无锡浅埋岩溶发育特征及其与隧道安全距离研究

2023-10-29郭书兰阎长虹俞良晨闫超李慧徐源

南京大学学报(自然科学版) 2023年5期

郭书兰 ,阎长虹 ,俞良晨 ,闫超 ,李慧 ,徐源

（1.智能地下探测技术重点实验室，安徽建筑大学，合肥，230601；2.安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601；3.南京大学地球科学与工程学院，南京，210023；4.南京地铁建设有限责任公司，南京，210008）

近年来，为了缓解交通拥堵，地下隧道工程发展迅速［1-3］.而我国是一个岩溶广泛分布的国家，在地下隧道施工过程中经常会遭遇岩溶，导致地面塌陷、隧道突水、掌子面失稳等地质灾害［4-5］，造成重大的人员伤亡和经济损失.因此，岩溶地区的地下施工安全成为亟待解决的问题，国内外学者对其开展了一系列的研究.Ren et al［6］依据相关资料对广州市的岩溶地质条件进行分析，总结了广州地铁施工过程中潜在的岩溶地质灾害，提出了相应的应对措施.Zhang et al［7］则利用模糊评估系统对隧道施工中可能遭遇的岩溶地质问题进行了预测，模糊评估系统中应用探地雷达、瞬变电磁法等物探方法，可以较为准确地提供施工区间的岩溶地质特征，为隧道施工灾害防范提供强有力的技术支撑.常威等［8］以张家界—吉首—怀化高速铁路的兰花隧道为例，在岩溶水文地质调查基础上结合地下水多元示踪技术，查明了兰花隧道区各岩溶地下水系统以及地下暗河管道的空间展布，并开展了相关隧道水害预测工作.吴远斌等［9］以重庆中梁山地区隧道工程为例，研究了隧道开挖影响下岩溶塌陷形成演化模式及防治对策.

在岩溶地区进行地下工程施工时必须了解场区的岩溶发育特征，才能采取对应的预防措施，防止施工过程中岩溶地质灾害的发生［10-11］.Guo et al［12］针对无锡地铁隧道施工中遭遇的浅埋岩溶地质问题利用自主研发的CT 物探技术对区域岩溶地质特征进行了勘查与分析，得到无锡地区浅埋岩溶发育机理与分布规律，并成功地应用到盾构掘进选线与地质灾害预防中.李华明等［13］以峨汉高速的庙子坪隧道为研究对象，开展隧道沿线岩溶发育特征的探测，并通过现场监测数据分析了岩溶发育特征对隧道开挖的影响.与此同时，在岩溶区查明了岩溶发育特征之后进行隧道施工仍然会遭遇许多地质问题，其中水文地质条件和工程地质条件复杂且具有不确定性尤为突出.柳林等［14］结合南宁某地下工程施工过程中遭遇的地面塌陷问题展开机理分析，研究结果表明研究区场地内岩溶强发育，在施工过程中抽水导致发生潜蚀作用，从而发生了地面塌陷.

无锡地区地处苏南城市群核心地带，近年来随着其地铁隧道的大量建设以及地下空间的不断开发，浅埋岩溶侵蚀灾害问题越来越突出，在施工过程中稍有不慎便会因岩溶地质灾害而引发工程事故.在过去，由于无锡地区岩溶分布不广泛、规模也较小，只有在工程建设过程中遇到岩溶时才会对其进行探测和治理，缺乏对岩溶的成因、发育规律及其溶蚀作用的系统研究，隧道工程施工更是面临“无经可取”的窘境.为此，本文针对这一现状，开展无锡典型浅埋岩溶区的岩溶发育特征探测及分类，并结合无锡某地铁隧道具体工程对隧道与溶洞之间的安全距离进行研究，可为无锡浅埋岩溶区隧道工程施工提供指导.

