长沙地铁四号线大学城区域岩溶发育特征及其对盾构施工的影响

贺湘东，张可能，穆岩松，吴昊，廖阳

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学)，湖南 长沙 410083；3.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

1 引 言

长沙地铁4号线溁湾镇站～阜埠河路站区段穿越岳麓山大学城，该区段下伏石灰岩地层中，岩溶、破碎带较发育，多分布在地铁结构线影响范围，不良地质条件可能造成地面塌陷、隧道塌陷和突水、突泥、盾构机陷落等工程事故，将严重影响地铁建设安全[1，2]，尤其是对大学城的影响必须得到足够的重视。因此，对该区段岩溶发育特征及其对地铁施工的影响进行研究，对保证地铁安全施工，尽量避免大学城校园建筑受到影响有重要意义。

在岩溶特征的研究中，罗小杰、杨秀竹[3，4]运用综合分析和数学统计的方法，分别对武汉地区、广州轨道及交通沿线岩溶的发育特征进行了较为深入地研究；简文星[5]主要从岩溶形态入手，对平寨坝址左岸岩溶的分布规律进行了研究；金新锋[6]依据表层岩溶带的形成条件和影响因素对表层岩溶带进行类型划分。本文在前人的研究基础上，通过对长沙地铁四号线溁湾镇站至阜埠河路站区间即大学城范围内的地形地貌、区域气象、水系与岩溶水文地质条件、地质构造、可溶岩分布的分析，研究区域内的岩溶发育特征，并对湖大研究生楼和软件学院楼的岩溶发育进行定性的预测，最后根据结论分析了岩溶发育对地铁盾构施工的影响，为地铁四号线在大学城区域的施工提供理论支持，并为类似地质条件下的地铁工程提供借鉴与参考。

2 地质概况

2.1 可溶岩分布特征

本区间场地岩溶主要发育在石炭系中上统壶天群灰岩层(C)及三叠系上统安源组泥灰岩层(T)中，溶洞为半充填或全充填，全充填物质主要为砾石及黏性土。

壶天群的上段以浅灰色石灰岩为主，夹少量白云质灰岩，厚层状、块状构造，质较纯，在顶部有时夹硅质条带或燧石结核，偶见珊瑚和细小的蜓科化石。

中段以灰白色白云岩为主，夹白云质灰岩，巨厚层状、块状构造或角砾状构造(夹砾状灰岩)，地貌一般呈浑圆状小山丘，不生植被。风化后表面常呈疏松的粉砂状和皱纹状。

下段以灰色石灰岩为主，夹白云质灰岩、硅质灰岩，厚层状、块状构造，底部常见燧石结核和角砾状灰岩，角砾成分为石灰岩，砾径大小不一，一般 5 cm～30 cm，铁质、钙泥质胶结，呈肉红色、灰色，底部常见溶洞，有时见古溶洞沉积物。

2.2 岩溶水文地质

本区裂隙岩溶水含水层主要被砂岩以及黏性土所覆盖，岩土层分布不均匀，起伏较大，部分区域大气降水能直接补给，但主要通过地表水或其他含水层补给。

裂隙岩溶水的地表补给主要接受大气降水、地下管线渗漏补给，亦和周边地表水体呈互补关系；湘江在本区东部，枯水期时，地下水由两侧向湘江径流，以侧向渗流运动方式向河流排泄；汛期时，河流水位急剧抬升，河水向两侧补给地下水；在有岩溶通道或断裂、裂隙相沟通时可能得到其他含水层的补给。

本区裂隙岩溶水的径流特征与岩溶发育程度密切相关。在岩溶发育程度高、溶洞充填率低的地段，裂隙岩溶水交替循环快，呈管状紊流；相反，径流缓慢。本区裂隙岩溶水除被水井开发利用外，排泄方式主要是枯水季节排入湘江。

2.3 地质构造

本区属地层年代相对较老的褶皱丘陵，断裂构造以北东向较发育，其次为北西向和东西向，再次为北北东向和南北向。根据图1所示，葫芦坡-金盆岭-炮台子断裂(F101)、施家冲-新开铺磊石断裂(F106)、张家咀-溁湾镇-新塘湾断裂(F85)和二里半断裂(F35)四条发育于拟建4号线区域内，除F106外，其余均可能与本标段线路交汇。

图1 区域地质图

(1)褶皱

岳麓山向斜为一近椭圆形向斜，轴线方向N35°E，长约 3 km，向斜东南翼被二里半压性断裂截切，轴部由石炭系地层组成，翼部有泥盆系地层组成。翼部岩层倾角15°～30°左右，为一残缺不全的宽展性向斜。本区间位于岳麓山向斜东翼。

