（土木工程专业论文）岩溶地层对地铁工程影响分析与处理.pdf

摘要 随着城市人口的增长和城市化进程的加快，轨道交通逐渐成为解决城市交通问题重 要手段。根据广州市轨道交通建设规划以及广州区域地质分布图，轨道交通二号线北延 段( 三元里至嘉禾) 、三号线北延段、五号线大坦沙段以及草暖公园段位于广花盆地石灰 岩岩溶地层内，为岩溶发育地区，因此这些线路施工方案比选尤其应注意石灰岩地层对 工程实施的不良影响。 在岩溶地区兴建地铁工程时尤其应进行专门的基础处理，由于溶( 土) 洞处理难度 很大，造价高，因此本文通过对岩溶对地铁工程的影响和处理问题进行较深入研究，不 仅对在建的轨道交通线，而且对其他工程中将会遇到的此类溶( 士) 洞处理的设计与施 工将具有较明晰的理论及实践指导意义。 本文主要概述了广州地铁线路经过和将要经过的线路上遭遇岩溶地质的情况，并且 分析了该地质条件对地铁建设和运营的影响以及研究了基本应对措施，并以草暖公园至 小北站盾构隧道溶洞处理作为工程实例对岩溶处理进行了分析与研究，可知： 地铁工程的岩溶处理主要为浅层的岩溶，岩溶处理遵循浅层处理的原则和方法；由 于岩溶地区地质情况查明的难度性和岩溶处理的复杂性，建议在岩溶地区的地铁工程首 选采用高架工法，尽量避免采用明挖法和盾构法，如必须采用明挖法车站或盾构法，须 对溶洞进行处理；由于矿山法施工过程容易导致岩溶裂隙水突然涌出，对施工安全存在 极大隐患，严重时出现灾难事故，岩溶地区一般不能采用矿山法。 隧道底板下有溶洞分布时，主要采取灌浆和结构措施处理，穿过溶洞地段先进行灌 浆止水再开挖；在工程施工时，应同时注意防止对周边建筑物及附近道路设施带来的不 利影响；对地铁沿线的其他工程活动应作适当的监控，应对所采用基坑开挖方案和桩基 础类型进行论证，确保地铁运营的安全；为防止地下水位大幅度下降出现的环境地质问 题，造成对地铁施工及运营阶段的威胁，建议对岩溶地区的地下水进行长期监测。 关键词：地铁；岩溶处理；高架；隧道：盾构 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eu r b a np o p u l m i o ng r o w t ha n du r b a n i z e da d v a n c e m e n ts p e e d i n gu p ，t h e t r a c kt r a n s p o r t a t i o ng r a d u a l l yb e c o m e ss o l v e st h em u n i c i p a lt r a n s p o r t a t i o nq u e s t i o ni m p o r t a n t m e t h o d a c c o r d i n gt ot h eg u a n g z h o ut r a c kt r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o np l a na sw e l la st h e g u a n g z h o ur e g i o n a lg e o l o g yd i s t r i b u t i o nm a p ，t h et r a n s p o r t a t i o nn o 2l i n en o r t hp o s t p o n ea s e g m e n t ( s a n y u a n l it oj i a h e ) ，n o 3l i n en o r t hp o s t p o n eas e g m e n t ，n o 5l i n ed a t a n s h aa n dt h e g r a s sw a r mp a r ka r e ai nt h eg u a n g d o n gi n d i g ob a s i nl i m e s t o n ek a r s ts t r a t u m ，f o rk a r a tg r o w t h u r e a , t h e r e f o r et h e s el i n ec o n s t r u c t i o np l a n sc o m p a r e dt oe l e c te s p e c i a l l yt ob es u p p o s e dt o p a y a t t e n t i o nt ot h el i m e s t o n ed i s t r i b u t i o nn o tg o o dt oa f f e c tt ot h ep r o j e c ti m p l e m e n t a t i o n c o n s t r u c t st h es u b w a yp r o j e c tw h e nt h ek a r s ta r e ae s p e c i a l l ys h o u l dc a r r yo nt h es p e c i a l f o u n d a t i o nt r e a t m e n t , b e c a u s