无锡地铁某区段岩溶发育特征及地基稳定性理论分析

郭书兰, 刘 羊, 董聪慧, 俞良晨, 李佳宝

(1.安徽建筑大学 安徽省膨胀土力学与工程研究院,安徽 合肥 230601; 2.广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州 510060; 3.中铁南方投资集团有限公司,广东 深圳 518054; 4.南京大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 210023)

随着城市建设的快速发展,轨道交通已成为一座城市的名片,但中国是一个岩溶广泛分布的国家,在轨道交通建设过程中经常会遇到岩溶地质灾害问题,由岩溶引起的地面塌陷、隧道突泥突水等工程问题很多[1],例如2002年圆梁山隧道突水事故、2007年伊万铁路野山关突泥突水事故。灰岩等碳酸盐岩具有可溶性,在一定的水力及地质环境条件下,易发生岩溶溶蚀作用,形成各种各样的溶蚀构造,严重威胁地基与基础工程的安全性[2-3]。因此对于岩溶区,需进行专门的岩溶工程地质勘探[4]。

受地质构造与地质环境等影响,岩溶发育特征具有地域性,不同区域的岩溶分布规律不同,研究岩溶的发育特征非常有益于地铁等轨道交通的设计与施工[5]。但受制于岩溶地质条件的复杂性及地域性,在地下工程勘察与建设中,理清岩溶发育特征并查明岩溶分布规律比较困难,需要不断地进行探索。目前在岩溶工程勘察中,常用钻探方法来查明岩溶发育情况,但是现有的钻探方法经济性较低,在控制成本的条件下钻孔数目较少且间距较大,导致最终的钻探结果与实际岩溶分布存在较大的出入[6]。近年来,物探技术逐渐发展,包括微动勘探、高密度电法、跨孔CT等,不同的物探技术优缺点各不相同,比如微动勘探具有探测深度大、抗干扰能力强的特点,高密度电法是一种较为可靠、便捷且经济的方法,但上述常规的物探方法均存在物探结果分辨率不高的问题[7-8]。综合来看,目前运用CT技术进行钻孔间的岩溶探测越来越广泛,且解译效果优于其他物探方法[9-10]。

无锡地区作为苏南地区核心地带,随着城市建设的发展,地下工程发展迅速,越来越多的地铁工程建设涉及到岩溶问题[11]。与中国西南地区不同,苏南地区的岩溶发育规模较小,在工程建设过程中很容易被忽视[12]。近年来无锡地区频繁出现岩溶引起的地面塌陷地质灾害问题,引起了国内外众多学者的关注,也引起了工程建设部门的重视。但是由于前期研究较少,目前缺少系统的无锡地区岩溶发育情况及其岩溶地质灾害的资料。因此,结合无锡地铁4号线某区段的工程地质条件以及水文地质条件,运用跨孔CT技术得到场地的岩溶发育特征,在此基础上对场区地基开展稳定性分析,为岩溶地基的处理及地铁的设计与施工提供科学依据。

1 场区概况与地质条件

1.1 场区概况

如图1所示,无锡地铁4号线某区段位于无锡市滨湖区范围内。该工程运用传统的矿山法及盾构法进行施工,并在勘察过程中发现该区段地基埋藏型岩溶发育。场区位于山前缓坡区段,水位变化大,溶洞的大小及充填物性质各异,在施工中很容易出现不均匀沉降、地面塌陷等工程地质灾害问题,直接影响设计方案与施工方法的选择。场区位于湖积平原区,地形起伏小,地层倾向SE,走向NE,倾角较缓,多在10°～20°。基岩埋深在21～32 m,土岩界面在空间上呈波状起伏。此外,该区属于亚热带季风气候区,四季分明,降雨丰沛。场区内不存在地表河流,但其北临惠山,南接太湖,地下水径流极其活跃,这些都给岩溶发育提供了基础条件。

