無錫淺埋巖溶發(fā)育特征及其與隧道安全距離研究

郭書蘭 ,閻長虹 ,俞良晨 ,閆超 ,李慧 ,徐源

（1.智能地下探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽建筑大學(xué)，合肥，230601；2.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥，230601；3.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京，210023；4.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京，210008）

近年來，為了緩解交通擁堵，地下隧道工程發(fā)展迅速［1-3］.而我國是一個(gè)巖溶廣泛分布的國家，在地下隧道施工過程中經(jīng)常會(huì)遭遇巖溶，導(dǎo)致地面塌陷、隧道突水、掌子面失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害［4-5］，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失.因此，巖溶地區(qū)的地下施工安全成為亟待解決的問題，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其開展了一系列的研究.Ren et al［6］依據(jù)相關(guān)資料對(duì)廣州市的巖溶地質(zhì)條件進(jìn)行分析，總結(jié)了廣州地鐵施工過程中潛在的巖溶地質(zhì)災(zāi)害，提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施.Zhang et al［7］則利用模糊評(píng)估系統(tǒng)對(duì)隧道施工中可能遭遇的巖溶地質(zhì)問題進(jìn)行了預(yù)測，模糊評(píng)估系統(tǒng)中應(yīng)用探地雷達(dá)、瞬變電磁法等物探方法，可以較為準(zhǔn)確地提供施工區(qū)間的巖溶地質(zhì)特征，為隧道施工災(zāi)害防范提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐.常威等［8］以張家界—吉首—懷化高速鐵路的蘭花隧道為例，在巖溶水文地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上結(jié)合地下水多元示蹤技術(shù)，查明了蘭花隧道區(qū)各巖溶地下水系統(tǒng)以及地下暗河管道的空間展布，并開展了相關(guān)隧道水害預(yù)測工作.吳遠(yuǎn)斌等［9］以重慶中梁山地區(qū)隧道工程為例，研究了隧道開挖影響下巖溶塌陷形成演化模式及防治對(duì)策.

在巖溶地區(qū)進(jìn)行地下工程施工時(shí)必須了解場區(qū)的巖溶發(fā)育特征，才能采取對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施，防止施工過程中巖溶地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生［10-11］.Guo et al［12］針對(duì)無錫地鐵隧道施工中遭遇的淺埋巖溶地質(zhì)問題利用自主研發(fā)的CT 物探技術(shù)對(duì)區(qū)域巖溶地質(zhì)特征進(jìn)行了勘查與分析，得到無錫地區(qū)淺埋巖溶發(fā)育機(jī)理與分布規(guī)律，并成功地應(yīng)用到盾構(gòu)掘進(jìn)選線與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防中.李華明等［13］以峨漢高速的廟子坪隧道為研究對(duì)象，開展隧道沿線巖溶發(fā)育特征的探測，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了巖溶發(fā)育特征對(duì)隧道開挖的影響.與此同時(shí)，在巖溶區(qū)查明了巖溶發(fā)育特征之后進(jìn)行隧道施工仍然會(huì)遭遇許多地質(zhì)問題，其中水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件復(fù)雜且具有不確定性尤為突出.柳林等［14］結(jié)合南寧某地下工程施工過程中遭遇的地面塌陷問題展開機(jī)理分析，研究結(jié)果表明研究區(qū)場地內(nèi)巖溶強(qiáng)發(fā)育，在施工過程中抽水導(dǎo)致發(fā)生潛蝕作用，從而發(fā)生了地面塌陷.

無錫地區(qū)地處蘇南城市群核心地帶，近年來隨著其地鐵隧道的大量建設(shè)以及地下空間的不斷開發(fā)，淺埋巖溶侵蝕災(zāi)害問題越來越突出，在施工過程中稍有不慎便會(huì)因巖溶地質(zhì)災(zāi)害而引發(fā)工程事故.在過去，由于無錫地區(qū)巖溶分布不廣泛、規(guī)模也較小，只有在工程建設(shè)過程中遇到巖溶時(shí)才會(huì)對(duì)其進(jìn)行探測和治理，缺乏對(duì)巖溶的成因、發(fā)育規(guī)律及其溶蝕作用的系統(tǒng)研究，隧道工程施工更是面臨“無經(jīng)可取”的窘境.為此，本文針對(duì)這一現(xiàn)狀，開展無錫典型淺埋巖溶區(qū)的巖溶發(fā)育特征探測及分類，并結(jié)合無錫某地鐵隧道具體工程對(duì)隧道與溶洞之間的安全距離進(jìn)行研究，可為無錫淺埋巖溶區(qū)隧道工程施工提供指導(dǎo).