ed i s s o l v e s ( e a r t h ) t h eh o l ep r o c e s s i n gd i f f i c u l t yv e r yi nab i g w a y ，t h ec o n s t r u c t i o nc o s ti sh i g h , t h e r e f o r et h i sa r t i c l et h r o u g hc o n d u c t st h et h o r o u g h r e s e a r c ht ot h ek a r s tt ot h es u b w a yp r o j e c ti n f l u e n c ea n dt h ep r o c e s s i n gq u e s t i o n ，n o to n l yt o i nt h et r a c kl i n eo f c o m m u n i c a t i o nw h i c hc o n s t r u c t s ，m o r e o v e rt h i sk i n dw h i c hw i l lb ea b l et o m e e tt oo t h e rp r o j e c t si nd i s s o l v e s ( e a r t h ) t h eh o l ep r o c e s s i n gd e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o nh a s t h ed e f i n e dt h e o r ya n dt h ep r a c t i c ei n s t r u c t i o ns i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l eh a sm a i n l ya n a l y z e do nt h el i n ew h i c ht h eg u a n g z h o us u b w a yl i n ep a s s e s t h r o u g ha n di sg o i n gt op a s st h r o u g ht h eb i t t e re x p e r i e n c ek a r s tg e o l o g ys i t u a t i o n , a n dh a s a n a l y z e dt h i sg e o l o g i c a lc o n d i t i o na sw e l la ss t u d i e st ot h es u b w a yc o n s t r u c t i o na n dt h e o p e r a t i o ni n f l u e n c eh a sb e e nb a s i cs h o u l dt ot h em e a s u r e ，a n dh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i sa n d t h er e s e a r c hb yt h eg r a s sw a r r ap a r kt os m a l ln o r t hs t a t i o ns h i e l dt u n n e ll i m e s t o n ec a v e p r o c e s s i n ga st h ep r o j e c te x a m p l et ok a r s tp r o c e s s i n g ，m a yk n o w ： s u b w a yp r o j e c tk a r s tp r o c e s s i n gm a i n l yf o rt h es h a l l o wl a y e rk a r s t , k a r s tp r o c e s s i n g f o l l o w ss h a l l o wl a y e rp r o c e s s i n gt h ep r i n c i p l ea n dt h em e t h o d ；a sar e s u l to ft h ek a r s ta r e a k a r s tp r o c e s s i n gc o m p l e x i t ya n dt h ed i f f i c u l t y ，i nt h ek a r s ta r e as u b w a yp r o j e c ts u g g e s t e dt h e f i r s tc h o i c eu s e st h eh i g hs t r u c t u r el a b o rl a w , a v o i d su s i n gt h eo p e ne x c a v a t i o nl a wa n dt h e s h i e l dl a wa sf a ra sp o s s i b l e i fm u s tu