图1 场区地铁线路示意图Fig.1 Subway line section in the field area

1.2 区域地质构造

区域资料显示,无锡市区地貌以平原为主,零星散布着低山、残丘。经现场勘察,场区地形较平坦,现状地面标高在5.0～9.8 m,地形呈现出“V”字形(三山夹两盆)。经过现场工程地质踏勘,发现场区附近存在2条断裂。场区处于马山—惠山背斜东南翼,并且苏锡常断裂(F1)和和桥—阳山断裂(F2)交汇于此。其中苏锡常断裂是无锡—宿迁断裂的一部分,走向NE,倾角约60°,在产山新村东侧与地铁线路相交。场区内断裂自晚更新世以来皆未活动。

1.3 工程地质条件

场区典型的工程地质剖面图如图2所示,地层从上到下依次为填土、黏土、粉质黏土、黏土、碎石土、残积土及灰岩(表1)。依据地铁隧道线路原设计方案,地铁线路在空间上埋深有变化,地铁隧道施工过程中需穿越粉质黏土、黏土、碎石土、残积土等多层土,部分隧道的底板直接坐落于灰岩之上。研究区地层平缓,溶洞、土洞较多,主要发育于土岩界面上及灰岩中,区域探测到的溶洞皆位于隧道底板下方,钻探揭示岩溶充填物主要为含碎石粉质黏土、淤泥质黏土和黏土。

表1 场区地层基本情况Table 1 Stratigraphic conditions of the field area

图2 典型工程地质剖面图Fig.2 Typical engineering geological profile

1.4 水文地质条件

根据现场调查,场地范围内不存在现状河道及池塘,区域降雨补给及地下水径流示意图如图3所示。该区地下水类型主要为松散岩类孔隙水、岩溶水及基岩裂隙水。地下水化学成分受地层岩性及埋深影响而具有较大差异性,另外因为地层的富水程度不同,场区岩溶发育规模及岩溶特征不一,在垂直向上具有明显的分带性[13-14]。场区岩溶水主要来源为降雨入渗补给,由于区内基岩上覆土层较厚,降雨在下渗过程中会发生过滤作用而造成CO2含量降低,导致岩溶发育规模较小。另外,水的运移条件也是岩溶发育的必要条件之一。场区距离惠山较近,地下水径流速度快,地下水很活跃。同时,当地的降雨条件也会对岩溶发育造成一定的影响。无锡每年的5—9月为降雨期,地下水位一般在4—5月随着降雨量的增加而逐渐上升,并在7—8月达到峰值。进入秋冬季,伴随着降雨量的减少,地下水位逐渐下降,所以区内地下水位波动较大。除此之外,场区处于无锡市繁华地段,高楼林立,地面荷载较大,加之人为抽取地下水,加剧了地下水的变动速率,引发了包括岩溶地基塌陷、地面沉降等工程地质问题。

图3 地下水径流示意图Fig.3 Schematic diagram of groundwater runoff

2 场区地基岩溶发育特征与发育机理

2.1 跨孔CT探测原理与方法

本文利用跨孔CT探测技术对场区地基中的土洞、溶洞及岩体破碎处等不良地质体进行探测,测线布置见图1。现场布置了25条探测剖面,采用一孔与周围多孔联合进行测量,每个剖面各有1个激发孔和1个接收孔,钻孔深度18～52 m,孔间距16～88 m。跨孔CT探测室外采集装置如图4所示,包括3个部分:激发装置、检波器和地震仪。激发探头和检波器分别放置于2个钻孔之中,激发探头释放光信号,光电传感器将光信号转变成电信号,电信号通过检波器被地震仪接收。

图4 跨孔CT现场试验设备Fig.4 Cross-hole CT field test equipment

室内解译工作采用波速层析成像技术,依据弹性纵波在地层中的传播速度推断出地层及不良地质体空间分布情况。跨孔CT探测数据的处理共分4个步骤:①数据滤波;②拾取初至波走时;③反演波速;④CT图像成图。最终的解译结果是展示2个钻孔之间地层的波速等值线云图,并依据不同地质体的波速判别出溶洞、土洞等不良地质体及土岩界面(图5)。

图5 跨孔CT探测技术解译结果Fig.5 Interpretation results of cross-hole CT detection technology