1 地質(zhì)背景

無錫市位于江蘇省南部，北依長江，南臨太湖，為長江三角洲沖積平原地貌.在地鐵建設(shè)過程中，靠近惠山附近發(fā)現(xiàn)了較多的淺埋藏型巖溶，對(duì)地鐵施工及運(yùn)營期具有潛在的巖溶災(zāi)害危險(xiǎn)性.其中研究區(qū)地鐵隧道及勘探點(diǎn)的平面布置如圖1a，典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1b 所示.經(jīng)過調(diào)查，研究區(qū)基巖由石炭系砂巖組成，上覆二疊系、三疊系、侏羅系和白堊系地層.灰?guī)r位于中石炭統(tǒng)（C2h）-上石炭統(tǒng)（C3c）內(nèi)，呈灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，按風(fēng)化程度可分為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、弱風(fēng)化灰?guī)r和微風(fēng)化灰?guī)r，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造清晰，主要礦物成分為方解石、白云石等，局部可見方解石脈.研究區(qū)灰?guī)r在地鐵線路范圍內(nèi)有一定起伏，標(biāo)高約為-18～-30 m，地層向東南傾，傾角10°～20°.

圖1 研究區(qū)地鐵隧道和勘探點(diǎn)平面布置圖(a)及典型工程地質(zhì)剖面圖(b)Fig.1 Layout plan of subway tunnel and exploration points (a),typical engineering geological profile (b)

通過調(diào)查與試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，場區(qū)內(nèi)含水層由潛水、巖溶水和裂隙水組成，場區(qū)內(nèi)地下水沿地層向東南方向流動(dòng)，且腐蝕性CO2含量豐富（平均10.34 mg·L-1）.因?yàn)閳鰠^(qū)地表分布滲透性較差的填土，地表水對(duì)巖溶發(fā)育的影響不大.然而，由于離山很近，降雨會(huì)沿著山兩側(cè)的巖石裂縫和斷裂帶向下滲透，形成地下水，而且地勢陡峭，地下水流動(dòng)性較大.另外，場區(qū)內(nèi)有兩條大型斷層：蘇錫常斷層以及和橋-陽山斷層，還有一些向西北傾斜50°～71°的小斷層，這些斷層的存在為水的運(yùn)移提供了通道.因此，活躍的地下水在巖溶形成過程中起著主導(dǎo)作用，為巖溶洞穴和裂縫的形成創(chuàng)造了適宜的環(huán)境（圖2）.

圖2 研究區(qū)三維地形示意圖Fig.2 3D topographic map of the study area

2 淺埋巖溶發(fā)育特征

2.1 野外探測為了探測場區(qū)的巖溶發(fā)育情況，采用鉆探和跨孔CT 相結(jié)合的方法，對(duì)場區(qū)的巖溶進(jìn)行探測.其中根據(jù)周邊環(huán)境共布置了18 個(gè)鉆孔（圖1a），鉆孔深度標(biāo)高達(dá)-42 m.依據(jù)鉆孔結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶洞的頂板位于標(biāo)高-17～-37 m 處，溶洞的最小球直徑（橢球長軸）為1.56 m，最大直徑（長軸）為12.10 m，如圖3 所示.從圖中可以看出，一些溶洞完全由硬塑性黏土填充，另一些溶洞由可塑、流體狀的粉質(zhì)黏土半填充，同時(shí)還有空的溶洞存在.

