南寧地鐵2號線巖溶風險分析和處理原則

何高峰，羅先啟，范訓益，張 勇，張 輝

(1.上海交通大學，上海 200240；2.中建股份南寧軌道交通2號線項目經(jīng)理部，南寧 530028；3.中國市政工程西北設(shè)計院有限公司，蘭州 730000)

我國已經(jīng)規(guī)劃發(fā)展軌道交通的城市總數(shù)已經(jīng)超過54個，全部規(guī)劃線路超過400條，總里程超過15 000 km[1]。其中截至2016年底，我國內(nèi)地共有29座城市擁有城市軌道交通運營線路，總長3 832 km，運營線路129條[2]。預計“十三五”期間我國城市軌道交通仍將持續(xù)良好發(fā)展勢頭，將有50個城市建有地鐵，建成投運線路將超過3 000 km，至“十三五”期末全國運營線路長度將達到6 000 km以上，城市軌道交通在城市發(fā)展和城市交通中的作用將進一步顯現(xiàn)[3，4]。我國碳酸鹽巖地區(qū)占國土面積的1/3以上，城市地鐵建設(shè)所面臨的巖溶問題不容小覷。武漢、南京、長沙、廣州、深圳、南寧、貴陽等城市在地鐵修建過程中普遍遭遇了較為嚴重的巖溶地質(zhì)災害問題[5-11]。分析與研究巖溶地區(qū)已建地鐵巖溶地質(zhì)災害處理措施，可以作為今后類似巖溶地區(qū)地鐵項目施工及環(huán)境安全的經(jīng)驗借鑒。

在城市地鐵巖溶地質(zhì)災害防治措施方面，黃焰等[12](2005)分析了廣州地鐵2號線三元里折返線豎井工程的涌水問題。對溶洞采用水泥砂漿或水泥漿填充，對溶溝、溶斗進行高壓劈裂注漿填充，切斷水的滲流路徑，然后在基底下及基坑兩側(cè)做高壓旋噴樁形成止水帷幕。楊育僧等[13](2007)對廣州軌道交通3號線工程中巖溶問題的防治措施進行了研究，對于2 m以上的無填充溶洞和半填充溶洞，首先采用填砂處理，然后進行注漿加固；小于2 m的溶洞進行直接注漿處理。徐正宣[14](2008)指出深圳地鐵3號線工程巖溶病害問題防治原則為：對范圍較大、發(fā)育較淺的少數(shù)無充填溶洞，首先揭蓋回填碎石處理，再利用C15混凝土進行表層封閉處理；巖溶形態(tài)密集地段，采用注漿整治。龍艷魁[15](2012)建議對長沙地鐵2號線工程中埋深較淺且洞室空間較大的無充填或半充填洞體進行開挖回填；對于難度大、成本高的巖溶洞穴和溶溝裂隙應釆用壓力注漿辦法進行處理；位于地鐵車站基坑內(nèi)發(fā)育的小型巖溶洞穴可以根據(jù)車站結(jié)構(gòu)物特點進行相應的結(jié)構(gòu)物跨越處理。徐恒國[16](2012)研究了長沙地鐵3號線過湘江隧道穿越巖溶發(fā)育區(qū)的施工工法、隧道埋深及縱斷面設(shè)置、溶洞處理方案。李慎奎、陶嵐[17](2015)結(jié)合武漢歷史上發(fā)生的巖溶塌陷案例，將發(fā)生巖溶塌陷的可能性及危害嚴重程度等分級為高風險Ⅰ區(qū)、中等風險Ⅱ區(qū)和低風險Ⅲ區(qū)，并采取不同的防治措施。以上研究主要是在地質(zhì)分析基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆探和物探資料查明巖溶洞穴高度、充填類型以及溶洞與隧道輪廓線位置關(guān)系，然后進行規(guī)律分析和總結(jié)，進而提出處理措施。而針對不同巖溶場地復雜性、巖溶塌陷風險等級的處理措施研究較少。本文依托南寧地鐵2號線工程，以石子塘車站和石子塘站—大沙田站區(qū)間為例，在分析巖溶洞穴幾何特征以及空間分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖溶塌陷風險分級，研究不同巖溶發(fā)育區(qū)域的處理措施，對今后巖溶地區(qū)城市隧道的施工有一定的參考價值和借鑒意義。

1 工程概況

南寧市地鐵2號線工程呈南北向展布，線路全長20.8 km，全線采用地下敷設(shè)，車站總長209.8 m，標準段寬度19.7 m。其中石子塘站主體和附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖法施工，石子塘站—大沙田站區(qū)間采用盾構(gòu)法及暗挖法施工。石子塘站以及石子塘站—大沙田站區(qū)間沿銀海大道布設(shè)，為2條單洞單線圓形盾構(gòu)隧道，巖溶發(fā)育情況如圖1、圖2所示。

