呂延豪，孫雪兵，王金龍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

由于地鐵隧道施工及其他人類活動(dòng)的影響，地鐵穿越巖溶發(fā)育區(qū)極易誘發(fā)巖溶地面塌陷，威脅地鐵運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。弄清楚巖溶塌陷機(jī)理是巖溶研究的重點(diǎn)，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)和誘導(dǎo)塌陷外因的差異性，已經(jīng)形成了幾種廣為認(rèn)可的塌陷機(jī)理：潛蝕效應(yīng)理論、真空吸蝕理論、潛蝕-真空吸蝕理論、壓強(qiáng)差效應(yīng)理論、震動(dòng)論與液化論、自重效應(yīng)理論、土體強(qiáng)度效應(yīng)理論等[1]。武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地為“上黏下砂”的二元覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶塌陷高發(fā)且特征明顯[2]，廖明政[3]通過(guò)對(duì)武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地白沙洲大道地面塌陷研究，發(fā)現(xiàn)主要為地下水水位變化和人為施工導(dǎo)致的頂板破壞，但并未詳細(xì)闡述其塌陷機(jī)理。范士凱[4]對(duì)武漢地區(qū)巖溶地面塌陷進(jìn)行了系統(tǒng)研究，針對(duì)長(zhǎng)江一級(jí)階地的巖溶塌陷提出了“滲流液化-流土漏失”的塌陷機(jī)理?？梢钥闯?，目前針對(duì)長(zhǎng)江一級(jí)階地塌陷機(jī)理的實(shí)體模型驗(yàn)證工作還比較欠缺，科學(xué)、直觀地系統(tǒng)展示一級(jí)階地巖溶塌陷過(guò)程仍比較困難[1]。

地鐵隧道施工及運(yùn)行對(duì)巖溶地層穩(wěn)定影響巨大，塌陷后果嚴(yán)重，現(xiàn)階段針對(duì)隧道巖溶的治理措施較多[5]，如武衛(wèi)星等[6]根據(jù)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型分類，總結(jié)出在武漢地鐵建設(shè)中采取注漿填充、巖層注漿帷幕、土層隔離、旋噴加固及圍護(hù)結(jié)構(gòu)入巖等處理措施，地鐵2號(hào)線在穿越巖溶區(qū)時(shí)施工方也對(duì)隧道實(shí)施了巖溶注漿加固和洞內(nèi)注漿加固措施[7]。但是目前分析巖溶對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性影響的研究較少[8]，地鐵穿越巖溶區(qū)防塌陷方案設(shè)計(jì)仍處于探索階段。為保障地鐵隧道安全穿越長(zhǎng)江一級(jí)階地，開(kāi)展地鐵隧道防塌陷措施研究顯得尤為重要。

1 工程概況

武漢地鐵11號(hào)線三期工程江安路站-復(fù)興路站區(qū)間位于長(zhǎng)江南岸的武昌區(qū)，區(qū)間線路從江安路站出來(lái)后沿規(guī)劃新武金堤道路下方穿行，經(jīng)過(guò)大量既有房屋，并下穿武金堤，上跨地鐵5號(hào)線區(qū)間，在巡司河街與復(fù)興路路口下穿大型排水箱涵后繼續(xù)北行穿過(guò)鸚鵡洲大橋引橋至復(fù)興路站。線路走向基本與長(zhǎng)江平行，全線長(zhǎng)1.1 km，擬采用盾構(gòu)法施工。初步勘察資料顯示，區(qū)間位于長(zhǎng)江一級(jí)階地巖溶地面塌陷區(qū)，工程安全風(fēng)險(xiǎn)較大，僅在線路周圍1 km范圍內(nèi)就曾發(fā)生3次巖溶地面塌陷，且都為自然突發(fā)巖溶地面塌陷，而附近區(qū)域因施工擾動(dòng)而誘發(fā)的地面塌陷更為頻繁。因此，對(duì)區(qū)間巖溶進(jìn)行詳細(xì)勘察、塌陷風(fēng)險(xiǎn)分析和制定妥善的防塌陷方案尤為重要。