圖3 鉆孔巖溶照片F(xiàn)ig.3 Photos of karst caves in the boreholes

為了詳細(xì)探測場區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖溶，研究區(qū)采用了跨孔CT 技術(shù)對(duì)溶洞、土洞和巖體破碎位置進(jìn)行探測.野外探測設(shè)備主要包括電火花激發(fā)裝置、水下檢波器、地震儀和筆記本電腦.采用一個(gè)孔激發(fā)，另外一個(gè)孔接收的方式，在一個(gè)鉆孔內(nèi)放置連接220 V 交流電的電火花激發(fā)裝置，在另外兩個(gè)孔內(nèi)分別放置一串檢波器（圖4a）.當(dāng)電火花裝置激發(fā)后，探頭放電產(chǎn)生汽化發(fā)生爆炸，通過光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，地震儀接收電信號(hào)，采樣頻率為0.125 ms，記錄長度為0.2 s，由筆記本電腦負(fù)責(zé)記錄及數(shù)據(jù)處理（圖4b）.解譯方法則根據(jù)觸發(fā)信號(hào)為零延的特性，通過地震儀將瞬時(shí)激發(fā)的人工地震波準(zhǔn)確記錄下來，利用廣義最小二乘法進(jìn)行剖分單元的波速計(jì)算，將CT 彈性縱波繪制成波速等值線云圖，最后根據(jù)彈性波在巖土體內(nèi)的傳播速度變化特征來推斷介質(zhì)的空間分布情況（圖4c）.

圖4 跨孔CT 探測系統(tǒng)Fig.4 Working flowcharts of the cross-hole seismic CT techniques

利用上述的跨孔CT 技術(shù)，在研究區(qū)場地內(nèi)共發(fā)現(xiàn)了29 個(gè)溶洞（圖5）.大部分溶洞呈扁圓形或橢圓形，由含礫石的粉質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土填充，直徑（長軸）在1～10 m.

圖5 基于跨孔CT 解譯結(jié)果的場區(qū)巖溶發(fā)育圖Fig.5 Karst development map of the site based on cross hole CT interpretation results

2.2 巖溶發(fā)育特征及其分類巖溶的控制因素包括地形、構(gòu)造特征、降雨和地下水.此外，人類活動(dòng)，尤其是非法開采地下水，在加速巖溶形成方面也發(fā)揮了重要作用.另外，由于巖溶發(fā)育在不同時(shí)期，巖溶塌陷也會(huì)在不同時(shí)期發(fā)生，導(dǎo)致有些溶洞與第四紀(jì)沉積物具有很好的相關(guān)性，有時(shí)甚至?xí)纬赏炼?

根據(jù)探測得到的溶洞大小、位置和填充類型以及對(duì)地鐵隧道的潛在影響，本文將研究區(qū)內(nèi)的溶洞分為四種類型，如表1 所示，其中Ⅱ型溶洞在研究區(qū)內(nèi)最為發(fā)育.

表1 場區(qū)溶洞分類表Table 1 Classification of karst cave

Ⅰ型：在土層和巖石界面下方發(fā)育，呈橢球形，填充物主要為含礫石的粉質(zhì)黏土，其性質(zhì)與上覆土層相同.溶洞頂層厚度一般較小，部分地段與第四系地層相連.這些溶洞是在石灰?guī)r暴露并壓實(shí)Q3層后不久形成的.

Ⅱ型：是由古巖溶進(jìn)一步侵蝕而成，在土層和巖石界面下方發(fā)育，呈現(xiàn)出上部水平橢球形，下部扁球形的特殊形狀，并且溶洞之間有良好的連通性，很容易進(jìn)一步侵蝕擴(kuò)大.

武漢市種植EK2S不育期從7月上旬到9月上旬，不育期長達(dá)2個(gè)月，敗育類型在多數(shù)情況下為無花粉型。2018年送華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院進(jìn)行人工氣候箱育性鑒定。由表2可知，無論是長日低溫（14.5 h，23.0 ℃）處理，還是短日低溫（12.5 h，25.0℃）處理，EK2S不育性都較穩(wěn)定，其花粉敗育度均在99.58%以上，自交結(jié)實(shí)率均為0，在長日自然溫度 （14.5 h／自然溫度）條件下，其花粉敗育度為100%，自交結(jié)實(shí)率為0。

Ⅲ型：溶洞頂部近乎與土巖界面相切，呈水平橢球形，是在Q3沉積后形成的，隨著時(shí)間的推移，它們的規(guī)模不斷擴(kuò)大，形成新的巖溶.

Ⅳ型：溶洞發(fā)育在灰?guī)r的中部，規(guī)模較小.周圍巖體中節(jié)理裂縫發(fā)育.它們是典型的新近形成的溶洞，規(guī)模在緩慢增加.

