無(wú)錫地鐵某區(qū)段巖溶發(fā)育特征及地基穩(wěn)定性理論分析

郭書蘭, 劉 羊, 董聰慧, 俞良晨, 李佳寶

(1.安徽建筑大學(xué) 安徽省膨脹土力學(xué)與工程研究院,安徽 合肥 230601; 2.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510060; 3.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518054; 4.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,軌道交通已成為一座城市的名片,但中國(guó)是一個(gè)巖溶廣泛分布的國(guó)家,在軌道交通建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到巖溶地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題,由巖溶引起的地面塌陷、隧道突泥突水等工程問(wèn)題很多[1],例如2002年圓梁山隧道突水事故、2007年伊萬(wàn)鐵路野山關(guān)突泥突水事故?；?guī)r等碳酸鹽巖具有可溶性,在一定的水力及地質(zhì)環(huán)境條件下,易發(fā)生巖溶溶蝕作用,形成各種各樣的溶蝕構(gòu)造,嚴(yán)重威脅地基與基礎(chǔ)工程的安全性[2-3]。因此對(duì)于巖溶區(qū),需進(jìn)行專門的巖溶工程地質(zhì)勘探[4]。

受地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)環(huán)境等影響,巖溶發(fā)育特征具有地域性,不同區(qū)域的巖溶分布規(guī)律不同,研究巖溶的發(fā)育特征非常有益于地鐵等軌道交通的設(shè)計(jì)與施工[5]。但受制于巖溶地質(zhì)條件的復(fù)雜性及地域性,在地下工程勘察與建設(shè)中,理清巖溶發(fā)育特征并查明巖溶分布規(guī)律比較困難,需要不斷地進(jìn)行探索。目前在巖溶工程勘察中,常用鉆探方法來(lái)查明巖溶發(fā)育情況,但是現(xiàn)有的鉆探方法經(jīng)濟(jì)性較低,在控制成本的條件下鉆孔數(shù)目較少且間距較大,導(dǎo)致最終的鉆探結(jié)果與實(shí)際巖溶分布存在較大的出入[6]。近年來(lái),物探技術(shù)逐漸發(fā)展,包括微動(dòng)勘探、高密度電法、跨孔CT等,不同的物探技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)各不相同,比如微動(dòng)勘探具有探測(cè)深度大、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),高密度電法是一種較為可靠、便捷且經(jīng)濟(jì)的方法,但上述常規(guī)的物探方法均存在物探結(jié)果分辨率不高的問(wèn)題[7-8]。綜合來(lái)看,目前運(yùn)用CT技術(shù)進(jìn)行鉆孔間的巖溶探測(cè)越來(lái)越廣泛,且解譯效果優(yōu)于其他物探方法[9-10]。

無(wú)錫地區(qū)作為蘇南地區(qū)核心地帶,隨著城市建設(shè)的發(fā)展,地下工程發(fā)展迅速,越來(lái)越多的地鐵工程建設(shè)涉及到巖溶問(wèn)題[11]。與中國(guó)西南地區(qū)不同,蘇南地區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)模較小,在工程建設(shè)過(guò)程中很容易被忽視[12]。近年來(lái)無(wú)錫地區(qū)頻繁出現(xiàn)巖溶引起的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題,引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注,也引起了工程建設(shè)部門的重視。但是由于前期研究較少,目前缺少系統(tǒng)的無(wú)錫地區(qū)巖溶發(fā)育情況及其巖溶地質(zhì)災(zāi)害的資料。因此,結(jié)合無(wú)錫地鐵4號(hào)線某區(qū)段的工程地質(zhì)條件以及水文地質(zhì)條件,運(yùn)用跨孔CT技術(shù)得到場(chǎng)地的巖溶發(fā)育特征,在此基礎(chǔ)上對(duì)場(chǎng)區(qū)地基開展穩(wěn)定性分析,為巖溶地基的處理及地鐵的設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 場(chǎng)區(qū)概況與地質(zhì)條件