2 塌陷機(jī)理

盾構(gòu)區(qū)間位于武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地上的全新世(Q4)二元結(jié)構(gòu)地層組合的沖積層中，屬武漢市8條巖溶隱伏巖溶帶中的蔡甸張灣街-漢陽(yáng)江堤街-武昌南湖-廟嶺鎮(zhèn)隱伏巖溶條帶的東側(cè)條帶[9]，其砂層直接覆蓋在巖溶發(fā)育的灰?guī)r之上，上下2層之間存在密切的水力聯(lián)系，屬于極易塌陷區(qū)域[10]。

根據(jù)巖溶地面塌陷的機(jī)理，結(jié)合該區(qū)間地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水特征，地鐵盾構(gòu)穿越該區(qū)容易發(fā)生“滲流液化-流土漏失”型塌陷[4]或“沙漏”型塌陷[5]?！皾B流液化-流土漏失”型塌陷是指飽和粉土或砂層直接覆蓋在可溶巖巖面之上，在粉土或砂層中的孔隙水與可溶巖中的巖溶裂隙、管道水發(fā)生直接聯(lián)系，形成統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)情況，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(shí)，發(fā)生垂直向下滲流。當(dāng)水力坡度加大，且超過(guò)臨界水力坡度時(shí)會(huì)產(chǎn)生流土，砂土呈流動(dòng)狀態(tài)漏入巖溶空洞，地面出現(xiàn)塌陷坑。

3 水文地質(zhì)及塌陷物理模型試驗(yàn)

3.1 地層巖性

根據(jù)區(qū)間鉆探資料、原位測(cè)試、工程物探和室內(nèi)試驗(yàn)成果可知，區(qū)間范圍內(nèi)的巖土層構(gòu)成主要為：表層人工填土，湖積層，第四系全新統(tǒng)沖積層，第四系中更新統(tǒng)沖、洪積層，殘積、坡殘積層，三疊系(T)灰?guī)r，泥灰?guī)r等。區(qū)間沿線溶洞主要在灰?guī)r中發(fā)育，地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征如下所述。

(1) 粉質(zhì)黏土(地層代號(hào)3-2)。褐色、灰褐色，呈軟塑狀態(tài)，土質(zhì)較均勻，刀切面較光滑，手指稍用力可按出淺坑，局部夾少量粉土，干強(qiáng)度中等偏低，韌性中等偏低。層厚1.40～23.70 m，平均厚度5.56 m，層面埋深1.30～17.90 m，層頂標(biāo)高8.08～21.87 m，沿線場(chǎng)區(qū)內(nèi)該層部分地段分布。

(2) 粉砂(地層代號(hào)4-1)?；尹S色、青灰色，松散～稍密狀態(tài)，砂粒礦物成份主要為石英、長(zhǎng)石，含白云母，級(jí)配差，均勻性較好。層厚0.90～10.00 m，平均厚度4.69 m，層面埋深3.00～16.40 m,層頂標(biāo)高5.03～19.27 m，沿線場(chǎng)區(qū)內(nèi)該層部分地段分布。

(3) 粉細(xì)砂(地層代號(hào)4-2)。灰～青灰色，飽和，稍密～中密狀態(tài)，砂粒礦物成份主要為石英、長(zhǎng)石，含白云母，級(jí)配差，均勻性較好，該層中局部地段不均勻夾有薄層粉土、粉質(zhì)黏土。層厚1.20～15.20 m，平均厚度6.10 m，層面埋深6.60～28.80 m，層頂標(biāo)高-3.56～17.87 m，沿線場(chǎng)區(qū)內(nèi)該層大部分地段分布。

(4) 中風(fēng)化灰?guī)r(地層代號(hào)16a-2)。巖體張性裂隙和碎裂裂隙較發(fā)育，鉆進(jìn)時(shí)大部分鉆孔嚴(yán)重漏漿，鉆孔巖芯表面小溶溝、溶槽較為發(fā)育，取芯節(jié)長(zhǎng)5～80 cm不等，采取率約85%～95%。巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度值為41.91～88.08 MPa，屬于較硬巖～堅(jiān)硬巖；巖體較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。層面埋深22.50～55.00 m，層頂標(biāo)高-33.39～-1.05 m。

(5) 中風(fēng)化泥灰?guī)r(地層代號(hào)16b-2)。部分巖芯表面有溶蝕現(xiàn)象，節(jié)理裂隙發(fā)育，取芯呈碎塊狀和5～50 cm柱狀，采取率約75%～90%，屬于軟巖～較軟巖，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。層面埋深31.50～46.90 m，層頂標(biāo)高-24.87～-5.96 m。