圖1 石子塘車站巖溶發(fā)育情況

圖2 石大區(qū)間巖溶發(fā)育情況

場地地形地貌屬于殘丘洼地亞區(qū)，處在丘陵邊緣及低洼沖溝底部，巖體裂隙較發(fā)育。地下水較豐富，埋深較淺，為2～5 m。第四系覆蓋層多為填土層、黏性土層、碎石土，厚度小于17 m，為微透水～弱透水性，極弱富水，為潛水或上層滯水，屬于覆蓋型巖溶;下伏基巖為泥盆系泥巖、泥灰?guī)r及灰?guī)r，巖溶水量大，中等富水，且屬于承壓性質(zhì)。斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖溶場地平面上呈帶狀發(fā)育，空間分布極不均勻，巖溶發(fā)育程度介于中～強之間，垂直發(fā)育范圍較大。

2 基于巖溶塌陷風險的巖溶處理措施

巖溶塌陷往往是諸多因素共同作用的結(jié)果，如自然條件下溶洞(土洞)上覆土層在受到一定的潛蝕作用及自重作用產(chǎn)生塌陷，城市地鐵修建過程中抽取地下水造成的巖溶塌陷，盾構(gòu)施工過程中誘發(fā)的地層失穩(wěn)塌陷。因此，需根據(jù)本區(qū)間隧道周邊地形、地表建筑、隧道埋深以及場地巖溶發(fā)育特征和施工情況，在巖溶塌陷風險分級基礎(chǔ)上，針對不同巖溶塌陷風險等級和影響范圍采取對應的巖溶處理措施。

2.1 巖溶塌陷風險等級

根據(jù)南寧地鐵2號線工程巖溶發(fā)育區(qū)段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，石子塘站以及石子塘站—大沙田站區(qū)間巖溶塌陷風險分級主要考慮以下影響因素。

(1)巖溶發(fā)育情況。根據(jù)鉆孔和物探資料，研究區(qū)域巖溶主要發(fā)育在泥灰?guī)r和灰?guī)r地層中，發(fā)育情況為中等發(fā)育～強烈發(fā)育。

(2)水文地質(zhì)條件。地下水為上覆土層松散介質(zhì)中孔隙水、灰?guī)r裂隙水，補給主要來自巖石出露區(qū)大氣降水及鄰近含水層補給，排泄方式主要以地下徑流的方式向邕江及其支流排泄。

(3)人類工程活動。如隧道或基坑開挖過程中抽取地下水造成的巖溶塌陷，以及松散碎石區(qū)域盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層塌陷。

(4)構(gòu)造條件。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，西側(cè)有一條玉洞平移斷層，走向北西，長度約5 km，推測傾角較陡，推測斷層離車站僅300～400 m。

(5)覆蓋層條件。根據(jù)石子塘站及石子塘站—大沙田站區(qū)間特征，可以分為土層厚度、土層巖性、土層結(jié)構(gòu)(含礫粉質(zhì)黏土與殘坡積碎石二元結(jié)構(gòu))等3個細層。

綜合考慮上述5個指標，利用層次分析法和模糊綜合評判方法[18]得出石子塘車站及石子塘站—大沙田站區(qū)間巖溶塌陷危險性分區(qū)評價結(jié)果，如表1所示。

表1 石子塘車站及石-大區(qū)間巖溶塌陷危險性分區(qū)

2.2 不同塌陷風險等級巖溶處理措施

南寧地區(qū)巖溶發(fā)育主要受構(gòu)造和巖性差異的控制，具有平面上的不均勻性和垂直分帶性的特點。根據(jù)既有資料分析可知， 工程區(qū)域內(nèi)巖溶的發(fā)育深度受邕江河床面控制。鉆孔資料揭示南寧地鐵2號線石子塘車站及石子塘站—大沙田站區(qū)間為淺層覆蓋性巖溶區(qū)域，覆蓋層平均厚度13.2 m，巖溶主要在泥盆系上統(tǒng)五指山組泥灰?guī)r中發(fā)育，發(fā)育范圍為基巖界面以下0～15 m。根據(jù)不同區(qū)域巖溶塌陷風險等級[12]進行巖溶處理時，還需要在了解溶洞大小和充填性質(zhì)的基礎(chǔ)上，考慮不同巖溶塌陷風險等級的影響范圍。以直徑為4 m的全充填型溶洞為例，當其埋深位于巖溶塌陷高風險等級影響范圍內(nèi)時，需要根據(jù)具體大小、充填性質(zhì)以及和隧道輪廓線位置關(guān)系，采取相應處理措施。