1.1 場(chǎng)區(qū)概況

如圖1所示,無(wú)錫地鐵4號(hào)線某區(qū)段位于無(wú)錫市濱湖區(qū)范圍內(nèi)。該工程運(yùn)用傳統(tǒng)的礦山法及盾構(gòu)法進(jìn)行施工,并在勘察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)段地基埋藏型巖溶發(fā)育。場(chǎng)區(qū)位于山前緩坡區(qū)段,水位變化大,溶洞的大小及充填物性質(zhì)各異,在施工中很容易出現(xiàn)不均勻沉降、地面塌陷等工程地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題,直接影響設(shè)計(jì)方案與施工方法的選擇。場(chǎng)區(qū)位于湖積平原區(qū),地形起伏小,地層傾向SE,走向NE,傾角較緩,多在10°～20°?；鶐r埋深在21～32 m,土巖界面在空間上呈波狀起伏。此外,該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,降雨豐沛。場(chǎng)區(qū)內(nèi)不存在地表河流,但其北臨惠山,南接太湖,地下水徑流極其活躍,這些都給巖溶發(fā)育提供了基礎(chǔ)條件。

圖1 場(chǎng)區(qū)地鐵線路示意圖Fig.1 Subway line section in the field area

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域資料顯示,無(wú)錫市區(qū)地貌以平原為主,零星散布著低山、殘丘。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察,場(chǎng)區(qū)地形較平坦,現(xiàn)狀地面標(biāo)高在5.0～9.8 m,地形呈現(xiàn)出“V”字形(三山夾兩盆)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)踏勘,發(fā)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)附近存在2條斷裂。場(chǎng)區(qū)處于馬山—惠山背斜東南翼,并且蘇錫常斷裂(F1)和和橋—陽(yáng)山斷裂(F2)交匯于此。其中蘇錫常斷裂是無(wú)錫—宿遷斷裂的一部分,走向NE,傾角約60°,在產(chǎn)山新村東側(cè)與地鐵線路相交。場(chǎng)區(qū)內(nèi)斷裂自晚更新世以來(lái)皆未活動(dòng)。

1.3 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)典型的工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示,地層從上到下依次為填土、黏土、粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土、殘積土及灰?guī)r(表1)。依據(jù)地鐵隧道線路原設(shè)計(jì)方案,地鐵線路在空間上埋深有變化,地鐵隧道施工過(guò)程中需穿越粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土、殘積土等多層土,部分隧道的底板直接坐落于灰?guī)r之上。研究區(qū)地層平緩,溶洞、土洞較多,主要發(fā)育于土巖界面上及灰?guī)r中,區(qū)域探測(cè)到的溶洞皆位于隧道底板下方,鉆探揭示巖溶充填物主要為含碎石粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土和黏土。

表1 場(chǎng)區(qū)地層基本情況Table 1 Stratigraphic conditions of the field area

圖2 典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical engineering geological profile

1.4 水文地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,場(chǎng)地范圍內(nèi)不存在現(xiàn)狀河道及池塘,區(qū)域降雨補(bǔ)給及地下水徑流示意圖如圖3所示。該區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、巖溶水及基巖裂隙水。地下水化學(xué)成分受地層巖性及埋深影響而具有較大差異性,另外因?yàn)榈貙拥母凰潭炔煌?場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)模及巖溶特征不一,在垂直向上具有明顯的分帶性[13-14]。場(chǎng)區(qū)巖溶水主要來(lái)源為降雨入滲補(bǔ)給,由于區(qū)內(nèi)基巖上覆土層較厚,降雨在下滲過(guò)程中會(huì)發(fā)生過(guò)濾作用而造成CO2含量降低,導(dǎo)致巖溶發(fā)育規(guī)模較小。另外,水的運(yùn)移條件也是巖溶發(fā)育的必要條件之一。場(chǎng)區(qū)距離惠山較近,地下水徑流速度快,地下水很活躍。同時(shí),當(dāng)?shù)氐慕涤陾l件也會(huì)對(duì)巖溶發(fā)育造成一定的影響。無(wú)錫每年的5—9月為降雨期,地下水位一般在4—5月隨著降雨量的增加而逐漸上升,并在7—8月達(dá)到峰值。進(jìn)入秋冬季,伴隨著降雨量的減少,地下水位逐漸下降,所以區(qū)內(nèi)地下水位波動(dòng)較大。除此之外,場(chǎng)區(qū)處于無(wú)錫市繁華地段,高樓林立,地面荷載較大,加之人為抽取地下水,加劇了地下水的變動(dòng)速率,引發(fā)了包括巖溶地基塌陷、地面沉降等工程地質(zhì)問(wèn)題。