t h eo p e ne x c a v a t i o nl a ws t a t i o no rt h es h i e l dl a w , m u s tc a r r yo np r o c e s s i n gt ot h el i m e s t o n ec a v e ；b e c a u s et h em i n el a wc o n s t r u c t i o np r o c e s si s e a s yt oc a u s et h ek a r s tc r e v i c ew a t e rs u d d e n l yt og u s ho u t ，t ot h ec o n s t r u c t i o ns a f ee x i s t e n c e e n o r m o u sh i d d e nd a n g e r ，i ss e r i o u sw h e na p p e a r st h ed i s a s t e ra c c i d e n t , t h ek a r s ta r e a g e n e r a l l yc a n n o tu s et h em i n el a w u n d e rt h et u n n e ll e d g e rw a l lh a sw h e nt h el i m e s t o n ec a v ed i s t r i b u t e s ，m a i n l ya d o p t si s i nt h em i l kw i t hs t r u c t u r em e a s u r ep r o c e s s i n g p a s s e dt h r o u g ht h el i m e s t o n ec a v el a n ds e c t o r i i f i r s tt oc a r r yo nt h eg r o u t i n gt os t o pt h ew a t e rt oe x c a v a t ea g a i n ；w h e np r o j e c tc o n s t r u c t i o n , s h o u l ds i m u l t a n e o u s l yp a ya t t e n t i o np r e v e n t e db r i n g st h ea d v e r s ee f f e c tt ot h ep e r i p h e r a l b u i l d i n ga n dn e a r b yp a t hf a c i l i t y ；s h o u l dm a k et h es u i t a b l em o n i t o r i n gt ot h es u b w a ya l o n g t h er o u t eo t h e rp r o j e c ta c t i v i t i e s ，s h o u l dt ou s et h es t r u c t u r ee x c a v a t i o np l a na n dp i l et h et y p e c a r r i e so nt h ep r o o f , g u a r a n t e e st h es u b w a yo p e r a t i o nt h es e c u r i t y ；i no r d e rt op r e v e n tt h e s u b s o i lw a t e rl e v e ll a r g es c a l ed r o pa p p e a r st h ee n v i r o n m e n tg e o l o g yq u e s t i o n ，c r e a t e st ot h e s u b w a yc o n s t r u c t i o na n dt h eo p e r a t i o ns t a g et h r e a t , s u g g e s t e dc a r r i e s o nt h el o n g - t e r m m o n i t o rt ot h ek a r s ta r e ag r o u n dw a t e r k e yw o r d ：s u b w a y ；k a r s tp r o c e s s i n g ；h i g hs t r u c t u r e ；t u n n e l ；t u n n e lb o r i n gm a c h i n e s i l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 览。 作者签名：夕名南 日期：籼年，文月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学 校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口t 蹄，在年解密后适用本授权书。 