張美聰

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

0 引言

武漢市地處江漢平原與鄂東丘陵山地的交接地帶，地勢東部、東南部高，中部與西部稍低，具明顯的丘陵—平原地形特點。根據(jù)相關(guān)研究和巖溶專項勘察，武漢市可溶碳酸鹽巖為近東西向的條帶分布，主城區(qū)主要劃分為北部、中部及南部3個碳酸鹽巖條帶；主城區(qū)外圍以南還分布有4條近東西走向的碳酸鹽巖條帶[1-2]。近年來，武漢城區(qū)發(fā)生了多起巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害[3-4]，給人民的生產(chǎn)、生活與工程建設(shè)造成了嚴重影響[5-6]，2014年5月2日，臨近武漢地鐵紙坊線(27號線)大花嶺站—江夏客廳站區(qū)間的江夏區(qū)大橋新區(qū)文化大道江南新天地小區(qū)項目工地進行補充地質(zhì)勘探時發(fā)生巖溶塌陷事故。當?shù)罔F區(qū)間隧道穿過巖溶條帶時，如巖溶處理不當或者未做處理，可能引發(fā)巖溶地面塌陷、突水、突泥等工程地質(zhì)問題，同時也給地鐵運營留下安全隱患[7-8]。目前武漢地鐵6號線、7號線、11號線、2號線南延線、紙坊線等多條線路都遇到了巖溶問題，因此，有必要對巖溶的分布特征和處理措施進行總結(jié)，為武漢市后續(xù)地鐵工程建設(shè)和類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

武漢地鐵紙坊線(27號線)工程由7號線一期工程野芷湖站引出，沿文化大道、文化路、紙坊大街自北向南，止于地鐵小鎮(zhèn)站，線路全長16.96 km，設(shè)站7座，均為地下線。本工程橫穿了主城區(qū)外圍以南的4條隱伏可溶碳酸鹽巖條帶，分別為④沌口—流芳嶺復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜巖溶帶、⑤湯遜湖—鴨兒湖扇形向斜巖溶帶、⑥五里界向斜巖溶帶、⑦鳶龍山—官家畈向斜巖溶帶。(見圖1)

圖1 紙坊線與隱伏碳酸鹽巖分布帶關(guān)系圖

其中大花嶺站—江夏客廳站區(qū)間，線路出大花嶺街站后沿文化大道向南敷設(shè)，直達江夏客廳站，區(qū)間線路長度約為2.3 km，位于⑤湯遜湖—鴨兒湖扇形向斜巖溶帶內(nèi)，區(qū)間平縱斷面如圖2、圖3所示。

圖2 大花嶺站—江夏客廳站區(qū)間平面圖

縱斷面沿線基巖起伏變化較大，區(qū)間隧道穿越的主要地層有10-1黏土、13-2-1紅黏土(硬塑狀態(tài))、13-2-2紅黏土(可塑狀態(tài))及部分16b-2中—微風(fēng)化石灰?guī)r(單軸飽和抗壓強度最大值68 MPa)。全區(qū)間分布有可溶性石灰?guī)r，灰?guī)r內(nèi)有溶洞發(fā)育，灰?guī)r上方覆蓋層為紅黏土，以13-2-1硬塑狀、13-2-2可塑狀和13-2-3軟—流塑狀三種形態(tài)分布，區(qū)間隧道的最小覆土約6 m，推薦采用盾構(gòu)法進行施工，圓形斷面，隧道內(nèi)徑5.5 m、外徑6.2 m。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 可溶巖隱伏特征

該區(qū)間下部巖層主要為下三疊統(tǒng)大冶組(T1d)黏土巖夾灰?guī)r條紋、泥質(zhì)灰?guī)r夾黏土巖條帶、薄層灰?guī)r、泥灰?guī)r夾薄層灰?guī)r，巖層上方為第四系覆蓋層，主要地層為1-1雜填土、1-2素填土、10-1黏土及13-2-1(2、3)紅黏土，覆蓋層厚度8.1～33.1 m。可溶碳酸鹽巖在地表基本無露頭，根據(jù)其隱伏的特點屬于覆蓋型碳酸鹽巖，上覆蓋層為單一的具觸變性的黏性土，為一元結(jié)構(gòu)。上覆黏性土在下伏巖溶發(fā)育的可溶巖潛蝕的作用下易形成土洞，規(guī)模不大的土洞可自穩(wěn)，并產(chǎn)生充填，自然條件下影響一般達不到地表，不易產(chǎn)生巖溶地面塌陷，但在外部環(huán)境擾動下，可能引起紅黏土流動塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 巖溶形態(tài)

