制條件往往對巖溶發(fā)育特征有著直接的影響。

(1)巖石可溶性分析

由于巖石成分、成層條件和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等直接影響巖溶的發(fā)育程度和速度。一般質(zhì)純層厚的巖層，巖溶發(fā)育強烈，且形態(tài)齊全、規(guī)模較大；含泥質(zhì)或其他雜質(zhì)的巖層，巖溶發(fā)育相對較弱。結(jié)晶顆粒粗大的巖石巖溶較為發(fā)育，結(jié)晶顆粒細小的巖石，巖溶發(fā)育相對較弱。

根據(jù)以上分析，可將本區(qū)灰?guī)r可溶性相應地劃分為二類：石炭系中上統(tǒng)中風化灰?guī)r可溶性強；三疊系上統(tǒng)安源組強風化泥灰?guī)r可溶性中等。

(2)地下水分析

勘察區(qū)內(nèi)地下水對巖溶發(fā)育的控制因素主要表現(xiàn)在化學侵蝕及機械侵蝕兩方面。

可溶巖被溶解，是由于溶液—水對它具有溶解(溶蝕)的能力。水的溶蝕能力來源于二氧化碳(CO2)與水結(jié)合形成的碳酸氫根(HCO-)，侵蝕性二氧化碳的含量決定了地下水溶蝕能力。據(jù)本區(qū)水質(zhì)分析成果，區(qū)內(nèi)灰?guī)r中地下水的侵蝕性CO2含量 10.25 mg/L，地下水具較強的溶蝕能力。其長期作用的結(jié)果，是使地下巖溶裂隙、溶洞的發(fā)育形成。

(3)構(gòu)造分析

溶洞往往發(fā)育在受構(gòu)造影響強烈的灰?guī)r破碎地段[7]。斷層是巖體順破裂面有明顯位移的產(chǎn)物，在發(fā)育過程中會嚴重影響破裂面兩側(cè)巖體的完整性，產(chǎn)生大量裂隙，造成巖體嚴重破碎，為水流的良好通道。因此，沿斷裂帶是巖溶顯著發(fā)育地段。四號線地鐵線路于里程樁號ZCK 28+700～28+789、YCK 28+700～28+779處即湖南師范大學南段站附近斜穿該斷裂破碎帶，已有巖溶勘察資料顯示，線路與斷層交匯區(qū)域巖溶顯著發(fā)育，且?guī)r溶發(fā)育溶洞在平面上平行斷層面方向發(fā)育。

3.2 主要巖溶類型和發(fā)育程度

(1)巖溶主要類型

進入暖箱的新生兒需要全程監(jiān)護，醫(yī)護人員會定時查體、喂奶、換尿布、觀察寶寶的皮膚顏色、原始反射和生命體征等，及時調(diào)節(jié)暖箱的溫度和濕度，避免暖箱溫度失控，影響寶寶的身體健康。

溶洞是場地區(qū)最主要且最重要的溶蝕現(xiàn)象。場地區(qū)勘探鉆孔共揭露溶洞87個，溶洞高度一般 1.3 m～10.0 m，溶洞頂、底板多見蜂窩狀、針狀溶孔。場地灰?guī)r鉆孔數(shù)量、揭露溶洞數(shù)量、鉆孔遇洞率、線巖溶率統(tǒng)計成果如表1所示。

鉆孔遇洞率、線巖溶率統(tǒng)計表 表1

(2)巖溶發(fā)育程度分析

根據(jù)鉆探成果，分析工程區(qū)場地內(nèi)各巖層的巖溶發(fā)育程度。

鉆孔遇洞率42.9%，線巖溶率為10.5%～22.4%。場地內(nèi)發(fā)育覆蓋型巖溶，地表未發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷、漏斗、洼地等。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)，本場地為巖溶強發(fā)育場地。

場地內(nèi)巖溶沿斷層、層面等有顯著溶蝕，發(fā)育小型單個或串珠狀溶洞，但未見連續(xù)的地下洞穴系統(tǒng)，少見集中徑流，常有裂隙水流，根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307-2012)對巖溶發(fā)育強度分級的相關規(guī)定，判定本場地巖溶強發(fā)育。