圖3 地下水徑流示意圖Fig.3 Schematic diagram of groundwater runoff

2 場(chǎng)區(qū)地基巖溶發(fā)育特征與發(fā)育機(jī)理

2.1 跨孔CT探測(cè)原理與方法

本文利用跨孔CT探測(cè)技術(shù)對(duì)場(chǎng)區(qū)地基中的土洞、溶洞及巖體破碎處等不良地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè),測(cè)線布置見圖1?，F(xiàn)場(chǎng)布置了25條探測(cè)剖面,采用一孔與周圍多孔聯(lián)合進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)剖面各有1個(gè)激發(fā)孔和1個(gè)接收孔,鉆孔深度18～52 m,孔間距16～88 m?？缈證T探測(cè)室外采集裝置如圖4所示,包括3個(gè)部分:激發(fā)裝置、檢波器和地震儀。激發(fā)探頭和檢波器分別放置于2個(gè)鉆孔之中,激發(fā)探頭釋放光信號(hào),光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào),電信號(hào)通過(guò)檢波器被地震儀接收。

圖4 跨孔CT現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備Fig.4 Cross-hole CT field test equipment

室內(nèi)解譯工作采用波速層析成像技術(shù),依據(jù)彈性縱波在地層中的傳播速度推斷出地層及不良地質(zhì)體空間分布情況?？缈證T探測(cè)數(shù)據(jù)的處理共分4個(gè)步驟:①數(shù)據(jù)濾波;②拾取初至波走時(shí);③反演波速;④CT圖像成圖。最終的解譯結(jié)果是展示2個(gè)鉆孔之間地層的波速等值線云圖,并依據(jù)不同地質(zhì)體的波速判別出溶洞、土洞等不良地質(zhì)體及土巖界面(圖5)。

圖5 跨孔CT探測(cè)技術(shù)解譯結(jié)果Fig.5 Interpretation results of cross-hole CT detection technology

2.2 巖溶發(fā)育特征

通過(guò)探測(cè),在場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)36個(gè)地質(zhì)異常體,分別為26個(gè)充填型溶洞(含3對(duì)串珠狀溶洞)、3個(gè)空洞和7個(gè)裂隙帶或松散土體。場(chǎng)區(qū)內(nèi)的溶洞多呈扁圓形或不規(guī)則橢圓形,其形狀取決于巖層的產(chǎn)狀和完整性。當(dāng)?shù)貙觾A角較小且?guī)r石完整性較好時(shí),洞穴傾向于水平發(fā)育;當(dāng)巖層傾角較陡且?guī)r石破碎時(shí),洞穴傾向于垂直發(fā)育,幾乎所有的串珠狀溶洞均呈扁圓形,而且相互連接。另外,充填類型對(duì)溶洞體積影響較大,當(dāng)充填物以黏土為主時(shí),充填物結(jié)構(gòu)松散,溶洞直徑一般為2～5 m;當(dāng)充填物為礫石土?xí)r,洞徑一般在4～12 m。場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖溶具有比較明顯的垂向分帶性,結(jié)合地鐵隧道線路設(shè)計(jì)方案及解譯的巖溶空間分布情況,發(fā)現(xiàn)溶洞均位于隧道下方,距隧道底板最小距離僅為3.2 m,最大距離為24.3 m,距離隧道較近的溶洞均為充填型溶洞。

