無錫地鐵4號線巖溶地段地質(zhì)問題分析

史曉忠

（無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

無錫地區(qū)存在較多的灰?guī)r地層，且地層界面起伏較大，存在石芽、古溝壑，埋藏型巖溶發(fā)育比較普遍[1]。近年來，無錫經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，推動(dòng)了多個(gè)高層建筑和軌道交通的建設(shè)。而在巖溶地區(qū)進(jìn)行地鐵建設(shè)很容易發(fā)生地面塌陷、隧道突泥突水等地質(zhì)災(zāi)害[2]。巖溶的規(guī)模及其與隧道底板的位置關(guān)系嚴(yán)重影響著地鐵建設(shè)的安全。擬建的無錫地鐵4號線位于無錫市中部，從北向南依次跨越北塘區(qū)、南長區(qū)和濱湖區(qū)。線路全長43.34 km，共設(shè)30座車站，皆為地下車站，包括6座換乘站。其中四院站到河埒口站區(qū)間為盾構(gòu)施工段，在初勘階段發(fā)現(xiàn)巖溶比較發(fā)育，是控制線路方案的主要影響因素。本文在野外勘察的基礎(chǔ)上，通過物探、跨孔地震CT等方法，查明了區(qū)間內(nèi)的巖溶發(fā)育規(guī)模及其分布特征，分析了地鐵建設(shè)過程中可能出現(xiàn)的地質(zhì)問題，并據(jù)此提出可行的處理方案，為地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和盾構(gòu)施工提供依據(jù)。

1 工程概況

擬建的無錫地鐵4號線是無錫地鐵集團(tuán)有限公司根據(jù)國家及江蘇省發(fā)展和改革委員會(huì)文件精神擬投資建設(shè)的一項(xiàng)惠民工程。工程整體呈半環(huán)形，北起梁溪區(qū)劉潭站（與1號線換乘），南至濱湖區(qū)震澤路商務(wù)中心站，而后轉(zhuǎn)向東至新吳區(qū)查橋站。3號標(biāo)段是指惠山古鎮(zhèn)站（不含）至隱秀路站（含），總計(jì)5站5區(qū)間。本文研究區(qū)間位于整條線路的中間位置，如圖1所示。線路主要沿惠河路、英俊路和蠡溪路布置，同時(shí)下穿青祁路高架、產(chǎn)業(yè)新村及上蔣巷居民區(qū)。經(jīng)初步勘察，巖溶主要發(fā)育在場地的濱湖交警大隊(duì)和上蔣巷居民區(qū)區(qū)域。

圖1 無錫地鐵四號線擬建線路圖

該場地地貌單元屬長江三角洲沖積平原。無錫市位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺下?lián)P子至錢塘褶皺帶東端[3]。印支運(yùn)動(dòng)使該區(qū)褶皺上升成陸，燕山運(yùn)動(dòng)發(fā)生，使地殼進(jìn)一步褶皺斷裂，并伴之強(qiáng)烈的巖漿侵入和火山噴發(fā)。白堊紀(jì)晚世，漸趨寧靜，該區(qū)構(gòu)造格架基本定型，新生代以來，地殼運(yùn)動(dòng)總的特點(diǎn)是山區(qū)緩慢上升、平原區(qū)持續(xù)緩慢下降。在近場區(qū)范圍內(nèi)共有兩條較大規(guī)模的斷裂，如圖2所示，即蘇錫常斷裂、和橋-陽山斷裂。

蘇錫常斷裂是無錫-宿遷斷裂的南延段延伸部分，呈北西走向，傾向南東，傾角約60°。主要活動(dòng)時(shí)期是第四紀(jì)早、中更新世，晚更新世以來無活動(dòng)跡象。在近場區(qū)蘇錫常斷裂由不連續(xù)的若干條斷裂組成，其主體被第四系所覆蓋。斷裂基本上沿京杭運(yùn)河展布，與無錫地鐵4號線相交。