區(qū)間地層中已探到的無(wú)充填溶洞垂高0.80～2.80 m，平均高度1.83 m，洞頂埋深26.10～32.30 m。半充填-全充填溶洞洞內(nèi)充填物為軟～硬塑狀態(tài)的黏性土夾灰?guī)r塊，溶洞垂高0.60～4.10 m，平均高度1.52 m，洞頂埋深27.4～49.8 m，洞頂標(biāo)高-27.77～-2.90 m。區(qū)間地層物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)建議值如表1所列。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)建議值匯總Tab.1 Summary of recommended design values of physical and mechanical parameters of formation

3.2 水文條件

場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地下水主要有上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水和巖溶水4種類型。

(1) 層滯水主要賦存于填土層中，無(wú)統(tǒng)一自由水面，勘察實(shí)測(cè)沿線鉆孔內(nèi)的上層滯水穩(wěn)定水位在0.51～3.20 m之間，絕對(duì)標(biāo)高為19.01～26.81 m。

(2) 孔隙承壓水主要賦存于粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂、砂性土層、砂混礫卵石中?；鶐r裂隙水主要賦存于下伏灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖和石英砂巖的節(jié)理裂隙中，主要由上部承壓水下滲補(bǔ)給，其水量較為匱乏。

(3) 巖溶水主要賦存于灰?guī)r和泥灰?guī)r中。巖溶水與長(zhǎng)江有一定水力聯(lián)系，含水層的水力交替循環(huán)條件和地下水的承壓性及豐富程度主要受巖溶發(fā)育程度的影響[3]。根據(jù)此次鉆探施工揭露巖溶的發(fā)育情況發(fā)現(xiàn)，該標(biāo)段場(chǎng)區(qū)內(nèi)灰?guī)r和泥灰?guī)r中的巖溶較為發(fā)育，表明場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在巖溶水，其水量和水位將在詳勘階段進(jìn)一步查明。

3.3 塌陷物理模型試驗(yàn)

針對(duì)長(zhǎng)江一級(jí)階地典型的地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)特征，自主設(shè)計(jì)物理模型，定量研究巖溶地面塌陷過(guò)程，驗(yàn)證其塌陷機(jī)理，也為巖溶處理提供依據(jù)。

物理模型由模型主體、供水系統(tǒng)、砂土收集系統(tǒng)、水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與地面變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖1)。

圖1 巖溶地面塌陷物理模型結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)Fig.1 Physical model structure of Karst ground collapse

模型主體為長(zhǎng)方體透明容器，為巖溶基巖上覆地層模擬區(qū)域。主體模型底板正中間預(yù)留一直徑為10 mm的圓孔，模擬巖溶通道與上覆地層的巖溶開(kāi)口。供水系統(tǒng)分別為上覆地層(如粉細(xì)砂層)提供穩(wěn)定水位(供水系統(tǒng)1)，為巖溶通道提供設(shè)計(jì)水位(供水系統(tǒng)2)，設(shè)計(jì)水位可按要求變化，兩供水系統(tǒng)相互獨(dú)立。水位控制系統(tǒng)可分別對(duì)兩供水系統(tǒng)提供獨(dú)立的穩(wěn)定水頭，控制精度為1 mm，量程0～15 m(靜水頭)。沙土收集系統(tǒng)包括2個(gè)串聯(lián)的漏斗狀容器，容器1和容器2分別和供水系統(tǒng)2連接。利用攝像機(jī)錄制巖溶塌陷全過(guò)程，重點(diǎn)捕獲砂層中水位降落漏斗以及巖溶塌陷的啟動(dòng)-發(fā)生-結(jié)束全過(guò)程。

模型試驗(yàn)直觀地觀測(cè)到長(zhǎng)江一級(jí)階地典型巖溶地面塌陷過(guò)程的3個(gè)階段：① 初始階段，砂層中水位降落漏斗出現(xiàn)；② 臨界破壞階段，水力梯度達(dá)到臨界值時(shí)，流土-漏失發(fā)生；③ 最后階段，塌陷形成。隨巖溶水位下降，模型試驗(yàn)共發(fā)生3次塌陷，最大塌陷速率隨塌陷次數(shù)明顯減弱，塌陷過(guò)程變得更加平穩(wěn)。在第3次沙漏塌陷后，再降低水位，未觀測(cè)到明顯的沙漏現(xiàn)象，說(shuō)明巖溶塌陷結(jié)束。