母不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 作者签名：歹鳖鸟日期：挑f 膳q 指导教师签名：蜘惕 日期：加莎，胆，2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的目的、意义及现状 随着城市人口的增长和城市化进程的加快，轨道交通逐渐成为解决城市交通问题重 要手段。广州市轨道交通的建设有利于进一步改善城市交通状况，优化交通结构及方式， 积极引导、推动和促进城市发展战略实施，确立广州市在珠三角乃至华南地区的核心城 市地位。 广州市政府于2 0 0 3 年1 0 月2 8 日批准的广州市轨道交通线网规划规划了由城 市轨道线、市郊列车线、城际轨道线三层线网组成的全长7 1 7 公里的轨道交通线网。其 中城市轨道线1 5 条，总长6 1 0 k m ，车站总数2 7 8 座；市郊列车线1 条，长6 7 k m ，车站 1 8 座；城际轨道线3 条，线路总长4 0 k m 。根据广州市轨道交通线网规划，广州市轨 道交通线网规划的近期实施目标为建设：1 号线、2 号线、3 号线、4 号线、5 号线、6 号线、7 号线、8 号线共8 条城市轨道线的全线或部分路段开通营运，开通线网长度达 到1 8 4 公里，车站1 0 6 座，与广佛线广州段线路共同组成约2 0 0 k m 的轨道交通线网。 广卅市辕堰空遗缱一推荐方囊 华南理工大学硕士学位论文 表卜12 0 1 0 年广州市轨道交通线网建设项目的线路定位表 序 旅行速度 号 线别路径方向功能定位 备注 ( k m h ) 西起芳村西朗，经公 中心组团内部客运快速通 1 一号线东西线道，是广州市轨道交通线3 5 园前，东至广州东站 网的主干线 北起嘉禾，经公园 中心组团内部客运快速通 2 二号线南北线 道，是广州市轨道交通线 3 5 前，南至南浦岛 网的主干线 三号线北端 北部分别起自广州 南北 主线是贯通都会区南北向将与机场线 东站、天河客运站，的主干线，起到拉开城市贯通，南端 3 三号线“y ”字5 8 于体育西路汇合，南布局、促进城市健康发展将延伸到广 到番禺广场 形走向 的引导作用 州新城、海 鸥岛 北起罗岗新区，经科 南北向串联南拓轴上各组团的南 4 四号线学城，大学城、广州4 0 新城，到达南沙岛 干线北向干线 贯穿中心组团旧城中心区 西起芳村浯口的芳和珠江新城c b d 中央商务 预留与佛山 5五号线 村大道西端，止于黄东西线区，联结西部发展区和东4 0 南海方向的 埔区的云埔部产业转移带的东西向快 轨道交通换 乘 速干线 西起沙贝金沙大道 北端，向东南穿越荔 中心组团内部的东西向辅 6六号线湾区、越秀区、白云 东西向助线，加强中心组团与西 区，转至东北方向， 辅助线北向、东北向客流连接中 3 5 心城区的快速通道 止于高塘石。 西起西朗，穿越南浦 为都会区轨交线网南部的 岛、大石、小谷围岛、南部的 半环线，承担珠江后航道 与地铁一号 7 七号线 内各居住组团与中心城区 4 0 线、广佛线 长洲岛、蟹山，止于 半环线换乘、市郊 横沙 轨道交通线间的集疏功 能。 列车线换乘 起自新洲，沿新港 为中心区连接城市北部与 路，昌岗路向西后转“l ”形 河南地区的干线，承担中 二，八号线 8 八号线 心区与城市北部、珠江前3 5 在晓港江 向北穿越荔湾区、越走向 南鹾区间拆 秀区，止于黄金围 航道河南地块的组团内交 通。 解 2 第一章绪论 地铁线路敷设方式根据城市总体规划的要求，结合城市现状以及工程地质、环境保 护等条件，主要有地面线、高架线和地下线三种形式。地面线包括路堤和路堑形式，高 架线为桥梁形式，地下线为隧道形式。 1 地面线：地面线路一般根据沿线规划的条件来设置，多处于城市边缘及客流量 较小的地区，一般选择在道路的中间或一侧留有l o m 左右的专用道，并对线路采用封闭 隔离措施。 2 高架线：高架线是为解决城市道路功能需要而设，具有占地少、造价低、工期 短等特点，更有利于穿越地质情况比较复杂的地段，主要采用高架桥梁形式。 3 地下线：地下线路多处于城市中心和街道较窄、车辆和客流较多的地段，地下 施工方法主要有如下几种常用选择： 明挖法：明挖法主要有敞口明挖和盖挖( 含盖挖法、逆作法和半盖挖逆作法) 两大 类。明挖施工的特点是可以适用于各种不同的地质情况，减少线路埋深，施工工艺简单， 技术成熟。在市区，都会对城市的交通、环境带来较大的影响。明挖区间隧道一般采用 矩形框架结构。其支护结构则可根据隧道所处地理环境，地质条件及基坑深度确定，可 以采用挖孔桩、地下连续墙、钻孔桩或其它适宜的支护方式。 暗挖法：暗挖法主要有矿山法、盾构法等，已在许多城市地铁工程中成功地应用， 具有成熟的工程经验。 浅埋暗挖矿山法：地铁施工采用的矿山法，目前已在北京、广州地铁中广泛使用。 其断面根据地铁限界要求，一般设计为马碲形断面，采用复合式衬砌。浅埋暗挖法施工， 工艺简单、灵活，可以根据不同地层条件及时修正，充分利用围岩的自稳能力，在软弱 地层中则用超前支护加强围岩的自稳能力，在围岩失稳之前及时进行支护初期支 护。其施工方案及施工步骤，一般根据地层围岩分类及上部建筑物条件来确定。