地下洞穴对地铁线路选择的影响摘要：广州地铁二号线北延段三元里至新市段线路拟为地下线，下覆基岩为石灰岩，岩溶洞穴十分发育。本文介绍了三元里至新市段工程地质条件，通过对该段石灰岩洞穴分布特征的分析，指出其对线路敷设方式、施工及运营可能产生的影响，并对下阶段的工作提出了建议。关键词：二号线北延段三元里至新市段石灰岩洞穴影响1工程概况 广州地铁二号线北延段三元里至新市段线路长约4km，拟为地下线，沿线设三元里（已建）、远景、白云新城和新市4座车站。线路出新市站后转为高架线。 三元里至新市段沿线环境条件较为复杂，从已建成的三元里折返线往北，线路下穿北环高速公路和机场路，路段交通非常繁忙；北环高速公路与机场路之间长约300m的线路需穿越房屋、小河涌，过机场路后线路进入旧白云机场，机场范围管线密集，跑道混凝土厚60～80cm。
三元里至新市段原始地貌形态属广花凹陷冲积盆地，第四系地层以冲洪积砂层、土层及残坡积堆积为主，基岩地层为石炭系中上统壶天群石灰岩和二迭系下统栖霞组炭质灰岩，岩层层面高低起伏，岩溶溶洞、土洞（本文统称为岩溶洞穴）十分发育，工程地质条件复杂，对本段土建工程设计和施工的安全性以及对地面交通运营、建(构)筑物的安全保障提出了很高的要求。2工程地质条件2.1区域地质 对照广州市基岩地质图（图2），三元里至新市段位于广从断裂以西，新市-嘉禾断裂组以东区域，南端在三远区间与东西向的三元里断裂近垂直相交。线路出三元里过一小段二迭系下统栖霞组炭质灰岩后，即进入壶天群灰岩分布范围。从图中可以看出，远景站前后区间线路与栖霞组灰岩和壶天群灰岩的岩性分界线几近重叠，在白云新城站后局部经过栖霞组炭质灰岩。
实际勘察揭示的结果与基岩地质图基本相符，只是在远景站前后区间揭示的是壶天群灰岩，分析原因是基岩地质图存在一定误差，栖霞组灰岩和壶天群灰岩岩性分界线应向西偏移。2.2地层岩性 三元里至新市段沿线穿越的地层由新至老依次为第四系、白垩系上统、二迭系下统及石炭系中上统。 第四系(Q)由人工填土层、河湖相淤泥质土层、冲积-洪积砂层及残积土层组成。白垩系上统大朗山组三元里段(K2d1)主要为含砾粉砂岩、含砾粗砂岩、含砾细砂岩、泥质粉砂岩等，褐红色，泥质、钙质胶结，胶结程度较好。 二迭系下统栖霞组(P1q)岩性为泥炭质灰岩，炭质灰岩及深灰色石灰岩，局部裂隙发育。 石炭系中上统壶天群（C 2+3 ht）岩性为灰色、浅灰色石灰岩，岩质坚硬，岩溶发育。3溶洞特征3.1埋深特征
三元里至新市段初勘共揭示到溶洞47个（图3、图4和图5），均分布在石炭系中上统壶天群石灰岩发育范围。其中，溶蚀底板埋深在15～30m范围内的溶洞有45个，约占溶洞总数的95.7%；溶蚀底板埋深超过30m的有2个，约占溶洞总数的4.3%。有18个溶洞的顶板距岩面1m以内。 溶蚀底板埋深超过30m的2个溶洞中，一个位于三远区间环城高速路北侧，溶蚀底板埋深37.5m（图3），洞高0.7m，无填充物。另一个位于新市站范围（图5），溶蚀底板埋深41.0m，洞高14.80m，填充物为粉质粘土，形成溶蚀深槽。 综上分析可以看出，本段大部分溶洞发育的深度较浅，结合岩面的埋深、起伏情况来看，溶洞主要分布在岩层表层和上部。深部发育的溶洞数量较少且规模小；局部地段形成溶蚀深槽。