長沙地鐵四號線大學城區域巖溶發育特征及其對盾構施工的影響

賀湘東，張可能，穆巖松，吳昊，廖陽

(1.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室(中南大學)，湖南 長沙 410083；3.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 引 言

長沙地鐵4號線溁灣鎮站～阜埠河路站區段穿越岳麓山大學城，該區段下伏石灰巖地層中，巖溶、破碎帶較發育，多分布在地鐵結構線影響范圍，不良地質條件可能造成地面塌陷、隧道塌陷和突水、突泥、盾構機陷落等工程事故，將嚴重影響地鐵建設安全[1，2]，尤其是對大學城的影響必須得到足夠的重視。因此，對該區段巖溶發育特征及其對地鐵施工的影響進行研究，對保證地鐵安全施工，盡量避免大學城校園建筑受到影響有重要意義。

在巖溶特征的研究中，羅小杰、楊秀竹[3，4]運用綜合分析和數學統計的方法，分別對武漢地區、廣州軌道及交通沿線巖溶的發育特征進行了較為深入地研究；簡文星[5]主要從巖溶形態入手，對平寨壩址左岸巖溶的分布規律進行了研究；金新鋒[6]依據表層巖溶帶的形成條件和影響因素對表層巖溶帶進行類型劃分。本文在前人的研究基礎上，通過對長沙地鐵四號線溁灣鎮站至阜埠河路站區間即大學城范圍內的地形地貌、區域氣象、水系與巖溶水文地質條件、地質構造、可溶巖分布的分析，研究區域內的巖溶發育特征，并對湖大研究生樓和軟件學院樓的巖溶發育進行定性的預測，最后根據結論分析了巖溶發育對地鐵盾構施工的影響，為地鐵四號線在大學城區域的施工提供理論支持，并為類似地質條件下的地鐵工程提供借鑒與參考。

2 地質概況

2.1 可溶巖分布特征

本區間場地巖溶主要發育在石炭系中上統壺天群灰巖層(C)及三疊系上統安源組泥灰巖層(T)中，溶洞為半充填或全充填，全充填物質主要為礫石及黏性土。

壺天群的上段以淺灰色石灰巖為主，夾少量白云質灰巖，厚層狀、塊狀構造，質較純，在頂部有時夾硅質條帶或燧石結核，偶見珊瑚和細小的蜓科化石。

中段以灰白色白云巖為主，夾白云質灰巖，巨厚層狀、塊狀構造或角礫狀構造(夾礫狀灰巖)，地貌一般呈渾圓狀小山丘，不生植被。風化后表面常呈疏松的粉砂狀和皺紋狀。

下段以灰色石灰巖為主，夾白云質灰巖、硅質灰巖，厚層狀、塊狀構造，底部常見燧石結核和角礫狀灰巖，角礫成分為石灰巖，礫徑大小不一，一般 5 cm～30 cm，鐵質、鈣泥質膠結，呈肉紅色、灰色，底部常見溶洞，有時見古溶洞沉積物。

2.2 巖溶水文地質

本區裂隙巖溶水含水層主要被砂巖以及黏性土所覆蓋，巖土層分布不均勻，起伏較大，部分區域大氣降水能直接補給，但主要通過地表水或其他含水層補給。

裂隙巖溶水的地表補給主要接受大氣降水、地下管線滲漏補給，亦和周邊地表水體呈互補關系；湘江在本區東部，枯水期時，地下水由兩側向湘江徑流，以側向滲流運動方式向河流排泄；汛期時，河流水位急劇抬升，河水向兩側補給地下水；在有巖溶通道或斷裂、裂隙相溝通時可能得到其他含水層的補給。

本區裂隙巖溶水的徑流特征與巖溶發育程度密切相關。在巖溶發育程度高、溶洞充填率低的地段，裂隙巖溶水交替循環快，呈管狀紊流；相反，徑流緩慢。本區裂隙巖溶水除被水井開發利用外，排泄方式主要是枯水季節排入湘江。

2.3 地質構造

本區屬地層年代相對較老的褶皺丘陵，斷裂構造以北東向較發育，其次為北西向和東西向，再次為北北東向和南北向。根據圖1所示，葫蘆坡-金盆嶺-炮臺子斷裂(F101)、施家沖-新開鋪磊石斷裂(F106)、張家咀-溁灣鎮-新塘灣斷裂(F85)和二里半斷裂(F35)四條發育于擬建4號線區域內，除F106外，其余均可能與本標段線路交匯。

