郭書蘭, 劉 羊, 董聰慧, 俞良晨, 李佳寶
(1.安徽建筑大學 安徽省膨脹土力學與工程研究院,安徽 合肥 230601; 2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510060; 3.中鐵南方投資集團有限公司,廣東 深圳 518054; 4.南京大學 地球科學與工程學院,江蘇 南京 210023)
隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,軌道交通已成為一座城市的名片,但中國是一個巖溶廣泛分布的國家,在軌道交通建設(shè)過程中經(jīng)常會遇到巖溶地質(zhì)災(zāi)害問題,由巖溶引起的地面塌陷、隧道突泥突水等工程問題很多[1],例如2002年圓梁山隧道突水事故、2007年伊萬鐵路野山關(guān)突泥突水事故?;?guī)r等碳酸鹽巖具有可溶性,在一定的水力及地質(zhì)環(huán)境條件下,易發(fā)生巖溶溶蝕作用,形成各種各樣的溶蝕構(gòu)造,嚴重威脅地基與基礎(chǔ)工程的安全性[2-3]。因此對于巖溶區(qū),需進行專門的巖溶工程地質(zhì)勘探[4]。
受地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)環(huán)境等影響,巖溶發(fā)育特征具有地域性,不同區(qū)域的巖溶分布規(guī)律不同,研究巖溶的發(fā)育特征非常有益于地鐵等軌道交通的設(shè)計與施工[5]。但受制于巖溶地質(zhì)條件的復(fù)雜性及地域性,在地下工程勘察與建設(shè)中,理清巖溶發(fā)育特征并查明巖溶分布規(guī)律比較困難,需要不斷地進行探索。目前在巖溶工程勘察中,常用鉆探方法來查明巖溶發(fā)育情況,但是現(xiàn)有的鉆探方法經(jīng)濟性較低,在控制成本的條件下鉆孔數(shù)目較少且間距較大,導致最終的鉆探結(jié)果與實際巖溶分布存在較大的出入[6]。近年來,物探技術(shù)逐漸發(fā)展,包括微動勘探、高密度電法、跨孔CT等,不同的物探技術(shù)優(yōu)缺點各不相同,比如微動勘探具有探測深度大、抗干擾能力強的特點,高密度電法是一種較為可靠、便捷且經(jīng)濟的方法,但上述常規(guī)的物探方法均存在物探結(jié)果分辨率不高的問題[7-8]。綜合來看,目前運用CT技術(shù)進行鉆孔間的巖溶探測越來越廣泛,且解譯效果優(yōu)于其他物探方法[9-10]。
無錫地區(qū)作為蘇南地區(qū)核心地帶,隨著城市建設(shè)的發(fā)展,地下工程發(fā)展迅速,越來越多的地鐵工程建設(shè)涉及到巖溶問題[11]。與中國西南地區(qū)不同,蘇南地區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)模較小,在工程建設(shè)過程中很容易被忽視[12]。近年來無錫地區(qū)頻繁出現(xiàn)巖溶引起的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害問題,引起了國內(nèi)外眾多學者的關(guān)注,也引起了工程建設(shè)部門的重視。但是由于前期研究較少,目前缺少系統(tǒng)的無錫地區(qū)巖溶發(fā)育情況及其巖溶地質(zhì)災(zāi)害的資料。因此,結(jié)合無錫地鐵4號線某區(qū)段的工程地質(zhì)條件以及水文地質(zhì)條件,運用跨孔CT技術(shù)得到場地的巖溶發(fā)育特征,在此基礎(chǔ)上對場區(qū)地基開展穩(wěn)定性分析,為巖溶地基的處理及地鐵的設(shè)計與施工提供科學依據(jù)。