3.2洞体高度特征 揭示到的47个溶洞中，洞体高度小于0.5m的有8个，洞体高度在0.5～1.5m的有30个，洞体高度在2～3m的有7个，另有1个洞体高度6.5m，发育在远景站附近（图4），1个洞体高度14.80m，位于新市站范围（图5）。 洞体高度小于1.5m的溶洞共38个，占总数的80.9%，说明本段大部分溶洞洞体高度较小。3.3填充物特征 47个溶洞中有30个中填充了流塑～软塑状粉质粘土，部分夹灰岩碎块。另有17个为空洞，除有1个空洞洞体高度达2.4m外，其余洞高均小于1.5m。空洞埋深主要为15.0～20.0m，少部分在25.0～28.0m，个别埋深在37.5m。洞体高度2.4m的空洞底板埋深为17.5m。综上所述，本段大部分溶洞有填充物，部分溶洞溶蚀形成空洞，空洞洞体小，埋深较浅。4土洞特征 当上覆有适宜被冲蚀的土体，下有排泄、储存冲蚀物的通道和空间，地表水向下渗透或地下水位在岩土交界附近作频繁升降运动，因水对土层的潜蚀作用，就形成土洞。初勘揭示了2个土洞（图5），分布在白云新城至新市区间和新市站后。 白云新城至新市区间土洞所在处为一风化深槽，主要由灰岩风化残积而成的可塑～硬塑状粉质粘土组成，残积层厚23.0m，槽底埋深为37.5m。土洞发育深度在30.5～37.5m，洞高7m，无填充物。 新市站后发育的土洞深度在21.0～26.0m，洞高5m，由流塑状粉质粘土填充。 从勘察揭示的情况来看，目前本段土洞发育的数量少，埋藏较深。但土洞洞体较高，为空洞或被易冲蚀的粉质粘土填充，由于地下水的潜蚀作用，土洞存在进一步发展的可能。 另从溶洞的分布特征来看，有18个溶洞的顶板距岩面1m以内，说明这18个溶洞与第四系土层之间只有不到1m厚的岩层，随着溶蚀程度的加深，这些几十厘米厚的灰岩或被溶蚀或塌落，随着溶蚀作用的持续进行，土层亦被溶蚀而成土洞。由此可见，三元里至新市段在较大的范围内存在土洞形成的条件和可能。 目前，三元里至新市段隧道及车站均为潜埋（图3、图4和图5），隧道结构底板埋深最深约17m，结合线路纵断面来看，所揭示到的2个土洞均距隧道底板超过10m。隧道结构底板之下10m范围内的发育溶洞有30个，其中，洞体高度小于1.5m的有26个，洞体高度在2～3m的有3个，有1个洞体高度6.5m。30个溶洞中有13个无填充物，且其中有12个洞高小于1.5m，1个洞高为2.4m。综上分析可以看出，在隧道底板之下10m范围内溶洞较发育，溶洞洞体高度较小。部分溶洞无填充物，但洞体高度也较小。5岩溶洞穴的影响5.1对线路的影响 二号线北延段位于灰岩分布的范围，岩溶土洞溶洞十分发育，从工程地质条件来看，本段线路采用地下线敷设方式的地质适应性较差，较宜于采用地面线或高架线。对于地下线而言，由于大部分范围发育的土层较厚，线路可选择浅埋，从土层中穿过，尽量避开岩溶洞穴或使得隧道结构底板与之保持一定的距离。5.2对施工的影响 三元里至远景区间，受地面条件的制约，线路需采用地下线。从三元里站后至广园西路北侧，线路右线（左线已施工完毕）从白垩系红层和土层中穿过。本段长约125m，可考虑暗挖法施工；自广园西路北侧至远景站，地面分布有民房、河涌，线路同时下穿机场路，隧道结构底板基本上在壶天群灰岩岩层、三元里断裂中穿过。