地铁岩溶问题分析及试验研究

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1勘察方法选择及布置

1.1钻探

钻孔主要用于揭示地层结构、溶洞及其充填物情况、物探测试工作(如进行孔间高能电磁波CT扫描、钻孔彩色电视录像等)以及进行地下水长期观测，以达到一孔多用。在双线隧道两侧及两隧道中间交叉布置勘探孔，钻孔间距15～20m。钻孔一般布置在暗挖结构边缘外侧2～5m的位置，车站按建筑物的周边线网状布置勘探孔，勘探孔间距一般为20m左右。对于钻孔揭示位于地铁区间或车站底板以下10m范围内，且高度≥0．5倍洞径(3m)的溶洞，原则上在原钻孔周边以梅花型式布置4个孔，以进一步了解溶洞规模与形态;对于可溶岩与非可溶岩界线，按垂直已知岩层走向方向10m左右间距逐次缩小间距布孔探查确定。

1.2物探

场地主要为灰岩，具岩体完整、强度高的特征，相应弹性波速度、电阻率高，对电磁波低吸收;当岩体存在溶隙、溶洞、破碎带、软弱夹层等不良地质体时，物性特征会因其影响程度不同而发生相应变化，其主要的地球物理响应则为:弹性波速度降低，电阻率下降，对电磁波高吸收。这些规律是场地最主要的、最基本的地质、地球物理特征。测区具备电法勘探、弹性波勘探等物性条件。根据本场地区的岩土体地球物理特征，先选择高密度电法、超高密度电法、瞬变电磁法、弹性波CT、电磁波CT等物探方法，分别在石炭—二叠系高水位区和三叠系低水位区选择一对钻孔进行物探方法试验研究，并得出以下结论:(1)在探测岩溶分辨率上，井中方法优于地面方法，即弹性波CT、电磁波CT、井中超高密度电法探测岩溶效果优于高密度电法、地面超高密度电法、地面瞬变电磁法方法。原因在于地面方法“观测的角度”有限，纵向上存在1∶10的分辨率关系;横向上要保证探测分辨率，必须减少测点间距，而测点间距的减小又无法保证探测深度;此外，城市环境条件下各种环境因素的影响也是不可忽视的因素。而井中方法可以对探测区域进行“多角度观测”，分辨率较高，地下干扰因素也较小。(2)井中方法探测岩溶效果，弹性波CT最佳，电磁波CT次之，井间超高密度电法也有明显的效果。原因在于，弹性波CT、电磁波CT是以“射线勘探”为理论基础，井间超高密度电法是以“体积勘探”为理论基础，所以弹性波CT、电磁波CT分辨率优于井间超高密度电法;CT探测利用的弹性波波长小于电磁波波长，因而弹性波CT探测效果优于电磁波CT。通过试验，选定石炭—二叠系地层地下水位较高地段，以弹性波CT为主、电磁波CT为辅，三叠系地层地下水位较低地段采用电磁波CT进行探测。所有钻孔均与相邻钻孔组成跨孔电磁波CT剖面，钻孔彩色电视录像一般选择代表性地段进行。物探资料解释工作完毕后，首先根据已有钻孔揭露的溶洞对物探异常进行符合性检验;其次，对隧道底板以下10m范围内的物探异常，选择性地用钻孔进行验证。

1.3水位观测与试验

1.3.1水位观测

场地地下水按赋存或埋藏条件主要分为杂填土上层滞水、砂层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水四种类型。砂层孔隙水和岩溶水均具承压性，第四系更新统粘土层为其隔水顶板。隧道通过岩溶区，是否存在地下水及水位情况如何，对施工安全及隧道防水设计至关重要。钻孔分层水位观测方法如下:①揭穿人工填土层后，观测上层滞水水位;②继续钻进至粘性土后，下套管止水;采用提水或抽水方式检验止水效果后钻至砂层后观测砂层地下水位，直至进入基岩面后再次下套管止水;③同样方式确认止水效果良好后，再钻至进入基岩，观测岩溶水水位。在Ⅰ级阶地区，下伏岩溶地下水水头若低于上覆松散砂层孔隙水水头时，孔隙水将向下补给岩溶水，其含水介质(砂粒)将被水流不断潜蚀带走，易诱发岩溶地面塌陷。基于此，需查明砂层孔隙水与岩溶水水位及长江水位关系、三者动态变化关系。由于在同一钻孔中无法同时观测各层水位变化，故在沿线不同水文地质单元布置多组长期水位观测孔，进行分层地下水位观测。每组设主孔、副孔各1个，两孔相距2．5～5．0m。主孔进入灰岩一般12～42718m，观测岩溶水水位变化情况;副孔进入砂层一般10～15m，观测砂层孔隙水水位变化情况。

