武汉地区岩溶发育特征及地铁工程中岩溶处理

李慎奎，陶 岚（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133）

武汉地区岩溶发育特征及地铁工程中岩溶处理

李慎奎，陶 岚
（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133）

摘要：以武汉地铁岩溶专项勘察资料和地铁工程中岩溶处理案例为依据，采用综合统计方法分析岩溶发育特征和规律，总结地铁车站、区间隧道穿越岩溶区时的处理方法。研究表明武汉地区岩溶为浅层岩溶，主要在岩面以下0～15 m范围发育，表现为溶洞、溶沟、溶槽，钻孔遇洞率约50%，线岩溶率约6%，溶洞埋置越深填充率越低。岩溶区主要分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3种地质结构类型并对应高、中、低3种岩溶塌陷风险区。根据岩溶地质结构类型分类总结武汉地铁建设中采取的注浆填充、岩层注浆帷幕、土层隔离、旋喷加固及围护结构入岩等处理措施。

关键词：岩溶发育特征；地质结构；地铁工程；岩溶处理

0　引言

武汉市（下辖7个中心城区和6个远城区）位于江汉平原东部，面积8 494 km2，石灰岩分布面积1 100 km2，占该市面积的12.9%。21世纪以来在武昌区（丁公庙、陆家街中学、白沙洲阮家巷）、洪山区（青菱乡毛坦港小学、烽火村）、汉阳区（中南轧钢厂、世茂锦绣长江三期地产）和江夏区（文化大道江南新天地地产、法泗街长虹村、八坛村）等区域发生过20余次岩溶塌陷地质灾害。岩溶塌陷不仅影响工程建设还造成了巨大经济损失，因此，多位专家、学者对武汉地区岩溶进行了研究探索。范士凯［1］对武汉几十年来岩溶地面塌陷区分布和塌陷机制进行了分析总结，提出了浅蚀和真空吸蚀塌陷机制；罗小杰［2－3］对长江干堤内某地面塌陷原因进行分析，对岩溶发育特征、塌陷防治方法进行了介绍；殷美等［4］对桩基施工引发的岩溶地面塌陷成因及防治措施进行了讨论；文献［5－7］对武汉岩溶分布、发育规律及

工程地质勘察中的防治措施进行了分析总结；文献［8－10］对公路隧道、城市桥梁、盾构隧道穿越岩溶区时的风险及注浆等处理措施进行了探讨。以上多是对单个岩溶塌陷进行分析探讨并提出处理措施或总结规律，对整个武汉地区岩溶分布、发育特征等研究较少；对公路、桥梁、铁路等方面的岩溶研究较多，对城市轨道交通方面岩溶研究较少。以武汉地铁建设为依托，总结武汉地区岩溶分布、发育特征及地铁工程中的岩溶处理措施，以期能对后期地铁工程建设提供参考。

1　武汉地区岩溶基本规律

1.1岩溶分带特征

武汉市主城区自北向南主要有3条石灰岩条带呈东西向分布，在主城区以南区域也有多次岩溶地面塌陷发生，根据地质钻探资料及地质专家研究，主城区以南也呈现条带分布，横跨长江东西向分布，根据石灰岩区域与长江位置关系分为6个石灰岩条带，见图1和表1。

图1　武汉地区石灰岩条带分布及风险分区图Fig.1 Distribution map of limestone strip and risk zoning in Wuhan area

表1　武汉地区石灰岩条带分布规模Table 1 Distribution scale of limestone strip in Wuhan area

1.2岩溶地质结构特征

见表2。

表2　武汉岩溶地质结构类型Table 2 Types of karst geological structures in Wuhan area

Ⅰ型：长江一级阶地松散砂砾石覆盖层。地貌单元为长江一级阶地，第四系覆盖土层时代为全新世（Q4），地层组合为二元结构，上部为黏性土，下部为细砂、粉细砂层覆盖在石灰岩之上，砂层中含孔隙承压水，石灰岩中岩溶裂隙水有承压性，2含水层有水力联系，细砂、粉细砂可通过溶隙、孔洞流失，逐渐形成漏斗状疏松体，从而成地面塌陷。