根据隧 道所穿越的不同地层及埋设深度，分别采用不同的支护型式。如超前小导管、大管棚、 锚杆等。 盾构法：一般应用在区间隧道，盾构施工作业安全，环境条件好，机械化程度高， 进度快；盾构隧道衬砌采用预制管片，现场拼装，防水效果好、质量可靠；盾构施工无 需采用其他辅助措施，即能适应松散软弱地层或其它含水土层，比矿山法更安全；随着 地铁盾构施工技术的普及，其工程造价也逐步降低，具有较大的优势。配合岛式车站， 盾构法施工其结构断面型式一般为单线双洞圆形隧道。根据上海、广州和深圳地铁的经 验，一般采用单层钢筋砼管片衬砌。 3 华南理工大学硕士学位论文 广州地区碳酸盐主要分布在广州西北部的广花盆地，广州地区岩溶主要为新市向斜 地带。新市向斜位于广州市西北部三元里新市一带。大致范围南起三元里，北起嘉禾附 近，东起白云山脚新广从公路，西至广花高速公路。 根据广州市轨道交通建设规划以及广州区域地质分布图，轨道交通二号线北延段 ( 三元里至嘉禾) 、三号线北延段、五号线大坦沙段以及草暖公园段位于广花盆地石灰岩 岩溶地层内，沿线有岩溶裂隙发育的石炭系中上统壶天群灰岩、二叠系下统炭质灰岩和 第三系泥灰岩及石灰岩等地层，为岩溶发育地区，因此这些线路施工方案比选尤其应注 意石灰岩分布对工程实施的不良影响。 岩溶地区地基的失稳过程大都表现为溶洞一土漏塌陷的发展过程，溶洞与溶洞相 联系的土洞的存在是岩溶地基不稳定的前提。正是由于岩溶地区溶( 土) 洞顶板物质的 可能坍塌，造成了岩溶地区的地基不稳定。地铁工程设计寿命为1 0 0 年，加之运行过 程中由于列车的震动效应将加速溶( 土) 洞的发育。因此，在岩溶地区兴建地铁工程时 尤其应进行专门的基础处理，由于溶( 土) 洞处理难度很大，造价高，因此本文对岩溶 对地铁工程的影响和处理问题进行研究，不仅对在建的轨道交通线，而且对其他工程中 将会遇到的此类溶( 土) 洞处理的设计与旋工将具有明晰的理论及实践指导意义。 具体研究内容如下： ( 1 ) 在目前探明的广州地铁岩溶工程地质、水文地质条件下，结合目前施工技术 条件，分析地铁各种方案( 高架线、地面线、地下线) 的有利方面和不利方面，分析实施 过程中可能产生的工程地质问题，评价其工程风险，分析各种方案施工过程中对周围环 境产生的影响及处理措施，对可能采取的方案提出建议； ( 2 ) 分析地铁建成后运营过程中可能存在的地质灾害以及周边环境变化( 如降水等) 导致溶洞、土洞进一步发展对地铁隧道和车站产生的影响； ( 3 ) 对地铁工程溶洞处理提出处理措施与方案； ( 4 ) 提出研究结论与建议。 1 2 论文结构 本论文主体由以下内容组成： 第一章绪论；简要介绍本研究课题的目的、意义及现状； 第二章广州地铁穿越岩溶地区地质情况；本章简要介绍了岩溶发育基本机理和基 本规律，对广州地铁穿越岩溶地区的地质情况进行了简要分析。 4 第一章绪论 第三章岩溶对地铁工程影响分析：本章系统分析了岩溶对地铁建设各种线路敷设 形式和工法的影响，分析了岩溶对地铁运营后的影响，研究了地铁线路溶洞处理措施的 基本思路和处理措施。 第四章溶洞处理工程实例一草暖公园至小北站盾构区间溶洞处理；本章以草暖公 园至小北站盾构隧道溶洞处理作为工程实例，对溶洞特点、溶洞充填物及围岩承载力、 渗透系数，溶洞c t 法物探成果进行了分析与研究，通过比较，对不同的溶洞采取不同 的处理方法。对溶洞处理的范围的确定、溶洞处理注浆孔平面布置、溶洞处理施工顺序 要点、灌浆加固效果检查、盾构掘进溶洞段的相应措旌、盾构掘进溶洞段的相应措施、 施工注意事项及要求等进行了研究。 结论：本论文研究的主要结论。 5 华南理工大学硕士学位论文 第二章广州地铁穿越岩溶地区地质情况 2 1 岩溶发育基本机理 3 1 , 3 2 1 岩溶是指可溶性岩层，如碳酸盐类岩层( 石灰岩、白云岩) 等受水的化学和物理作 用产生沟槽、裂隙和空洞，以及由于空洞顶板塌落使地表产生陷穴、洼地等类现象和作 用的总称。 岩溶发育具备的三个条件是： 1 具有可溶性岩层； 2 具有溶解能力( 含c 0 2 ) 和足够流量的水； 3 地表水有下渗、地下水有流动的途径。 2 1 1 溶洞 可溶性岩层，在地下水流的渗流作用下，地下水沿裂隙及含有炭质薄膜的相对软弱 的灰岩岩层走向流动，使岩层缓慢溶蚀而形成溶洞。浅部基岩与上部孔隙水活动交替较 强烈，因此，溶洞多分布于浅部基岩中。 溶洞有三种类型：充填溶洞、半充填溶洞及空洞。充填溶洞及半充填溶洞，充填物 以软流塑状的软粘性土为主，混灰岩碎块及砂粒，部份溶洞充填物钻探时钻具自沉或 人工加压可以压下，其承载力极低。随着垂向深度的增加，地下水交替活动减弱，岩石 裂隙亦极为少见，溶洞分布也随之减少。 2 1 2 土洞 当上覆有适宜被冲蚀的土体，其下有排泄、储存冲蚀物的通道和空洞，地表水向下 渗透或地下水位在岩土交界附近作频繁沉降运动，由于水对土层的潜蚀作用，地下水的 交替作用，上覆土层不断崩落而形成土洞。土洞继续发展，即形成地表塌陷。因此，土 洞及溶洞之间存在密切的关系。 2 2 岩溶发育的基本规律【卿- , 3 2 1 2 2 1 岩溶与岩性的关系 岩石成分、成层条件和组织结构等直接影响岩溶的发育程度和速度。一般地说，硫 酸盐岩层、卤素类岩层岩溶发育速度较快；碳酸盐类岩层则发育速度较慢。