如圖1所示,無錫地鐵4號線某區(qū)段位于無錫市濱湖區(qū)范圍內(nèi)。該工程運用傳統(tǒng)的礦山法及盾構(gòu)法進行施工,并在勘察過程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)段地基埋藏型巖溶發(fā)育。場區(qū)位于山前緩坡區(qū)段,水位變化大,溶洞的大小及充填物性質(zhì)各異,在施工中很容易出現(xiàn)不均勻沉降、地面塌陷等工程地質(zhì)災(zāi)害問題,直接影響設(shè)計方案與施工方法的選擇。場區(qū)位于湖積平原區(qū),地形起伏小,地層傾向SE,走向NE,傾角較緩,多在10°~20°?;鶐r埋深在21~32 m,土巖界面在空間上呈波狀起伏。此外,該區(qū)屬于亞熱帶季風氣候區(qū),四季分明,降雨豐沛。場區(qū)內(nèi)不存在地表河流,但其北臨惠山,南接太湖,地下水徑流極其活躍,這些都給巖溶發(fā)育提供了基礎(chǔ)條件。
圖1 場區(qū)地鐵線路示意圖Fig.1 Subway line section in the field area
區(qū)域資料顯示,無錫市區(qū)地貌以平原為主,零星散布著低山、殘丘。經(jīng)現(xiàn)場勘察,場區(qū)地形較平坦,現(xiàn)狀地面標高在5.0~9.8 m,地形呈現(xiàn)出“V”字形(三山夾兩盆)。經(jīng)過現(xiàn)場工程地質(zhì)踏勘,發(fā)現(xiàn)場區(qū)附近存在2條斷裂。場區(qū)處于馬山—惠山背斜東南翼,并且蘇錫常斷裂(F1)和和橋—陽山斷裂(F2)交匯于此。其中蘇錫常斷裂是無錫—宿遷斷裂的一部分,走向NE,傾角約60°,在產(chǎn)山新村東側(cè)與地鐵線路相交。場區(qū)內(nèi)斷裂自晚更新世以來皆未活動。
場區(qū)典型的工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示,地層從上到下依次為填土、黏土、粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土、殘積土及灰?guī)r(表1)。依據(jù)地鐵隧道線路原設(shè)計方案,地鐵線路在空間上埋深有變化,地鐵隧道施工過程中需穿越粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土、殘積土等多層土,部分隧道的底板直接坐落于灰?guī)r之上。研究區(qū)地層平緩,溶洞、土洞較多,主要發(fā)育于土巖界面上及灰?guī)r中,區(qū)域探測到的溶洞皆位于隧道底板下方,鉆探揭示巖溶充填物主要為含碎石粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土和黏土。
表1 場區(qū)地層基本情況Table 1 Stratigraphic conditions of the field area
圖2 典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical engineering geological profile
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,場地范圍內(nèi)不存在現(xiàn)狀河道及池塘,區(qū)域降雨補給及地下水徑流示意圖如圖3所示。該區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、巖溶水及基巖裂隙水。地下水化學成分受地層巖性及埋深影響而具有較大差異性,另外因為地層的富水程度不同,場區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)模及巖溶特征不一,在垂直向上具有明顯的分帶性[13-14]。場區(qū)巖溶水主要來源為降雨入滲補給,由于區(qū)內(nèi)基巖上覆土層較厚,降雨在下滲過程中會發(fā)生過濾作用而造成CO2含量降低,導致巖溶發(fā)育規(guī)模較小。另外,水的運移條件也是巖溶發(fā)育的必要條件之一。場區(qū)距離惠山較近,地下水徑流速度快,地下水很活躍。同時,當?shù)氐慕涤陾l件也會對巖溶發(fā)育造成一定的影響。無錫每年的5—9月為降雨期,地下水位一般在4—5月隨著降雨量的增加而逐漸上升,并在7—8月達到峰值。進入秋冬季,伴隨著降雨量的減少,地下水位逐漸下降,所以區(qū)內(nèi)地下水位波動較大。除此之外,場區(qū)處于無錫市繁華地段,高樓林立,地面荷載較大,加之人為抽取地下水,加劇了地下水的變動速率,引發(fā)了包括巖溶地基塌陷、地面沉降等工程地質(zhì)問題。
