摘要：武汉市岩溶地质条件复杂，岩溶区分布范围广，随着城市建设规模的扩大，岩溶地质问题日渐突出。以武汉某深隧工程勘察及岩溶预处理为依托，分析了本工程岩溶不良地质问题并提出了处理措施，为类似区域同类工程的勘察、设计、施工及运营风险防范提供借鉴。
关键词：岩溶; 岩溶地质; 地质问题; 岩溶处理;
1 概述
武汉市位于鄂东大别山丘陵和鄂东南幕埠丘陵间，石灰岩分布面积1100km2，约占该市面积的12.9%[1]。随着城市建设规模的不断扩大，越来越多的隧道工程穿越岩溶区，由此产生的岩溶地质问题等对工程建设的影响也日渐突出。官善友等对武汉市岩溶发育规律做过初步的分析与研究[2]；王丹丹对岩溶区主要工程地质问题及处理措施进行了概述[3]；李慎奎等对地铁岩溶区的岩溶发育特征及岩溶处理措施提出了分析及评价[4]。张琦等探讨了交通隧道岩溶综合治理[5]。近年来，全国范围内隧道工程遭遇岩溶不良地质问题日渐突出[5,6]。
武汉岩溶地质条件复杂，岩溶发育规律各异。本区以往的研究多集中于河流冲积一级阶段等岩溶地质灾害易发区的浅—中埋深交通隧道工程，而针对埋深大、高阶地区内隧道工程的岩溶研究的较少。本文以武汉某深隧工程勘察及岩溶预处理为依托，对区内高阶地工程场地岩溶地质问题及处理进行了分析及评价。
2 河流高阶地岩溶发育规律概述
2.1 岩溶平面条带分布
结合前期研究[1,2]并综合收集到的钻孔资料，将武汉地区碳酸盐岩的分布划分为六个条带：天兴洲条带、大桥条带、白沙洲条带、沌口条带、军山条带及汉南条带。碳酸盐条带分布见图1。
2.2 工程地质特征及塌陷风险
武汉市河流高阶地主要分布于长江、汉江以南，以及北、东部地区亦存在小片存在，并有残丘分布于平原中。
区内覆盖层由第四系更新统地层构成，上部主要为老粘性土或粘土夹碎石，中部为红粘土或红粘土夹碎石，下伏碳酸盐岩。岩溶裂隙水赋存于碳酸盐岩中，上部老粘性土或粘土夹碎石为隔水层。老粘性土厚度一般较大，地下水贫瘠；当碳酸盐岩表面不存在深、大溶沟及溶槽且软—流塑状红与基岩直接接触情况下，发生岩溶地面塌陷的可能性较小，但上述条件除外局部地段在人类活动因素的影响下也出现过地面塌陷等现象。总体上来讲武汉市河流高阶地岩溶区发生地面塌陷的风险较小。
2.3 岩溶发育基本特征
根据统计资料，武汉高阶地区溶洞高度普遍不大，多数溶洞高度在3m以下，岩溶形态以小规模溶洞及溶隙为主；溶洞充填以全充填为主，无充填及半充填溶洞数量相对较少；碳酸盐岩条带岩溶发育程度表现为由北向南逐渐增大的特点；不同时代碳酸盐岩岩溶发育强弱顺序为：黄龙组—栖霞组—大冶组；碳酸盐岩中所发育的溶洞大部分为浅层溶洞，尤其在基岩面以下4.0m范围内的最多，占溶洞总数的85%左右；随着岩面以下的距离增大，溶洞数量迅速减少，在基岩面2～4m范围内较为发育，10m以下发育程度逐渐减弱[8]。
3 工程概况
武汉某市政公路隧道下穿段地铁11号车站及地下停车场，下穿交叉总长度约76.9m，其中穿越地下停车场约53m，穿越车站约23.9m。盾构管片外径15.5m，穿越范围内与停车场结构最小净距为19.9m(1.28D），与车站结构最小净距为10.76m(0.69D）。隧道顶板埋深约52.0～56.0m，采用盾构法施工，工程纵断面见图2。
图2 工程纵断图
4 场地岩溶发育规律
