巖溶區(qū)塌陷機(jī)理及地鐵車站巖溶處理技術(shù)研究

葉書浩

摘 要：巖溶區(qū)域?qū)Φ罔F車站明挖基坑、結(jié)構(gòu)施工以及建成后運(yùn)營維護(hù)都有較大影響，為此，文章對巖溶區(qū)塌陷機(jī)理進(jìn)行分析，研究提出提前對地鐵車站巖溶地段進(jìn)行處理，對溶洞、溶溝、溶槽填充，以及對溶洞間及溶洞與上層覆土間的水利聯(lián)系進(jìn)行阻斷等技術(shù)措施，避免巖溶塌陷事故發(fā)生，以期為同類工程設(shè)計及施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵車站;巖溶塌陷機(jī)理;巖溶處理技術(shù)

中圖分類號：U231.3

0 引言

巖溶區(qū)地鐵車站基坑開挖過程中極易遇到涌水、突泥、地面塌陷等無法預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害，給基坑施工、基坑周邊環(huán)境帶來巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。探究巖溶塌陷機(jī)理，有針對性地研究地鐵車站基坑巖溶處理技術(shù)，是地鐵建設(shè)的迫切需求。

長期以來，巖溶區(qū)地面塌陷已引起廣泛關(guān)注，國內(nèi)外許多學(xué)者對巖溶塌陷的分布規(guī)律、成因機(jī)制、觸發(fā)原因、勘測技術(shù)方法、防治原則、處理措施進(jìn)行研究?？祻┤蔥2]、胡亞波[3]、鄭小戰(zhàn)[4]等學(xué)者研究認(rèn)為巖溶地面塌陷現(xiàn)象是多機(jī)制疊加的結(jié)果;范士凱[5]結(jié)合武漢地區(qū)巖溶經(jīng)驗，研究了巖溶塌落機(jī)理、類型、分布規(guī)律和防治對策;廖景[6]以廣州5號線草暖公園至小北站盾構(gòu)隧道溶洞處理作為工程實例，對盾構(gòu)區(qū)間穿越巖溶區(qū)溶洞處理進(jìn)行了分析與研究;張琨等[7]以白沙洲大道改造項目為例，研究了砂卵石地層覆蓋巖溶情況下樁基穿越溶洞時預(yù)防漏漿、塌孔乃至地面塌陷的巖溶預(yù)注漿處理技術(shù)。本文從地鐵車站巖溶塌陷機(jī)理入手，研究地鐵車站巖溶地段處理，溶洞、溶溝、溶槽填充，溶洞間及溶洞與上層覆土間的水利聯(lián)系阻斷等處理技術(shù)。

1 工程概況

本次研究車站為地下二層雙島四線換乘車站，基坑長500.3m，標(biāo)準(zhǔn)段寬45.60m，深19.85～24.5m。場地揭露到的地層主要有，第四系人工填土層（Q4ml ），第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl ），第四系晚更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl ），殘積層（Qel ）;車站基底位于中粗砂、泥炭質(zhì)黏性土、粉質(zhì)黏土、中微風(fēng)化碎屑灰?guī)r（可溶巖）。場地區(qū)域水系發(fā)育，地表水主要為河流、水庫及少量溝渠水，地下水主要有2種類型，第一類是第四系松散巖類孔隙水，主要賦存于沖洪積砂層、圓礫土中，第二類是巖溶水，主要賦存于碎屑灰?guī)r發(fā)育的溶洞及溶蝕裂隙中，具承壓性。

根據(jù)詳勘及巖溶專項勘察結(jié)果，本站巖溶屬淺覆蓋型巖溶，地質(zhì)鉆孔洞隙率35.3%，線巖溶率1.37%～89.29%，物探揭示溶洞366個，其中最大洞跨21.4 m，最大洞高26.6 m。巖溶發(fā)育極不均勻，總體屬巖溶強(qiáng)發(fā)育，局部屬巖溶微發(fā)育。巖溶型式有溶洞、溶孔、溶蝕裂隙、溶溝溶槽，以溶洞為主。溶洞主要為無充填、部分充填，充填物多為填流～軟塑狀黏性土夾砂土和碎石，鉆具可自落?？辈煳唇沂居型炼窗l(fā)育，巖溶發(fā)育在平面上呈帶狀發(fā)育，發(fā)育極不均勻，巖溶垂直發(fā)育范圍較大，可溶巖內(nèi)均有發(fā)育且規(guī)律性不強(qiáng)。