圖3 地下水徑流示意圖Fig.3 Schematic diagram of groundwater runoff
本文利用跨孔CT探測技術(shù)對場區(qū)地基中的土洞、溶洞及巖體破碎處等不良地質(zhì)體進行探測,測線布置見圖1?,F(xiàn)場布置了25條探測剖面,采用一孔與周圍多孔聯(lián)合進行測量,每個剖面各有1個激發(fā)孔和1個接收孔,鉆孔深度18~52 m,孔間距16~88 m??缈證T探測室外采集裝置如圖4所示,包括3個部分:激發(fā)裝置、檢波器和地震儀。激發(fā)探頭和檢波器分別放置于2個鉆孔之中,激發(fā)探頭釋放光信號,光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)變成電信號,電信號通過檢波器被地震儀接收。
圖4 跨孔CT現(xiàn)場試驗設(shè)備Fig.4 Cross-hole CT field test equipment
室內(nèi)解譯工作采用波速層析成像技術(shù),依據(jù)彈性縱波在地層中的傳播速度推斷出地層及不良地質(zhì)體空間分布情況。跨孔CT探測數(shù)據(jù)的處理共分4個步驟:①數(shù)據(jù)濾波;②拾取初至波走時;③反演波速;④CT圖像成圖。最終的解譯結(jié)果是展示2個鉆孔之間地層的波速等值線云圖,并依據(jù)不同地質(zhì)體的波速判別出溶洞、土洞等不良地質(zhì)體及土巖界面(圖5)。
圖5 跨孔CT探測技術(shù)解譯結(jié)果Fig.5 Interpretation results of cross-hole CT detection technology
通過探測,在場區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)36個地質(zhì)異常體,分別為26個充填型溶洞(含3對串珠狀溶洞)、3個空洞和7個裂隙帶或松散土體。場區(qū)內(nèi)的溶洞多呈扁圓形或不規(guī)則橢圓形,其形狀取決于巖層的產(chǎn)狀和完整性。當?shù)貙觾A角較小且?guī)r石完整性較好時,洞穴傾向于水平發(fā)育;當巖層傾角較陡且?guī)r石破碎時,洞穴傾向于垂直發(fā)育,幾乎所有的串珠狀溶洞均呈扁圓形,而且相互連接。另外,充填類型對溶洞體積影響較大,當充填物以黏土為主時,充填物結(jié)構(gòu)松散,溶洞直徑一般為2~5 m;當充填物為礫石土時,洞徑一般在4~12 m。場區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖溶具有比較明顯的垂向分帶性,結(jié)合地鐵隧道線路設(shè)計方案及解譯的巖溶空間分布情況,發(fā)現(xiàn)溶洞均位于隧道下方,距隧道底板最小距離僅為3.2 m,最大距離為24.3 m,距離隧道較近的溶洞均為充填型溶洞。
探測結(jié)果表明,巖溶大部分沿地層界面和巖體中的裂隙發(fā)育,從圖6可以看出:巖溶發(fā)育具有明顯的縱向強弱分帶特征。巖溶的發(fā)育標高為-42~-15 m,在標高-21~-30 m區(qū)間內(nèi)溶洞數(shù)量最多,巖溶發(fā)育最為強烈;在標高-15~-18 m區(qū)間內(nèi)溶洞數(shù)量最少,巖溶發(fā)育規(guī)模較小;在其他標高區(qū)間內(nèi)巖溶發(fā)育相對較弱,溶蝕現(xiàn)象很少。場區(qū)內(nèi)發(fā)育的溶洞大部分被完全充填或部分充填,溶洞最發(fā)育的區(qū)間,溶洞充填率為65%~100%。