1 地质背景

无锡市位于江苏省南部，北依长江，南临太湖，为长江三角洲冲积平原地貌.在地铁建设过程中，靠近惠山附近发现了较多的浅埋藏型岩溶，对地铁施工及运营期具有潜在的岩溶灾害危险性.其中研究区地铁隧道及勘探点的平面布置如图1a，典型工程地质剖面图如图1b 所示.经过调查，研究区基岩由石炭系砂岩组成，上覆二叠系、三叠系、侏罗系和白垩系地层.灰岩位于中石炭统（C2h）-上石炭统（C3c）内，呈灰白色，隐晶质结构，块状构造，按风化程度可分为强风化灰岩、弱风化灰岩和微风化灰岩，原岩结构构造清晰，主要矿物成分为方解石、白云石等，局部可见方解石脉.研究区灰岩在地铁线路范围内有一定起伏，标高约为-18～-30 m，地层向东南倾，倾角10°～20°.

图1 研究区地铁隧道和勘探点平面布置图(a)及典型工程地质剖面图(b)Fig.1 Layout plan of subway tunnel and exploration points (a),typical engineering geological profile (b)

通过调查与试验分析发现，场区内含水层由潜水、岩溶水和裂隙水组成，场区内地下水沿地层向东南方向流动，且腐蚀性CO2含量丰富（平均10.34 mg·L-1）.因为场区地表分布渗透性较差的填土，地表水对岩溶发育的影响不大.然而，由于离山很近，降雨会沿着山两侧的岩石裂缝和断裂带向下渗透，形成地下水，而且地势陡峭，地下水流动性较大.另外，场区内有两条大型断层：苏锡常断层以及和桥-阳山断层，还有一些向西北倾斜50°～71°的小断层，这些断层的存在为水的运移提供了通道.因此，活跃的地下水在岩溶形成过程中起着主导作用，为岩溶洞穴和裂缝的形成创造了适宜的环境（图2）.

图2 研究区三维地形示意图Fig.2 3D topographic map of the study area

2 浅埋岩溶发育特征

2.1 野外探测为了探测场区的岩溶发育情况，采用钻探和跨孔CT 相结合的方法，对场区的岩溶进行探测.其中根据周边环境共布置了18 个钻孔（图1a），钻孔深度标高达-42 m.依据钻孔结果发现溶洞的顶板位于标高-17～-37 m 处，溶洞的最小球直径（椭球长轴）为1.56 m，最大直径（长轴）为12.10 m，如图3 所示.从图中可以看出，一些溶洞完全由硬塑性黏土填充，另一些溶洞由可塑、流体状的粉质黏土半填充，同时还有空的溶洞存在.

图3 钻孔岩溶照片Fig.3 Photos of karst caves in the boreholes

为了详细探测场区内发育的岩溶，研究区采用了跨孔CT 技术对溶洞、土洞和岩体破碎位置进行探测.野外探测设备主要包括电火花激发装置、水下检波器、地震仪和笔记本电脑.采用一个孔激发，另外一个孔接收的方式，在一个钻孔内放置连接220 V 交流电的电火花激发装置，在另外两个孔内分别放置一串检波器（图4a）.当电火花装置激发后，探头放电产生汽化发生爆炸，通过光电传感器将光信号转化为电信号，地震仪接收电信号，采样频率为0.125 ms，记录长度为0.2 s，由笔记本电脑负责记录及数据处理（图4b）.解译方法则根据触发信号为零延的特性，通过地震仪将瞬时激发的人工地震波准确记录下来，利用广义最小二乘法进行剖分单元的波速计算，将CT 弹性纵波绘制成波速等值线云图，最后根据弹性波在岩土体内的传播速度变化特征来推断介质的空间分布情况（图4c）.

图4 跨孔CT 探测系统Fig.4 Working flowcharts of the cross-hole seismic CT techniques

利用上述的跨孔CT 技术，在研究区场地内共发现了29 个溶洞（图5）.大部分溶洞呈扁圆形或椭圆形，由含砾石的粉质黏土或淤泥质粉质黏土填充，直径（长轴）在1～10 m.

图5 基于跨孔CT 解译结果的场区岩溶发育图Fig.5 Karst development map of the site based on cross hole CT interpretation results

2.2 岩溶发育特征及其分类岩溶的控制因素包括地形、构造特征、降雨和地下水.此外，人类活动，尤其是非法开采地下水，在加速岩溶形成方面也发挥了重要作用.另外，由于岩溶发育在不同时期，岩溶塌陷也会在不同时期发生，导致有些溶洞与第四纪沉积物具有很好的相关性，有时甚至会形成土洞.