圖1 區域地質圖

(1)褶皺

岳麓山向斜為一近橢圓形向斜，軸線方向N35°E，長約 3 km，向斜東南翼被二里半壓性斷裂截切，軸部由石炭系地層組成，翼部有泥盆系地層組成。翼部巖層傾角15°～30°左右，為一殘缺不全的寬展性向斜。本區間位于岳麓山向斜東翼。

(2)構造

二里半斷裂(F35)整體上呈北東-南西延伸，傾向南東，由二里半主斷裂及東側愛晚亭伴生斷裂組成，愛晚亭斷裂與主斷裂以小角度斜交于湖南大學站附近后合并。該斷裂將岳麓山向斜破壞，北西盤地層主要為石炭系至泥盆系上統石英砂巖、粉砂巖和泥巖，主斷裂與伴生斷裂之間為三疊系上統安源組石英砂巖、泥巖，愛晚亭斷裂以東主要為泥盆系上統余田橋組粉砂質黏土巖、石英砂巖夾泥灰巖。地鐵線路于里程樁號ZCK 28+700～28+789、YCK 28+700～28+779處即湖南師范大學站南段附近斜穿該斷裂破碎帶。

3 巖溶發育特征分析

3.1 巖溶發育的控制因素分析

巖溶的發生、發展必須具備一定的條件，其中主要是巖石的可溶性、裂隙性、水的侵蝕性及流通條件[6]。這些巖溶發育的控制條件往往對巖溶發育特征有著直接的影響。

(1)巖石可溶性分析

由于巖石成分、成層條件和結構、構造等直接影響巖溶的發育程度和速度。一般質純層厚的巖層，巖溶發育強烈，且形態齊全、規模較大；含泥質或其他雜質的巖層，巖溶發育相對較弱。結晶顆粒粗大的巖石巖溶較為發育，結晶顆粒細小的巖石，巖溶發育相對較弱。

根據以上分析，可將本區灰巖可溶性相應地劃分為二類：石炭系中上統中風化灰巖可溶性強；三疊系上統安源組強風化泥灰巖可溶性中等。

(2)地下水分析

勘察區內地下水對巖溶發育的控制因素主要表現在化學侵蝕及機械侵蝕兩方面。

可溶巖被溶解，是由于溶液—水對它具有溶解(溶蝕)的能力。水的溶蝕能力來源于二氧化碳(CO2)與水結合形成的碳酸氫根(HCO-)，侵蝕性二氧化碳的含量決定了地下水溶蝕能力。據本區水質分析成果，區內灰巖中地下水的侵蝕性CO2含量 10.25 mg/L，地下水具較強的溶蝕能力。其長期作用的結果，是使地下巖溶裂隙、溶洞的發育形成。

(3)構造分析

溶洞往往發育在受構造影響強烈的灰巖破碎地段[7]。斷層是巖體順破裂面有明顯位移的產物，在發育過程中會嚴重影響破裂面兩側巖體的完整性，產生大量裂隙，造成巖體嚴重破碎，為水流的良好通道。因此，沿斷裂帶是巖溶顯著發育地段。四號線地鐵線路于里程樁號ZCK 28+700～28+789、YCK 28+700～28+779處即湖南師范大學南段站附近斜穿該斷裂破碎帶，已有巖溶勘察資料顯示，線路與斷層交匯區域巖溶顯著發育，且巖溶發育溶洞在平面上平行斷層面方向發育。

3.2 主要巖溶類型和發育程度

(1)巖溶主要類型

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溶洞是場地區最主要且最重要的溶蝕現象。場地區勘探鉆孔共揭露溶洞87個，溶洞高度一般 1.3 m～10.0 m，溶洞頂、底板多見蜂窩狀、針狀溶孔。場地灰巖鉆孔數量、揭露溶洞數量、鉆孔遇洞率、線巖溶率統計成果如表1所示。

鉆孔遇洞率、線巖溶率統計表 表1

(2)巖溶發育程度分析

根據鉆探成果，分析工程區場地內各巖層的巖溶發育程度。

鉆孔遇洞率42.9%，線巖溶率為10.5%～22.4%。場地內發育覆蓋型巖溶，地表未發現巖溶塌陷、漏斗、洼地等。根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)，本場地為巖溶強發育場地。