2.2.1 巖面

從大花嶺站—江夏客廳站區(qū)間縱斷面圖(見圖3)可以看出，巖面起伏大，即巖層表面與覆蓋層接觸部位表現(xiàn)出凹凸不平，其主要的巖溶形態(tài)有：

(1)石芽：一般高0.6 m左右，基座直徑0.8 m以上，表面具有海綿狀、蜂窩狀溶孔；

(2)溶溝溶槽：主要發(fā)育在褶皺核部或斷層破碎帶附近，在巖石裂縫基礎(chǔ)上發(fā)展形成，走向多為近EW向，長短寬窄不一，斷面上呈溝槽狀或淺凹碟狀；

(3)溶蝕凹地：由溶溝溶槽繼續(xù)發(fā)展而成，大部分充填含碎石的黏性土。

2.2.2 溶洞

巖溶內(nèi)部發(fā)育帶中的巖溶形態(tài)有：

(1)溶孔：直徑0.2～3.0 cm，局部達8 cm，在灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中最發(fā)育，發(fā)育深度較大，常呈海綿狀，其發(fā)育由淺至深逐漸減弱；

(2)溶洞：按形態(tài)和成因分為裂隙狀溶洞和管道狀溶洞；裂隙狀溶洞多見于淺部，一般寬0.2～2.0 m，高0.2～16.5 m，局部達20余米，形態(tài)不一；管道狀溶洞洞壁多呈犬牙狀，形態(tài)不規(guī)則，但規(guī)模較大，洞高0.5～10 m，局部達20.8 m；溶洞頂?shù)装宥嘁姺涓C狀、針狀溶孔。

本區(qū)間溶洞多以順層面和沿豎向溶蝕裂隙發(fā)育的豎向溶洞為主。以DJ-K140鉆孔為例：鉆孔揭示溶洞為串珠狀，溶洞鉛直高度1.3～7.5 m，后在其周邊2.98～5.33 m范圍以梅花型布置4個鉆孔。根據(jù)鉆孔揭示，該溶洞在形態(tài)上為順巖層走向(或裂隙)發(fā)育的陡立溶洞，多呈串珠狀發(fā)育，垂直巖層走向方向溶洞最大高度達15.1 m，平行于巖層溶洞寬度達20余米(見圖4、圖5)。

圖4 DJ-K140鉆孔平面圖

圖5 DJ-K140鉆孔揭露溶洞形態(tài)示意圖

2.3 巖溶發(fā)育特征

本區(qū)間共布設(shè)巖溶專項勘察孔395個，共揭示溶洞536個，鉆孔見洞隙率、線巖溶率如表1所示，物探發(fā)現(xiàn)異常678個，如表2所示。

表1 鉆孔見洞隙率、線巖溶率統(tǒng)計表

表2 物探CT推測巖溶異常點統(tǒng)計表

溶洞規(guī)模如表3所示，主要以小于3 m為主，共272個，占比達50.74%，3～6 m溶洞187個，占比34.8%，6 m以上的大溶洞77個，占比14.36%。

表3 溶洞規(guī)模統(tǒng)計表

溶洞的充填情況為：無充填241個，占44.96%，半充填130個，占24.25%，全填充165個；占30.78%。溶洞充填物多為棕紅、棕黃、黃褐色黏性土或黏性土夾碎石；少部分溶洞充填中密的灰黃色角礫狀土或碎石土。充填物狀態(tài)不一，多呈軟塑—可塑狀，部分呈流塑或硬塑狀。一般來說淺部1～12 m溶洞多為全充填，無充填或半充填的溶洞相對較少，埋深較大的溶洞多為無充填。

同時地質(zhì)物探CT推測巖溶異常點的高程分布規(guī)律與鉆孔揭露的溶洞的高程分布規(guī)律基本吻合，場區(qū)巖溶異常點頂板標高大多在-20 m(距離巖面0～30 m)標高以內(nèi)，約占異常點總數(shù)的93.62%，其中主要在基巖面10 m以內(nèi)，占比55.10%。

根據(jù)地質(zhì)鉆探及物探結(jié)果分析可知：

(1)揭露深度范圍內(nèi)巖溶多以垂向的溶隙、溶洞為主，彼此連通性較差，多分布于基巖面以下幾米到數(shù)十米范圍內(nèi)。

(2)場區(qū)內(nèi)灰?guī)r中溶洞、溶隙處于武漢淺部巖溶發(fā)育帶內(nèi)，溶隙主要發(fā)育在灰?guī)r的上部，發(fā)育方向和強度受層面和裂隙控制，強溶蝕帶一般發(fā)育深度在基巖面以下1～12 m，一般為黏性土充填。溶蝕現(xiàn)象為強發(fā)育。