2.2 岩溶发育特征

通过探测,在场区内发现36个地质异常体,分别为26个充填型溶洞(含3对串珠状溶洞)、3个空洞和7个裂隙带或松散土体。场区内的溶洞多呈扁圆形或不规则椭圆形,其形状取决于岩层的产状和完整性。当地层倾角较小且岩石完整性较好时,洞穴倾向于水平发育;当岩层倾角较陡且岩石破碎时,洞穴倾向于垂直发育,几乎所有的串珠状溶洞均呈扁圆形,而且相互连接。另外,充填类型对溶洞体积影响较大,当充填物以黏土为主时,充填物结构松散,溶洞直径一般为2～5 m;当充填物为砾石土时,洞径一般在4～12 m。场区内发育的岩溶具有比较明显的垂向分带性,结合地铁隧道线路设计方案及解译的岩溶空间分布情况,发现溶洞均位于隧道下方,距隧道底板最小距离仅为3.2 m,最大距离为24.3 m,距离隧道较近的溶洞均为充填型溶洞。

探测结果表明,岩溶大部分沿地层界面和岩体中的裂隙发育,从图6可以看出:岩溶发育具有明显的纵向强弱分带特征。岩溶的发育标高为-42～-15 m,在标高-21～-30 m区间内溶洞数量最多,岩溶发育最为强烈;在标高-15～-18 m区间内溶洞数量最少,岩溶发育规模较小;在其他标高区间内岩溶发育相对较弱,溶蚀现象很少。场区内发育的溶洞大部分被完全充填或部分充填,溶洞最发育的区间,溶洞充填率为65%～100%。

图6 溶洞垂直分带图Fig.6 Vertical zonation of karst

2.3 岩溶发育机理

根据场区岩溶发育特征以及溶洞的形状、位置和充填类型,可以将研究区溶洞划分为5种类型(图7),其中,Ⅰ型溶洞是早期灰岩裸露阶段遭受侵蚀后地层沉积压实形成,可以视为古岩溶,且进一步发育的可能性很小;Ⅱ型溶洞是古岩溶再次遭受侵蚀发育而成,该类溶洞的形状比较特殊,溶洞上部呈水平向椭圆状,下部为似圆状,且与周围溶洞的连通性较好,溶洞进一步发育的可能性很大;Ⅲ型溶洞很明显是灰岩接受沉积之后遭受侵蚀而形成,规模随时间也在不断变大,视为新岩溶;Ⅳ型溶洞是典型的新近发育岩溶,随时间变大的速度很慢;Ⅴ型溶洞周围岩体节理裂隙发育,该类溶洞也是新近形成的溶洞,但是其随时间变大的速度比较快。

图7 场区溶洞分类及特征Fig.7 Classification and characteristics of karst caves in the field area

总体看来,场区地表多被黏土等第四系沉积物覆盖,其渗透性较差,降雨无法直接通过地表入渗到地下碳酸盐岩中,所以场区埋藏型岩溶发育需要特殊的导水构造,如断裂、层间裂隙等。另外,场区碳酸盐岩的倾角一般较缓,且相对较完整,降雨通过构造裂隙等入渗至地下后,大部分会沿土岩界面及裂隙面流动,所以场区埋藏型岩溶大多发育在土岩界面附近及岩体裂隙中,并且受地下水位变动影响,岩溶发育在空间上具有明显的纵向强弱分带特征。近年来,随着人为活动的不断增多,地下水的过度开采加速了水的渗流,这同时加速了埋藏型岩溶的发育。

