无锡地铁某区段岩溶发育特征及地基稳定性理论分析.pdf

第 卷 第 期 年 月资源环境与工程 .收稿日期:改回日期:责任编辑:李雯资助项目:安徽省住房城乡建设科学技术计划项目()校引进人才及博士启动基金项目()第一作者:郭书兰()女 讲师 博士 地质资源与地质工程专业 从事岩溶物探及城市环境岩土工程方向的科研与教学工作 :通信作者:俞良晨()男 博士研究生 地质资源与地质工程专业 从事边坡工程及城市环境岩土工程方向的科研工作 :郭书兰刘羊董聪慧等.无锡地铁某区段岩溶发育特征及地基稳定性理论分析.资源环境与工程():.():.无锡地铁某区段岩溶发育特征及地基稳定性理论分析郭书兰 刘 羊 董聪慧 俞良晨 李佳宝(.安徽建筑大学 安徽省膨胀土力学与工程研究院安徽 合肥 .广州市城市规划勘测设计研究院广东 广州.中铁南方投资集团有限公司广东 深圳 .南京大学 地球科学与工程学院江苏 南京)摘 要:目前中国地下工程发展迅速 地铁甚至成为衡量一个城市经济实力的指标 但是市区可能存在埋藏型岩溶 将给地铁工程建设带来很大的安全隐患 因此开展城市埋藏型岩溶探测 分析岩溶发育特征和发育机理等 对保障地铁工程建设安全十分必要 以无锡地铁某区段隧道穿越区为研究区 首先采用地质分析、跨孔 探测等方法对岩溶发育特征开展研究 发现区内岩溶发育规模不大 受地质构造及灰岩分布影响 溶洞大部分沿地层界面和岩体裂隙发育 且具有明显的纵向强弱分带特征 大部分溶洞被完全充填或半充填 充填物成分主要来自于上覆岩土层 其次 基于双向受压无限板理论 对场区地基单个溶洞及双孔溶洞建立计算模型 并运用格里费斯准则对溶洞围岩的稳定性进行理论分析 推导出岩溶发育区地基稳定性计算公式 最后 结合地铁隧道设计方案与岩溶探测结果 发现场区内溶洞皆位于隧道底板下方对隧道施工有一定影响 建议采用注浆方法进行处理 研究成果可为城市浅埋岩溶区的地铁设计与施工提供借鉴关键词:埋藏型岩溶 跨孔 探测 岩溶发育特征 地基稳定性 无锡地区中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.随着城市建设的快速发展轨道交通已成为一座城市的名片但中国是一个岩溶广泛分布的国家在轨道交通建设过程中经常会遇到岩溶地质灾害问题由岩溶引起的地面塌陷、隧道突泥突水等工程问题很多例如 年圆梁山隧道突水事故、年伊万铁路野山关突泥突水事故 灰岩等碳酸盐岩具有可溶性在一定的水力及地质环境条件下易发生岩溶溶蚀作用形成各种各样的溶蚀构造严重威胁地基与基础工程的安全性 因此对于岩溶区需进行专门的岩溶工程地质勘探受地质构造与地质环境等影响岩溶发育特征具有地域性不同区域的岩溶分布规律不同研究岩溶的发育特征非常有益于地铁等轨道交通的设计与施工 但受制于岩溶地质条件的复杂性及地域性在地下工程勘察与建设中理清岩溶发育特征并查明岩溶分布规律比较困难需要不断地进行探索 目前在岩溶工程勘察中常用钻探方法来查明岩溶发育情况但是现有的钻探方法经济性较低在控制成本的条件下钻孔数目较少且间距较大导致最终的钻探结果与实际岩溶分布存在较大的出入 近年来物探技术逐渐发展包括微动勘探、高密度电法、跨孔 等不同的物探技术优缺点各不相同比如微动勘探具有探测深度大、抗干扰能力强的特点高密度电法是一种较为可靠、便捷且经济的方法但上述常规的物探方法均存在物探结果分辨率不高的问题 综合来看目前运用 技术进行钻孔间的岩溶探测越来越广泛且解译效果优于其他物探方法 无锡地区作为苏南地区核心地带随着城市建设的发展地下工程发展迅速越来越多的地铁工程建设涉及到岩溶问题 与中国西南地区不同苏南地区的岩溶发育规模较小在工程建设过程中很容易被忽视 近年来无锡地区频繁出现岩溶引起的地面塌陷地质灾害问题引起了国内外众多学者的关注也引起了工程建设部门的重视 但是由于前期研究较少目前缺少系统的无锡地区岩溶发育情况及其岩溶地质灾害的资料 因此结合无锡地铁 号线某区段的工程地质条件以及水文地质条件运用跨孔 技术得到场地的岩溶发育特征在此基础上对场区地基开展稳定性分析为岩溶地基的处理及地铁的设计与施工提供科学依据 场区概况与地质条件.