2 巖溶區(qū)塌陷機(jī)理分析

范士凱、羅小杰[8]、康彥仁等研究總結(jié)了各種地質(zhì)條件下巖溶塌陷的類型，根據(jù)大量巖溶塌陷處理的實際資料，按照地貌單元、地層時代和地層組合3個要素總結(jié)、劃分了巖溶地面塌陷的宏觀分布規(guī)律，提出不同地質(zhì)條件下的巖溶地面塌陷具有不同的塌陷機(jī)理和相應(yīng)的塌陷類型。關(guān)于塌陷機(jī)理，范士凱提出了“潛蝕—土洞冒落”、“滲流破壞—流土—漏失”以及“真空吸蝕”等3種機(jī)理。實際情況是三者并存，在不同地質(zhì)情況下的塌陷符合不同的機(jī)理。

巖溶區(qū)塌陷影響因素有2類，一類是地質(zhì)條件（內(nèi)因），另一類是誘發(fā)條件（外因）?？扇軒r上方土體是經(jīng)過地質(zhì)歷史時期的沉積與固結(jié)作用形成的，經(jīng)歷了地質(zhì)歷史時期長期的地質(zhì)作用，巖溶通道大多被堵塞，巖溶作用與其上方覆蓋層已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。沒有外部因素的觸發(fā)，巖溶地面塌陷現(xiàn)象一般不會或很難發(fā)生，尤其是在時間極為短暫的工程壽命期內(nèi)（與地質(zhì)歷史相比）。因此，外部觸發(fā)是巖溶地面塌陷的重要因素。羅小杰[8]從覆蓋層塌陷土體破壞的受力角度將觸發(fā)因素分為改變地下水作用、外加荷載、溶洞頂板抗力降低。

地鐵施工活動誘發(fā)塌陷包括勘探鉆孔入巖、擾動疏通巖溶水、加速巖溶水滲流、破壞溶洞穩(wěn)定性引發(fā)塌陷等。基坑大量抽取地下水，使巖溶水急劇大幅度下降，溶洞填充物流失，溶洞頂板負(fù)荷增加，引發(fā)塌陷。大孔徑圍護(hù)成孔，疏通巖溶水通道，貫通串珠狀溶洞，加速巖溶水滲流，導(dǎo)致覆蓋土層流失引發(fā)塌陷。深樁基穿過砂土進(jìn)入下部溶洞，導(dǎo)致其上砂土層漏失引發(fā)地面塌陷。

地鐵運(yùn)營期列車振動造成透水性覆蓋層流失進(jìn)入溶洞中，溶洞頂板失穩(wěn)造成充填物冒頂或塌陷、片幫，基底沉降、底板下沉或脫空，造成結(jié)構(gòu)變形超限，威脅地鐵運(yùn)營安全。

3 巖溶處理原則和范圍

3.1 處理原則

（1）巖溶處理遵循以預(yù)防、預(yù)處理為主，先處理后施工的原則，根據(jù)巖溶對車站結(jié)構(gòu)的風(fēng)險評估結(jié)果，按不同工程類型因地制宜采取不同的預(yù)防性措施或治理措施。

（2）對明挖結(jié)構(gòu)應(yīng)從巖溶處理、基底處理、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、施工期基坑抗涌水突泥措施、抗浮措施、主體結(jié)構(gòu)及運(yùn)營期風(fēng)險防治方案等多方面協(xié)調(diào)統(tǒng)籌考慮，盡量把工程措施合并，采用簡單通用的工程措施。

（3）對工程影響范圍內(nèi)的非全填充溶（土）洞均應(yīng)處理，并根據(jù)溶洞規(guī)模、填充情況、溶洞與結(jié)構(gòu)位置關(guān)系確定處理方案;對于全填充溶（土）洞應(yīng)根據(jù)填充物性質(zhì)、地基承載力、周邊環(huán)境等情況確定是否處理及處理方案。

（4）當(dāng)基坑孔隙水與巖溶水連通時，基坑應(yīng)采用全封閉的止水帷幕（或圍護(hù)結(jié)構(gòu)），截斷巖溶水上游的補(bǔ)給和滲流通道，并采用明排+管井的降排水方案，實現(xiàn)按需降水;基坑巖溶水排放，應(yīng)防止其水位大幅度下降或急劇下降，在滿足溶洞水抗突涌穩(wěn)定性的前提下，盡量將水位控制在溶洞頂以上，避免因巖溶水的抽排導(dǎo)致周邊地面塌陷或沉降。

3.2 處理范圍

研究表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)底以下5 m內(nèi)存在溶洞時，施工過程中的擾動可能導(dǎo)致塌陷、涌水等問題，工程風(fēng)險大。GB 50007-2018《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：①對于完整、較完整的堅硬巖、較硬巖地基，當(dāng)洞體較小，基礎(chǔ)尺寸大于洞的平面尺寸，并有足夠的支承長度，頂板巖石厚度大于或等于洞的跨度時（即厚跨比≥1.0），可不考慮巖溶對地基穩(wěn)定性的影響;②跨越巖溶洞隙的梁式結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定巖石上的支承長度應(yīng)大于梁高1.5倍。故本車站應(yīng)結(jié)合溶洞的發(fā)育形態(tài)規(guī)模、穩(wěn)定巖面頂板的高度、溶洞厚跨比等確定巖溶處理范圍。車站巖溶處理范圍見圖1。