3 地基稳定性分析

3.1 地基稳定性的定性分析评价

根据场区岩溶发育特征与发育机理来看,影响地铁工程地基稳定性的因素较多,主要包括地质构造特征、岩石特征、溶洞发育特征、地下水赋存状态及人为影响因素等。

(1) 地质构造与地下水。地质构造与地下水活动密不可分,对岩溶的发育方向和空间展布具有重要的控制作用[15]。地质构造对岩溶发育和地基稳定性的影响可以按照褶皱和断裂去分析[16-17]。场区地块在新构造运动时期以隆升为主,岩溶作用以垂向发育为主。场区处于马山—惠山背斜的东南翼,在褶皱作用下,岩体较破碎,核部节理遍布,岩体空隙、裂隙面较粗糙,无胶结或弱胶结。场区在地理上北靠惠山南接太湖,整体呈现山体陡峻、山前低洼的地形地貌特征,地下水主要在背斜枢纽处汇流。近年来,惠山绿化种植面积增加,有效减少了山上的地表径流,降雨主要沿山体的断裂及节理裂隙等入渗到山体,然后向山脚汇集,山脚表层为不透水的填土层,地下水无法排泄,主要沿地质界面(层面及构造裂隙面)向低洼处运移,在运移过程中会对岩层和构造破碎带进行侵蚀。与此同时,场区地下水位变动较大,地下水的径流速度较快,再加上降雨的影响,区域发育的苏锡常断裂、和桥—阳山断裂在场地内形成了一个天然的富水构造,导致该区埋藏型溶洞较为发育,岩溶地基稳定性差,严重威胁地铁隧道的施工安全。

(2) 岩石。场区岩石呈厚层块状产出,质纯。室内试验结果显示岩石强度较高,同时倾角平缓,对地基稳定性有利[18]。

(3) 溶洞洞体。由跨孔CT探测、钻探及岩溶发育特征分析可知,场区内发育的岩溶具有比较明显的垂向分带性,且呈现强弱交替的分布特点。场区大部分溶洞埋深较深,溶洞上部的覆盖层较厚,溶洞大部分被完全充填或部分充填,连通性较差,有利于岩溶地基的稳定。

3.2 基于双向受压无限板理论和格里费斯准则的地基理论计算分析

3.2.1 单个溶洞的双向受压无限板计算模型

场区内溶洞直径较小且埋深较深,在分析单个溶洞地基周边的围岩应力时,可将此问题简化为受溶洞作用的双向受压无限板应力分布问题。在这里假定岩体是均质、连续、各向同性的线弹性材料,溶洞的断面形状为圆形,溶洞无充填。为便于计算,相关应力数值利用极坐标系进行计算。另外,根据场区溶洞的形状及尺寸可知,溶洞断面尺寸较其延伸长度相对较小,可进一步简化为平面应变问题开展理论分析。采取上述简化假定后,计算模型如图8所示。

图8 单个溶洞计算模型Fig.8 Single cave calculation model

实际工程中,岩溶地基水平地应力q与垂直地应力p并不相同,可把它视为2个柯西问题相互叠加后的作用效果。当水平地应力q与垂直地应力p同时作用时,单个溶洞地基附近的围岩应力可用下列公式表示:

(1)

式中:σγ、σθ和τγθ分别表示围岩中某一点的切向应力、径向应力及剪切应力;θ表示围岩中某一点和水平轴之间的夹角;r0表示坐标原点到围岩中某一点的距离;a为溶洞平面上的半径。

在土洞周边r=a处,圆形断面土洞周边的应力可根据式(1)计算,结果为切向应力σγ最大,径向应力σθ=0,剪切应力τγθ=0。

3.2.2 串珠状溶洞的双向受压无限板计算模型

场区除存在单个溶洞外,局部还发育有串珠状溶洞,大多数为双洞(孔)分布,两溶洞(圆心)之间的距离最小为7.5 m,其中溶洞半径大约为1.2 m。溶洞与溶洞之间没有大的连通通道,连通性较差。同样地,为了计算方便,假设岩体是均质、连续、各向同性的线弹性材料且溶洞形状大小相同为圆形(图9),双向受压p=q,同时假定溶洞边界上不存在任何外力,距离溶洞无限远处的应力为双向受压状态,由此可得式(2):

图9 串珠状溶洞圆孔围岩上的应力Fig.9 Bead like cavern of round hole in infinite plate

(2)

用极坐标求解:

(3)

应力分量可按下式求出:

(4)

在平面的双向受压条件下,U0(ξ,η)函数表达式如下:

(5)