场区概况如图 所示无锡地铁 号线某区段位于无锡市滨湖区范围内 该工程运用传统的矿山法及盾构法进行施工并在勘察过程中发现该区段地基埋藏型岩溶发育 场区位于山前缓坡区段水位变化大溶洞的大小及充填物性质各异在施工中很容易出现不均匀沉降、地面塌陷等工程地质灾害问题直接影响设计方案与施工方法的选择 场区位于湖积平原区地形起伏小地层倾向 走向 倾角较缓多在 基岩埋深在 土岩界面在空间上呈波状起伏 此外该区属于亚热带季风气候区四季分明降雨丰沛 场区内不存在地表河流但其北临惠山南接太湖地下水径流极其活跃这些都给岩溶发育提供了基础条件图 场区地铁线路示意图 .区域地质构造区域资料显示无锡市区地貌以平原为主零星散布着低山、残丘 经现场勘察场区地形较平坦现状地面标高在.地形呈现出“”字形(三山夹两盆)经过现场工程地质踏勘发现场区附近存在 条断裂 场区处于马山惠山背斜东南翼并且苏锡常断裂()和和桥阳山断裂()交汇于此 其中苏锡常断裂是无锡宿迁断裂的一部分走向 倾角约在产山新村东侧与地铁线路相交 场区内断裂自晚更新世以来皆未活动.工程地质条件场区典型的工程地质剖面图如图 所示地层从上到下依次为填土、黏土、粉质黏土、黏土、碎石土、残积土及灰岩(表)依据地铁隧道线路原设计方案地铁线路在空间上埋深有变化地铁隧道施工过程中需穿越粉质黏土、黏土、碎石土、残积土等多层土部分隧道的底板直接坐落于灰岩之上 研究区地层平缓溶洞、土洞较多主要发育于土岩界面上及灰岩中区域探测到的溶洞皆位于隧道底板下方钻探揭示岩溶充填物主要为含碎石粉质黏土、淤泥质黏土和黏土表 场区地层基本情况 层号层名时代厚度/描述杂填土.灰黄色土层不密实局部夹大块石淤泥质填土 .灰黑色结构松散主要为流塑状的淤泥质土黏土.黄色、黄灰色含铁锰质结核及其氧化物粉质黏土.青灰色含有机质及贝壳等碎屑夹少量粉土薄层黏土.黄灰色含铁锰质结核及其氧化物夹蓝灰色条纹碎石土.杂色碎石之间的充填物为黏性土碎石主要为砂岩残积土.红褐色主要为黏性土含碎石灰岩.灰白色具隐晶质结构、块状构造.水文地质条件根据现场调查场地范围内不存在现状河道及池塘区域降雨补给及地下水径流示意图如图 所示该区地下水类型主要为松散岩类孔隙水、岩溶水及基岩裂隙水 地下水化学成分受地层岩性及埋深影响而具有较大差异性另外因为地层的富水程度不同场区岩溶发育规模及岩溶特征不一在垂直向上具有明显的分带性 场区岩溶水主要来源为降雨入渗补给第 期郭书兰等:无锡地铁某区段岩溶发育特征及地基稳定性理论分析图 典型工程地质剖面图 图 地下水径流示意图 由于区内基岩上覆土层较厚降雨在下渗过程中会发生过滤作用而造成 含量降低导致岩溶发育规模较小 另外水的运移条件也是岩溶发育的必要条件之一 场区距离惠山较近地下水径流速度快地下水很活跃 同时当地的降雨条件也会对岩溶发育造成一定的影响 无锡每年的 月为降雨期地下水位一般在 月随着降雨量的增加而逐渐上升并在 月达到峰值 进入秋冬季伴随着降雨量的减少地下水位逐渐下降所以区内地下水位波动较大 除此之外场区处于无锡市繁华地段高楼林立地面荷载较大加之人为抽取地下水加剧了地下水的变动速率引发了包括岩溶地基塌陷、地面沉降等工程地质问题 场区地基岩溶发育特征与发育机理.