探測(cè)結(jié)果表明,巖溶大部分沿地層界面和巖體中的裂隙發(fā)育,從圖6可以看出:巖溶發(fā)育具有明顯的縱向強(qiáng)弱分帶特征。巖溶的發(fā)育標(biāo)高為-42～-15 m,在標(biāo)高-21～-30 m區(qū)間內(nèi)溶洞數(shù)量最多,巖溶發(fā)育最為強(qiáng)烈;在標(biāo)高-15～-18 m區(qū)間內(nèi)溶洞數(shù)量最少,巖溶發(fā)育規(guī)模較小;在其他標(biāo)高區(qū)間內(nèi)巖溶發(fā)育相對(duì)較弱,溶蝕現(xiàn)象很少。場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)育的溶洞大部分被完全充填或部分充填,溶洞最發(fā)育的區(qū)間,溶洞充填率為65%～100%。

圖6 溶洞垂直分帶圖Fig.6 Vertical zonation of karst

2.3 巖溶發(fā)育機(jī)理

根據(jù)場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育特征以及溶洞的形狀、位置和充填類型,可以將研究區(qū)溶洞劃分為5種類型(圖7),其中,Ⅰ型溶洞是早期灰?guī)r裸露階段遭受侵蝕后地層沉積壓實(shí)形成,可以視為古巖溶,且進(jìn)一步發(fā)育的可能性很小;Ⅱ型溶洞是古巖溶再次遭受侵蝕發(fā)育而成,該類溶洞的形狀比較特殊,溶洞上部呈水平向橢圓狀,下部為似圓狀,且與周圍溶洞的連通性較好,溶洞進(jìn)一步發(fā)育的可能性很大;Ⅲ型溶洞很明顯是灰?guī)r接受沉積之后遭受侵蝕而形成,規(guī)模隨時(shí)間也在不斷變大,視為新巖溶;Ⅳ型溶洞是典型的新近發(fā)育巖溶,隨時(shí)間變大的速度很慢;Ⅴ型溶洞周圍巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,該類溶洞也是新近形成的溶洞,但是其隨時(shí)間變大的速度比較快。

圖7 場(chǎng)區(qū)溶洞分類及特征Fig.7 Classification and characteristics of karst caves in the field area

總體看來(lái),場(chǎng)區(qū)地表多被黏土等第四系沉積物覆蓋,其滲透性較差,降雨無(wú)法直接通過(guò)地表入滲到地下碳酸鹽巖中,所以場(chǎng)區(qū)埋藏型巖溶發(fā)育需要特殊的導(dǎo)水構(gòu)造,如斷裂、層間裂隙等。另外,場(chǎng)區(qū)碳酸鹽巖的傾角一般較緩,且相對(duì)較完整,降雨通過(guò)構(gòu)造裂隙等入滲至地下后,大部分會(huì)沿土巖界面及裂隙面流動(dòng),所以場(chǎng)區(qū)埋藏型巖溶大多發(fā)育在土巖界面附近及巖體裂隙中,并且受地下水位變動(dòng)影響,巖溶發(fā)育在空間上具有明顯的縱向強(qiáng)弱分帶特征。近年來(lái),隨著人為活動(dòng)的不斷增多,地下水的過(guò)度開采加速了水的滲流,這同時(shí)加速了埋藏型巖溶的發(fā)育。

3 地基穩(wěn)定性分析

3.1 地基穩(wěn)定性的定性分析評(píng)價(jià)

根據(jù)場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育特征與發(fā)育機(jī)理來(lái)看,影響地鐵工程地基穩(wěn)定性的因素較多,主要包括地質(zhì)構(gòu)造特征、巖石特征、溶洞發(fā)育特征、地下水賦存狀態(tài)及人為影響因素等。