Ⅱ型：长江一级阶地松散砂砾石层加老黏性土复合覆盖层。上部为粉细砂（包括粉细砂层上部部分黏性土层），下部为中、上更新统老黏性土层覆盖在石灰岩之上。中间的老黏性土把砂砾石层中的地下水与岩溶水水力联系隔断，降低了塌陷的可能性。

Ⅲ型：长江三级阶地老黏性土覆盖层。武汉大片地区为下蜀系老黏土层直接覆盖在石灰岩之上；岩

溶水头比土岩分界面高，老黏土中若无土洞发育，此类地层基本不发生岩溶塌陷。

1.3溶洞形态特征

武汉地区岩溶由地下水垂直渗流产生，主要形态类型表现为溶洞、溶沟和溶槽洞等。根据大桥条带、白沙洲条带几个地段的资料统计，洞高在0.6 m以内的溶洞占30%，洞高在0.6～1.0 m范围的溶洞占20%，洞高在1.0～3.0 m范围的溶洞占40%，洞高在3.0～5.0 m范围的溶洞占5.6%，洞高大于5.0 m的溶洞占溶洞总数的3.8%，洞高大于10 m的溶洞只有5个，仅占0.56%。

大桥条带、白沙洲条带溶洞高度统计如表3、图2和图3所示。

表3　大桥条带、白沙洲条带溶洞高度统计表Table 3 Statistics of heights of karst caves in Daqiao strip and Baishazhou strip

以上资料表明，武汉地区溶洞高度不大，多数溶洞高度在3 m以内，这基本代表了武汉地区浅层溶洞的规模特征，以小规模溶洞为主，大规模的溶洞较少。

1.4溶洞横、竖向分布特征

武汉地区浅层岩溶的横向分布规律受地层岩性控制，呈东西向带状分布。根据遇洞率、线岩溶率判别岩溶发育强度由高到低的顺序为：黄龙组—观音山组—栖霞组—大冶组，从地层岩组上区别岩溶的发育规律。表4为遇洞率和线岩溶率统计数据，大桥条带、白沙洲条带钻孔遇洞率分别为50.1%和46.0%，线岩溶率分别为5.93%和6.0%，2条带的钻孔遇洞率、线岩溶率相差不大，基本反映出武汉地区的遇洞率和线岩溶率情况。

随着岩面以下距离的增大，溶洞数量迅速减少，约35%的溶洞顶板在基岩面以下2.5 m以内；约50%溶洞在基岩面以下4.5 m以内；约90%的溶洞在基岩面以下12 m以内，溶洞顶板平均埋深为3.1～5.1 m。线岩溶率随埋深的变化特征为：自基岩面向下线岩溶率先逐渐增大，在2～4 m处达到7.5%～20.0%；随着深度的增加，线岩溶率降低，在岩面以下10～15 m范围稳定在3%以下。可见，岩溶在基岩面以下2～4 m范围发育较强，10 m以下发育逐渐减弱。

图2　大桥条带溶洞高度分布图Fig.2 Distribution map of heights of karst caves in Daqiao strip

图3 白沙洲条带溶洞高度分布图Fig.3 Distribution map of heights of karst caves in Baishazhou strip

1.5溶洞充填特征

根据溶洞内填充物的多少，将溶洞划分为无填充、半填充和全填充3种类型。表5为溶洞填充类型统计表，表中数据为3种填充类型占总溶洞数量的百分比，统计表明武汉地区无填充溶洞约22.2%，半填充溶洞约7.5%，全填充溶洞约70.3%。全填充溶洞埋深较浅，半填充溶洞较深，无填充溶洞埋深最大，说明溶洞填充为自上而下，填充物主要来源于上覆土层，验证了溶洞的垂直发育规律。