(2)构造

二里半断裂(F35)整体上呈北东-南西延伸，倾向南东，由二里半主断裂及东侧爱晚亭伴生断裂组成，爱晚亭断裂与主断裂以小角度斜交于湖南大学站附近后合并。该断裂将岳麓山向斜破坏，北西盘地层主要为石炭系至泥盆系上统石英砂岩、粉砂岩和泥岩，主断裂与伴生断裂之间为三叠系上统安源组石英砂岩、泥岩，爱晚亭断裂以东主要为泥盆系上统余田桥组粉砂质黏土岩、石英砂岩夹泥灰岩。地铁线路于里程桩号ZCK 28+700～28+789、YCK 28+700～28+779处即湖南师范大学站南段附近斜穿该断裂破碎带。

3 岩溶发育特征分析

3.1 岩溶发育的控制因素分析

岩溶的发生、发展必须具备一定的条件，其中主要是岩石的可溶性、裂隙性、水的侵蚀性及流通条件[6]。这些岩溶发育的控制条件往往对岩溶发育特征有着直接的影响。

(1)岩石可溶性分析

由于岩石成分、成层条件和结构、构造等直接影响岩溶的发育程度和速度。一般质纯层厚的岩层，岩溶发育强烈，且形态齐全、规模较大；含泥质或其他杂质的岩层，岩溶发育相对较弱。结晶颗粒粗大的岩石岩溶较为发育，结晶颗粒细小的岩石，岩溶发育相对较弱。

根据以上分析，可将本区灰岩可溶性相应地划分为二类：石炭系中上统中风化灰岩可溶性强；三叠系上统安源组强风化泥灰岩可溶性中等。

(2)地下水分析

勘察区内地下水对岩溶发育的控制因素主要表现在化学侵蚀及机械侵蚀两方面。

可溶岩被溶解，是由于溶液—水对它具有溶解(溶蚀)的能力。水的溶蚀能力来源于二氧化碳(CO2)与水结合形成的碳酸氢根(HCO-)，侵蚀性二氧化碳的含量决定了地下水溶蚀能力。据本区水质分析成果，区内灰岩中地下水的侵蚀性CO2含量 10.25 mg/L，地下水具较强的溶蚀能力。其长期作用的结果，是使地下岩溶裂隙、溶洞的发育形成。

(3)构造分析

溶洞往往发育在受构造影响强烈的灰岩破碎地段[7]。断层是岩体顺破裂面有明显位移的产物，在发育过程中会严重影响破裂面两侧岩体的完整性，产生大量裂隙，造成岩体严重破碎，为水流的良好通道。因此，沿断裂带是岩溶显著发育地段。四号线地铁线路于里程桩号ZCK 28+700～28+789、YCK 28+700～28+779处即湖南师范大学南段站附近斜穿该断裂破碎带，已有岩溶勘察资料显示，线路与断层交汇区域岩溶显著发育，且岩溶发育溶洞在平面上平行断层面方向发育。

3.2 主要岩溶类型和发育程度

(1)岩溶主要类型

进入暖箱的新生儿需要全程监护，医护人员会定时查体、喂奶、换尿布、观察宝宝的皮肤颜色、原始反射和生命体征等，及时调节暖箱的温度和湿度，避免暖箱温度失控，影响宝宝的身体健康。

溶洞是场地区最主要且最重要的溶蚀现象。场地区勘探钻孔共揭露溶洞87个，溶洞高度一般 1.3 m～10.0 m，溶洞顶、底板多见蜂窝状、针状溶孔。场地灰岩钻孔数量、揭露溶洞数量、钻孔遇洞率、线岩溶率统计成果如表1所示。

钻孔遇洞率、线岩溶率统计表 表1

(2)岩溶发育程度分析

根据钻探成果，分析工程区场地内各岩层的岩溶发育程度。

钻孔遇洞率42.9%，线岩溶率为10.5%～22.4%。场地内发育覆盖型岩溶，地表未发现岩溶塌陷、漏斗、洼地等。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)，本场地为岩溶强发育场地。

场地内岩溶沿断层、层面等有显著溶蚀，发育小型单个或串珠状溶洞，但未见连续的地下洞穴系统，少见集中径流，常有裂隙水流，根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307-2012)对岩溶发育强度分级的相关规定，判定本场地岩溶强发育。