跨孔 探测原理与方法本文利用跨孔 探测技术对场区地基中的土洞、溶洞及岩体破碎处等不良地质体进行探测测线布置见图 现场布置了 条探测剖面采用一孔与周围多孔联合进行测量每个剖面各有 个激发孔和 个接收孔钻孔深度 孔间距 跨孔 探测室外采集装置如图 所示包括 个部分:激发装置、检波器和地震仪 激发探头和检波器分别放置于 个钻孔之中激发探头释放光信号光电传感器将光信号转变成电信号电信号通过检波器被地震仪接收室内解译工作采用波速层析成像技术依据弹性纵波在地层中的传播速度推断出地层及不良地质体空间分布情况 跨孔 探测数据的处理共分 个步骤:数据滤波拾取初至波走时反演波速 图像成图 最终的解译结果是展示 个钻孔之间地层的波速等值线云图并依据不同地质体的波速判别出溶洞、土洞等不良地质体及土岩界面(图).岩溶发育特征通过探测在场区内发现 个地质异常体分别为 个充填型溶洞(含 对串珠状溶洞)、个空洞和资源环境与工程 年 图 跨孔 现场试验设备 个裂隙带或松散土体 场区内的溶洞多呈扁圆形或不规则椭圆形其形状取决于岩层的产状和完整性当地层倾角较小且岩石完整性较好时洞穴倾向于水平发育当岩层倾角较陡且岩石破碎时洞穴倾向于垂直发育几乎所有的串珠状溶洞均呈扁圆形而且相互连接 另外充填类型对溶洞体积影响较大当充填物以黏土为主时充填物结构松散溶洞直径一般为 当充填物为砾石土时洞径一般在 场区内发育的岩溶具有比较明显的垂向分带性结合地铁隧道线路设计方案及解译的岩溶空间分布情况发现溶洞均位于隧道下方距隧道底板最小距离仅为.最大距离为.距离隧道较近的溶洞均为充填型溶洞探测结果表明岩溶大部分沿地层界面和岩体中的裂隙发育从图 可以看出:岩溶发育具有明显的纵向强弱分带特征 岩溶的发育标高为 在标高 区间内溶洞数量最多岩溶发育最为强烈在标高 区间内溶洞数量最少岩溶发育规模较小在其他标高区间内岩溶发育相对较弱溶蚀现象很少 场区内发育的溶洞大部分被完全充填或部分充填溶洞最发育的区间溶洞充填率为 .岩溶发育机理根据场区岩溶发育特征以及溶洞的形状、位置和充填类型可以将研究区溶洞划分为 种类型(图)其中型溶洞是早期灰岩裸露阶段遭受侵蚀后地层沉积压实形成可以视为古岩溶且进一步发育的可能性很小型溶洞是古岩溶再次遭受侵蚀发育而成该类溶洞的形状比较特殊溶洞上部呈水平向椭圆状下部为似圆状且与周围溶洞的连通性较好溶洞进一步发育的可能性很大型溶洞很明显是灰岩接受沉积之后遭受侵蚀而形成规模随时间也在不断变大视为新岩溶型溶洞是典型的新近发育岩溶随时间变大的速度很慢型溶洞周围岩体节理裂隙发育该类溶洞也是新近形成的溶洞但是其随时间变大的速度比较快图 跨孔 探测技术解译结果 第 期郭书兰等:无锡地铁某区段岩溶发育特征及地基稳定性理论分析图 溶洞垂直分带图 总体看来场区地表多被黏土等第四系沉积物覆盖其渗透性较差降雨无法直接通过地表入渗到地下碳酸盐岩中所以场区埋藏型岩溶发育需要特殊的导水构造如断裂、层间裂隙等 另外场区碳酸盐岩的倾角一般较缓且相对较完整降雨通过构造裂隙等入渗至地下后大部分会沿土岩界面及裂隙面流动所以场区埋藏型岩溶大多发育在土岩界面附近及岩体裂隙中并且受地下水位变动影响岩溶发育在空间上具有明显的纵向强弱分带特征 近年来随着人为活动的不断增多地下水的过度开采加速了水的渗流这同时加速了埋藏型岩溶的发育图 场区溶洞分类及特征 地基稳定性分析.