2　武汉地区岩溶风险划分

根据武汉石灰岩条带分布、岩溶地质结构类型和岩溶发育特征，结合武汉历史上发生的岩溶塌陷案例，将发生岩溶塌陷灾害的可能性及危害严重程度等分级为高风险、中等风险和低风险，并划分为高风险区、中等风险区和低风险区（详见图1）。

表4　大桥条带、白沙洲条带钻孔遇洞率和线岩溶率统计表Table 4 Karst cave encountering rate in borehole drilling and linear karst rate in Daqiao strip and Baishazhou strip　%

表5　溶洞充填类型统计表Table 5 Statistics of filling types of karst caves　%

2.1高风险区

第Ⅰ型岩溶地质结构为发生岩溶地质灾害高风险区，主要为砂层直接覆盖在石灰岩基岩上的长江一级阶地全新统地层覆盖区，分布在白沙洲条带和汉南条带与长江相交处。高风险区面积约占石灰岩分布总面积的3.6%。前文中提到的武汉历史上10余次岩溶塌陷灾害都是Ⅰ型地质结构区域。

2.2中等风险区

第Ⅱ型岩溶地质结构为中等风险区，其特点是全新统粉细砂层下部有一定厚度的（大于3 m）老黏土层覆盖在石灰岩基岩层之上，这类地层在天然状态下不会产生岩溶塌陷，当人类活动如深井降水、地质钻孔等穿透了老黏土层时则有可能发生岩溶塌陷。中风险区面积约占石灰岩总面积的4.5%。根据资料，中等危险区主要分布于长江及其支流两岸一级阶地区域，在天兴洲条带、白沙洲条带、沌口江夏条带和汉南条带靠近长江地段有局部分布（见图1）。

2.3低风险区

第Ⅲ型岩溶地质结构为发生岩溶地质灾害低风险区，老黏性土直接覆盖在石灰岩地层上，此地层结构基本不发生岩溶塌陷，低风险区面积约占石灰岩总面积的88.9%。

3　武汉地铁工程中岩溶处理技术及案例

对武汉地铁工程中车站、区间隧道穿越岩溶区时的处理措施进行了分类总结，如表6所示。

表6　地铁工程中岩溶处理分类表Table 6 Classification of treatment methods for karst encountered in construction of Wuhan Metro

围护结构岩层以下15 m进行帷幕注浆，注浆孔间距2 m，可形成有效隔水、隔砂帷幕，减少围护内外的水力联系，形成封闭体系。注浆自下而上分段进行，钻孔一次成孔到设计深度，提钻清孔，下入注浆导管至孔底或溶洞底板下部1.0 m处，水泥砂浆封闭孔口，封闭深度进入原生黏土层大于0.5 m，以0.3～0.5 MPa的压力自下而上进行注浆。临时立柱桩位处施作超前钻，每桩一孔深度至岩面以下10 m或桩端以下5倍桩径深度，对超前钻揭露的溶洞进行灌浆处理。车站底板下设置牛腿与围护结构连接，由围护结构、临时立柱桩共同支撑车站（见图4）。车站基底旋喷格构式土墩柱，将基底分割为多块区域，减少基底水的流动，从而阻隔砂层的流失，提高基底强度，降低岩溶塌陷风险（见图5）。

图4　车站溶洞注浆处理图Fig.4 Grouting treatment of karst caves encountered in construction of Metro station

图5　车站基底格构式抽条旋喷加固图Fig.5 Reinforcement of foundation base of Metro station by jetgrouting piles