圖6 溶洞垂直分帶圖Fig.6 Vertical zonation of karst
根據(jù)場區(qū)巖溶發(fā)育特征以及溶洞的形狀、位置和充填類型,可以將研究區(qū)溶洞劃分為5種類型(圖7),其中,Ⅰ型溶洞是早期灰?guī)r裸露階段遭受侵蝕后地層沉積壓實形成,可以視為古巖溶,且進一步發(fā)育的可能性很小;Ⅱ型溶洞是古巖溶再次遭受侵蝕發(fā)育而成,該類溶洞的形狀比較特殊,溶洞上部呈水平向橢圓狀,下部為似圓狀,且與周圍溶洞的連通性較好,溶洞進一步發(fā)育的可能性很大;Ⅲ型溶洞很明顯是灰?guī)r接受沉積之后遭受侵蝕而形成,規(guī)模隨時間也在不斷變大,視為新巖溶;Ⅳ型溶洞是典型的新近發(fā)育巖溶,隨時間變大的速度很慢;Ⅴ型溶洞周圍巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,該類溶洞也是新近形成的溶洞,但是其隨時間變大的速度比較快。
圖7 場區(qū)溶洞分類及特征Fig.7 Classification and characteristics of karst caves in the field area
總體看來,場區(qū)地表多被黏土等第四系沉積物覆蓋,其滲透性較差,降雨無法直接通過地表入滲到地下碳酸鹽巖中,所以場區(qū)埋藏型巖溶發(fā)育需要特殊的導水構(gòu)造,如斷裂、層間裂隙等。另外,場區(qū)碳酸鹽巖的傾角一般較緩,且相對較完整,降雨通過構(gòu)造裂隙等入滲至地下后,大部分會沿土巖界面及裂隙面流動,所以場區(qū)埋藏型巖溶大多發(fā)育在土巖界面附近及巖體裂隙中,并且受地下水位變動影響,巖溶發(fā)育在空間上具有明顯的縱向強弱分帶特征。近年來,隨著人為活動的不斷增多,地下水的過度開采加速了水的滲流,這同時加速了埋藏型巖溶的發(fā)育。
根據(jù)場區(qū)巖溶發(fā)育特征與發(fā)育機理來看,影響地鐵工程地基穩(wěn)定性的因素較多,主要包括地質(zhì)構(gòu)造特征、巖石特征、溶洞發(fā)育特征、地下水賦存狀態(tài)及人為影響因素等。
(1) 地質(zhì)構(gòu)造與地下水。地質(zhì)構(gòu)造與地下水活動密不可分,對巖溶的發(fā)育方向和空間展布具有重要的控制作用[15]。地質(zhì)構(gòu)造對巖溶發(fā)育和地基穩(wěn)定性的影響可以按照褶皺和斷裂去分析[16-17]。場區(qū)地塊在新構(gòu)造運動時期以隆升為主,巖溶作用以垂向發(fā)育為主。場區(qū)處于馬山—惠山背斜的東南翼,在褶皺作用下,巖體較破碎,核部節(jié)理遍布,巖體空隙、裂隙面較粗糙,無膠結(jié)或弱膠結(jié)。場區(qū)在地理上北靠惠山南接太湖,整體呈現(xiàn)山體陡峻、山前低洼的地形地貌特征,地下水主要在背斜樞紐處匯流。近年來,惠山綠化種植面積增加,有效減少了山上的地表徑流,降雨主要沿山體的斷裂及節(jié)理裂隙等入滲到山體,然后向山腳匯集,山腳表層為不透水的填土層,地下水無法排泄,主要沿地質(zhì)界面(層面及構(gòu)造裂隙面)向低洼處運移,在運移過程中會對巖層和構(gòu)造破碎帶進行侵蝕。與此同時,場區(qū)地下水位變動較大,地下水的徑流速度較快,再加上降雨的影響,區(qū)域發(fā)育的蘇錫常斷裂、和橋—陽山斷裂在場地內(nèi)形成了一個天然的富水構(gòu)造,導致該區(qū)埋藏型溶洞較為發(fā)育,巖溶地基穩(wěn)定性差,嚴重威脅地鐵隧道的施工安全。
(2) 巖石。場區(qū)巖石呈厚層塊狀產(chǎn)出,質(zhì)純。室內(nèi)試驗結(jié)果顯示巖石強度較高,同時傾角平緩,對地基穩(wěn)定性有利[18]。