3 溶洞與隧道間的安全距離計(jì)算

溶洞類型以及溶洞與隧道之間的距離是影響隧道開挖穩(wěn)定性的重要因素［15-16］.本文以無錫某地鐵隧道為例，利用數(shù)值模擬方法對(duì)溶洞與隧道間的安全距離進(jìn)行分析計(jì)算.擬建隧道頂板標(biāo)高為-12.84～-2.98 m，底板標(biāo)高為-18.82～-9.21 m，采用直徑6 m 的圓形盾構(gòu)施工.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，隧道的變形必須控制在0.4%R（R：隧道直徑）以內(nèi)，即24 mm，而地表沉降必須小于20 mm.

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)合隧道高程和巖溶發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的溶洞幾乎都在隧道的下方，距離隧道底板最近的只有1 m，最遠(yuǎn)為20 m.影響巖溶區(qū)隧道穩(wěn)定性的因素有很多，包括巖溶分布、溶洞充填物類型、溶洞體積、隧道與溶洞之間的距離等.因此，為了研究四種類型的溶洞對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響并進(jìn)行安全距離的直觀的對(duì)比分析，本文在模擬分析過程中做了一定的簡化.首先取各類型巖溶溶洞距土巖界面距離最小的工況進(jìn)行模擬分析.其次參考研究區(qū)不同類型巖溶溶洞體積分布情況，取四種類型巖溶最典型的溶洞大小進(jìn)行分析，并通過固定溶洞的直徑來達(dá)到控制不同類型溶洞的大小的目的（表2）.最后利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立圖6 所示的模型，對(duì)表2 所示工況下隧道開挖引起的圍巖變形及隧道拱頂位移和地表沉降變化進(jìn)行模擬分析，得到不同類型巖溶隧道與溶洞之間的安全距離.所有模型尺寸均為X×Y×Z=72 m×72 m×72 m，模擬過程中模型四周約束水平位移，底部約束水平和垂直位移，模型上部為自由邊界.地層單元采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，未充填溶洞采用空模型，地層的相關(guān)物理和力學(xué)參數(shù)如表3 所示.

表2 數(shù)值模擬工況Table 2 Conditions considered in numerical simulation

表3 地層物理和力學(xué)參數(shù)Table 3 The physical and mechanical parameters of the formation

圖6 四種類型溶洞的數(shù)值模擬模型（D=5 m）Fig.6 Numerical model of four kinds of karst caves (D=5 m)

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 隧道圍巖變形隧道掘進(jìn)與支護(hù)的施工過程中伴隨著應(yīng)力重分布，會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，而巖溶類型、隧道與溶洞之間的距離均會(huì)對(duì)隧道圍巖變形產(chǎn)生影響，表4 為隧道開挖后各工況下隧道圍巖的最大變形值.從表4 可以看出：

表4 隧道開挖圍巖最大變形值（單位：mm）Table 4 Maximum Z-displacement (m) of in y=36 m plane (units: mm)

（1）對(duì)于同一類型的溶洞，隧道圍巖變形整體呈現(xiàn)出隨著D值的增加變形量逐漸減小，但當(dāng)D=3 m 和D=5 m 時(shí)因隧道局部地層為碎石層，強(qiáng)度較大，變形量不滿足上述規(guī)律；

（2）當(dāng)D≤9 m 時(shí)，在相同距離下，在Ⅰ型溶洞上進(jìn)行隧道掘進(jìn)引起圍巖形變量最小，而造成圍巖形變量最大的巖溶類型不固定.

3.2.2 隧道拱頂位移在溶洞的影響下，隧道的變形主要包括拱頂沉降、拱底隆起以及拱腰的側(cè)向位移，其中，拱頂?shù)奈灰谱畲?因此，在隧道開挖過程中，考慮施工是否符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)該首先關(guān)注拱頂沉降［17-18］.如圖7 所示是場區(qū)隧道在不同工況下開挖后拱頂?shù)某两登闆r，從圖7 中可以看出：（1）隧道進(jìn)口（0～3 m）、出口（69～72 m）和溶洞區(qū)（33～39 m）的位移最大；（2）當(dāng)D=1 m 時(shí)，Ⅳ型溶洞引起的隧道拱頂沉降最大，Ⅰ型溶洞引起的隧道拱頂沉降最小，當(dāng)D=3/7/9 m 時(shí)，Ⅰ型巖溶引起的隧道拱頂沉降最小，引起隧道拱頂沉降最大的巖溶類型不固定，D=5/11/13 m 時(shí)，四種巖溶類型引起的隧道拱頂沉降差距很??；（3）根據(jù)隧道變形控制應(yīng)＜24 mm，因此，溶洞與隧道間的安全距離分別為5，11，13 m.