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，岩溶发育较弱。 6 第二章广州地铁穿越岩溶地区地质情况 2 2 2 岩溶与地质构造的关系 1 节理裂隙：水对岩体的侵蚀一般自节理裂隙开始，岩溶本身往往就是裂隙扩大的 结果，因此裂隙的发育程度和延伸方向，通常决定岩溶的发育程度和发展方向。在节理 裂隙的交叉处或密集带，岩溶最易发育。 2 断层：断层不仅本身是破裂面，且往往由于断裂作用引起两侧岩层产生大量裂隙， 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。沿断裂 带常分布有漏斗、竖井、落水洞以及溶洞、暗河等。一般情况下，正断层处岩溶较发育， 逆断层处较差。 3 褶皱：背斜轴部张性节理发育，地表水顺节理下渗并向两翼运动，岩溶以垂直形 态为主。向斜轴部虽然裂隙闭合，但由背斜下渗的水沿层面多汇集于向斜，岩溶亦容易 发育。总之，褶皱轴部一般岩溶较发育。单斜地层，岩溶一般顺层面发育。在不对称褶 曲中，陡的一翼较缓的一翼发育。 4 岩层产状：产状倾斜或陡倾斜的岩层，一般岩溶发育较强烈，水平或缓倾斜的岩 层，上覆或下伏非可溶岩层时，岩溶发育较弱。 5 岩溶往往沿可溶岩与非可溶岩的接触带或不整合面发育。 2 3 广州地区岩溶状况【6 ，1 0 a t 】 广州地区碳酸盐主要分布在西北部的广花盆地。广花盆地位于珠江三角洲东北部边 缘，东径i f 3 。0 5 “3 。3 0 ，北纬2 3 。l o 2 3 。3 3 ，行政区划包括花都市全部及 三水、南海市部分及广州市白云区。广花盆地以流溪河、巴江河、官窑水等水系形成的 平原为主体。北、西、东三面环山，属似复式向斜盆地。盆地内除奥陶系、志留系缺失 外，其余地层均有分布。山垅、谷地及含水层的主要展布方向均受华夏构造体系所控制， 其间谷地平原基本上是一个半埋藏阶地。阶地下部为隐伏的泥盆二叠系石灰岩、砂页 岩和新生代红层碎屑岩。被第四系覆盖的石灰岩和砂页岩呈复式褶皱，构成l0 余个n n e 向由砂页岩分隔的背、向斜岩溶条带，赋存着较丰富、易开采的岩溶水，是广花盆地最 主要的开采层。 广花盆地石灰岩地层主要有中、上石炭统壶天群和下石炭统石磴子段及下二叠统栖 霞组。三种灰岩以壶天灰岩岩溶最发育，然后依次为石磴子灰岩、栖霞组灰岩。在标高 一8 0m 以上，壶天灰岩岩溶率远远高于石磴子灰岩和栖霞灰岩。据广东省地质局区域水 文地质普查报告( 1 9 8 0 ) ：在5 4 个钻孔中钻遇壶天组，见溶洞钻孔4 0 个，见洞率为7 4 1 7 华南理工大学硕士学位论文 ，溶洞个数为1 2 4 个，溶洞高度大于1 m 的有5 6 个，占总数的4 5 2 ，最大高度为 1 1 4 9 m ，无充填的空洞占总数的1 2 9 ，位各岩层之首。另据广东省地矿局关于各岩 溶矿区统计资料，埋深o l l o m ，岩溶率为2 2 1 8 ；埋深1 2 0 1 8 0 m ，岩溶率为1 8 4 ：埋深1 9 0 3 2 0 m ，岩溶率为4 0 。即岩溶发育在l l o m 以上。 广州地区岩溶主要为新市向斜地带。新市向斜位于广州市西北部三元里新市一带。 大致范围南起三元里，北起嘉禾附近，东起白云山脚新广从公路，西至广花高速公路。 新市向斜位于广花复向南段偏东部位，是广花复向斜东南角末端的一个次级褶。轴向 n n e ，长约1 5 k m 以上，宽约6 k m 。西翼连结水口背斜，东翼则以广从断裂与白云山的震 旦系接触。向斜槽部为大冶组，两翼依为上二叠、下二叠统、上石统、下石统。西翼还 有帽子峰组，即水口背斜轴部地层。东翼岩层倾向n w ，西翼倾向s e ，两翼倾角均按陡， 大致为5 0 6 0 0 ，为一个轴面直立的对称向斜。新市向斜地层以上古生界为主，既有海 相和浅海相沉积，亦有陆相和海相交互相沉积，岩性比较复杂。向斜在华力西一印支构 造旋回形成后，又经历了燕山东省旋回和喜马拉雅旋回影响，褶皱和断裂均比较发育。 在新生代第四纪接受河流相和三角洲相沉积。 本区岩溶发育，岩层表层与覆盖层接触部位表现出坑坑洼洼，凹凸不平，其岩溶形 态较多： 1 石芽；一般高0 5 m ，基座直径0 。8 m 以上，表面具有海绵状、蜂窝状溶孔； 2 溶沟溶槽：主要发育在褶皱轴或者断层破碎带附近，是在岩石裂缝隙基础上发 展形成的，走向多为n n e ，长短宽窄不一，断面上呈沟槽状或浅凹碟形； 3 溶蚀凹地：由溶沟溶槽继续发展而成，大部分充填含灰岩碎块的粘土类堆物： 4 夷平弧峰和谷地：夷平弧峰常为圆顶状，基座直径1 0 0 5 0 0 m ，与孤峰相伴的常 有陡直下凹l o 2 0 m 的谷地； 5 落水洞、漏斗：一般直径0 5 2 m ，向深部延伸与水平溶洞相通。 岩溶内部发育带中的岩溶形态有： 1 溶孔：直径0 5 5 c m ，在隐晶质灰岩，白云质灰岩、白云岩中最发育，发育深 度较大，常密成海绵状，在壶天组白云岩中普遍出现，其发育由浅至深逐渐减弱； 2 溶洞：主要分布在褶皱轴、构造断裂带附近，按形态和成因分为裂隙状溶洞和 管道状溶洞。裂隙状溶洞多见于浅部。