行业要闻

 

[摘  要] 勘察资料发现，拟建的南京地铁 3 号线滨江路站—五塘村站沿线溶洞较发育具有规模小、数量多，呈串珠状的特征，主要发育于灰岩断裂带及灰岩与泥岩交界面处。通过对该地区地层岩性和地质构造等地质背景分析发现，岩溶发育主要受断裂构造控制，构造运动升降作用导致了溶洞发育具多层性，地表水的径流范围等控制着岩溶的发育深度和规模。研究区的溶洞发育虽然规模小，但数量多，对地铁建设具有一定的危害性。

[关键词] 岩溶；小型溶洞；断裂构造；构造运动；南京地铁

 

      岩溶工程地质问题在重大工程建设中不容小觑，对工程的安全稳定性有较大影响，如隧道开挖时由于溶洞引起的塌陷、突水、突泥等地质灾害，对工程建设危害性很大^[1~3]。特别是对地铁的施工和安全运营过程具有较大的危害性，如果处理不当，极易引起工程事故，造成施工人员伤亡和重大经济损失。

      南京地铁3号线由江北穿过长江底，经主城到东山，全长34.9 km。其中滨江路站—五塘村站区间位于幕府山西端，地铁穿越地层主要为震旦系灯影组白云岩、灰岩，受幕府山多组断层、南京—湖熟断裂、幕府山—焦山断裂等构造的影响，岩层破碎，岩溶较发育，对地铁建设带来安全隐患。文章就该路段的地质背景、岩溶发育规律进行分析和评价。

 

      研究区属于扬子地层区，主要分布有震旦系灯影组、三叠系及第四系地层，基岩埋深一般约为15 m-20 m，其中震旦系灯影组地层岩性为中风化白云岩、灰岩，也是隧道穿越的主要地层，呈灰白色，夹肉红色，细晶结构、粉晶结构，块状构造，岩石中细小裂隙发育，裂隙中多被钙质、铁质充填，钻孔内未见底，在该地层中见有岩溶发育。岩性自上而下主要为：杂填土、素填土、粉质粘土、粉土及中风化白云岩、灰岩，局部夹有硅质灰岩。

      研究区域曾受到两次明显抬升运动，在第一次抬升幅度约80 m，后又下降了30 m~40 m，之后进入了第二次抬升时期，燕子矶（图1）的头台洞、二台洞是对这两次抬升运动最好的印证，目前该区域仍处于缓慢抬升期。工程场区位于幕府山复式背斜，区内由褶皱和一系列NE向40°~70°断裂组成。幕府山复式背斜受长江断裂切割北翼下降至江底仅出露南东翼。断裂分布较密集，如幕府山—焦山断裂、定淮门—马群断层、幕府山断层组部分断层，地层多数倒转，以压性和压扭性结构面为主。局部地段，特别是宁镇反射弧伴生的NW向张性和张扭性断层发育，如南京—湖熟断裂、幕府山断层组部分断层^[4]，见图1。

      图1中F₂断裂为推测断裂属正断层，位于幕府山西段沿中央北路从滨江路到五塘村站，长约1.9 km走向NW，倾向SW，倾角陡。根据野外地质调查及钻探、物探的资料显示，F₄断裂、f₁、f₂断层晚更新世以来没有发现活动的迹象，因此这些断裂构造对本工程场地产生直接影响的可能性较小。研究表明F₁断裂、F₂断裂及幕府山断层组对本工程场地影响较大。

      上述分析中对幕府山断层组的描述较少，实际上幕府山复背斜伴生的断层组构造相当复杂，地层切割严重，见图2，其中有近4条断裂垂直穿过中央北路，断裂构造大多为北东向，其中北北东向断裂与北东东向断裂相互切割，如在中央北路北段有一北北东向断裂将其余3条北东东向断裂切割，并有平移走滑现象，导致该处地层破碎严重，在现场调查中甚至发现溶洞出露在地表面以上，见图3，溶洞常见于断层破碎带中。说明幕府山断层组对研究区域的岩溶发育影响甚大。

      本区气候温湿，年平均降雨量为878.5 mm~1 027 mm，雨量充沛，降雨时间较长，对地下水的形成和补给起着重要作用。工程场区整体地形南高北低，北侧滨临长江，而东西两侧为山体。因此，地表水及地下水汇集于此并经地下渗入长江。地下水类型主要为碳酸盐岩岩溶裂隙水和构造裂隙水。地下水位埋深一般为2.0 m~3.3 m。

 

      内岩溶主要在白垩纪以前、第三纪和第三纪以后的3个时期发育于震旦系灯影组地层中。岩溶发育的方向和深度受断裂构造控制，区内断裂构造有张性（如F₁断裂）、张扭性（F₂断裂、f₃断层），也有压性（f₂断层、F₄）、压扭性（f₄断层）。

