某地铁车站土洞勘察与形成机理分析

李东亮 易 鑫 汤斌峰

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

非岩溶地区的土洞，其形成机理不同于岩溶地区，但同样对工程建设造成潜在威胁。在某地铁车站勘察中，一钻孔发现地下埋深约15～22m发育土洞，土洞内充水、有少量粉土，粉土松散、饱和。现场调查表明，该钻孔西侧为一集中供水管理站，站内地下水井距钻孔仅40m，抽水井深300m，井径300 mm，抽取地下水为西桥、贾家寨等周边村落供水，地下水年开采量约110000～120000m3。该车站处于河流漫滩区，初步分析判定该区域土洞为成井过程中抽取地下水时形成的土洞。土洞导致塌陷具有隐蔽性，其危害主要体现在洞体塌陷所引起的土体坍塌、基坑突然涌水等，对地铁的施工和运营安全存在较大影响，有必要对该土洞进行详细勘察及对其形成机理进行深入分析。

1 工程概况

该地铁车站长度为331.28m，地面高程约771.0m，基坑深度16.97m，结构底板最大埋深为23.03m。车站采用明挖法施工，基坑支护结构形式为钻孔灌注桩结合止水帷幕。

该段地貌单元为河流漫滩，地形开阔平坦，主要地层从上至下为第四系全新统冲洪积形成的粉质黏土、黏质粉土，粉细砂(此层位较稳定，埋深6.9～19.8m，局部地段为中砂)，下部为第四系上更新统冲、洪积层形成的粉质黏土、黏质粉土、粉细砂。地下水类型为第四系松散层孔隙潜水，地下水埋深较高，勘察期间地下水埋深约0.4～4.7m。

2 勘察方法

本次土洞勘察采用调查、物探地震反射法和钻探相结合的综合勘察方法。首先，对钻孔及集中供水管理站附近范围进行土洞地面调查，调查土洞是否造成地面塌陷、下沉，建筑物变形等;其次，在初勘推断土洞发育范围布置12条网格测线，采用物探地震反射法对该区域进行探测;最后，根据物探成果资料，对物探提出的反射异常布置钻孔，对其进行钻探验证和勘探。

2.1 物探方法工作布置

在初勘推测土洞范围，布置了网格测线，测线间距20～30m，垂直线路方向(东西向)测线6条、平行线路方向(南北向)测线6条，共12条测线，测线覆盖了推测的土洞发育区及无土洞区域。地震反射法采用6次迭加，Δx=2m，CDP点距1m的观测系统。

2.2 钻探工作布置

根据物探和初勘补勘结果，共布置9孔进行了土洞钻探验证和勘探，深度为30m。钻孔位置及物探示意图如图1。

图1 钻孔布置与物探测线示意

3 勘察结果

通过对土洞发育范围及附近调查，未发现地面出现塌陷、下沉、建筑物变形等异常情况。对资料进行处理和综合分析解释，推测存在8处疑似可能为土洞的异常。其中，DZ9测线距离92m附近、深度约16～20m的异常为钻孔已揭露的土洞，该测线80m处为疑似点。其余疑似可能为土洞异常点为DZ2测线距离86m、107m两处，DZ3测线103m一处、DZ4测线26m一处，DZ5测线95m、105m两处，深度范围16～25m。图2、图3为DZ4、DZ5两测线的CDP迭加剖面。

图2 DZ4 CDP迭加剖面

图3 DZ5 CDP迭加剖面

通过对9孔的钻探揭示，除初勘补勘钻孔揭示的土洞外，勘察范围内均未发现其他土洞。勘察范围内土洞发育范围仅为钻孔已揭露的一个土洞附近，深度约15～22m，平面范围面积约96m2，体积约523m3，土洞内充水，有少量粉土，粉土松散、饱和。

4 形成机理分析

土洞的形成与水有着密切的关系，土洞因地下水或地表水渗入地下，溶蚀可溶物，带走细小颗粒，使土体被掏空而形成，此地质作用称为潜蚀。潜蚀作用主要有两种，机械潜蚀与溶滤潜蚀。前者主要是水流将细小颗粒带走，后者则为水将可溶物分解，最后被水流带走。机械潜蚀的发生除了土体结构和级配容许将细小颗粒带走外，地下水流速还要具备将细小颗粒带走的能力。此土洞位置地层为粉细砂层(见图4)，颗粒细小，附近水井成井过程中剧烈的地下水位的变化都为土洞的形成创造了条件。

当土洞初步形成后，超静孔隙水压力作用于土体的拉应力超过土的抗拉强度，土体开始剥落，被剥落的土体又由动水压力(剧烈的水位变化产生)形成的剪应力作用，颗粒间的粘结力被破坏，最后在地下水流的作用下被带走。综上所述，超静孔隙水压力使土的结构体产生剥落，而动水压力则使土的细颗粒产生迁移，两者共同作用，土洞不断扩大。当水井完工后，水井上段被封堵，地下水位不会发生剧烈的变化，土洞不再具备扩大的条件，但应注意自然降雨对该土洞发展的影响。

5 评价

5.1 土洞与线路的位置关系

该土洞位于车站左侧，土洞边缘距车站主体结构轮廓线最近距离约30m。土洞顶埋深约15m，底埋深约22m，车站基坑埋深16.97m。具体位置关系见图4。

图4 土洞与水井、地铁结构位置关系

5.2 土洞对地铁车站的影响分析与评价

参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(煤行管字(2000)第81号)［9］，按该规程中构筑物保护等级和铁路保护等级划分标准，地铁车站均属Ⅰ级，围护带宽度范围应为20m。根据土洞所在位置位于地下水位以下，且土洞范围地层为饱和粉土、粉细砂层为主，地层移动角按30°计算土洞影响范围，计算得土洞影响范围为土洞以东地表水平距离40m范围内。因此，车站距土洞的安全距离为土洞以东地表水平距离60m。

(1)车站结构距离土洞的水平距离小于60m，结构整体埋深高于土洞埋深，车站结构位于土洞的围护带范围以内，不满足《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(煤行管字(2000)第81号)的规定;(2)该土洞对车站工程存在一定影响，应采取措施对土洞进行处理，以确保地铁车站工程的安全。

6 对土洞的处理措施建议

由于该土洞发育范围较小，埋深相对较深，建议对土洞进行灌砂或细石混凝土后再进行注浆处理，起到回填充满、加固的作用，阻塞地下水通道，防止土洞进一步发育对车站结构工程安全造成影响，保证地铁车站施工与运营的安全。

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