分析巖溶處理措施與巖溶洞穴直徑和充填類型之間的關(guān)系時，可以根據(jù)不同巖溶洞穴直徑d和充填類型，將溶洞分為一般溶洞、大型溶洞、特大型溶洞。0

表2 不同巖溶洞穴高度和充填類型的巖溶處理方法

巖溶處理的范圍體現(xiàn)在溶洞與隧道輪廓線位置關(guān)系上。相同大小、填充性質(zhì)的溶洞，在不同空間位置處，巖溶處理措施也不一樣。首先需要考慮的是水文地質(zhì)條件，在排除其突水突泥情況后，再根據(jù)溶洞與隧道輪廓線空間位置關(guān)系(不同方位和距離)分別進行處理：

(1)對隧道過水溶洞區(qū)段應加強支護，為避免堵塞，可在巖溶分布范圍設(shè)置大管棚和小導管，盡量采取引排措施，并維持現(xiàn)有的實際過水通道；

(2)當溶洞賦存于破碎圍巖時，直接開挖容易引發(fā)隧道頂板冒落、掌子面塌陷等事故，應提前采取注漿加固處理；

(3)當溶洞位于較完整、穩(wěn)定性較好的灰?guī)r中時，則需要考慮洞徑大小及溶洞和隧道開挖外輪廓線的空間位置關(guān)系，確定處理措施。不同位置、不同大小的溶洞對應的處理措施如表3所示。

表3 溶洞處理與隧道輪廓線位置關(guān)系

依據(jù)南寧地鐵2號線工程巖溶發(fā)育區(qū)段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，同時參考既有地鐵線路以及其他巖溶地區(qū)地鐵修建過程中的工程巖溶處理經(jīng)驗，處理原則為：安全第一，先預報、再驗證處理、后施工；處理范圍為：不同塌陷風險等級的巖溶所對應的處理范圍；處理措施影響因素為：不同巖溶塌陷風險等級對應的危險程度、巖溶洞穴直徑和充填類型、溶洞與隧道輪廓線位置關(guān)系；處理方式根據(jù)地鐵構(gòu)造物的不同分為地鐵車站和地鐵區(qū)間兩種?？紤]以上巖溶處理原則時，不同巖溶塌陷風險等級巖溶處理措施如表4所示。

表4 不同巖溶塌陷風險等級巖溶處理[17]

3 結(jié)論及建議

巖溶地區(qū)地鐵修建過程中，巖溶處理措施和場地實際巖溶發(fā)育情況息息相關(guān)，首先需要考慮自然條件下溶洞大小和性質(zhì)，即巖溶洞穴直徑和充填類型，以及溶洞與地鐵隧道輪廓線位置關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)巖溶條件、水文地質(zhì)條件、人類工程活動、構(gòu)造條件、覆蓋層條件等進行巖溶塌陷風險等級劃分，針對不同巖溶塌陷影響范圍和危險程度，采取相應巖溶處理措施。根據(jù)對南寧地鐵2號線石子塘車站及石子塘站—大沙田站區(qū)間的巖溶處理措施分析，得出以下結(jié)論。

(1)南寧地鐵2號線石子塘車站及石子塘站—大沙田站區(qū)間大部分處于巖溶塌陷中～高風險區(qū)域。高風險區(qū)域的巖溶承壓水問題也需要更多關(guān)注。特別是地鐵車站范圍內(nèi)進行基坑開挖時，需要更多考慮巖溶承壓水的問題，采用止水帷幕、鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐體系的圍護結(jié)構(gòu)進行支護。

(2)南寧地鐵2號線石子塘車站高風險區(qū)域影響范圍為隧道輪廓線兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)處基巖界面以下15 m，處理措施為采用注漿帷幕以及鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐體系的圍護結(jié)構(gòu)；中等風險區(qū)域影響范圍為隧道輪廓線兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)處基巖界面以下10 m，處理措施為進行注漿帷幕以及圍護孔和中立柱樁加固；低風險區(qū)域為車站底板以下6 m，處理措施為注漿以及圍護孔和臨時立柱樁。

(3)巖溶發(fā)育多具有空間復雜性，單一溶洞的處理措施無法滿足整個場地區(qū)域不同溶洞的實際需求，特別是巖溶塌陷高風險區(qū)域，需要更多了解場地巖溶管道及連通情況，采用超前地質(zhì)鉆孔和物探、提前注漿等處理措施。

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