巖溶地區特殊地質條件對頂管工程的影響性分析

蒙 韻

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518001)

1 工程概況

近年來，圍繞城市水環境長制久清及可持續發展總體要求，針對龍崗區存在部分污水系統未完全分離、局部不完善的情況，深圳市龍崗區提出全面消黑及河流水質提升項目，實施雨污干支管網完善工程。

自行車賽場路至寶荷路雨污干支管網完善工程，起點位于龍崗區龍城街道自行車賽場路，終點位于寶荷路與愛南路交匯處，采用頂管施工。擬建污水管道長度約5.1km，管徑1000-1500mm，管道埋深約5.28-17.97m，同時建設直徑7.2m頂管工作井34座，直徑4.0m頂管接收井34座。

2 工程地質條件簡述

2.1 地形地貌

工程區位于深圳市北部丘陵谷地-盆地地貌帶大區，受深圳斷裂帶中三相斷裂控制構成嶺谷相間北東向平行排列的地貌組合。擬建頂管工程沿線原始屬斷陷溶蝕谷地小區，因城市快速建設，夷山填谷，大興土木，使場地原始地貌難以辨別，目前已成為較為平坦的市政道路，地面高程在39.5-51.8m。

2.2 地層分布情況

擬建頂管工程沿線地層分布自上而下主要為：第四系人工堆積層(Q4ml)；第四系沖洪積層(Q4al+pl)、第四系殘積層(Qel)，下伏基巖為石炭系下統測水組(C1c)石英砂巖、砂巖、砂礫巖、灰巖透鏡體及石炭系石磴子組(C1s)大理巖(詳見圖1)。

圖1 巖溶地區頂管典型地質斷面圖

2.3 水文地質情況

工程區地下水以孔隙水為主，賦存于及第四系人工堆積層及第四系沖洪積層中，水量相對豐富，砂層中孔隙水具微承壓性，黏性土層含水量相對較小，透水性相對較弱；裂隙水賦存于基巖裂隙中，受裂隙發育程度影響較大。裂隙溶洞水具承壓性，主要賦存于弱-微風化灰巖、大理巖裂隙中和構造破碎帶中，接受上覆孔隙潛水和地下徑流補給，其富水性及導水性受斷裂構造控制，具各向異性。其富水程度與巖溶發育程度密切相關，一般在斷層切割或緊靠斷層處、河流及溝谷侵蝕切割處、地下水排泄區等強巖溶發育帶為巖溶水富集地段，從垂直方向上看，一般在當地侵蝕基準面以下30m范圍淺部巖溶強發育帶為巖溶水富集地帶。另外，第四系孔隙水及基巖裂隙水均會對裂隙溶洞水提供側向潛流補給。

由于工程區緊鄰龍崗河干流，為區內的最低侵蝕基準面，地下水通過徑流后最終匯入龍崗河內，它經歷了溶蝕、下切、沉積、抬升和改道等一系列演變過程。徑流一般存在管道流和隙脈流兩種基本徑流通道，其突出表現為管道密集和高度集中的點狀排泄。同時，地表、地下徑流具有互補和頻繁轉換的性質。工程區位于整個龍崗河流域地下水的排泄區，因其地下水活動豐富、埋深淺，巖溶發育程度相對較高。

根據地下水位觀測，擬建管道沿線場地地下水位埋深一般在平均3.48m左右，高于擬建管道基底。

2.4 巖溶發育特征分析

工程區分布有石炭系下統測水組(C1c)灰巖及石炭系石磴子組(C1s)大理巖兩種可溶巖，呈整合接觸關系，由于其在礦物成分、結構等方面的差異，不同碳酸鹽巖巖性的組合和碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的組合對巖溶發育影響較大，各含水巖組的地下水類型及巖溶發育程度也不相同。上述兩組可溶巖水文地質巖組劃分見表1。

表1 水文地質巖組劃分表

根據管道布置方案，擬建5.1km頂管沿線在勘察深度內揭露到2.88km為巖溶發育區。經分析將頂管結構縱向分布5m范圍內發育有可溶巖或巖溶地層的區段，作為巖溶區對頂管工程有影響的區段，該范圍約2.26km。其中西段(自行車賽場路至龍崗大道段)主要分布石炭系下統測水組(C1c)灰巖，東段(龍崗大道至寶荷路段)主要分布石炭系石磴子組(C1s)大理巖。

其中，測水組灰巖屬埋藏型巖溶分布淺埋區，揭露的基巖面埋藏深度在7.2-21.2m，其鉆孔見洞率為16.67%，線巖溶率為4.62%，該層中揭露土洞較少，以溶洞為主，土洞、溶洞充填率為82.3%，充填物以軟可塑-硬可塑狀含礫粉質黏土為主，其余17.7%的溶洞為空洞。

在石磴子組大理巖屬覆蓋層巖溶分布淺埋區，揭露的基巖面埋藏深度在3.3-16.3m，其鉆孔見洞率為27.83%，線巖溶率為12.73%，該層中揭露土洞溶洞均較多，其中土洞以空洞為主，溶洞全充填約占51.72%，充填物以軟可塑-硬可塑狀含礫粉質黏土及少量中粗砂為主，半充填約占15.52%，由流塑-軟塑狀含礫粉質黏土充填為主，無充填的約占32.76%。總體來講，石炭系測水組灰巖巖溶發育程度屬中等發育，石炭系石磴子組大理巖巖溶發育程度屬強烈發育[1-3]。