(3) 溶洞洞體。由跨孔CT探測、鉆探及巖溶發(fā)育特征分析可知,場區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖溶具有比較明顯的垂向分帶性,且呈現(xiàn)強弱交替的分布特點。場區(qū)大部分溶洞埋深較深,溶洞上部的覆蓋層較厚,溶洞大部分被完全充填或部分充填,連通性較差,有利于巖溶地基的穩(wěn)定。
3.2.1 單個溶洞的雙向受壓無限板計算模型
場區(qū)內(nèi)溶洞直徑較小且埋深較深,在分析單個溶洞地基周邊的圍巖應(yīng)力時,可將此問題簡化為受溶洞作用的雙向受壓無限板應(yīng)力分布問題。在這里假定巖體是均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性材料,溶洞的斷面形狀為圓形,溶洞無充填。為便于計算,相關(guān)應(yīng)力數(shù)值利用極坐標系進行計算。另外,根據(jù)場區(qū)溶洞的形狀及尺寸可知,溶洞斷面尺寸較其延伸長度相對較小,可進一步簡化為平面應(yīng)變問題開展理論分析。采取上述簡化假定后,計算模型如圖8所示。
圖8 單個溶洞計算模型Fig.8 Single cave calculation model
實際工程中,巖溶地基水平地應(yīng)力q與垂直地應(yīng)力p并不相同,可把它視為2個柯西問題相互疊加后的作用效果。當水平地應(yīng)力q與垂直地應(yīng)力p同時作用時,單個溶洞地基附近的圍巖應(yīng)力可用下列公式表示:
(1)
式中:σγ、σθ和τγθ分別表示圍巖中某一點的切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力及剪切應(yīng)力;θ表示圍巖中某一點和水平軸之間的夾角;r0表示坐標原點到圍巖中某一點的距離;a為溶洞平面上的半徑。
在土洞周邊r=a處,圓形斷面土洞周邊的應(yīng)力可根據(jù)式(1)計算,結(jié)果為切向應(yīng)力σγ最大,徑向應(yīng)力σθ=0,剪切應(yīng)力τγθ=0。
3.2.2 串珠狀溶洞的雙向受壓無限板計算模型
場區(qū)除存在單個溶洞外,局部還發(fā)育有串珠狀溶洞,大多數(shù)為雙洞(孔)分布,兩溶洞(圓心)之間的距離最小為7.5 m,其中溶洞半徑大約為1.2 m。溶洞與溶洞之間沒有大的連通通道,連通性較差。同樣地,為了計算方便,假設(shè)巖體是均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性材料且溶洞形狀大小相同為圓形(圖9),雙向受壓p=q,同時假定溶洞邊界上不存在任何外力,距離溶洞無限遠處的應(yīng)力為雙向受壓狀態(tài),由此可得式(2):
圖9 串珠狀溶洞圓孔圍巖上的應(yīng)力Fig.9 Bead like cavern of round hole in infinite plate
(2)
用極坐標求解:
(3)
應(yīng)力分量可按下式求出:
(4)
在平面的雙向受壓條件下,U0(ξ,η)函數(shù)表達式如下:
(5)
經(jīng)Ling[19]研究發(fā)現(xiàn),在p=q(二向等應(yīng)力)時,溶洞邊界上的最大應(yīng)力σξ位于A點和C點處。當a=2時,雙孔串珠狀溶洞邊界的應(yīng)力條件與單個溶洞是一致的。換言之,當2個溶洞距離>4R時,雙孔串珠狀溶洞可按3.2.1節(jié)單個溶洞理論分析巖溶地基的穩(wěn)定性。并且當?shù)罔F隧道底部與溶洞之間距離>5R時,便可利用柯西解答來計算分析溶洞圍巖的應(yīng)力分布。
3.2.3 場區(qū)溶洞圍巖穩(wěn)定性分析