(3)巖層表面與覆蓋層接觸部位起伏大，灰?guī)r表面溶溝和溶槽較發(fā)育，多被紅黏土充填。

(4)充填物多為紅黏土夾少量碎石，說明充填物來自上方覆蓋層。

2.4 紅黏土及不良地質(zhì)作用

本區(qū)間巖層表面與覆蓋層接觸部位起伏大，灰?guī)r表面溶溝和溶槽較發(fā)育，其走向多為垂直于線路的EW(東西)向，多被紅黏土充填。紅黏土具上硬下軟、含水量高、孔隙比大、高液限、高塑限、低壓縮性的特點，平面上亦具有不均勻性，并具有明顯的脹縮特性，遇水易軟化。其中，13-2-2紅黏土多呈可塑狀，13-2-3紅黏土多呈軟塑狀，多分布于灰?guī)r面溶蝕凹槽處，局部段碎石含量相對較高，底部為軟塑—流塑狀，為軟弱土層，穩(wěn)定性差。根據(jù)室內(nèi)試驗，軟塑—可塑狀黏性土具中等—高壓縮性，承載力特征值為120 kPa。

目前，股票、債券、基金、保險、信托、外匯等已經(jīng)成為我國居民的重要金融資產(chǎn)，甚至房產(chǎn)、黃金、衍生金融工具和各種收藏品均成為理財?shù)耐顿Y品種。［1］可見，我國對專業(yè)理財人員有著巨大的市場需求。具體到金融機構(gòu)，以中國農(nóng)業(yè)銀行為例，大致需要對2 000萬至3 000萬個高凈值客戶提供個人理財服務(wù)，存在上萬名理財人員的需求。［2］然而，嚴重缺乏的個人理財人才培養(yǎng)數(shù)量與巨大的市場需求形成鮮明的反差。因此，培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)化的理財隊伍成為當前的緊要任務(wù)。

2.5 裂隙巖溶水

主要賦存于碳酸鹽巖淺部發(fā)育的溶洞和溶(裂)隙中，具中等透水性，該段裂隙巖溶水水位標高在3.4～10.06 m之間，埋深12.0～18.6 m之間，基本在基巖面附近波動。根據(jù)地質(zhì)勘察水文長觀孔中碳酸鹽巖裂隙巖溶水水位與地表水水位歷時曲線分析，本場區(qū)裂隙巖溶水與長江水位、地表水體(湯遜湖湖水)均無直接水力聯(lián)系，主要接受相鄰含水層的側(cè)向徑流補給。抽水試驗顯示，本場區(qū)屬于弱富水—中等富水區(qū)，但由于灰?guī)r中巖溶裂隙或溶洞具方向無規(guī)律性及發(fā)育不均勻性，故抽水影響半徑變化大，設(shè)計及施工時應(yīng)引起注意。由于溶洞位于地下水位以下，溶洞空腔富水性強，總的來說未充填的溶洞富水性較強，半充填溶洞富水性較差，全充填的溶洞富水性最差。

3 巖溶處理措施

3.1 處理范圍

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)，對于完整、較完整的堅硬巖、較硬巖地基：(1)當洞體較小，基礎(chǔ)尺寸大于洞的平面尺寸，并有足夠的支承長度；(2)頂板巖石厚度大于或等于洞的跨度時(即厚跨比>1.0)，可不考慮巖溶對地基穩(wěn)定性的影響。本區(qū)間溶洞多以順層面和沿豎向溶蝕裂隙發(fā)育的豎向溶洞為主，一般寬0.2～2.0 m。因此，綜合參考武漢地鐵既有線已實施工程巖溶處理經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對地鐵隧道底以下6 m、隧道結(jié)構(gòu)外輪廓兩側(cè)3 m范圍之內(nèi)的未填充、半充填或全充填(充填物強度較底的)溶洞，必須進行巖溶處理。(見圖6)

圖6 溶洞處理示意圖(單位：mm)