根据研究，武汉岩溶塌陷角φ约为40°，假设隧道轮廓到溶洞塌陷漏斗中心距离为B，隧道到基岩面的距离为h2。B＝h2·ctg φ；可见，隧道与岩面距离越近岩溶塌陷对隧道影响越小，通过注浆帷幕和注浆填充溶洞等措施保证B范围内溶洞不塌陷，隧道就是安全的。处理方案为：岩面以下15 m深隧道两侧轮廓线外大于B处布置1排注浆帷幕，注浆孔间距2 m，注浆帷幕之间的溶洞和物探异常进行注浆处理（见图6）；当h2较大，计算出B值较大时，注浆帷幕因地面交通条件或建构筑物限制等无法实施，可减小B进行帷幕注浆，并在土层部分采取钻孔桩隔断措施降低塌陷漏斗对隧道的影响，采用1排800＠1 000灌注桩＋800旋喷桩咬合隔断措施，灌注桩入岩不小于1 m（见图7）。

图6　区间溶洞注浆与帷幕注浆处理图Fig.6 Grouting treatment and curtain grouting treatment of karst caves encountered in construction of running tunnel

图7　区间溶洞注浆与土层隔断处理图Fig.7 Grouting treatment and isolation treatment of karst caves encountered in construction of running tunnel

4　结论与建议

1）武汉岩溶自北向南主要划分6个条带，总结为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ型3种地质结构类型分别占石灰岩分布面积的3.6%，4.5%和88.8%；溶洞钻孔遇洞率约47.5%，线岩溶率约5.97%，90%的溶洞高度小于3.0 m，平均洞高约1.5 m。

2）溶洞在基岩面以下2～4 m范围发育最强，10～15 m以下发育逐渐减弱，全充填溶洞占71%，半充填溶洞8%，未充填溶洞21%；溶洞距离土岩分界面越近填充率越高，充填物与覆盖层土层性质相近。

3）地铁工程中主要以Ⅰ，Ⅱ型岩溶地质结构处理为主，主要采取岩面下15 m帷幕注浆、围护结构入岩、基底旋喷加固、隔断桩和溶洞注浆充填等措施；Ⅲ型岩溶地质结构以注浆填充溶洞为主。

4）建议进一步研究Ⅰ型地质结构中承压水和岩溶水的流动规律来评估岩溶塌陷点引起的塌陷区半

径，扩大地铁影响控制线。控制该范围内有深层降水及入岩桩基的工程项目，建议有关职能部门出台成套相关管理办法以保证地铁长期运营安全。地铁运营期间，应建立长期监测体系对周边水位及地铁结构沉降、变形进行监测并建立预警系统，这些都是需要进一步研究的内容。

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Features of Karst Development in Wuhan Area and Treatment of Karsts Encountered in Construction of Wuhan Metro

LI Shenkui，TAO Lan
（China Railway Tunnel Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300133，China）

Abstract：The features and pattern of karst development in Wuhan area are analyzed on the basis of the karst investigation data and the karst encountered in the construction of Wuhan Metro.The treatment methods for the karst encountered in the construction of Wuhan Metro are also summarized.Conclusions drawn are as follows：1）The karst in Wuhan area belongs to shallow karst，which develops mainly within the scope of 0～15 m below the rock surface；2）The karst in Wuhan area takes the shape of karst caves，karst channels and karst troughs；3）The rate of karst cave encountering in borehole drilling is about 50%，and the rate of linear karst is about 6%；4）The deeper the karst caves，the smaller the karst cave filling rate；5）The karst can be classified into 3 geological structural types，i.e.，Type I，TypeⅡand TypeⅢ，which correspond to 3 karst subsidence risk zones，i.e.，high karst subsidence risk zone，medium karst subsidence risk zone and low karst subsidence risk zone；6）Countermeasures，including karst cave filling by grouting，grouting curtain installed in rocks，isolation of soil layers，reinforcement by jetgrouting piles and extending the retaining structures into the rock，are taken to cope with the karst encountered in the construction of Wuhan Metro.

Key words：karst development feature；geological structure；Metro works；karst treatment

作者简介：李慎奎（1984—），男，山东金乡人，2009年毕业于兰州交通大学，防灾减灾及防护工程专业，硕士，工程师，现从事隧道及地下结构工程设计工作。

收稿日期：2015－01－08；修回日期：2015－03－12

中图分类号：U 455.4

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）05－0449－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.010