(1) 地質(zhì)構(gòu)造與地下水。地質(zhì)構(gòu)造與地下水活動(dòng)密不可分,對(duì)巖溶的發(fā)育方向和空間展布具有重要的控制作用[15]。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育和地基穩(wěn)定性的影響可以按照褶皺和斷裂去分析[16-17]。場(chǎng)區(qū)地塊在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期以隆升為主,巖溶作用以垂向發(fā)育為主。場(chǎng)區(qū)處于馬山—惠山背斜的東南翼,在褶皺作用下,巖體較破碎,核部節(jié)理遍布,巖體空隙、裂隙面較粗糙,無(wú)膠結(jié)或弱膠結(jié)。場(chǎng)區(qū)在地理上北靠惠山南接太湖,整體呈現(xiàn)山體陡峻、山前低洼的地形地貌特征,地下水主要在背斜樞紐處匯流。近年來(lái),惠山綠化種植面積增加,有效減少了山上的地表徑流,降雨主要沿山體的斷裂及節(jié)理裂隙等入滲到山體,然后向山腳匯集,山腳表層為不透水的填土層,地下水無(wú)法排泄,主要沿地質(zhì)界面(層面及構(gòu)造裂隙面)向低洼處運(yùn)移,在運(yùn)移過(guò)程中會(huì)對(duì)巖層和構(gòu)造破碎帶進(jìn)行侵蝕。與此同時(shí),場(chǎng)區(qū)地下水位變動(dòng)較大,地下水的徑流速度較快,再加上降雨的影響,區(qū)域發(fā)育的蘇錫常斷裂、和橋—陽(yáng)山斷裂在場(chǎng)地內(nèi)形成了一個(gè)天然的富水構(gòu)造,導(dǎo)致該區(qū)埋藏型溶洞較為發(fā)育,巖溶地基穩(wěn)定性差,嚴(yán)重威脅地鐵隧道的施工安全。

(2) 巖石。場(chǎng)區(qū)巖石呈厚層塊狀產(chǎn)出,質(zhì)純。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示巖石強(qiáng)度較高,同時(shí)傾角平緩,對(duì)地基穩(wěn)定性有利[18]。

(3) 溶洞洞體。由跨孔CT探測(cè)、鉆探及巖溶發(fā)育特征分析可知,場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖溶具有比較明顯的垂向分帶性,且呈現(xiàn)強(qiáng)弱交替的分布特點(diǎn)。場(chǎng)區(qū)大部分溶洞埋深較深,溶洞上部的覆蓋層較厚,溶洞大部分被完全充填或部分充填,連通性較差,有利于巖溶地基的穩(wěn)定。

3.2 基于雙向受壓無(wú)限板理論和格里費(fèi)斯準(zhǔn)則的地基理論計(jì)算分析

3.2.1 單個(gè)溶洞的雙向受壓無(wú)限板計(jì)算模型

場(chǎng)區(qū)內(nèi)溶洞直徑較小且埋深較深,在分析單個(gè)溶洞地基周邊的圍巖應(yīng)力時(shí),可將此問(wèn)題簡(jiǎn)化為受溶洞作用的雙向受壓無(wú)限板應(yīng)力分布問(wèn)題。在這里假定巖體是均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性材料,溶洞的斷面形狀為圓形,溶洞無(wú)充填。為便于計(jì)算,相關(guān)應(yīng)力數(shù)值利用極坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算。另外,根據(jù)場(chǎng)區(qū)溶洞的形狀及尺寸可知,溶洞斷面尺寸較其延伸長(zhǎng)度相對(duì)較小,可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題開展理論分析。采取上述簡(jiǎn)化假定后,計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 單個(gè)溶洞計(jì)算模型Fig.8 Single cave calculation model

實(shí)際工程中,巖溶地基水平地應(yīng)力q與垂直地應(yīng)力p并不相同,可把它視為2個(gè)柯西問(wèn)題相互疊加后的作用效果。當(dāng)水平地應(yīng)力q與垂直地應(yīng)力p同時(shí)作用時(shí),單個(gè)溶洞地基附近的圍巖應(yīng)力可用下列公式表示:

(1)

式中:σγ、σθ和τγθ分別表示圍巖中某一點(diǎn)的切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力及剪切應(yīng)力;θ表示圍巖中某一點(diǎn)和水平軸之間的夾角;r0表示坐標(biāo)原點(diǎn)到圍巖中某一點(diǎn)的距離;a為溶洞平面上的半徑。

在土洞周邊r=a處,圓形斷面土洞周邊的應(yīng)力可根據(jù)式(1)計(jì)算,結(jié)果為切向應(yīng)力σγ最大,徑向應(yīng)力σθ=0,剪切應(yīng)力τγθ=0。

3.2.2 串珠狀溶洞的雙向受壓無(wú)限板計(jì)算模型

場(chǎng)區(qū)除存在單個(gè)溶洞外,局部還發(fā)育有串珠狀溶洞,大多數(shù)為雙洞(孔)分布,兩溶洞(圓心)之間的距離最小為7.5 m,其中溶洞半徑大約為1.2 m。溶洞與溶洞之間沒(méi)有大的連通通道,連通性較差。同樣地,為了計(jì)算方便,假設(shè)巖體是均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性材料且溶洞形狀大小相同為圓形(圖9),雙向受壓p=q,同時(shí)假定溶洞邊界上不存在任何外力,距離溶洞無(wú)限遠(yuǎn)處的應(yīng)力為雙向受壓狀態(tài),由此可得式(2):

圖9 串珠狀溶洞圓孔圍巖上的應(yīng)力Fig.9 Bead like cavern of round hole in infinite plate

(2)

用極坐標(biāo)求解:

(3)

應(yīng)力分量可按下式求出:

(4)

在平面的雙向受壓條件下,U0(ξ,η)函數(shù)表達(dá)式如下:

(5)

經(jīng)Ling[19]研究發(fā)現(xiàn),在p=q(二向等應(yīng)力)時(shí),溶洞邊界上的最大應(yīng)力σξ位于A點(diǎn)和C點(diǎn)處。當(dāng)a=2時(shí),雙孔串珠狀溶洞邊界的應(yīng)力條件與單個(gè)溶洞是一致的。換言之,當(dāng)2個(gè)溶洞距離>4R時(shí),雙孔串珠狀溶洞可按3.2.1節(jié)單個(gè)溶洞理論分析巖溶地基的穩(wěn)定性。并且當(dāng)?shù)罔F隧道底部與溶洞之間距離>5R時(shí),便可利用柯西解答來(lái)計(jì)算分析溶洞圍巖的應(yīng)力分布。

3.2.3 場(chǎng)區(qū)溶洞圍巖穩(wěn)定性分析

基于前述的理論分析,通過(guò)計(jì)算可以得到場(chǎng)區(qū)溶洞周邊圍巖的次生應(yīng)力,進(jìn)而計(jì)算得到溶洞周邊應(yīng)力值分布,并與周邊巖土體強(qiáng)度進(jìn)行比較,當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)巖土體強(qiáng)度時(shí),隧道施工容易發(fā)生失穩(wěn)。場(chǎng)區(qū)內(nèi)溶洞所受豎直應(yīng)力p由土壓力、水壓力、巖石壓力及構(gòu)造應(yīng)力等共同產(chǎn)生。為求得場(chǎng)區(qū)溶洞圍巖的應(yīng)力分布,引入巖石的側(cè)壓力系數(shù)λ,λ=μ/(1-μ)(μ為巖石的泊松比,取值為0.4)。根據(jù)規(guī)范和場(chǎng)區(qū)土層的分布情況,算得距溶洞中心5R處的豎直和水平應(yīng)力為:p=64.4 kPa,q=42 kPa。將其帶入式(1)可得到土洞周邊的應(yīng)力,同時(shí)土洞靜水壓力為pw=γwhw=35 kPa(γw為水的重度;hw為潛水面至土洞中心的距離)。