综合判定本次岩溶勘察区内岩溶强发育。

3.3 溶洞发育规模

由图2可知，钻孔揭示的87个溶洞中，有将近80%的溶洞钻孔揭露高度为 4 m～7 m，溶洞平均钻孔揭露高度为 4.57 m，最大为 9.8 m。

图2 钻孔揭露溶洞铅直高度统计

总的来看，溶洞规模比较大，多见较大溶洞或以溶隙型溶洞为主。

3.4 溶洞空间特征分析

溁湾镇站至湖南师范大学站区间以及湖大校园区域钻孔揭露的75个溶洞底板在高程上的分布统计如图3、图4所示。

图3 溁湖区间溶洞底板高程分布图

图4 湖大校园区域溶洞底板高程分布图

根据统计结果，钻孔所揭露的溶洞中，溁湾镇站到湖南师范大学站区间内近三分之二的溶洞底板标高在 27 m～33 m，近85%的溶洞底板标高在 27 m以上；而在湖南大学校园区域的岩溶补勘资料中显示，83%岩溶底板高程分布在 20 m～24 m，呈现了岩溶水平发育的特征。

4 校园区域岩溶发育预测

四号线湖南大学站至阜埠河站区间下穿湖大校园区域，因为高校建筑的特殊性及敏感性，无法在建筑物中利用常规钻孔对岩溶发育进行勘察，且场地条件限制了大部分物探方法的实施，经前人实践证明，运用岩溶地貌学、地质学理论对岩溶洞穴进行定性预测，是一种行之有效的方法[8]。本文根据区域岩溶的发育规律及控制条件，对湖大研究生楼及软件学院楼的岩溶发育进行初步预测。

图5 钻孔平面布置图

图6 软件学院地质剖面图

湖大研究生楼位于一条不整合接触带上，该接触带揭露里程为YCK29+930，南北面相邻岩性分别为泥盆系砂岩(D)和三叠系泥灰岩(T)，受二里半断裂(F35)或其低序次的断层影响，不整合接触带附近的岩石强度变化大，节理裂隙较发育，岩体极破碎，鉴于不整合接触带为一侧为中风化砂岩<8D-3>，勘察时场地内进行的钻孔水文地质抽水试验结果表明该岩层渗透系数为 0.10 m/d，属弱透水层，结合地下水方向分析，会有大量的地下水汇集在不整合接触带附近，有利于接触带另一侧的中风化泥灰岩的岩溶发育，即研究生楼下接触带北侧可能会有较强的岩溶发育。

如图5、图6所示，软件学院楼旁已有钻孔M4Z3-HF-046、048、050揭示了岩溶的存在，根据地下水由高势的岳麓山至低势的湘江的总体走向，结合区域地质图，判断地下水的总体方向是由三叠系泥灰岩区域流向泥盆系砂岩区域。而揭露岩溶的钻孔连线对应了该地下水走向，有必要考虑其中揭示的3个溶洞的连通性。岩溶底板揭露高程分别为 22.03 m，22.14 m，16 m，根据前文湖大校园区域的岩溶发育规模、水平发育特征及溶洞底板高程分布的分析，初步预测软件学院楼下于四号线左线东侧会有岩溶发育，岩溶发育规模小于1倍洞径，位于隧道(高程 15 m～21 m)洞身范围内及以上，因此在隧道施工前，需对软件楼及研究生楼的岩溶做好充分的探测及预加固措施。

5 岩溶发育对地铁隧道盾构施工的影响

5.1 岩溶地基稳定问题

完整的碳酸盐岩岩体强度高，是良好的天然地基。但对于岩溶发育的岩体，当溶洞位于地铁隧道底板以下、规模较大且溶洞顶板与地铁隧洞底板间岩体有效厚度较小时，可能导致溶洞顶板坍塌。本区有35%的溶洞位于隧道底板以下。其中，位于地铁隧道底板以下 6 m范围内分布的溶洞有21个，溶洞高度一般为 1 m～8.9 m，达到1倍洞径左右的发育程度，可能造成盾构机塌陷、偏移等，存在地基稳定问题。

5.2 突水涌泥问题

根据统计，地铁隧道洞身范围内的溶洞有39个，占45%，溶洞高度 1.3 m～9.8 m，且在二里半断裂带与本线路交汇处，岩溶强烈发育，裂隙水丰富，在隧道施工过程中，当溶洞位于隧道顶板以上及洞身部位时，由于溶洞、溶隙中富含岩溶水或充填有软塑状黏性土，地铁施工中溶洞地下水可能涌入或击穿洞壁，产生突水、涌泥问题。本区间隧道采用盾构法施工，当隧道从岩层中通过时，由于盾构机本身的密封性较好，突水涌泥问题可能不大；但可能会影响盾构施工开挖面的压力平衡，进而影响盾构机的正常掘进以及开仓换刀作业。