綜合判定本次巖溶勘察區(qū)內(nèi)巖溶強發(fā)育。

3.3 溶洞發(fā)育規(guī)模

由圖2可知，鉆孔揭示的87個溶洞中，有將近80%的溶洞鉆孔揭露高度為 4 m～7 m，溶洞平均鉆孔揭露高度為 4.57 m，最大為 9.8 m。

圖2 鉆孔揭露溶洞鉛直高度統(tǒng)計

總的來看，溶洞規(guī)模比較大，多見較大溶洞或以溶隙型溶洞為主。

3.4 溶洞空間特征分析

溁灣鎮(zhèn)站至湖南師范大學站區(qū)間以及湖大校園區(qū)域鉆孔揭露的75個溶洞底板在高程上的分布統(tǒng)計如圖3、圖4所示。

圖3 溁湖區(qū)間溶洞底板高程分布圖

圖4 湖大校園區(qū)域溶洞底板高程分布圖

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，鉆孔所揭露的溶洞中，溁灣鎮(zhèn)站到湖南師范大學站區(qū)間內(nèi)近三分之二的溶洞底板標高在 27 m～33 m，近85%的溶洞底板標高在 27 m以上；而在湖南大學校園區(qū)域的巖溶補勘資料中顯示，83%巖溶底板高程分布在 20 m～24 m，呈現(xiàn)了巖溶水平發(fā)育的特征。

4 校園區(qū)域巖溶發(fā)育預測

四號線湖南大學站至阜埠河站區(qū)間下穿湖大校園區(qū)域，因為高校建筑的特殊性及敏感性，無法在建筑物中利用常規(guī)鉆孔對巖溶發(fā)育進行勘察，且場地條件限制了大部分物探方法的實施，經(jīng)前人實踐證明，運用巖溶地貌學、地質(zhì)學理論對巖溶洞穴進行定性預測，是一種行之有效的方法[8]。本文根據(jù)區(qū)域巖溶的發(fā)育規(guī)律及控制條件，對湖大研究生樓及軟件學院樓的巖溶發(fā)育進行初步預測。

圖5 鉆孔平面布置圖

圖6 軟件學院地質(zhì)剖面圖

湖大研究生樓位于一條不整合接觸帶上，該接觸帶揭露里程為YCK29+930，南北面相鄰巖性分別為泥盆系砂巖(D)和三疊系泥灰?guī)r(T)，受二里半斷裂(F35)或其低序次的斷層影響，不整合接觸帶附近的巖石強度變化大，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體極破碎，鑒于不整合接觸帶為一側(cè)為中風化砂巖<8D-3>，勘察時場地內(nèi)進行的鉆孔水文地質(zhì)抽水試驗結(jié)果表明該巖層滲透系數(shù)為 0.10 m/d，屬弱透水層，結(jié)合地下水方向分析，會有大量的地下水匯集在不整合接觸帶附近，有利于接觸帶另一側(cè)的中風化泥灰?guī)r的巖溶發(fā)育，即研究生樓下接觸帶北側(cè)可能會有較強的巖溶發(fā)育。

如圖5、圖6所示，軟件學院樓旁已有鉆孔M4Z3-HF-046、048、050揭示了巖溶的存在，根據(jù)地下水由高勢的岳麓山至低勢的湘江的總體走向，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)圖，判斷地下水的總體方向是由三疊系泥灰?guī)r區(qū)域流向泥盆系砂巖區(qū)域。而揭露巖溶的鉆孔連線對應了該地下水走向，有必要考慮其中揭示的3個溶洞的連通性。巖溶底板揭露高程分別為 22.03 m，22.14 m，16 m，根據(jù)前文湖大校園區(qū)域的巖溶發(fā)育規(guī)模、水平發(fā)育特征及溶洞底板高程分布的分析，初步預測軟件學院樓下于四號線左線東側(cè)會有巖溶發(fā)育，巖溶發(fā)育規(guī)模小于1倍洞徑，位于隧道(高程 15 m～21 m)洞身范圍內(nèi)及以上，因此在隧道施工前，需對軟件樓及研究生樓的巖溶做好充分的探測及預加固措施。

5 巖溶發(fā)育對地鐵隧道盾構(gòu)施工的影響

5.1 巖溶地基穩(wěn)定問題

完整的碳酸鹽巖巖體強度高，是良好的天然地基。但對于巖溶發(fā)育的巖體，當溶洞位于地鐵隧道底板以下、規(guī)模較大且溶洞頂板與地鐵隧洞底板間巖體有效厚度較小時，可能導致溶洞頂板坍塌。本區(qū)有35%的溶洞位于隧道底板以下。其中，位于地鐵隧道底板以下 6 m范圍內(nèi)分布的溶洞有21個，溶洞高度一般為 1 m～8.9 m，達到1倍洞徑左右的發(fā)育程度，可能造成盾構(gòu)機塌陷、偏移等，存在地基穩(wěn)定問題。