根据探测得到的溶洞大小、位置和填充类型以及对地铁隧道的潜在影响，本文将研究区内的溶洞分为四种类型，如表1 所示，其中Ⅱ型溶洞在研究区内最为发育.

表1 场区溶洞分类表Table 1 Classification of karst cave

Ⅰ型：在土层和岩石界面下方发育，呈椭球形，填充物主要为含砾石的粉质黏土，其性质与上覆土层相同.溶洞顶层厚度一般较小，部分地段与第四系地层相连.这些溶洞是在石灰岩暴露并压实Q3层后不久形成的.

Ⅱ型：是由古岩溶进一步侵蚀而成，在土层和岩石界面下方发育，呈现出上部水平椭球形，下部扁球形的特殊形状，并且溶洞之间有良好的连通性，很容易进一步侵蚀扩大.

武汉市种植EK2S不育期从7月上旬到9月上旬，不育期长达2个月，败育类型在多数情况下为无花粉型。2018年送华中农业大学植物科学技术学院进行人工气候箱育性鉴定。由表2可知，无论是长日低温（14.5 h，23.0 ℃）处理，还是短日低温（12.5 h，25.0℃）处理，EK2S不育性都较稳定，其花粉败育度均在99.58%以上，自交结实率均为0，在长日自然温度（14.5 h／自然温度）条件下，其花粉败育度为100%，自交结实率为0。

Ⅲ型：溶洞顶部近乎与土岩界面相切，呈水平椭球形，是在Q3沉积后形成的，随着时间的推移，它们的规模不断扩大，形成新的岩溶.

Ⅳ型：溶洞发育在灰岩的中部，规模较小.周围岩体中节理裂缝发育.它们是典型的新近形成的溶洞，规模在缓慢增加.

3 溶洞与隧道间的安全距离计算

溶洞类型以及溶洞与隧道之间的距离是影响隧道开挖稳定性的重要因素［15-16］.本文以无锡某地铁隧道为例，利用数值模拟方法对溶洞与隧道间的安全距离进行分析计算.拟建隧道顶板标高为-12.84～-2.98 m，底板标高为-18.82～-9.21 m，采用直径6 m 的圆形盾构施工.根据设计要求，隧道的变形必须控制在0.4%R（R：隧道直径）以内，即24 mm，而地表沉降必须小于20 mm.

3.1 数值模拟计算结合隧道高程和岩溶发育特征，发现研究区内的溶洞几乎都在隧道的下方，距离隧道底板最近的只有1 m，最远为20 m.影响岩溶区隧道稳定性的因素有很多，包括岩溶分布、溶洞充填物类型、溶洞体积、隧道与溶洞之间的距离等.因此，为了研究四种类型的溶洞对隧道开挖稳定性的影响并进行安全距离的直观的对比分析，本文在模拟分析过程中做了一定的简化.首先取各类型岩溶溶洞距土岩界面距离最小的工况进行模拟分析.其次参考研究区不同类型岩溶溶洞体积分布情况，取四种类型岩溶最典型的溶洞大小进行分析，并通过固定溶洞的直径来达到控制不同类型溶洞的大小的目的（表2）.最后利用FLAC3D数值模拟软件，建立图6 所示的模型，对表2 所示工况下隧道开挖引起的围岩变形及隧道拱顶位移和地表沉降变化进行模拟分析，得到不同类型岩溶隧道与溶洞之间的安全距离.所有模型尺寸均为X×Y×Z=72 m×72 m×72 m，模拟过程中模型四周约束水平位移，底部约束水平和垂直位移，模型上部为自由边界.地层单元采用摩尔-库仑本构模型，未充填溶洞采用空模型，地层的相关物理和力学参数如表3 所示.