5.3 地面建筑物变形问题

四号线岩溶发育是影响地面建筑物稳定性的主要因素之一，主要表现在：①岩溶破坏了岩体的完整性，岩体成为不连续、非均质的各向异性体，在隧道施工及上部建筑荷载作用下，局部将出现应力集中或破坏；②岩体中岩溶及各种结构面的发育大大降低了岩体的力学强度和承载力；③岩溶发育不均一，使建筑物下的岩层岩体力学性质产生比较大的差异[5]。

根据前文对软件学院楼及研究生楼的初步预测，岩溶发育主要位于隧道洞身范围内及以上，可能会对隧道施工造成影响，而隧道施工也可能会对有岩溶存在的建筑物地基造成影响，考虑到校园建筑物的特殊性、敏感性以及岩溶的发育程度，地面建筑物特别是湖大软件学院楼下的岩溶探测、岩溶处治、不均匀沉降问题将会是地铁施工所面临的主要的挑战之一。

5.4 不均匀地层问题

区间隧道底板埋深16 m～27 m。隧道主要涉及各类土层以及灰岩。由于区间灰岩岩面起伏较大，区间段隧道地基岩土工程特性在横纵方向上差异较大，且区域内岩溶铅锤高度主要在1倍洞径及以上，溶洞内充填物质或无充填物都与围岩性质有很大的差异，因此存在地层不均匀性问题。

6 结 论

(1)本文对区域地形地貌、区域气象、水系与岩溶水文地质条件、地质构造、可溶岩分布进行了分析，得到岩溶发育的以下特征：①石炭系中上统中风化灰岩可溶性强，岩溶更发育；②线路与二里半断裂交汇区域岩溶显著发育，且岩溶发育溶洞在平面上平行断层面方向发育；③区内岩溶强发育，80%溶洞铅锤高度为 4 m～7 m，为1倍隧道洞径左右碳酸盐岩勘察深度范围内岩溶发育相对较强，属浅部岩溶带。④在湖大校园区域及溁湾镇站至湖南师大站区间，岩溶在高程上呈水平发育规律。

(2)根据区域内岩溶发育特征可以初步推测：①研究生楼下接触带泥灰岩一侧会有较强的岩溶发育；②预测软件学院楼下于四号线左线东侧会有岩溶发育，岩溶发育规模小于1倍洞径，位于隧道(高程 15 m～21 m)洞身范围内及以上。

(3)岩溶对四号线地铁隧道盾构施工的影响主要体现在：①部分岩溶分布在隧道底板以下 6 m以内，存在地基稳定问题；②部分岩溶位于隧道顶板以上及洞身部位，可能会影响盾构施工开挖面的压力平衡，进而影响盾构机的正常掘进以及开仓换刀作业；③地面建筑物特别是湖大软件学院楼的不均匀沉降、岩溶处治、不均匀沉降问题将会是地铁施工所面临的主要的挑战之一；④区间灰岩岩面起伏较大，区间段隧道地基岩土工程特性在横纵方向上差异较大，且由于区域内岩溶发育，存在地层不均匀性问题。

[1] 彭柏兴，李凯，雷金山. 长沙市劳动路湘江隧道岩溶发育特征及其影响[J]. 城市勘测，2010(1)：157～161.

[2] 《工程地质手册》编写委员会. 工程地质手册(第四版)[M]. 中国建筑工业出版社，2007.

[3] 罗小杰. 武汉地区浅层岩溶发育特征与岩溶塌陷灾害防治[J]. 中国岩溶，2013，32(4)：419～432.

[4] 杨秀竹，雷金山，赵国旭等. 广州轨道交通沿线岩溶形成和发育特征及对隧道施工的影响[J]. 铁道科学与工程学报，2010，7(1)：37～41.

[5] 简文星，唐辉明，刘佑荣等. 平寨坝址左岸岩溶发育规律及其对建坝条件的影响[J]. 工程地质学报，2004，12(4)：373～379.

[6] 金新锋，夏日元，陈宏峰. 湘西洛塔表层岩溶带特征分析[J]. 地下水，2006，28(6)：42～45.

[7] 陈文理，王怀球，向能武等. 构皮滩水电站坝址区岩溶发育特征[J]. 人民长江，2006，37(3)：11～13.

[8] 秦小林，蒋忠信. 用岩溶地质学方法对铁路隧道溶洞进行定性预测[J]. 铁道工程学报，1998(1)：118～122.