既有施工经验证明，本段岩溶发育，地下水丰富，采用暗挖法施工存在一定的风险，可能造成地面沉陷、隧道突水等事故，而明挖法面临拆迁房屋、迁改河涌及疏解机场路交通等问题，协调量大，费用亦较高。本段需进行较详细的技术经济比较工作，合理选择较适宜的工法。 远景至新市段，线路位于旧白云机场范围，地面平坦开阔，隧道结构底板基本在土层穿过，局部（白云新城前后区间）穿过岩层，对于浅埋的隧道而言，本段较适宜采用明挖法。 无论是采用何种施工方法，对于岩溶发育的区段，在隧道结构底板之下一定深度（10m）、隧道两侧一定距离范围的岩溶洞穴需进行填充和加固，以确保施工和运营的安全。5.3对运营的影响 从岩溶洞穴的发育特征及其对线路、工法的影响来看，只要采用一定的技术手段和处理措施，在本段修建地下线是可行的。然而地铁的主体结构工程设计使用年限为100年，对岩溶洞穴的处理，不仅要保障施工的安全，更要保证长期运营的安全。 在施工过程中，隧道的挖掘、车站结构的修建可能造成水文地质条件变化。岩溶裂隙水赋存条件受岩溶发育程度、形态特征、规模大小以及裂隙充填情况等因素影响，富水性和渗透性及涌水量变化较大。地下水赋存及渗流条件的改变，可能会加速溶蚀，促使岩溶洞穴进一步发展。 另一方面，三元里至新市段部分岩溶距岩面较浅，加之风化深槽较发育，溶洞的发展易形成土洞，若土洞未进行处理，土洞的发展将给运营的安全带来重大影响。本段发育的土洞是运营安全的一大隐患。 总之，岩溶洞穴的发育对线路敷设方式形成制约，造成工程投资增大，增加施工难度和风险，并对运营形成隐患。6结语 ⑴地铁线路的选择应综合考虑客流、规划、城市周边环境和工程地质条件。二号线北延段三元里至新市段为石灰岩分布区，工程地质条件复杂，在本区段修建地下线路存在较大的工程风险，应精心设计，精心施工。 ⑵通过对岩溶洞穴的分析表明，采用潜埋线路、明挖工法等手段，可在一定程度上降低工程风险。但三元里至远景区间地面条件复杂，明挖法协调困难，暗挖法风险较大，本区间是二号线北延段施工的一个重点和难点地段。同时，北延段土洞发育且在较大的范围内存在土洞形成的条件和可能。隧道在土层通过，尽可能地避开了溶洞的影响，但土洞的发育将对运营的安全形成隐患。 ⑶在石灰岩地区需采用多种勘察方法，各种方法相互结合和验证。在下一阶段的工作中，应尽快采用物探的手段，进一步查明土洞、溶洞的分布范围、规模及连通性。 ⑷石灰岩分布范围地下水的作用至关重要，应加强对这一地区地下水分布规律、埋藏条件、赋存及渗流特征等的研究。【参考文献】⑴《广州市轨道交通二、八号线拆解工程总体设计》，广州市地下铁道设计研究院、铁道第四勘察设计院，（2005.4）⑵《广州市轨道交通二号线工程北延段初步勘察阶段比选方案岩土工程勘察报告》，广州地质勘察基础工程公司，2005.4⑶《广州市地下铁道二号线首期工程三元里至远景区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告》，广州市地下铁道设计研究院、广东省地质物探工程勘察院，2000.4⑷《广州市地下铁道二号线首期工程三元里折返线石灰岩分布段施工阶段工程物探勘察报告》，广州地质勘察基础工程公司、广东省地质科学研究所，2001.10⑸《广州地铁二号线首期工程三元里折返线石灰岩分布段物探工程勘察成果检验报告》，广州市地下铁道设计研究院、广东省重工建筑设计院，2001年12月