3 巖溶條件對頂管工程的影響分析

根據管道布置方案，擬建頂管存在在弱-微風化灰巖、大理巖、土洞、溶洞及灰巖上覆狀態不均的殘積土中頂進的情況。通過對可溶巖地層及巖溶發育的特性，按照頂管工程的設計方案及施工工藝進行分析，巖溶發育對頂管工程主要存在以下幾點影響。

3.1 對頂管機選擇的影響

由于灰巖、大理巖等可溶巖多發育溶溝、溶槽，其基巖面起伏極大，且分布無規律，對于是否采取巖石掘進頂管機難以完全判別。在勘察已揭露基巖面距離頂管管底輪廓很近的情況下，若基巖面陡然抬起，則需進行“開天窗”破巖并更換帶有破巖能力的滾刀刀盤，嚴重影響施工進度及施工成本。

故基巖面的埋藏情況對頂管機機頭的選擇起到了很關鍵的作用。

3.2 頂管機機頭存在磕頭、掉頭的風險

本段頂管工程區存在巖溶發育區，發育土洞、溶洞，且部分以空洞或半充填的形態分布，當頂管機遇到未經處理的土洞、溶洞時，由于土洞、溶洞無充填物，或充填物物理力學性質較差，加上機頭本身較重，可能導致頂管機機頭磕頭甚至掉頭的風險。由于機頭造價極高，且取機頭需“開天窗”，會產生額外的施工成本，對頂管工程施工存在較大的經濟影響。

3.3 頂管頂進過程中存在引發地面塌陷的風險

根據深圳市地質災害易發程度分區圖，工程區存在巖溶塌陷類地質災害，其中西段頂管(自行車賽場路至龍崗大道段)石炭系下統測水組(C1c)灰巖分布區為巖溶塌陷中易發區；東段頂管(龍崗大道至寶荷路段)石炭系石磴子組(C1s)大理巖分布區為巖溶塌陷高易發區。當地下水位及其徑流狀態劇烈改變或強作用的機械振動時，極可能誘發巖溶塌陷。

本次勘察已揭露到較多土洞、溶洞，且工程區大部分位于巖溶塌陷中-高易發區，在本工程頂管頂進過程中，在頂管影響范圍內的土洞、溶洞，特別是頂管上部的土洞，由于頂管頂進過程中，存在進一步擴大的可能，進而可能引發地面塌陷等地質災害，并對周邊民房建筑物造成重大影響。故對頂管沿線存在重大安全風險的土洞、溶洞建議優先處理后方可進行頂進。

3.4 頂管井內作業存在的安全風險

在頂管井開挖過程中，當存在井底或井壁有發育較大的土洞、溶洞時，若機器、人員在井內作業，可能發生施工人員和設備掉入溶、土洞的風險，存在重大的安全風險。

3.5 巖溶水對頂管施工過程的影響

在頂管頂進過程中，若遇到未經處理的土洞、溶洞，由于土洞、溶洞中地下水較為豐富，且具有承壓性，可能導致大的涌水現象、甚至坍塌現象，導致頂管井內需采取進一步的止水措施或對巖溶水進行封堵，甚至造成致人傷亡等工程事故，影響施工進度及成本，危害人身安全。

3.6 可溶巖上覆軟土對頂管工程的影響

在深圳巖溶地區，因巖溶作用及溶洞、土洞會在上覆地層中形成各種類型的軟土，主要為界面型軟土、塌陷沉積型軟土及土洞充填型軟土。

其中，界面型軟土為灰巖、大理巖等可溶巖與上部覆蓋土層受地下水滲流長期作用而形成；塌陷沉積型軟土為土洞發育至一定程度會產生塌陷，原洞頂地層松散堆積在洞底，再與地下水徑流匯聚過程中形成；土洞充填型軟土主要為在土洞形成過程中，沉積在洞底的塌落土體有時不能被水帶走，如塌落大于潛蝕，土洞被充填后形成的“充填軟土”。

上述軟土一般呈流塑狀，局部軟塑狀，具高壓縮性和高觸變性，承載力低、穩定性差，不能作為管基的天然地基，且需考慮軟弱下臥層引起的不均勻沉降問題。同時，當頂管在該軟土中頂進時，由于其性狀很差，摩阻力小，頂管機極容易“磕頭”，很難調整姿勢、很難進行糾偏、直至無法繼續頂進施工，故在頂進時應采取及時的糾偏措施，防止工作面坍塌和頂管軸線失穩，必要時需采取預加固處理措施后再進行頂進。當沉井基底位于可溶巖上覆軟土時，由于井內外土面的高差，使井外土體受自重壓力和下沉時摩擦力的作用，刃腳底部土體超過了極限承載力，以至井外的土體沿刃腳底部不斷地被擠入井內，可能造成地面沉降[4]。

4 結 語

工程涉及在巖溶地區進行頂管工程，由于巖溶地區工程地質條件的復雜性與特殊性，對頂管工程存在一定的影響。特別是由于可溶巖基巖面的起伏形態差異造成的對頂管機的選擇問題；以及土洞、溶洞等不良地質發育可能導致的頂管頂進過程、頂管井開挖過程引起的巖溶塌陷問題；同時，由于巖溶水及上覆軟土的分布，對頂管工程亦存在相應的影響。

在頂管工程設計與施工時應加強對勘察資料的利用與分析，充分考慮巖溶地區特殊地質條件對頂管工程可能造成的不利影響及風險，并采取相應的工程處理措施，以保證頂管施工的安全、經濟、可行。