基于前述的理論分析,通過計算可以得到場區(qū)溶洞周邊圍巖的次生應(yīng)力,進而計算得到溶洞周邊應(yīng)力值分布,并與周邊巖土體強度進行比較,當應(yīng)力值超過巖土體強度時,隧道施工容易發(fā)生失穩(wěn)。場區(qū)內(nèi)溶洞所受豎直應(yīng)力p由土壓力、水壓力、巖石壓力及構(gòu)造應(yīng)力等共同產(chǎn)生。為求得場區(qū)溶洞圍巖的應(yīng)力分布,引入巖石的側(cè)壓力系數(shù)λ,λ=μ/(1-μ)(μ為巖石的泊松比,取值為0.4)。根據(jù)規(guī)范和場區(qū)土層的分布情況,算得距溶洞中心5R處的豎直和水平應(yīng)力為:p=64.4 kPa,q=42 kPa。將其帶入式(1)可得到土洞周邊的應(yīng)力,同時土洞靜水壓力為pw=γwhw=35 kPa(γw為水的重度;hw為潛水面至土洞中心的距離)。
因此,土洞周邊的徑向應(yīng)力σθ及切向應(yīng)力σγ均應(yīng)加上靜水壓力。那么,考慮地下水影響時,土洞周邊的σγ、σθ大小應(yīng)該如表2所示。
表2 土洞不同位置對應(yīng)的σγ、σθ值Table 2 The value of σγ and σθ
從計算結(jié)果可以看出,當θ=0°時,σθ最大為151.2 kPa。根據(jù)土洞破壞區(qū)塑性邊界理論方法[20],可求得某點處的大、小主應(yīng)力σ1、σ3:
(6)
最后,根據(jù)求得的大、小主應(yīng)力σ1、σ3,用莫爾—庫侖準則來判別土體是否會發(fā)生破壞,以此判斷地基的穩(wěn)定性。
這里需要說明的是,本文提出的地基理論計算模型主要是依據(jù)溶洞分布情況計算溶洞附近圍巖以及土體的應(yīng)力分布情況,并推斷出不同類型溶洞在不同距離區(qū)間下對隧道應(yīng)力的影響及簡化計算方法。針對不同類型巖溶周邊的土體或圍巖,可以依據(jù)地基理論計算模型計算出土體或圍巖應(yīng)力分布,進而指導隧道支護設(shè)計方案,后期可帶入隧道施工穩(wěn)定性計算中。如果擬建隧道區(qū)域范圍內(nèi)土體依據(jù)莫爾—庫侖準則處于可能發(fā)生剪切破壞的狀態(tài),則建議在地鐵隧道施工前進行注漿等超前加固措施。因此,本文并未考慮地鐵隧道開挖建設(shè)影響,而是依據(jù)上述理論推導單個溶洞及串珠狀溶洞下擬建隧道區(qū)域的應(yīng)力分布情況,結(jié)合巖土強度理論,指導地鐵隧道的施工設(shè)計方案。
(1) 在進行巖溶專項勘探時,建議采用工程地質(zhì)物探、鉆探及地質(zhì)分析相結(jié)合的研究方法,此外要充分認識巖溶的發(fā)育機理及規(guī)律,有利于實現(xiàn)巖溶地質(zhì)勘察的高效布置鉆孔。
(2) 本研究場區(qū)的溶洞分布及大小受地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地層巖性及地下水變動影響,溶洞發(fā)育規(guī)模較小,面積多在2 m2以下,大多發(fā)育在土巖界面及巖體裂隙上且具有明顯的縱向強弱分帶特征,溶洞之間連通性較差,建議經(jīng)注漿處理后便可進行地鐵工程建設(shè)。
(3) 該地鐵區(qū)段的隧道底板埋深有一定變化,且土巖界面起伏較大,地鐵隧道需穿越多層土層,其力學性質(zhì)較差,要先進行上部土層加固,并且在施工中應(yīng)加強超前預(yù)報及地面形變監(jiān)測工作。
(4) 當在淺埋巖溶區(qū)進行工程建設(shè)并將巖溶地基作為相關(guān)建(構(gòu))筑物的持力層時,地基穩(wěn)定性評價工作建議采用地質(zhì)力學及理論計算相結(jié)合的方法。本文推導出的地基穩(wěn)定性計算公式可用于巖溶地基穩(wěn)定性評價工作并指導隧道施工方案設(shè)計。另外,本文的相關(guān)假定會導致分析結(jié)果存在一定的誤差,建議在穩(wěn)定性分析中取安全系數(shù)的臨界值為1.2。
致謝:感謝無錫市政設(shè)計研究院有限公司在野外探測與解譯過程中給予的大力支持。