一般宽0 2 2 m ，高0 2 至数米，形状不一； 管道状溶洞因洞壁形态不同可分两种：( 1 ) 洞壁完整，多为粘土、砂砑石充分填；( 2 ) 洞 壁呈犬牙状，形态不规则，但规模较大，洞高0 5 l o r n ，最大可达2 5 6 7 m 。据江村 8 第二章广州地铁穿越岩溶地区地质情况 水源地质勘探资料1 9 9 个溶洞统计：洞高小于l m 者占6 2 8 ，l 5 m 者占2 6 6 ， 大于5 m 的占1 0 6 ；全充填者占5 6 8 ，半充填的占3 1 7 ，空洞占1 1 5 。 溶洞顶底板多为蜂窝状、针状溶孔。 2 4 岩溶地面塌陷与下沉的原因分析 岩溶区大量抽取地下水时，会使岩溶水位急剧下降，造成一系列的地质变化。如隐 伏岩溶区浅部岩溶最为发育，有的洞口直通基岩表面，基岩与第四系间水力联系甚为密 切。当强烈抽取岩溶水时，导致地下水动力条件的急剧变化，随着基岩水位降低的同时， 也会引起第四系水位的降低。当第四系水向下补给岩溶水时，上覆土层及岩溶裂隙中的 充填物受到疏通潜蚀，当冲刷和掏空作用到达一定程度，就会在第四系土层下部或土层 中变成隐伏的塌洞。塌洞内细小颗粒随第四系水位的向下补给不断流入溶洞及裂隙内或 被抽出地面，顶部士粒不断冒落，当地下水的搬运作用超过了冒落土体对岩溶通道、隐 伏塌洞的堵塞作用，塌洞随之逐渐向上扩展，至洞顶土体失去了自然平衡状态；导致地 面开裂变型、继而产生地面塌陷( 即潜蚀塌陷) 。 地面下沉虽不象塌陷那样突然，但面积一般较大，它同样可以使建筑物开裂、倾斜 以至倒塌。地面下沉原因：由于大量抽水引起地下水大幅下降，减少了含水层的浮托力， 在上覆地层自重的影响下，引起水位变幅带内空隙水压降低和上覆土层产生排水固结， 从而出现地面下沉。 根据已有资料分析，广花盆地岩溶地面塌陷的成因及分布规律有如下特征： 1 广花盆地隐状岩溶发育，砂土层厚度一般小于l o m 的松散覆盖层是岩溶地面塌 陷多发的物质基础。 2 过量开采地下岩溶水或突然大降深抽排地下水，造成强烈的地下水动力条件为 岩溶地面塌陷的发生提供了充足的动力，由于该地区地下岩溶水补给受降雨影响明显， 因此过量抽排地下水形成的排泄与雨水的补给的不同步。造成地下水水位在枯水季节大 幅下降，在雨季又快速上升，所以水位波动异常强烈，根据广花盆地多年监测资料，年 变幅、月变幅和雨前与雨后的水位变幅都很明显。 3 强烈波动的动水位所形成的动压力作用在覆盖砂土层之上，加速了土体的机械 潜蚀破坏及崩解破坏，在强烈波动的反复动荷载作用下，土体承受加荷与卸荷的不断变 化，对于砂性土，在周期振动荷载作用下，其抗剪强度会丧失，即产生松散现象，对于 粘性土，在动荷载作用下，由于孔隙水压力增长，有效应力下降，会引起土体破坏，加 9 华南理工大学硕士学位论文 荷周期愈多，其抗剪强度愈低。 同时期水位的大幅波动引起土洞空腔内气压的正负变化也使土体内力的平衡状态 被打破，这些水、气动力条件是岩溶地面塌陷的重要致塌因素。 2 5 岩溶地区工程地质勘测方法【2 2 】 由于岩溶地区岩溶发育的复杂性：基岩溶沟溶槽起伏不平，形成很多临空面，岩体 内溶洞( 土洞) 发育，其分布和形态变化无常复杂多变，岩溶地区工程地质勘察不仅要对 各种基础地质进行勘察，更重要的是围绕必须建立相应的勘察方法和分析方法( 如钻探、 物探等多种物段结合的方法) 。岩溶地区这种复杂性决定着其工程地质勘察除满足一般 的工程地质勘察要求外，还要按照岩土工程勘察规范( g b5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 要求： 重视工程地质研究，在工作程序上必须坚持以工程地质测绘和调查为先导； 岩溶规律研究和勘探应遵循从面到点、先地表后地下、先定性后定量、先控制后一 般以及先疏后密的工作准则； 应有针对性的选择勘察手段，如为查明浅层岩溶，可采用槽探，为查明深埋土洞， 可用钎探，为查明深埋土洞可用静力触探等；采用综合物探，用多种方法相互印证。 只有采用正确的工程地质勘察手段才能摸清楚岩溶地质情况，才能有的放矢的进行 基础处理和选择基础形式。岩溶地区岩溶发育复杂性，要求必须重视对岩溶的工程地质 勘察工作。全面而准确的了解岩溶的分布情况是正确选择岩溶地基基础的前提和基础。 对岩溶地区使用的工程地质勘察方法要特别强调采用多种勘察相结合的方法，如钻探和 地球物理勘探的综合使用，来进行岩溶地质勘察。工程实践证明：如果仅靠钻探一种方 法时，往往会造成对岩溶地质情况的了解不全面，从而使设计与施工人员在工程中作出 不正确的决策。 2 6 广州地铁穿越岩溶地区地质情况 2 6 1 广州地铁穿越岩溶地区概况【5 3 ，划 根据广州市轨道交通建设规划以及广州区域地质分布图，轨道交通二号线北延段 ( 三元里至嘉禾) 、三号线北延段、五号线大坦沙段以及草暖公园段位于广花盆地石灰岩 地层内，沿线有岩溶裂隙发育的石炭系中上统壶天群灰岩、二叠系下统炭质灰岩和第三 系泥灰岩及石灰岩等地层，为岩溶发育地区。 l o 第二章广州地铁穿越岩溶地区地质情况 图2 - 1 广州区域地质分布图【“1 华南理工大学硕七学位论文 广州市轨道交通二号线北延段( 三元里至嘉禾) 长约9 3 5 k i n ，地下线长8 2 8k m ，高 架线长0 5 7 k m ，过渡线长0 5 k m ，新建远景、白云新城、新市、江夏、陈田村、上林镇 和嘉禾等7 座车站。 