沿线下伏基岩为二叠系碳酸盐岩，上覆主要为近代人工填土层、第四系更新统河流冲洪积土层，覆盖层厚度约15m，场地地层分布较均匀。根据设计标高，隧道底基本位于基岩中且距基岩面约40.0m。
根据钻孔遇洞率和线岩溶率统计，场地内栖霞组、龙潭组和大隆组钻孔遇洞率分别为78.6%、1.10%，线岩溶率分别为11.7%、0.05%。考虑到龙潭组和大隆组碳泥质成分含量高，其遇洞率及线岩溶率均栖霞组碳酸盐岩低。
根据溶洞洞高统计，洞高在1.0～6.0m间的溶洞占比73.2%，洞高在1.0m以下的溶洞占比21.9%，说明本场地发育的溶洞洞高多在6.0m以下（见图3）。从溶洞充填占比图（见图4）可以判定各地层中的溶洞以全充填为主，少量无充填及半充填。
根据勘察结果判定工程沿线栖霞组碳酸盐岩溶蚀现象明显，岩溶强烈发育，是影响工程施工与运营安全的主要不良地质。
图3 溶洞洞高统计比例图
图4 溶洞充填统计比例图
5 岩溶地质问题分析
场区内岩溶、岩溶裂隙水与隧道工程关系密切，岩溶和岩溶裂隙水对隧道工程潜在的主要灾害为岩溶地面塌陷、岩溶地基稳定性、岩溶承压水引起的隧道突水涌泥及软—流塑状红粘土等带来的问题。
5.1 岩溶地面塌陷
场区内以覆盖型岩溶为主，覆盖层下伏岩溶可导致地面（表）塌陷，主要表现为洞顶板塌陷。土洞坍塌可分为两类：一种是粘性土土洞塌陷，另一种是砂性土土洞塌陷。粘性土土洞塌陷常发生于粘性土层覆盖区，一般是发生在土岩接合面附近的土中，上部土体在地下水运动过程中受潜蚀作用不断带走土中物质所形成。在上覆粘性土层中形成“土洞”，当土洞规模逐渐加大使其顶板土层超越自撑能力时，洞顶冒落，发生地面塌陷。砂性土土洞塌陷主要发生于覆盖层为二元结构冲积层且下部饱和粉土、砂土直接盖在可溶岩岩面之上，粉土、砂土层在地下水运动过程中产生渗流破坏，形成流土，漏失于岩溶空洞中形成土洞，当其规模达到上覆粘性土地层难以自撑时，即发生地面塌陷[8]。
本工程沿线未发生过岩溶地面塌陷历史事件，场区岩溶地下水位均较高、形成土洞的可能性较小且岩土界面上部大多为硬塑状第四系上更新统老粘土夹碎石。综合判定，工程沿线在自然条件下一般不易产生岩溶地面塌陷。
5.2 岩溶地基稳定性
根据溶洞与隧道工程关系统计（见表1）位于区间隧道洞身范围内的溶洞、物探探测岩溶异常点分别有12个和18个；位于区间隧道底板标高以下8m(0.5倍隧道洞径)范围内分布的溶洞、物探推测岩溶异常点分别有5个和7个；位于区间隧道底板标高以下8～16m范围内分布的溶洞、物探推测岩溶异常点分别有3个和11个。位于隧道工程底板以下、规模较大或长轴与隧道线路一致且溶洞（物探推测岩溶异常点）顶板与隧道底板间岩体有效厚度较小时，可能导致溶洞顶板坍塌进而引起岩溶地基塌陷，危及隧道的施工与运营安全。
在隧道设计与施工时，应对与隧道工程关系较密切的溶洞或物探推测岩溶异常点进行处理，在施工中采取必要的防护措施。
表1 钻孔揭露溶洞与物探推测异常点与隧道相对关系
5.3 突水涌泥
当溶洞位于隧道洞顶、洞身或边墙部位时，现揭露的溶洞大部分被充填或半充填，岩溶水较丰富，隧道施工在过程中，不排除在隧道顶部有充填物冒落、侧向挤入或隧道底板局部下沉现象，导致突水、涌泥及地基失稳、盾构机具陷落等事故，影响施工安全，需采取预先的防护措施。
5.4 红粘土
红粘土层局部呈软—流塑状，充填于溶洞中的红粘土与隧道的建设和运营关系密切，在隧道施工时可能被扰动流失，将可能会使隧道地基失稳、塌陷，给隧道的建设和运营带来严重的安全影响，建议在施工中采取防护措施，加强注浆处理。
