長(zhǎng)沙河西城區(qū)巖溶發(fā)育特征分析及地鐵工程應(yīng)對(duì)措施

慎 丹 馬鵬遠(yuǎn) 豐 帆

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

0 引言

長(zhǎng)沙軌道交通線網(wǎng)遠(yuǎn)景規(guī)劃總計(jì)12條線，里程總計(jì)456 km，湘江以西的城區(qū)(簡(jiǎn)稱：河西城區(qū))覆蓋8條線路。河西城區(qū)已(在)建的2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)及6號(hào)線都不同程度的揭露溶洞。在巖溶發(fā)育區(qū)施工盾構(gòu)隧道容易造成地層坍塌、突水、突泥及盾構(gòu)陷落等事故。河西城區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，具有較典型的區(qū)域特征，結(jié)合地鐵工程勘察及地質(zhì)調(diào)查資料[1-8]，分析歸納該局部地區(qū)的巖溶發(fā)育特征，總結(jié)巖溶處理措施。

1 河西城區(qū)地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

長(zhǎng)沙市位于湘江下游，處于湘中丘陵與洞庭湖沖積平原過(guò)渡地帶和湘瀏盆地，河西城區(qū)西面為較高的山地，向東延伸至湘江。地勢(shì)呈西南高、東北低展現(xiàn)，地表水系發(fā)育。

湘江西岸及岳麓山以南的大面積范圍屬于湘江沖積階地及河漫灘，這是河西城區(qū)極具代表性的地貌單元之一，在建的地鐵3號(hào)線、4號(hào)線河西段均位于該地貌單位內(nèi)，屬于湘江Ⅰ級(jí)～Ⅲ級(jí)階地及河漫灘，水塘星羅棋布。

1.2 地層巖性

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及部分勘察資料顯示，該場(chǎng)地內(nèi)多為第四系覆蓋層及下伏基巖組成。

下伏基巖發(fā)育齊全，包括元古界板溪群、冷家溪群板巖、泥盆系、石炭系、白堊系等。

河西城區(qū)內(nèi)的地鐵勘察鉆孔揭露巖層的情況與巖石出露規(guī)律一致。

2號(hào)線、6號(hào)線及4號(hào)線北段勘察資料顯示，桃花嶺—岳麓山以北巖層主要為板溪群和冷家溪群板巖，地質(zhì)條件較好。3號(hào)線沿江段勘察資料顯示，后湖以南基巖主要為泥盆系棋子橋組(Dq)、跳馬澗組(Dt)，局部為白堊系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖。泥盆系棋子橋組巖性為灰?guī)r、砂巖組成，跳馬澗組為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r、碎裂巖等。

1.3 水文地質(zhì)條件

長(zhǎng)沙地區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖潮濕、雨量充沛、嚴(yán)寒期短。年平均降水量為1 358.6 mm～1 552.5 mm(1965年—2005年)。湘江縱貫長(zhǎng)沙南北，河西城區(qū)水系較為發(fā)育，龍王港、靳江河、雅河等均為湘江支流，還分布多處水塘湖泊，如梅溪湖、咸嘉湖、桃子湖、后湖、洋湖濕地公園等。

該區(qū)內(nèi)地下水按賦存方式主要分為上層滯水、第四系孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖類(lèi)裂隙溶洞水。

沿江帶地下水位變化主要受氣候及湘江水域的控制，地下水動(dòng)態(tài)變化較大，穩(wěn)定水位埋深約0 m～16.5 m。

碳酸鹽類(lèi)巖溶裂隙水：根據(jù)3號(hào)線和4號(hào)線地勘揭露的情況，巖溶裂隙水主要賦存在石炭系和泥盆系泥灰?guī)r中，其水量主要與溶洞、溶隙大小及連通性有關(guān)。巖溶水與上部潛水及河流湖泊有密切的水力聯(lián)系。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶區(qū)域分布特征

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，巖溶區(qū)沿湘江西岸階地分布，主要集中在望月湖片區(qū)、桃子湖片區(qū)、后湖片區(qū)。

1)望月湖片區(qū)：咸嘉湖路到橘子洲大橋一帶，包括望月湖站—溁灣鎮(zhèn)站地鐵線路。巖溶發(fā)育于泥盆系(D)白云質(zhì)灰?guī)r，區(qū)內(nèi)分布咸嘉湖和梅溪河等水域。鉆孔見(jiàn)洞率40%～61.8%。

2)桃子湖片區(qū)：師大生命科學(xué)學(xué)院到象鼻咀西北側(cè)一帶，包括溁灣鎮(zhèn)站—阜埠河站地鐵線路。巖溶發(fā)育于石炭系壺天群灰?guī)r(C)，區(qū)內(nèi)緊鄰桃子湖。鉆孔見(jiàn)洞率22%～54.5%，其中湖大站揭露巖層全部為灰?guī)r。

3)后湖片區(qū)：后湖到靳江路一帶，包括陽(yáng)光站—阜埠河站地鐵線路。巖溶發(fā)育于泥盆系棋子橋組(Dt)灰?guī)r，區(qū)內(nèi)分布后湖和景觀河等水域。鉆孔見(jiàn)洞率62%～81%。