圖2 場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖

和橋-陽山斷裂又名張渚-洛社斷裂，走向北東，傾向北西，傾角約65°。整個(gè)斷裂被北西向斷裂切割為幾段，主要活動(dòng)時(shí)期是第四紀(jì)早、中更新世。近場區(qū)地層隸屬江南地層區(qū)蘇州-長興地層小區(qū)，地層發(fā)育較齊全[1]。

區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)被第四系地層覆蓋，基巖裸露區(qū)基本分布在江陰復(fù)式褶皺和太湖北岸。在該工程區(qū)揭露的基巖為石炭系黃龍組地層，主要以微晶灰?guī)r為主，夾有少量白云巖團(tuán)塊，塊狀構(gòu)造。自下而上分別為微風(fēng)化灰?guī)r、中等風(fēng)化灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r。區(qū)域資料顯示，地層層面向南東傾，傾角較緩，大部分在10°～20°。巖體中裂隙較發(fā)育。場區(qū)基巖埋深較大，巖體受上部巖土體自重應(yīng)力作用，結(jié)構(gòu)面閉合度一般。

2 巖溶分布特征

2.1 研究方法

根據(jù)前期勘察和地質(zhì)分析，場區(qū)內(nèi)巖溶主要發(fā)育在市交警大隊(duì)和上蔣巷居民區(qū)區(qū)域。該次巖溶勘察采用現(xiàn)在比較常用的跨孔地震CT法對溶洞和巖體破碎位置進(jìn)行探測，即在一個(gè)鉆孔內(nèi)發(fā)射，另一個(gè)鉆孔內(nèi)接收。跨孔地震勘探數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)采用具有高靈敏度、性能穩(wěn)定的瑞典RAS24便攜式數(shù)字地震儀，檢波器采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的檢波器（主頻100 Hz），震源選擇湖南奧成科技有限公司生產(chǎn)的電火花震源，激發(fā)電壓最高達(dá)10 kV。井孔深度一般40 m。井內(nèi)布置一串12個(gè)檢波器接收，道間距1 m，記錄長度0.2 s，采樣間隔0.125 ms；激發(fā)孔內(nèi)炮點(diǎn)間距為0.5 m。場地內(nèi)共布孔17個(gè)，測線26條，如圖3所示。

圖3 場區(qū)測線布置圖

2.2 巖溶分布特征

根據(jù)鉆孔資料顯示，8個(gè)鉆孔揭露灰?guī)r地層，其中揭露溶洞的鉆孔有5個(gè)，鉆孔見洞隙率為62.5%，洞頂埋藏深度在27.50～44.30 m，標(biāo)高在-38.35～-20.75 m，溶洞高 0.40～12.10 m，局部呈串珠狀產(chǎn)出。溶洞的填充情況不一，存在全填充、半填充及未填充三種情況：全填充的填充物為硬塑狀的黏土；半填充的填充物為軟塑至流塑狀的粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土。根據(jù)跨孔地震CT探測解譯結(jié)果顯示，場區(qū)內(nèi)存在溶洞或大的裂隙共46個(gè)，見表1。

從探測的結(jié)果看，整個(gè)場地巖溶比較發(fā)育，并分布有多處巖層破碎帶。根據(jù)場地不同區(qū)域巖溶的發(fā)育程度以及對盾構(gòu)施工的技術(shù)要求需要，將標(biāo)高 -21～-22 m、-24～-25 m、-27～-28 m、-30～-31 m的CT探測解譯波速繪制成平面等值線云圖，如圖4所示。從圖中可以看出，巖溶在場地的右上角，即交警大隊(duì)附近發(fā)育較多，建議在此處多打幾個(gè)鉆孔，驗(yàn)證一下巖溶的發(fā)育情況。

3 地質(zhì)問題分析與處理

地鐵工程對地基的依賴性很強(qiáng)，對工程勘察、設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測的要求較高[4]。當(dāng)隧道穿越巖溶發(fā)育區(qū)時(shí)，容易遇到大小不等、部位不同、充填物及充填程度不同的溶洞，這些溶洞的存在將給隧道的施工和圍巖的穩(wěn)定帶來不同程度的風(fēng)險(xiǎn)，并且容易引發(fā)地面塌陷、突泥突水等地質(zhì)災(zāi)害問題[5]。如果處理不當(dāng)，將會(huì)造成不可磨滅的損失。