3.2 處理方法

3.2.1 鉆孔揭示溶洞

(1)高度不大于1 m且無填充溶洞和半填充溶洞，以及全填充溶洞(充填物強度較低的)均直接采用純水泥漿進行靜壓式灌漿。

(2)高度1～3 m且無填充溶洞和半填充溶洞，先采用水泥砂漿進行填充，再采用水泥漿進行壓力注漿填充。

(3)對于溶洞高度大于3 m無填充溶洞和半填充溶洞，可考慮先投碎石(5～10 mm)，后采用注漿加固的方法。

3.2.2 物探異常區(qū)

對異常區(qū)進行鉆孔驗證，若發(fā)現(xiàn)存在溶洞則根據(jù)溶洞大小采取相應(yīng)的處理加固方法；若沒有發(fā)現(xiàn)溶洞，采用壓力注漿的方法對鉆孔進行填充加固和封孔。

4 紅黏土處理措施

本區(qū)間巖面發(fā)育有大量的溶溝和溶槽，其走向多為垂直于線路的EW向，多被紅黏土充填，當該層為13-2-3時呈軟塑—流塑狀，且下伏灰?guī)r可能存在溶洞發(fā)育，存在溶隙、溶槽、溶洞等空洞，一是在盾構(gòu)掘進過程中由于機械擾動等多方面原因，可能引起紅黏土流失，誘發(fā)地面塌陷，嚴重影響施工安全；二是該層土承載力值極低，若不進行加固處理，在后續(xù)運營過程中可能引起隧道結(jié)構(gòu)底板發(fā)生不均勻沉降，對運營安全存在較大影響；三是由于溶溝和溶槽走向為垂直于線路的EW向，在外部環(huán)境變化擾動下，可能發(fā)生紅黏土橫向流動，危及運營隧道安全。因此必須考慮紅黏土的不利影響，有必要對其進行處理，具體的處理措施為：

(1)對13-2-3軟塑狀紅黏土及標貫值低于5的13-2-2可塑狀紅黏土，查明分布范圍后自地面采用高壓旋噴樁(三重管)進行加固(見圖7)。旋噴樁樁徑800 mm，旋噴樁橫向間距600 mm、縱向間距1000 mm，加固深度為紅黏土層頂至基巖面(紅黏土層底)、加固平面為隧道兩側(cè)3 m范圍內(nèi)，要求加固后的土體無側(cè)限抗壓強度不小于0.8 MPa。

圖7 紅黏土加固平剖面示意圖(單位：mm)

(2)軟塑—流塑紅黏土經(jīng)旋噴樁加固處理并驗收后，在左右線隧道兩側(cè)各施做一排混凝土素樁，直徑1.0 m，間距1.0 m，樁底嵌入基巖1.0 m，樁頂至隧道中心線，上部空樁采用黏性土回填，形成擋土隔離墻進行隔離防護，防止周邊施工擾動紅黏土造成流失，確保地鐵隧道運營安全。(見圖8)

圖8 樁基隔離防護示意圖(單位：mm)

5 結(jié)論

(1)本場區(qū)為一元結(jié)構(gòu)型的覆蓋型碳酸鹽巖，灰?guī)r中發(fā)育有大量溶洞，巖面起伏大，溶溝和溶槽較發(fā)育；灰?guī)r上覆蓋層為單一的具觸變性的紅黏土，在外部環(huán)境擾動下(如盾構(gòu)隧道掘進施工和地鐵運營列車振動等)，易引發(fā)紅黏土流動塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，因此需在地鐵盾構(gòu)隧道施工前對巖溶和紅黏土加以處理。

(2)巖溶的處理范圍包括隧道底板以下6 m、結(jié)構(gòu)外輪廓兩側(cè)3 m范圍之內(nèi)的未充填、半充填或全充填(充填物強度較底的)溶洞。主要處理方法包括對已探明巖溶采用地面注漿加固處理，對物探異常區(qū)進行鉆孔驗證后處理。

(3)13-2-3軟塑—流塑狀紅黏土的處理范圍包括平面為隧道兩側(cè)3 m范圍內(nèi)、深度為紅黏土層頂至基巖面(紅黏土層底)。主要處理措施為首先采用高壓旋噴樁進行加固處理，然后再在隧道兩側(cè)采用素混凝土鉆孔樁隔斷防護。

本文以武漢地鐵紙坊線(27號線)大花嶺站—江夏客廳站區(qū)間為例，結(jié)合巖溶專項勘察，總結(jié)了巖溶、紅黏土的分布與發(fā)育特征，在此基礎(chǔ)上提出了巖溶和紅黏土的處理措施，目前本地鐵線已開通運營，實踐證明這些措施達到了預(yù)期效果，可為今后類似工程提供借鑒和參考。