表2 数值模拟工况Table 2 Conditions considered in numerical simulation

表3 地层物理和力学参数Table 3 The physical and mechanical parameters of the formation

图6 四种类型溶洞的数值模拟模型（D=5 m）Fig.6 Numerical model of four kinds of karst caves (D=5 m)

3.2 模拟结果分析

3.2.1 隧道围岩变形隧道掘进与支护的施工过程中伴随着应力重分布，会导致围岩应力场发生改变，进而导致围岩及支护结构发生变形，而岩溶类型、隧道与溶洞之间的距离均会对隧道围岩变形产生影响，表4 为隧道开挖后各工况下隧道围岩的最大变形值.从表4 可以看出：

表4 隧道开挖围岩最大变形值（单位：mm）Table 4 Maximum Z-displacement (m) of in y=36 m plane (units: mm)

（1）对于同一类型的溶洞，隧道围岩变形整体呈现出随着D值的增加变形量逐渐减小，但当D=3 m 和D=5 m 时因隧道局部地层为碎石层，强度较大，变形量不满足上述规律；

（2）当D≤9 m 时，在相同距离下，在Ⅰ型溶洞上进行隧道掘进引起围岩形变量最小，而造成围岩形变量最大的岩溶类型不固定.

3.2.2 隧道拱顶位移在溶洞的影响下，隧道的变形主要包括拱顶沉降、拱底隆起以及拱腰的侧向位移，其中，拱顶的位移最大.因此，在隧道开挖过程中，考虑施工是否符合标准时，应该首先关注拱顶沉降［17-18］.如图7 所示是场区隧道在不同工况下开挖后拱顶的沉降情况，从图7 中可以看出：（1）隧道进口（0～3 m）、出口（69～72 m）和溶洞区（33～39 m）的位移最大；（2）当D=1 m 时，Ⅳ型溶洞引起的隧道拱顶沉降最大，Ⅰ型溶洞引起的隧道拱顶沉降最小，当D=3/7/9 m 时，Ⅰ型岩溶引起的隧道拱顶沉降最小，引起隧道拱顶沉降最大的岩溶类型不固定，D=5/11/13 m 时，四种岩溶类型引起的隧道拱顶沉降差距很小；（3）根据隧道变形控制应＜24 mm，因此，溶洞与隧道间的安全距离分别为5，11，13 m.

图7 隧道拱顶沉降位移图Fig.7 Settlement of top of arch

3.2.3 地表沉降位移除了隧道拱顶位移外，地表沉降也是监测施工安全性的重要指标.图8～11 是四种类型的溶洞在不同工况下隧道开挖引起的地表沉降位移图.

图9 不同条件下Ⅱ型溶洞引起地表沉降位移云图Fig.9 Surface subsidence of type Ⅱ under different distanc

图10 不同条件下Ⅲ型溶洞引起地表沉降位移云图Fig.10 Surface subsidence of type Ⅲ under different distance

图11 不同条件下Ⅳ型溶洞引起地表沉降位移云图Fig.11 Surface subsidence of type Ⅳ under different distance

结合数值模拟得到的图8～11 可以看出：

（1）在隧道与溶洞距离相等且该距离无法保证隧道拱顶位移在安全范围的条件下，Ⅰ型岩溶相较于其他类型岩溶引起的变形最小.

（2）隧道与溶洞之间的距离会影响隧道开挖后地表发生沉降的数值，在研究区所有类型岩溶中进行隧道施工后均满足：当D=5 m 时，地表沉降量最小；当D=9 m 时，地表沉降量最大.

（3）所有的地表沉降均小于20 mm，满足设计和施工要求.

综合上述所有数值模拟结果来看，在隧道与溶洞距离相等且该距离无法保证隧道稳定性的条件下，Ⅰ型岩溶相较于其他类型岩溶引起的变形最小.造成这种结果的原因是充填物的影响，即I型岩溶溶洞虽然较大，但其充填物为含砾石的粉质黏土，其强度高于Ⅱ型和Ⅲ型岩溶中充填的淤泥质粉质黏土和Ⅳ型岩溶的空洞.此外，根据前面的分析，四种类型溶洞与隧道之间的安全距离均为D=5 m 或者D≥11 m.相较于安全距离为D≥11 m 的这种结论，这里需要特别指出D=5 m为安全距离的原因.这是因为当D=5 m 时，隧道所在地层为碎石层，强度较大，溶洞对其影响较小，所以当D=5 m 时隧道开挖引起的变形要小于D=7 m 和D=9 m.