圖7 隧道拱頂沉降位移圖Fig.7 Settlement of top of arch

3.2.3 地表沉降位移除了隧道拱頂位移外，地表沉降也是監(jiān)測施工安全性的重要指標(biāo).圖8～11 是四種類型的溶洞在不同工況下隧道開挖引起的地表沉降位移圖.

圖9 不同條件下Ⅱ型溶洞引起地表沉降位移云圖Fig.9 Surface subsidence of type Ⅱ under different distanc

圖10 不同條件下Ⅲ型溶洞引起地表沉降位移云圖Fig.10 Surface subsidence of type Ⅲ under different distance

圖11 不同條件下Ⅳ型溶洞引起地表沉降位移云圖Fig.11 Surface subsidence of type Ⅳ under different distance

結(jié)合數(shù)值模擬得到的圖8～11 可以看出：

（1）在隧道與溶洞距離相等且該距離無法保證隧道拱頂位移在安全范圍的條件下，Ⅰ型巖溶相較于其他類型巖溶引起的變形最小.

（2）隧道與溶洞之間的距離會(huì)影響隧道開挖后地表發(fā)生沉降的數(shù)值，在研究區(qū)所有類型巖溶中進(jìn)行隧道施工后均滿足：當(dāng)D=5 m 時(shí)，地表沉降量最??；當(dāng)D=9 m 時(shí)，地表沉降量最大.

（3）所有的地表沉降均小于20 mm，滿足設(shè)計(jì)和施工要求.

綜合上述所有數(shù)值模擬結(jié)果來看，在隧道與溶洞距離相等且該距離無法保證隧道穩(wěn)定性的條件下，Ⅰ型巖溶相較于其他類型巖溶引起的變形最小.造成這種結(jié)果的原因是充填物的影響，即I型巖溶溶洞雖然較大，但其充填物為含礫石的粉質(zhì)黏土，其強(qiáng)度高于Ⅱ型和Ⅲ型巖溶中充填的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和Ⅳ型巖溶的空洞.此外，根據(jù)前面的分析，四種類型溶洞與隧道之間的安全距離均為D=5 m 或者D≥11 m.相較于安全距離為D≥11 m 的這種結(jié)論，這里需要特別指出D=5 m為安全距離的原因.這是因?yàn)楫?dāng)D=5 m 時(shí)，隧道所在地層為碎石層，強(qiáng)度較大，溶洞對(duì)其影響較小，所以當(dāng)D=5 m 時(shí)隧道開挖引起的變形要小于D=7 m 和D=9 m.

4 結(jié)論

確定溶洞的空間分布、大小和填充類型對(duì)地鐵隧道的安全施工以及預(yù)防巖溶塌陷具有重要意義.溶洞與隧道間安全距離的計(jì)算不僅可以為隧道的選線提供指導(dǎo)，還可以節(jié)約施工成本.通過對(duì)無錫市典型淺埋巖溶區(qū)進(jìn)行巖溶探測及其與隧道間的安全距離計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）場區(qū)位于低洼補(bǔ)給區(qū)，地下水循環(huán)活躍，富腐蝕性CO2，為巖溶的形成提供了理想的地質(zhì)條件.場區(qū)內(nèi)大部分溶洞呈扁球形或橢球形，并由含礫石的粉質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土充填，最發(fā)育的溶洞埋深在26～30 m 和32～36 m 之間，溶洞直徑為1～10 m.

（2）根據(jù)溶洞的大小、位置和填充類型可以把場區(qū)內(nèi)的溶洞分為四種類型，其中Ⅰ型溶洞對(duì)隧道安全施工的威脅最小.四種溶洞與隧道之間的安全距離為5 m 或≥11 m.

（3）依據(jù)巖溶發(fā)育特征及溶洞與地鐵隧道之間的距離來看，該地區(qū)的大多數(shù)溶洞都在安全距離之內(nèi).對(duì)于那些不在安全距離內(nèi)的洞穴，可以采取灌漿的方式進(jìn)行處理.在江蘇省淺埋巖溶地區(qū)進(jìn)行隧道施工時(shí)，可參考該計(jì)算結(jié)果中的安全距離進(jìn)行隧道選線.