地基稳定性的定性分析评价根据场区岩溶发育特征与发育机理来看影响地铁工程地基稳定性的因素较多主要包括地质构造特征、岩石特征、溶洞发育特征、地下水赋存状态及人为影响因素等()地质构造与地下水 地质构造与地下水活动密不可分对岩溶的发育方向和空间展布具有重要的控制作用 地质构造对岩溶发育和地基稳定性的影响可以按照褶皱和断裂去分析 场区地块在新构造运动时期以隆升为主岩溶作用以垂向发育为主 场区处于马山惠山背斜的东南翼在褶皱作用下岩体较破碎核部节理遍布岩体空隙、裂隙面较粗糙无胶结或弱胶结 场区在地理上北靠惠山南接太湖整体呈现山体陡峻、山前低洼的地形地貌特征地下水主要在背斜枢纽处汇流 近年来惠山绿化种植面积增加有效减少了山上的地表径流降雨主要沿山体的断裂及节理裂隙等入渗到山体然后向山脚汇集山脚表层为不透水的填土层地下水无法排泄主要沿地质界面(层面及构造裂隙面)向低洼处运移在运移过程中会对岩层和构造破碎带进行侵蚀 与此同时场区地下水位变动较大地下水的径流速度较快再加上降雨的影响区域发育的苏锡常断裂、和桥阳山断裂在场地内形成了一个天然的富水构造导致该区埋藏型溶洞较为发育岩溶地基稳定性差严重威胁地铁隧道的施工安全()岩石 场区岩石呈厚层块状产出质纯 室内试验结果显示岩石强度较高同时倾角平缓对地基稳定性有利()溶洞洞体 由跨孔 探测、钻探及岩溶发育特征分析可知场区内发育的岩溶具有比较明显的垂向分带性且呈现强弱交替的分布特点 场区大部分溶洞埋深较深溶洞上部的覆盖层较厚溶洞大部分被完全充填或部分充填连通性较差有利于岩溶地基的稳定.基于双向受压无限板理论和格里费斯准则的地基理论计算分析.单个溶洞的双向受压无限板计算模型场区内溶洞直径较小且埋深较深在分析单个溶洞地基周边的围岩应力时可将此问题简化为受溶洞作用的双向受压无限板应力分布问题 在这里假定岩体是均质、连续、各向同性的线弹性材料溶洞的断面形状为圆形溶洞无充填 为便于计算相关应力数值利用极坐标系进行计算 另外根据场区溶洞的形状及尺寸可知溶洞断面尺寸较其延伸长度相对较小可资源环境与工程 年 进一步简化为平面应变问题开展理论分析 采取上述简化假定后计算模型如图 所示图 单个溶洞计算模型 实际工程中岩溶地基水平地应力 与垂直地应力 并不相同可把它视为 个柯西问题相互叠加后的作用效果 当水平地应力 与垂直地应力 同时作用时单个溶洞地基附近的围岩应力可用下列公式表示:()()()()()()式中:、和分别表示围岩中某一点的切向应力、径向应力及剪切应力 表示围岩中某一点和水平轴之间的夹角表示坐标原点到围岩中某一点的距离 为溶洞平面上的半径在土洞周边 处圆形断面土洞周边的应力可根据式()计算结果为切向应力最大径向应力剪切应力.串珠状溶洞的双向受压无限板计算模型场区除存在单个溶洞外局部还发育有串珠状溶洞大多数为双洞(孔)分布两溶洞(圆心)之间的距离最小为.其中溶洞半径大约为.溶洞与溶洞之间没有大的连通通道连通性较差 同样地为了计算方便假设岩体是均质、连续、各向同性的线弹性材料且溶洞形状大小相同为圆形(图)双向受压 同时假定溶洞边界上不存在任何外力距离溶洞无限远处的应力为双向受压状态由此可得式():常数()()图 串珠状溶洞圆孔围岩上的应力 用极坐标求解:()应力分量可按下式求出:()()()()式中:()为 应 力 函 数()()()()是曲线双极坐标的第一种微分参数()为平面基本应力状态()为由于岩溶溶洞的存在而产生的附加应力状态在平面的双向受压条件下()函数表达式如下:()()()()()由于孔洞边界没有外荷载作用故在孔洞边界上由函数()求出的应力分量和应当等于由函数()所求出的应力分量和的负值经 研究发现在 (二向等应力)时溶洞边界上的最大应力位于 点和 点处 当 第 期郭书兰等:无锡地铁某区段岩溶发育特征及地基稳定性理论分析时双孔串珠状溶洞边界的应力条件与单个溶洞是一致的 换言之当 个溶洞距离 时双孔串珠状溶洞可按.节单个溶洞理论分析岩溶地基的稳定性 并且当地铁隧道底部与溶洞之间距离 时便可利用柯西解答来计算分析溶洞围岩的应力分布.