2.2 巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

河西城區(qū)地鐵勘察揭露的巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型見(jiàn)表1。

表1 巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型

a型和b型溶洞由于上覆砂卵礫石等強(qiáng)透水層，地下水與巖溶水聯(lián)系密切，洞體穩(wěn)定性差，溶腔內(nèi)通常為全(半)填充，盾構(gòu)穿越時(shí)容易引起坍塌，地鐵運(yùn)營(yíng)期間地下水的侵蝕容易造成溶洞進(jìn)一步發(fā)育，危害性較大。c型溶洞由于隔水地層的影響，地下水與巖溶水幾乎不存在水力聯(lián)系，溶腔內(nèi)通常為無(wú)填充，洞體穩(wěn)定性好，地鐵運(yùn)營(yíng)期間溶洞進(jìn)一步發(fā)育的速度極慢，危害性較小。

2.3 巖溶充填特征

根據(jù)溶洞洞內(nèi)填充物的多少，將溶洞劃分為無(wú)填充、半填充和全填充3種類(lèi)型。河西巖溶地區(qū)溶洞填充情況統(tǒng)計(jì)表明，無(wú)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(wú)填充溶洞埋深最大，說(shuō)明溶洞填充為自上而下，填充物主要來(lái)源于上覆土層，驗(yàn)證了溶洞的垂直發(fā)育規(guī)律。

2.4 巖溶豎向發(fā)育特征

望月湖片區(qū)、桃子湖片區(qū)、后湖片區(qū)共902個(gè)地質(zhì)鉆孔，其中140個(gè)鉆孔勘探到溶洞，共探到溶洞276個(gè)。溶洞豎向發(fā)育高度特征如圖1所示。

望月湖片區(qū)溶洞洞高小于1 m的占27%，洞高在1 m～2 m范圍的占31%，洞高超過(guò)2 m的溶洞所占比例迅速下降，洞高大于6 m的占13%。

桃子湖片區(qū)溶洞高度在5 m以內(nèi)均有可觀分布，其中1 m～2 m范圍分布最多達(dá)到31%，小于1 m,2 m～3 m,3 m～4 m,4 m～5 m范圍所占比例均大于10%，洞高大于6 m的占12%。

后湖片區(qū)溶洞高度主要集中在小于2 m范圍內(nèi)，其中小于1 m范圍內(nèi)數(shù)量最大占48%，洞高大于6 m的占13%。

總體來(lái)看長(zhǎng)沙河西地區(qū)溶洞發(fā)育洞高小于2 m的溶洞所占比例最大，達(dá)到58%，同時(shí)也探得部分大溶洞，最大溶洞高達(dá)21 m。

3 地鐵工程應(yīng)對(duì)措施

1)采用“加密鉆探找洞為主，多種物探技術(shù)為輔，物探先行，鉆探驗(yàn)證，綜合探測(cè)分析”的原則進(jìn)行。

2)巖溶發(fā)育區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)按照復(fù)雜場(chǎng)地考慮，根據(jù)規(guī)范要求勘探布孔間距10 m～30 m，巖溶段鉆孔應(yīng)適當(dāng)加密。專項(xiàng)勘查的目的是探到溶洞邊界，鉆孔應(yīng)沿隧道中心線布置，其后圍繞已探明有溶洞的鉆孔為中心向外加密補(bǔ)勘，尋找到所揭露溶洞的邊界，確定巖溶發(fā)育范圍，加密鉆孔孔距3 m×3 m，探至不見(jiàn)洞時(shí)立即停鉆。

3)巖溶發(fā)育區(qū)處理范圍：對(duì)盾構(gòu)隧道洞身、隧道上方范圍，以及隧道側(cè)壁以外3 m及隧道底板以下8 m范圍內(nèi)，所有鉆孔所揭露到的溶洞均需進(jìn)行加固處理。對(duì)于位于隧道下方的串珠狀溶洞，當(dāng)溶洞之間的豎向巖層厚度小于1 m時(shí)，緊鄰的下層溶洞即使所處位置已超出底板以下8 m范圍也應(yīng)進(jìn)行加固處理。對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)實(shí)施加固處理的范圍如圖2所示。

4)加固方案根據(jù)溶洞的填充類(lèi)型、填充物的特性、溶洞規(guī)模等不同狀況，采用不同措施。對(duì)于高度大于3 m的半充填、無(wú)充填溶洞，宜按以下要求實(shí)施：

a.首先高壓灌注低標(biāo)號(hào)混凝土，然后實(shí)施高壓脈沖注漿加固裂隙；b.采用C20細(xì)石混凝土，通過(guò)試驗(yàn)確定合理的坍落度，灌注混凝土坍落度建議取15 cm～22 cm；c.待灌入混凝土量達(dá)到理論計(jì)算用量且灌注壓力穩(wěn)定時(shí),即可停止灌注作業(yè)；d.溶洞規(guī)模較大，尺寸超過(guò)15 m時(shí)，可以先灌入礫石填充溶洞空腔，再掃孔灌注混凝土。填充的礫石為后續(xù)漿液的灌入起到了骨架作用，既節(jié)省灌漿材料又可使?jié){液有效充填。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)沙河西地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地基土不均勻，巖溶發(fā)育廣泛，地表水豐富，地下水埋藏淺，工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件差。在該地區(qū)內(nèi)修建地鐵工程存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，前期線路規(guī)劃時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)巖溶發(fā)育地段，精心勘察、精心設(shè)計(jì)、精心施工。

施工前應(yīng)針對(duì)巖溶區(qū)域的地質(zhì)、水文條件進(jìn)行專門(mén)的施工勘察，施工過(guò)程中加強(qiáng)超前預(yù)測(cè)和信息化施工。研究清楚工程周邊巖溶發(fā)育的情況，是保證工程順利實(shí)施的重要前提。

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