1.3.2室内试验

对各地层时代灰岩进行化学成分分析和矿物成分薄片鉴定，以了解灰岩的可溶性特征。对不同水文地质单元的地下水取样进行水质分析，通过比较主要离子含量变化和水化学类型不同，以进一步验证水文地质单元划分的准确性和地下水补排关系。地铁工程基础选型、地基或溶洞处理设计方案选择，有时取决于充填物状态，必须对各代表性充填物取样进行物理力学性质试验。武昌、汉阳地区长江Ⅰ级阶地，因存在“上部砂层与下伏可溶岩直接接触”的地质结构，为岩溶地面塌陷易发区。为预测岩溶塌陷发生后的地面影响范围和塌陷坑规模，对沿线各类砂层取样进行了水下休止角试验，并就岩溶塌陷对地铁隧道产生直接破坏和偏压影响及最小安全距离进行了分析。

1.3.3水文地质试验

为综合研究工程区岩溶水赋存条件、透水性、补排径流关系和动态变化规律，为有效预防地铁隧洞开挖过程中的涌水突泥，车站基坑降水与抗浮设计等提供可靠的水文地质参数，专门在不同水文地质单元布置多组带、多个观测孔的抽水试验。抽水试验分别布置一条平行岩层走向(预测强透水方向)和垂直岩层走向(预测弱透水方向)的观测线。为初步了解单井涌水量、透水性，并选定合适的主抽水孔和观测孔，在进行正式抽水试验前进行了简易钻孔抽水试验。

2施工地质

基于以下原因，岩溶地区矿山法隧道施工过程中必须进行施工地质工作。(1)岩溶发育非常复杂，埋藏型岩溶更难以查明溶洞分布;(2)按规程、规范要求所有钻孔均不在洞身范围内，钻探揭露的溶洞不在隧道部位，其揭示的地层岩性界线和溶洞发育位置等地质内容与隧道洞身轴线实际地质情况有一定差异;(3)物探异常具有多解性。通过施工期地质巡视、地质编录、地质观测、取样试验、超前钻探(物探、地质雷达)及专项勘察等工作，整合变形监测、安全预警等信息成果，对地铁隧道工程地质和水文地质条件进行深入细致分析，可达到以下效果:(1)对于突水涌泥、超浅埋隧洞围岩稳定等地质问题进行超前地质预报;(2)施工阶段及时发现工程性能较差、分布极不均一的杂填土、红粘土等特殊土;(3)及时检验工程开挖尤其爆破施工对围岩和周边环境的影响;(4)及时了解其它工程施工如深基坑工程对地铁隧道原有地质条件的改变。总之通过施工地质工作，对施工过程中潜在和出现的地质等问题及时分析并提出相应处理措施建议，指导施工安全、顺利进行。武汉地铁二号线建设中开展的地铁隧道矿山法施工地质及相关科研工作，是国内地铁建设史上首次尝试，对确保在复杂地质条件下的矿山法地铁隧道建设的安全施工与运行，具有重要意义。

3结语

通过对武汉地铁的岩溶专题研究，系统分析了武汉城市岩溶形成时期、发育规律和特点等。认为武汉岩溶主要形成于中更新世以前，自上而下主要分为表层岩溶带、包气带、季节变化带和水平循环带。与地铁工程关系密切的为表层岩溶带，大致位于基岩顶板以下0～5m，相应－15～－5m高程段，其岩溶形态多为“溶沟、溶槽”、陡立溶隙和小型溶洞，水平方向连通性差。中更新世及以后，基岩面以上接受第四纪沉积，地下水循环减弱，溶洞、溶隙大部分被充填，致其连通性更差。根据岩溶发育研究成果，结合溶洞与地铁隧道的位置关系，通常可划分高风险区和低风险区以针对性选择地面注浆、洞内回填等治理措施，或仅采取应急防护和永久性结构措施。

作者：张三定马贵生罗小杰殷先松粟玉英宋婧单位：长江水利委员会长江岩土工程总公司