三号线北延段自广州东站向北延伸，线路全长约3 0 8 4 k m ，共1 1 个车站，最大站间 距5 7 0 0 m ，最小站间距8 8 0 m ，平均站问距2 4 9 0 m 。三号线北延段广州东站至同和站段( 里 程y a k o + o o o y a k 7 + 1 0 0 ) 为地下线，同和站至矮岗段为高架段，矮岗站至新机场为地下 线至终点。 二号线北延段沿线穿越的碳酸岩地层有上古生界石炭系中上统壶天群( c 。) 、二迭 系下统栖霞组( p 。) 炭质灰岩。 三号线北延段沿线穿越的地层有上古生界石炭系下统大塘阶石蹬子组( c 。) 、石炭系 下统大塘阶测水组( c “) 、石炭系中上统壶天群( c 。) 、二迭系下统栖霞组( p 。) 炭质灰岩、 三迭系小坪组地层( t 。) 、下第三系莘庄村组地层( e 。x ) 及第四系地层等。 各地层由老至新简述如下： 1 石炭系下统大塘阶石蹬子组( c 。) 分布于矮岗新机场一带，为第四系所覆盖，属浅海相碳酸盐岩建造，连续沉积于 孟公坳组之上。主要为灰黑色、深灰色隐晶质一微晶质灰岩。上部常夹薄层碳质泥岩或 碳质薄膜，顶部为钙质泥岩或夹有薄层灰岩。地层厚度9 5 1 7 5 m 。 2 石炭系下统大塘阶测水组( c l d c ) 分布于矮岗新机场一带，为海陆交互相含煤建造。岩性以灰深灰色粗粒砂岩、 砂质泥岩、泥岩为主夹粉砂岩、碳质泥岩和煤，普遍夹有透镜状泥质灰岩和灰岩及菱铁 矿、黄铁矿结核。地层厚度1 7 8 2 1 5 m 。 3 石炭系中上统壶天群( c 2 + 3 h t ) 石炭系中上统壶天群地层岩性主要为灰白色、深灰色灰岩、硅质灰岩，岩性较单一， 岩溶发育。 4 二迭系下统栖霞组( p l q ) 二迭系下统栖霞组属海相碳酸盐岩建造，与下伏壶天群灰岩推测为假整合接触。下 部为肉红色、暗红色、深灰色薄至中厚层状灰岩夹炭质泥岩，含燧石条带或结核；上部 肉红色、灰黑色灰岩夹钙质泥岩和粉砂岩。地层厚度1 0 0 2 0 0 m 。区内地层岩性主要为 灰黑色、黑色炭质灰岩，局部夹炭质泥岩和页岩，薄层中厚层状构造，泥质、钙质胶 结，胶结紧密，岩体裂隙稍发育，裂隙为方解石脉充填，岩石较完整，岩芯呈短柱状及 1 2 第二章广州地铁穿越岩溶地区地质情况 长柱状，岩质较硬，性脆，失水易裂。 5 三迭系( t 3 x ) 主要分布在三号线路中磨刀坑一带，( 里程y a k 8 + 3 5 0 6 5 0 ) ，属三迭系小坪组地层， 岩性主要为炭质页岩、泥岩及砂岩。 6 第三系( e l x ) 主要分布在三号线路中磨刀坑至矮岗( 龙归盆地) 一带，属下第三系莘庄村组地层。 是一套下粗上细的红色地层，其下部为暗红色砾岩、砂砾岩，含砾砂岩，中上部为暗红 色至灰色的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩与泥灰岩、灰岩、泥岩、钙质粉砂岩互层。普遍具 交错层理。 7 第四系( q ) 第四系包括全新统( 乱) 、上更新统( q 3 ) 及残积土层( 酽1 ) ，缺失中更新统和下更新统。 全新统包括人工填土( q 4 - 1 ) 、上更新统冲积一洪积砂层( ，1 ”) 、土层( q 。“) 和坡积土 层( q 3 d 1 ) 。 2 6 2 溶洞的分布规律【5 3 删 1 二号线北延段： ( 1 ) 根据二号线北延段初步勘察阶段及已完成的详细勘察阶段资料，参加统计的4 0 5 个钻孔，揭露发育溶洞的钻孔1 8 8 个( 不含土洞) ，见洞率为4 6 4 ，有1 0 3 个钻孔揭露 两层岩溶以上，占揭露岩溶钻孔的5 4 8 ，说明场地内岩溶发育强烈。 表2 - 1 二号线北延段按钻孔揭露岩溶发育情况统计表 勘察 区间 参加统计钻孔揭露有溶洞的 见洞率( ) 揭露有2 层溶洞 阶段总数( 个)钻孔数( 个)的钻孔数( 个) 初勘三元里一嘉禾 1 4 96 24 1 63 3 远景站 4 02 56 2 51 4 远白区问 8 25 1 6 2 2 2 9 详勘 白云新城站 4 41 12 55 白新区间 5 02 24 41 2 新市站 4 01 7 4 2 5 1 0 华南理工大学硕士学位论文 表2 - 2 二号线北延段( y j 步勘察阶段) 按钻孔揭露岩溶发育情况统计表 统计项目总数石灰岩炭质灰岩 钻孔数量( 个) 1 4 98 86 l 发育岩溶钻孔( 个) 6 23 72 5 岩溶率( ) 4 1 64 2 14 1 o ( 2 ) 岩溶形态规模 根据初步勘察及已完成的详细勘察结果，沿线揭露岩溶类型主要为埋藏型岩溶，其 形态各异，可表现为溶沟、溶槽、溶隙、溶洞等，揭露的洞体最大高度达1 2 4 0 m 。在岩 面附近由于溶蚀作用，造成岩面起伏变化很大。岩溶的分布在纵横向上变化很大，规律 性差，呈单一或多层状。 ( 3 ) 充填物特征 沿线岩溶洞隙大部分呈半充填或全充填状态，充填物主要为流塑、软塑状粘性土， 局部为可塑状粉质粘土或充填泥砂，钻探中表现为漏水，地层软弱，钻具自重下沉现象， 部份钻孔揭露岩溶无充填物为空洞，在钻探中出现掉钻现象，严重漏水。初步勘察揭露 岩溶洞隙共1 3 1 个( 不含土洞) ，其中半充填和无充填5 7 个，占岩