场区溶洞围岩稳定性分析基于前述的理论分析通过计算可以得到场区溶洞周边围岩的次生应力进而计算得到溶洞周边应力值分布并与周边岩土体强度进行比较当应力值超过岩土体强度时隧道施工容易发生失稳 场区内溶洞所受竖直应力 由土压力、水压力、岩石压力及构造应力等共同产生 为求得场区溶洞围岩的应力分布引入岩石的侧压力系数 /()(为岩石的泊松比取值为.)根据规范和场区土层的分布情况算得距溶洞中心 处的竖直和水平应力为:.将其带入式()可得到土洞周边的应力同时土洞静水压力为 (为水的重度为潜水面至土洞中心的距离)因此土洞周边的径向应力 及切向应力 均应加上静水压力 那么考虑地下水影响时土洞周边的、大小应该如表 所示表 土洞不同位置对应的、值 /()/./从计算结果可以看出当 时最大为.根据土洞破坏区塑性边界理论方法可求得某点处的大、小主应力、:()()()最后根据求得的大、小主应力、用莫尔库仑准则来判别土体是否会发生破坏以此判断地基的稳定性这里需要说明的是本文提出的地基理论计算模型主要是依据溶洞分布情况计算溶洞附近围岩以及土体的应力分布情况并推断出不同类型溶洞在不同距离区间下对隧道应力的影响及简化计算方法 针对不同类型岩溶周边的土体或围岩可以依据地基理论计算模型计算出土体或围岩应力分布进而指导隧道支护设计方案后期可带入隧道施工稳定性计算中 如果拟建隧道区域范围内土体依据莫尔库仑准则处于可能发生剪切破坏的状态则建议在地铁隧道施工前进行注浆等超前加固措施 因此本文并未考虑地铁隧道开挖建设影响而是依据上述理论推导单个溶洞及串珠状溶洞下拟建隧道区域的应力分布情况结合岩土强度理论指导地铁隧道的施工设计方案 结论与建议()在进行岩溶专项勘探时建议采用工程地质物探、钻探及地质分析相结合的研究方法此外要充分认识岩溶的发育机理及规律有利于实现岩溶地质勘察的高效布置钻孔()本研究场区的溶洞分布及大小受地质构造、地形地貌、地层岩性及地下水变动影响溶洞发育规模较小面积多在 以下大多发育在土岩界面及岩体裂隙上且具有明显的纵向强弱分带特征溶洞之间连通性较差建议经注浆处理后便可进行地铁工程建设()该地铁区段的隧道底板埋深有一定变化且土岩界面起伏较大地铁隧道需穿越多层土层其力学性质较差要先进行上部土层加固并且在施工中应加强超前预报及地面形变监测工作()当在浅埋岩溶区进行工程建设并将岩溶地基作为相关建(构)筑物的持力层时地基稳定性评价工作建议采用地质力学及理论计算相结合的方法 本文推导出的地基稳定性计算公式可用于岩溶地基稳定性评价工作并指导隧道施工方案设计 另外本文的相关假定会导致分析结果存在一定的误差建议在稳定性分析中取安全系数的临界值为.致谢:感谢无锡市政设计研究院有限公司在野外探测与解译过程中给予的大力支持参考文献:李肖南阎长虹许宝田等.无锡某地基埋藏型岩溶发育特征及充填物来源.中国岩溶():.孟少伟.云桂铁路珠琳段岩溶发育特征及其对工程影响研究.成都:西南交通大学.康春景张绪教吴中海等.滇西怒江河谷潞江段岩溶发育特征及其对工程的影响.地质通报(/):.樊永生张艳涛.武汉地铁岩溶勘察主要方法及重难点分析.资源环境与工程():.段成龙阎长虹许宝田等.跨孔地震 技术在地铁工程施工溶洞探测方面的应用.地质论评():.彭耀樊永生徐联泽等.钻孔电视成像在武汉地铁岩溶勘察中的应用.资源环境与工程():.徐富文刘博蔡恒安等.微动勘探方法在鸡冠咀矿区外围深部找矿中的应用效果研究.资源环境与工程():.程怀蒙郭宁宁徐玳笠等.高密度电法在崩滑堆积体探测中的资源环境与工程 年 应用效果.资源环境与工程():.王建军高建华.电磁波 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