6 岩溶处理措施
6.1 岩溶地质影响区划分
本隧道工程外径为15.5m，属大直径隧洞工程，场地岩溶发育，加之周边环境复杂，隧道工程施工风险高。根据隧道周边岩溶地质条件及受工程扰动的程度并结合地区类似工程设计及施工经验，将隧道周边划分为显着影响区和一般影响区（见表2）。
表2 隧道岩溶地质影响区划分
注：h为隧道轮廓线以外距离。
6.2 岩溶处理范围
岩溶处理范围应结合隧道埋深、溶洞位置及隧道影响区等因素综合划定，具体要求如下：盾构掘进范围内的溶洞必须全部处理；隧道底板以下显着影响区范围内溶洞均应处理；底板以下一般影响区范围内的溶洞，若覆岩比小于1，需进行充填处理，若覆岩比不小于1，无需进行充填处理须处理；隧道结构轮廓线左侧、右侧、上部显着影响区范围内须处理；
处于处理区与非处理区间的溶洞按处理区进行处理。
6.3 岩溶处理原则
依据场地工程地质及水文地质条件，参考区内类似工程岩溶处理经验，隧道岩溶处理原则如下：对于钻孔揭示岩溶溶洞高度不大于1m且无填充和半填充溶洞，以及全填充溶洞（充填物强度较低的）均直接采用纯水泥浆进行静压式灌浆；对于钻孔揭示岩溶溶洞高度1～3m且无填充溶洞和半填充溶洞，灌浆一般采用间歇式静压灌浆。灌浆时间控制在20min，间歇6h后再灌，依次类推，直到终孔为止；对于溶洞高度3～6m无填充溶洞和半填充溶洞，可考虑先投碎石，后采用注浆加固的方法；对于溶洞高度大于6m的特大型无填充溶洞，建议上报召开专项会议；对异常区进行钻孔验证，溶洞处理则参考以上方法处理。
溶洞处理应遵循“先深后浅，先大后小”的顺序；对于多层上下串通溶洞，应对串通溶洞进行全压浆填充处理；对于体积特别巨大（投石量或灌浆量大于75m3），应停止投石或灌浆并立即召集各方现场共同协商处理。
6.4 岩溶处理效果检测
根据钻孔取芯岩芯抗压试验统计，岩溶注浆固结体28d的无侧限抗压强度在0.3～0.4MPa间。岩溶加固处理后质量检查孔压水试验透水率多在4～6Lu间，合格率达95%以上，岩溶处理满足设计要求。
7 结论
(1）隧道工程沿线场地岩溶形态主要表现为溶洞与溶隙，岩溶强发育。岩溶发育程度，由强至弱依次为：栖霞组（P2q）—龙潭和大隆组（P3l+d）。
(2）场地内岩溶地质问题：地面塌陷问题、地基失稳、岩溶水突水涌泥和软—流塑状红粘土等带来的问题。
(3）岩溶处理划分了岩溶地质影响区，结合溶洞规模，选用纯水泥浆、水泥砂浆或投石辅以注浆等不同的方法，最后应对岩溶处理效果进行检验、检测。
参考文献
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[2]官善友,蒙核量,周淼.武汉市岩溶分布与发育规律[J].城市勘测,2008(4):145-149．
[3]王丹丹.岩溶地区的主要工程地质问题及处理措施分析[J]，科学技术，2017(8):92-93.
[4]李慎奎,陶岚．武汉地区岩溶发育特征及地铁工程中的岩溶处理[J].隧道建设,2015,35(5):449-454.
[5]张琦，等.地铁隧道穿越岩溶区的综合治理[J].山西建筑，2017,37(5):161-162.
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