對(duì)模型塌陷過(guò)程分析如下：當(dāng)巖溶水位高于孔隙水位時(shí)，無(wú)漏砂現(xiàn)象發(fā)生；但當(dāng)巖溶水位持續(xù)下降時(shí)，孔隙地下水向下滲流的初始階段先發(fā)生潛蝕，即土中細(xì)顆粒被帶走，形成“漏斗狀疏松體”，進(jìn)而滲流加劇，局部水力坡度加大，當(dāng)向下滲流的水力坡度大于孔隙含水層的流土臨界水力坡度時(shí)飽和砂土呈液態(tài)，發(fā)生流土，向溶洞中漏失，形成地面塌陷。并且，塌陷發(fā)生至擴(kuò)展到一定程度后停止，再繼續(xù)降低巖溶水位，新一輪砂土液化-漏失發(fā)生，巖溶塌陷繼續(xù)發(fā)展。上述試驗(yàn)結(jié)果完全再現(xiàn)了“滲流液化-流土漏失”巖溶塌陷過(guò)程，驗(yàn)證了長(zhǎng)江一級(jí)階地典型巖溶地質(zhì)巖溶地面塌陷機(jī)理的正確性，試驗(yàn)?zāi)M得到巖溶塌陷沙漏的塌陷坡角為40°。

4 盾構(gòu)區(qū)間巖溶處理及防塌陷方案

沿線地質(zhì)勘探資料顯示，區(qū)間基巖為可溶巖，上部為全新統(tǒng)砂性土，屬典型的二元結(jié)構(gòu)地層組合[11]，極易發(fā)生“滲流液化-流土漏失型”塌陷，地鐵盾構(gòu)施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中隧洞及臨近地區(qū)均存在巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。

范士凱[12]在巖溶地面塌陷調(diào)查研究和武漢地區(qū)數(shù)十處巖溶地面塌陷事故、災(zāi)害處理實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了土體工程宏觀控制論，即通過(guò)測(cè)繪、勘探，準(zhǔn)確界定它們的空間界限和類型，并通過(guò)試驗(yàn)確定地質(zhì)-土體力學(xué)模型，然后針對(duì)各類工程地質(zhì)和巖土工程問(wèn)題給出評(píng)價(jià)結(jié)論和工程措施建議。筆者也準(zhǔn)備以這一理論為指導(dǎo)，開(kāi)展區(qū)間巖溶處理和防塌陷方案設(shè)計(jì)。

4.1 巖溶處理及防塌陷方案

借鑒武漢地鐵6號(hào)線紅建路站-馬鸚路站區(qū)間地鐵盾構(gòu)穿越相同地質(zhì)條件區(qū)巖溶處理設(shè)計(jì)與施工的成功經(jīng)驗(yàn)[13-14]，制定江安路站-復(fù)興路站區(qū)間巖溶處理方案：利用隔離樁及巖溶防滲帷幕等措施隔斷隧道區(qū)間與外側(cè)砂層的水力聯(lián)系，再利用隧道底巖溶滿鋪?zhàn){方式充填溶洞，并隔斷垂直方向的水力聯(lián)系，確保盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)地下水穩(wěn)定，避免發(fā)生滲流液化-流土漏失型塌陷。

隧洞巖溶處理和防塌陷方案如圖2所示，具體如下：隧洞兩側(cè)布置隔離樁，隔離樁由Φ800 mm@1 100 mm灌注樁+樁間Φ800 mm旋噴樁+灌注樁靠隧道側(cè)一排Φ800 mm@500 mm旋噴樁組成，灌注樁入巖1.0 m，旋噴樁加固至基巖面；帷幕注漿位于隔離樁底部，先于隔離樁施工，注漿管深入基巖面下15.0 m，注漿范圍為基巖面下15.0 m至基巖面上1.0 m，注漿管雙排布置縱向間距為2 m；滿鋪?zhàn){間距根據(jù)巖溶發(fā)育情況按3 m×3 m或5 m×5 m梅花形布置，注漿管深入基巖面以下10 m；注漿處如遇溶洞底部邊界深于要求的注漿深度范圍，注漿管應(yīng)深入溶洞底部以下1.0 m進(jìn)行注漿，隔離樁位置及注漿孔位置及其間距可視地面環(huán)境及地下管線情況予以適當(dāng)調(diào)整。