因此,土洞周邊的徑向應(yīng)力σθ及切向應(yīng)力σγ均應(yīng)加上靜水壓力。那么,考慮地下水影響時(shí),土洞周邊的σγ、σθ大小應(yīng)該如表2所示。

表2 土洞不同位置對(duì)應(yīng)的σγ、σθ值Table 2 The value of σγ and σθ

從計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)θ=0°時(shí),σθ最大為151.2 kPa。根據(jù)土洞破壞區(qū)塑性邊界理論方法[20],可求得某點(diǎn)處的大、小主應(yīng)力σ1、σ3:

(6)

最后,根據(jù)求得的大、小主應(yīng)力σ1、σ3,用莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則來(lái)判別土體是否會(huì)發(fā)生破壞,以此判斷地基的穩(wěn)定性。

這里需要說(shuō)明的是,本文提出的地基理論計(jì)算模型主要是依據(jù)溶洞分布情況計(jì)算溶洞附近圍巖以及土體的應(yīng)力分布情況,并推斷出不同類型溶洞在不同距離區(qū)間下對(duì)隧道應(yīng)力的影響及簡(jiǎn)化計(jì)算方法。針對(duì)不同類型巖溶周邊的土體或圍巖,可以依據(jù)地基理論計(jì)算模型計(jì)算出土體或圍巖應(yīng)力分布,進(jìn)而指導(dǎo)隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方案,后期可帶入隧道施工穩(wěn)定性計(jì)算中。如果擬建隧道區(qū)域范圍內(nèi)土體依據(jù)莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則處于可能發(fā)生剪切破壞的狀態(tài),則建議在地鐵隧道施工前進(jìn)行注漿等超前加固措施。因此,本文并未考慮地鐵隧道開挖建設(shè)影響,而是依據(jù)上述理論推導(dǎo)單個(gè)溶洞及串珠狀溶洞下擬建隧道區(qū)域的應(yīng)力分布情況,結(jié)合巖土強(qiáng)度理論,指導(dǎo)地鐵隧道的施工設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論與建議

(1) 在進(jìn)行巖溶專項(xiàng)勘探時(shí),建議采用工程地質(zhì)物探、鉆探及地質(zhì)分析相結(jié)合的研究方法,此外要充分認(rèn)識(shí)巖溶的發(fā)育機(jī)理及規(guī)律,有利于實(shí)現(xiàn)巖溶地質(zhì)勘察的高效布置鉆孔。

(2) 本研究場(chǎng)區(qū)的溶洞分布及大小受地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地層巖性及地下水變動(dòng)影響,溶洞發(fā)育規(guī)模較小,面積多在2 m2以下,大多發(fā)育在土巖界面及巖體裂隙上且具有明顯的縱向強(qiáng)弱分帶特征,溶洞之間連通性較差,建議經(jīng)注漿處理后便可進(jìn)行地鐵工程建設(shè)。

(3) 該地鐵區(qū)段的隧道底板埋深有一定變化,且土巖界面起伏較大,地鐵隧道需穿越多層土層,其力學(xué)性質(zhì)較差,要先進(jìn)行上部土層加固,并且在施工中應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)及地面形變監(jiān)測(cè)工作。

(4) 當(dāng)在淺埋巖溶區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)并將巖溶地基作為相關(guān)建(構(gòu))筑物的持力層時(shí),地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作建議采用地質(zhì)力學(xué)及理論計(jì)算相結(jié)合的方法。本文推導(dǎo)出的地基穩(wěn)定性計(jì)算公式可用于巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作并指導(dǎo)隧道施工方案設(shè)計(jì)。另外,本文的相關(guān)假定會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果存在一定的誤差,建議在穩(wěn)定性分析中取安全系數(shù)的臨界值為1.2。

致謝：感謝無(wú)錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司在野外探測(cè)與解譯過(guò)程中給予的大力支持。