（1）根據(jù)探測結(jié)果，區(qū)內(nèi)巖溶多沿層面和裂隙發(fā)育，受地殼升降運(yùn)動(dòng)影響，巖溶現(xiàn)象具多期性，在垂向上有一定的分帶性，且溶洞大部分位于隧道底板的下方，溶洞的充填物絕大部分來自上覆土層。而且場區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育位置大部分集中在灰?guī)r層面以及斷層破碎帶，巖溶發(fā)育的方向主要受斷層的走向控制。為了防止施工過程中發(fā)生意外，建議在盾構(gòu)施工前對場區(qū)內(nèi)溶洞進(jìn)行灌注水泥砂漿處理。

表1 場區(qū)溶洞匯總表

圖4 波速平面等值線云圖

（2）該區(qū)間隧道由于縱坡的需要，埋深深淺有一定變化，同時(shí)線路范圍內(nèi)土層有一定起伏，故盾構(gòu)段隧道掘進(jìn)涉及土層較多，分別有粉質(zhì)黏土、黏土、碎石、含碎石粉質(zhì)黏土、殘積土、中等風(fēng)化灰?guī)r和微風(fēng)化灰?guī)r。這些巖土層力學(xué)性能差異較大，受荷載作用后，變形特征也有一定差異，在施工運(yùn)營階段可能會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，建議對其過渡地段采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施，并在施工過程中進(jìn)行長期的變形監(jiān)控。

（3）擬建線路位于市區(qū)，四周建筑較多，巖溶發(fā)育，盾構(gòu)施工過程中容易發(fā)生地面塌陷等地質(zhì)問題。尤其是該隧道下穿多個(gè)建筑物，包括沿青祁路的輔助用房、青祁路高架的橋墩、玉蘭苑一棟7層住宅樓、產(chǎn)山新村一棟5層住宅樓、上嚴(yán)巷榮院宿舍、上蔣巷住宅樓、市交通警察支隊(duì)濱湖大隊(duì)和已運(yùn)營的2號線河埒口站。對這些建筑物采取相應(yīng)的保護(hù)措施，控制地表變形，減輕施工對周圍建筑及管線的影響。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要對其進(jìn)行專門的變形驗(yàn)算，以確保工程安全及順利實(shí)施。

另外，根據(jù)管線探測資料顯示，惠河路、英俊路、青祁路路中及兩側(cè)地下管線種類多、數(shù)量大、情況復(fù)雜。在施工前要弄清管線的分布情況，在施工過程中要盡可能進(jìn)行避讓。

4 結(jié)語

要有效解決巖溶給地鐵建設(shè)施工帶來的問題，首先應(yīng)該從前期的勘察設(shè)計(jì)階段入手，利用物探、跨孔地震CT技術(shù)查明巖溶的形態(tài)及分布情況，注重對巖溶發(fā)育特征的分析，尤其是鉆探中發(fā)現(xiàn)的溶洞，要查明其分布規(guī)模和分布位置。對于在跨孔地震CT解譯中發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)異常地段，應(yīng)選擇有代表性的部位布置驗(yàn)證性鉆孔。由于地鐵全部采用地下隧道式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段要充分考慮地鐵建設(shè)對周圍建筑物及埋深范圍內(nèi)管線的影響。同時(shí)應(yīng)采用科學(xué)的施工和檢測方法：在盾構(gòu)施工前，應(yīng)盡早對埋藏型巖溶進(jìn)行注漿處理；在盾構(gòu)施工過程中，要時(shí)刻監(jiān)測盾構(gòu)機(jī)的阻力、姿態(tài)、水壓等，防止意外發(fā)生。施工中應(yīng)盡可能配備具有超前地質(zhì)探測的設(shè)備，掌握掘進(jìn)面的地質(zhì)不良情況，指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工參數(shù)選擇。

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