经Ling[19]研究发现,在p=q(二向等应力)时,溶洞边界上的最大应力σξ位于A点和C点处。当a=2时,双孔串珠状溶洞边界的应力条件与单个溶洞是一致的。换言之,当2个溶洞距离>4R时,双孔串珠状溶洞可按3.2.1节单个溶洞理论分析岩溶地基的稳定性。并且当地铁隧道底部与溶洞之间距离>5R时,便可利用柯西解答来计算分析溶洞围岩的应力分布。

3.2.3 场区溶洞围岩稳定性分析

基于前述的理论分析,通过计算可以得到场区溶洞周边围岩的次生应力,进而计算得到溶洞周边应力值分布,并与周边岩土体强度进行比较,当应力值超过岩土体强度时,隧道施工容易发生失稳。场区内溶洞所受竖直应力p由土压力、水压力、岩石压力及构造应力等共同产生。为求得场区溶洞围岩的应力分布,引入岩石的侧压力系数λ,λ=μ/(1-μ)(μ为岩石的泊松比,取值为0.4)。根据规范和场区土层的分布情况,算得距溶洞中心5R处的竖直和水平应力为:p=64.4 kPa,q=42 kPa。将其带入式(1)可得到土洞周边的应力,同时土洞静水压力为pw=γwhw=35 kPa(γw为水的重度;hw为潜水面至土洞中心的距离)。

因此,土洞周边的径向应力σθ及切向应力σγ均应加上静水压力。那么,考虑地下水影响时,土洞周边的σγ、σθ大小应该如表2所示。

表2 土洞不同位置对应的σγ、σθ值Table 2 The value of σγ and σθ

从计算结果可以看出,当θ=0°时,σθ最大为151.2 kPa。根据土洞破坏区塑性边界理论方法[20],可求得某点处的大、小主应力σ1、σ3:

(6)

最后,根据求得的大、小主应力σ1、σ3,用莫尔—库仑准则来判别土体是否会发生破坏,以此判断地基的稳定性。

这里需要说明的是,本文提出的地基理论计算模型主要是依据溶洞分布情况计算溶洞附近围岩以及土体的应力分布情况,并推断出不同类型溶洞在不同距离区间下对隧道应力的影响及简化计算方法。针对不同类型岩溶周边的土体或围岩,可以依据地基理论计算模型计算出土体或围岩应力分布,进而指导隧道支护设计方案,后期可带入隧道施工稳定性计算中。如果拟建隧道区域范围内土体依据莫尔—库仑准则处于可能发生剪切破坏的状态,则建议在地铁隧道施工前进行注浆等超前加固措施。因此,本文并未考虑地铁隧道开挖建设影响,而是依据上述理论推导单个溶洞及串珠状溶洞下拟建隧道区域的应力分布情况,结合岩土强度理论,指导地铁隧道的施工设计方案。

4 结论与建议

(1) 在进行岩溶专项勘探时,建议采用工程地质物探、钻探及地质分析相结合的研究方法,此外要充分认识岩溶的发育机理及规律,有利于实现岩溶地质勘察的高效布置钻孔。

(2) 本研究场区的溶洞分布及大小受地质构造、地形地貌、地层岩性及地下水变动影响,溶洞发育规模较小,面积多在2 m2以下,大多发育在土岩界面及岩体裂隙上且具有明显的纵向强弱分带特征,溶洞之间连通性较差,建议经注浆处理后便可进行地铁工程建设。

(3) 该地铁区段的隧道底板埋深有一定变化,且土岩界面起伏较大,地铁隧道需穿越多层土层,其力学性质较差,要先进行上部土层加固,并且在施工中应加强超前预报及地面形变监测工作。

(4) 当在浅埋岩溶区进行工程建设并将岩溶地基作为相关建(构)筑物的持力层时,地基稳定性评价工作建议采用地质力学及理论计算相结合的方法。本文推导出的地基稳定性计算公式可用于岩溶地基稳定性评价工作并指导隧道施工方案设计。另外,本文的相关假定会导致分析结果存在一定的误差,建议在稳定性分析中取安全系数的临界值为1.2。

致谢：感谢无锡市政设计研究院有限公司在野外探测与解译过程中给予的大力支持。