場地內巖溶沿斷層、層面等有顯著溶蝕，發育小型單個或串珠狀溶洞，但未見連續的地下洞穴系統，少見集中徑流，常有裂隙水流，根據《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB50307-2012)對巖溶發育強度分級的相關規定，判定本場地巖溶強發育。

綜合判定本次巖溶勘察區內巖溶強發育。

3.3 溶洞發育規模

由圖2可知，鉆孔揭示的87個溶洞中，有將近80%的溶洞鉆孔揭露高度為 4 m～7 m，溶洞平均鉆孔揭露高度為 4.57 m，最大為 9.8 m。

圖2 鉆孔揭露溶洞鉛直高度統計

總的來看，溶洞規模比較大，多見較大溶洞或以溶隙型溶洞為主。

3.4 溶洞空間特征分析

溁灣鎮站至湖南師范大學站區間以及湖大校園區域鉆孔揭露的75個溶洞底板在高程上的分布統計如圖3、圖4所示。

圖3 溁湖區間溶洞底板高程分布圖

圖4 湖大校園區域溶洞底板高程分布圖

根據統計結果，鉆孔所揭露的溶洞中，溁灣鎮站到湖南師范大學站區間內近三分之二的溶洞底板標高在 27 m～33 m，近85%的溶洞底板標高在 27 m以上；而在湖南大學校園區域的巖溶補勘資料中顯示，83%巖溶底板高程分布在 20 m～24 m，呈現了巖溶水平發育的特征。

4 校園區域巖溶發育預測

四號線湖南大學站至阜埠河站區間下穿湖大校園區域，因為高校建筑的特殊性及敏感性，無法在建筑物中利用常規鉆孔對巖溶發育進行勘察，且場地條件限制了大部分物探方法的實施，經前人實踐證明，運用巖溶地貌學、地質學理論對巖溶洞穴進行定性預測，是一種行之有效的方法[8]。本文根據區域巖溶的發育規律及控制條件，對湖大研究生樓及軟件學院樓的巖溶發育進行初步預測。

圖5 鉆孔平面布置圖

圖6 軟件學院地質剖面圖

湖大研究生樓位于一條不整合接觸帶上，該接觸帶揭露里程為YCK29+930，南北面相鄰巖性分別為泥盆系砂巖(D)和三疊系泥灰巖(T)，受二里半斷裂(F35)或其低序次的斷層影響，不整合接觸帶附近的巖石強度變化大，節理裂隙較發育，巖體極破碎，鑒于不整合接觸帶為一側為中風化砂巖<8D-3>，勘察時場地內進行的鉆孔水文地質抽水試驗結果表明該巖層滲透系數為 0.10 m/d，屬弱透水層，結合地下水方向分析，會有大量的地下水匯集在不整合接觸帶附近，有利于接觸帶另一側的中風化泥灰巖的巖溶發育，即研究生樓下接觸帶北側可能會有較強的巖溶發育。

如圖5、圖6所示，軟件學院樓旁已有鉆孔M4Z3-HF-046、048、050揭示了巖溶的存在，根據地下水由高勢的岳麓山至低勢的湘江的總體走向，結合區域地質圖，判斷地下水的總體方向是由三疊系泥灰巖區域流向泥盆系砂巖區域。而揭露巖溶的鉆孔連線對應了該地下水走向，有必要考慮其中揭示的3個溶洞的連通性。巖溶底板揭露高程分別為 22.03 m，22.14 m，16 m，根據前文湖大校園區域的巖溶發育規模、水平發育特征及溶洞底板高程分布的分析，初步預測軟件學院樓下于四號線左線東側會有巖溶發育，巖溶發育規模小于1倍洞徑，位于隧道(高程 15 m～21 m)洞身范圍內及以上，因此在隧道施工前，需對軟件樓及研究生樓的巖溶做好充分的探測及預加固措施。