5.2 突水涌泥問題

根據(jù)統(tǒng)計，地鐵隧道洞身范圍內(nèi)的溶洞有39個，占45%，溶洞高度 1.3 m～9.8 m，且在二里半斷裂帶與本線路交匯處，巖溶強烈發(fā)育，裂隙水豐富，在隧道施工過程中，當溶洞位于隧道頂板以上及洞身部位時，由于溶洞、溶隙中富含巖溶水或充填有軟塑狀黏性土，地鐵施工中溶洞地下水可能涌入或擊穿洞壁，產(chǎn)生突水、涌泥問題。本區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，當隧道從巖層中通過時，由于盾構(gòu)機本身的密封性較好，突水涌泥問題可能不大；但可能會影響盾構(gòu)施工開挖面的壓力平衡，進而影響盾構(gòu)機的正常掘進以及開倉換刀作業(yè)。

5.3 地面建筑物變形問題

四號線巖溶發(fā)育是影響地面建筑物穩(wěn)定性的主要因素之一，主要表現(xiàn)在：①巖溶破壞了巖體的完整性，巖體成為不連續(xù)、非均質(zhì)的各向異性體，在隧道施工及上部建筑荷載作用下，局部將出現(xiàn)應力集中或破壞；②巖體中巖溶及各種結(jié)構(gòu)面的發(fā)育大大降低了巖體的力學強度和承載力；③巖溶發(fā)育不均一，使建筑物下的巖層巖體力學性質(zhì)產(chǎn)生比較大的差異[5]。

根據(jù)前文對軟件學院樓及研究生樓的初步預測，巖溶發(fā)育主要位于隧道洞身范圍內(nèi)及以上，可能會對隧道施工造成影響，而隧道施工也可能會對有巖溶存在的建筑物地基造成影響，考慮到校園建筑物的特殊性、敏感性以及巖溶的發(fā)育程度，地面建筑物特別是湖大軟件學院樓下的巖溶探測、巖溶處治、不均勻沉降問題將會是地鐵施工所面臨的主要的挑戰(zhàn)之一。

5.4 不均勻地層問題

區(qū)間隧道底板埋深16 m～27 m。隧道主要涉及各類土層以及灰?guī)r。由于區(qū)間灰?guī)r巖面起伏較大，區(qū)間段隧道地基巖土工程特性在橫縱方向上差異較大，且區(qū)域內(nèi)巖溶鉛錘高度主要在1倍洞徑及以上，溶洞內(nèi)充填物質(zhì)或無充填物都與圍巖性質(zhì)有很大的差異，因此存在地層不均勻性問題。

6 結(jié) 論

(1)本文對區(qū)域地形地貌、區(qū)域氣象、水系與巖溶水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、可溶巖分布進行了分析，得到巖溶發(fā)育的以下特征：①石炭系中上統(tǒng)中風化灰?guī)r可溶性強，巖溶更發(fā)育；②線路與二里半斷裂交匯區(qū)域巖溶顯著發(fā)育，且?guī)r溶發(fā)育溶洞在平面上平行斷層面方向發(fā)育；③區(qū)內(nèi)巖溶強發(fā)育，80%溶洞鉛錘高度為 4 m～7 m，為1倍隧道洞徑左右碳酸鹽巖勘察深度范圍內(nèi)巖溶發(fā)育相對較強，屬淺部巖溶帶。④在湖大校園區(qū)域及溁灣鎮(zhèn)站至湖南師大站區(qū)間，巖溶在高程上呈水平發(fā)育規(guī)律。

(2)根據(jù)區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育特征可以初步推測：①研究生樓下接觸帶泥灰?guī)r一側(cè)會有較強的巖溶發(fā)育；②預測軟件學院樓下于四號線左線東側(cè)會有巖溶發(fā)育，巖溶發(fā)育規(guī)模小于1倍洞徑，位于隧道(高程 15 m～21 m)洞身范圍內(nèi)及以上。

(3)巖溶對四號線地鐵隧道盾構(gòu)施工的影響主要體現(xiàn)在：①部分巖溶分布在隧道底板以下 6 m以內(nèi)，存在地基穩(wěn)定問題；②部分巖溶位于隧道頂板以上及洞身部位，可能會影響盾構(gòu)施工開挖面的壓力平衡，進而影響盾構(gòu)機的正常掘進以及開倉換刀作業(yè)；③地面建筑物特別是湖大軟件學院樓的不均勻沉降、巖溶處治、不均勻沉降問題將會是地鐵施工所面臨的主要的挑戰(zhàn)之一；④區(qū)間灰?guī)r巖面起伏較大，區(qū)間段隧道地基巖土工程特性在橫縱方向上差異較大，且由于區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育，存在地層不均勻性問題。

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