      在研究区域勘察时沿道路东、西两侧各布置了一条测线，进行了钻探和物探勘察工作。通过对勘察资料分析，在路段西侧发现溶洞36个，东侧发现溶洞19个，且路段的北侧发育溶洞数量比南侧多。溶洞主要发育于灰岩、灰岩与泥岩的交界面，溶洞的数量较多，成蜂窝状分布，但规模较小，大部分溶洞的直径为2 m~3 m，且大多被粘土充填，溶洞发育深度大多位于20 m深度以下。图4为勘察路段代表性地质剖面图。从溶洞与隧道的位置关系来看，隧道顶板以上溶洞分布较少，隧道的中部及下部为溶洞的主要分布区，且隧道底部的溶洞占大部分。从溶洞的类型与隧道的位置关系来看，单个溶洞在隧道的上部、中部和下部均有分布，而串珠状溶洞主要位于隧道的中下部。

      幕府山断层组中的NE向断层为一压扭性逆断层，即图1中f₃断层，南东侧上盘上升，北西侧下盘下降。该断裂形成于三叠纪中期，与本区褶皱构造同期，到了燕山晚期再一次发生强烈活动，性质仍然是逆断层，造成南东侧上盘继续抬升，北西侧下盘继续下降。根据阎长虹等人的研究，压性断层的上盘在后期引张作用下也有利于岩溶的发育^[4]。研究区域正是位于该断层的上盘，从勘察结果来看，靠近该断层溶洞发育数量较多。

      对研究段有直接影响的张性构造是F₂正断层，呈张扭性。研究区域位于该断层的上盘，该断裂应为南京—湖熟断裂次级断裂，位于幕府山西段沿中山北路从滨江路到五塘村站，在野外地质调查中发现此段基岩中裂隙发育，局部破碎，虽然该断裂为非活动断裂，但因其造成这一地段岩层破碎、蚀变、岩体风化强烈，沿此断裂岩溶较为发育。勘察结果也显示靠近F₂断裂的东侧，溶洞数量较多。

      研究区内发生过两次抬升及一次下降运动，地壳抬升或下降时，侵蚀基准面也随之产生相对的抬升或下降，此时的岩溶发育以垂直方向为主，而稳定地块的岩溶则以水平方向发育为主。因此岩溶的发育具有期次性，加上区内地下水埋深较浅，且地势上北段较南段低，是地下水汇集区，利于岩溶发育，靠近长江的溶洞常被细砂充填，说明溶洞与水流的联系紧密，加上断裂构造作用下岩石破碎，裂隙发育，为地下水提供了有利的通道。因此溶洞在垂直方向上具有多层性^[5]，结合地表面以上的现场调查和地表面以下工程勘察的溶洞分布来看，溶洞垂直向发育特征则显得更加明显，见图5，从图中可以看出。溶洞在高程约-17 m、10 m、30 m均有分布，分布于这3个层位的溶洞与构造运动形成了较好的呼应，说明构造运动对岩溶的发育具有一定的影响。

      岩溶发育的基本驱动因素是CO₂+流动的水+可溶岩，对于本场区而言可溶岩无疑是具备的。但是，工程场地基岩上覆土层厚约8 m~15 m，大部分为第四系粘土、粉质粘土等松散沉积物，影响了降水的渗入，地下水的流动性受到严重影响，同时由于水流与空气接触较少，水中的CO₂含量也较低，因此不利于岩溶的发育。溶洞大多为全充填型，且多被具隔水作用的粘土充填，影响了地下水在溶洞中的活动，地下水的径流范围受到了限制，从而降低了水对基岩的溶蚀作用^[6]。因此场地内溶洞发育规模较小。

 

      在地铁建设中，岩溶产生的工程地质问题主要表现为隧道开挖时的突泥、突水现象，以及隧道稳定性问题，突泥、突水现象主要与地下水的性质有关，隧道稳定性主要表现在溶洞与隧道的位置关系。对于研究区域来说，突泥、突水及稳定性问题均不容忽视。

      场区内溶洞多被流态至流塑态粘土充填，靠近河流段溶洞内多被细砂充填，由此可见溶洞与水流的存在一定的联系，而且在钻探时出现多处漏水现象。在施工前必须对隧道开挖处地下水的承压性、溶洞与水流的连通性进行试验研究，虽然溶洞的规模较小，但是如果溶洞与水流联系紧密，在隧道开挖穿过溶洞时还是存在突泥、突水的可能性。

      由上述研究可知，溶洞主要是位于隧道的中下部，且大部分位于隧道底部，因此地基稳定性问题显而易见。从图2可以看出隧道开挖后，溶洞顶板的厚度薄处仅约为1.5 m，虽然溶洞规模较小，但是区域内串珠状溶洞发育，如果不进行处理，在隧道开挖时极有可能形成塌陷。

      溶洞顶板厚度较小处隧道开挖时就存在危害，在一些溶洞顶板厚度足以支撑隧道开挖的区域，在地铁运营时，由于受到振动荷载，而且是循环荷载，加之隧道周围渗流场、温度场的改变，溶洞周围的应力场肯定会发生改变，对溶洞的稳定性势必会产生影响。如溶洞区与非溶洞区产生差异沉降，隧道结构就有可能产生破坏[7]，甚至是直接塌陷。所以溶洞在地铁运营时仍然有可能对工程产生危害。因此应对区域内的岩溶地基稳定性问题进行计算分析，为地铁建设提供可靠的处治方案。