圖2 區(qū)間隧道巖溶處理及防塌陷方案示意(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of Karst treatment and anti- subsidence scheme of interval tunnel

4.2 方案安全性分析

為了對(duì)區(qū)間隧道巖溶方案的安全性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，本文根據(jù)地層結(jié)構(gòu)及隧道結(jié)構(gòu)特征，針對(duì)該設(shè)計(jì)提出的區(qū)間隧道巖溶處理方案，對(duì)巖溶處理前后地層的地下水滲流特征進(jìn)行了模擬分析。

圖3為巖溶滿鋪?zhàn){處理前后的孔隙水壓力分布云圖，從圖3(a)可以看出，灌漿加固前由于溶洞的存在，地下水存在流向溶洞的趨勢(shì)，因此在溶洞周圍的孔隙水壓力有明顯的增大，溶洞上方的孔隙水壓力分布表現(xiàn)為漏斗狀。而在灌漿加固之后水泥漿將原有溶洞充填，由于水泥漿固結(jié)后具有一定抗?jié)B性能，因此孔隙水壓力重新恢復(fù)至均勻分布狀態(tài)，如圖3(b)所示。

圖3 灌漿前后地層孔隙水壓力分布(單位：Pa)Fig.3 Pore water pressure distribution before and after grouting

圖4為隔離樁實(shí)施前后的孔隙水壓力分布云圖，加固前，由于同一水平位置土層的物理、力學(xué)性質(zhì)相同，故孔隙水壓力分布比較均勻，同一水平位置的孔隙水壓力基本相同，滲流梯度分布也相對(duì)規(guī)則，均是由土層自下而上逐漸減小,如圖4(a)所示。隔離樁加固后，從圖4(b)可以看出：鉆孔樁和旋噴樁在砂土層中形成了一道隔水帷幕，當(dāng)帷幕外側(cè)巖溶引發(fā)沙土層塌陷時(shí)，樁體可以防止隧道一側(cè)的砂土在滲流作用下產(chǎn)生流失而造成隧道周邊土層的破壞。

圖4 隔離樁加固前后地層孔隙水壓力分布(單位：Pa)Fig.4 Pore water pressure distribution before and after isolation pile reinforcement

根據(jù)本區(qū)間地層二元結(jié)構(gòu)特征下的“滲流液化-流土漏失”巖溶地面塌陷機(jī)理，在切斷了隧道區(qū)域與周邊區(qū)域的水力聯(lián)系后，可初步保障隧道盾構(gòu)施工及地鐵運(yùn)行的安全。

5 結(jié)論與建議

武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地典型的二元地層結(jié)構(gòu)為巖溶地面塌陷高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，本文分析了武漢地鐵11號(hào)線三期工程江安路站-復(fù)興路站區(qū)間地層地質(zhì)和水文情況，認(rèn)為在隧道盾構(gòu)施工及地鐵運(yùn)行過(guò)程中存在巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了長(zhǎng)江一級(jí)階地巖溶塌陷的“滲流液化-流土漏失”機(jī)理。借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該區(qū)間地層結(jié)構(gòu)特征，制定了“隧道外側(cè)隔離樁及樁下帷幕注漿，隧道區(qū)內(nèi)滿鋪巖溶注漿”的巖溶處理及防塌陷方案，并通過(guò)地下水滲流模擬分析驗(yàn)算了此方案對(duì)預(yù)防巖溶地面塌陷和地鐵施工運(yùn)行安全的保障效果。

后續(xù)研究中，建議進(jìn)一步進(jìn)行區(qū)間地質(zhì)詳勘，細(xì)化區(qū)間巖溶處理設(shè)計(jì)方案，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)算該方案的受力穩(wěn)定性，完善設(shè)計(jì)，提升方案的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)在施工和運(yùn)行期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形、地面沉降、周邊水位的監(jiān)測(cè)，定期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，建立預(yù)警體系，編制應(yīng)急預(yù)案，確保工程運(yùn)營(yíng)安全。