5 巖溶發育對地鐵隧道盾構施工的影響

5.1 巖溶地基穩定問題

完整的碳酸鹽巖巖體強度高，是良好的天然地基。但對于巖溶發育的巖體，當溶洞位于地鐵隧道底板以下、規模較大且溶洞頂板與地鐵隧洞底板間巖體有效厚度較小時，可能導致溶洞頂板坍塌。本區有35%的溶洞位于隧道底板以下。其中，位于地鐵隧道底板以下 6 m范圍內分布的溶洞有21個，溶洞高度一般為 1 m～8.9 m，達到1倍洞徑左右的發育程度，可能造成盾構機塌陷、偏移等，存在地基穩定問題。

5.2 突水涌泥問題

根據統計，地鐵隧道洞身范圍內的溶洞有39個，占45%，溶洞高度 1.3 m～9.8 m，且在二里半斷裂帶與本線路交匯處，巖溶強烈發育，裂隙水豐富，在隧道施工過程中，當溶洞位于隧道頂板以上及洞身部位時，由于溶洞、溶隙中富含巖溶水或充填有軟塑狀黏性土，地鐵施工中溶洞地下水可能涌入或擊穿洞壁，產生突水、涌泥問題。本區間隧道采用盾構法施工，當隧道從巖層中通過時，由于盾構機本身的密封性較好，突水涌泥問題可能不大；但可能會影響盾構施工開挖面的壓力平衡，進而影響盾構機的正常掘進以及開倉換刀作業。

5.3 地面建筑物變形問題

四號線巖溶發育是影響地面建筑物穩定性的主要因素之一，主要表現在：①巖溶破壞了巖體的完整性，巖體成為不連續、非均質的各向異性體，在隧道施工及上部建筑荷載作用下，局部將出現應力集中或破壞；②巖體中巖溶及各種結構面的發育大大降低了巖體的力學強度和承載力；③巖溶發育不均一，使建筑物下的巖層巖體力學性質產生比較大的差異[5]。

根據前文對軟件學院樓及研究生樓的初步預測，巖溶發育主要位于隧道洞身范圍內及以上，可能會對隧道施工造成影響，而隧道施工也可能會對有巖溶存在的建筑物地基造成影響，考慮到校園建筑物的特殊性、敏感性以及巖溶的發育程度，地面建筑物特別是湖大軟件學院樓下的巖溶探測、巖溶處治、不均勻沉降問題將會是地鐵施工所面臨的主要的挑戰之一。

5.4 不均勻地層問題

區間隧道底板埋深16 m～27 m。隧道主要涉及各類土層以及灰巖。由于區間灰巖巖面起伏較大，區間段隧道地基巖土工程特性在橫縱方向上差異較大，且區域內巖溶鉛錘高度主要在1倍洞徑及以上，溶洞內充填物質或無充填物都與圍巖性質有很大的差異，因此存在地層不均勻性問題。

6 結 論

(1)本文對區域地形地貌、區域氣象、水系與巖溶水文地質條件、地質構造、可溶巖分布進行了分析，得到巖溶發育的以下特征：①石炭系中上統中風化灰巖可溶性強，巖溶更發育；②線路與二里半斷裂交匯區域巖溶顯著發育，且巖溶發育溶洞在平面上平行斷層面方向發育；③區內巖溶強發育，80%溶洞鉛錘高度為 4 m～7 m，為1倍隧道洞徑左右碳酸鹽巖勘察深度范圍內巖溶發育相對較強，屬淺部巖溶帶。④在湖大校園區域及溁灣鎮站至湖南師大站區間，巖溶在高程上呈水平發育規律。

(2)根據區域內巖溶發育特征可以初步推測：①研究生樓下接觸帶泥灰巖一側會有較強的巖溶發育；②預測軟件學院樓下于四號線左線東側會有巖溶發育，巖溶發育規模小于1倍洞徑，位于隧道(高程 15 m～21 m)洞身范圍內及以上。

(3)巖溶對四號線地鐵隧道盾構施工的影響主要體現在：①部分巖溶分布在隧道底板以下 6 m以內，存在地基穩定問題；②部分巖溶位于隧道頂板以上及洞身部位，可能會影響盾構施工開挖面的壓力平衡，進而影響盾構機的正常掘進以及開倉換刀作業；③地面建筑物特別是湖大軟件學院樓的不均勻沉降、巖溶處治、不均勻沉降問題將會是地鐵施工所面臨的主要的挑戰之一；④區間灰巖巖面起伏較大，區間段隧道地基巖土工程特性在橫縱方向上差異較大，且由于區域內巖溶發育，存在地層不均勻性問題。

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