3.2.1 車站基坑巖溶處理范圍

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前，其兩側(cè)3 m 范圍及圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度范圍的溶（土）洞均需進(jìn)行處理。

（2）當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不嵌巖時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)底以下5 m范圍內(nèi)的溶（土）洞需進(jìn)行處理。

（3）當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌巖時，明挖法圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部以下穩(wěn)定完整溶洞頂板厚度不應(yīng)小于3 m，蓋挖法圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部以下穩(wěn)定完整溶洞頂板不應(yīng)小于5 m。

（4）基坑開挖范圍內(nèi)的土洞應(yīng)進(jìn)行處理;基坑開挖范圍內(nèi)的溶洞，頂板較完整且充填情況較好，經(jīng)分析無塌陷可能且判定施工過程中不會誘發(fā)開挖面塌陷的，可不處理。

3.2.2 車站主體結(jié)構(gòu)巖溶處理范圍

（1）底板以下5 m范圍內(nèi)的溶洞，均需進(jìn)行處理。

（2）底板以下5～10 m范圍內(nèi)的溶洞，溶洞穩(wěn)定巖面頂板高度小于3 m或厚跨比小于1的溶洞，需進(jìn)行處理。

（3）對于“串珠狀”溶洞，當(dāng)需處理的溶洞與其下伏溶洞之間完整基巖層厚度小于0.5 m時，需進(jìn)行處理。

（4）巖溶地區(qū)樁端下溶洞頂板厚應(yīng)滿足以下要求：①端承樁樁端下的頂板厚度宜大于3d（d為樁徑）且不小于5 m;當(dāng)樁端下持力層巖性較差、巖體較破碎、巖溶裂隙發(fā)育強(qiáng)烈、裂隙水豐富時，頂板厚度不宜小于5d且不小于5 m;②摩擦端承樁樁端下的頂板厚度宜大于2.5d且不小于5m。

（5）鑒于溶（土）洞發(fā)育的不確定性，基底以下存在上述處理范圍之外的土洞或特大型溶洞（≥5 m）時，需召開專題會議會同各方研究確定是否處理及相應(yīng)處理方案，以保證施工及后期運(yùn)營安全。

4 巖溶處理方案

4.1 處理方式選擇溶（土）洞預(yù)處理措施應(yīng)根據(jù)溶洞規(guī)模、填充物性質(zhì)等因素確定，選擇合理方式進(jìn)行處理。

（1）對全填充溶洞采用注水泥漿處理，對于溶洞填充物為流塑狀粉質(zhì)黏土或淤泥的溶洞，也可采用旋噴加固。

（2）對規(guī)模小于2 m的半填充或無填充溶洞，采用注水泥漿處理;對規(guī)模較大的半填充、無填充溶（土）洞，可采用壓注砂漿、填充低標(biāo)號混凝土、吹砂+注水泥漿或填充碎石+注水泥漿等方法進(jìn)行處理。

（3）對規(guī)模較大溶洞應(yīng)加密鉆探，進(jìn)一步探明巖溶處理范圍邊界和填充情況，然后進(jìn)行處理。巖溶探邊及注漿孔平面示意圖見圖2。①探邊以鉆探揭露溶洞為中心，圍繞勘探孔呈梅花形布置鉆孔，鉆孔間距宜為2m×2 m;②探邊孔由中心依次向外圍鉆探，當(dāng)探邊孔超過圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)3 m外時，終止探邊。探邊孔兼做注漿孔，若洞體在處理范圍內(nèi)為有限邊界，最外排孔未見洞，則該孔不需注漿，應(yīng)向內(nèi)收縮1孔為邊界孔注漿;③若巖溶腔體較大，最外圈注漿孔注水泥水玻璃雙液漿形成止?jié){帷幕，其余內(nèi)圈孔注水泥漿單液漿。若處理范圍內(nèi)未找到洞體邊界，在距圍護(hù)結(jié)構(gòu)外3 m處施工1排注漿孔，對空洞和規(guī)模較大半填充溶洞先注水泥砂漿，再復(fù)注水泥水玻璃雙液漿形成止?jié){帷幕;④對規(guī)模較大全填充溶洞處理范圍邊界孔注水泥水玻璃雙液漿形成止?jié){帷幕，控制注漿邊界、減少注漿的范圍及注漿量。

（4）在物探異常區(qū)，應(yīng)評估施工風(fēng)險，結(jié)合巖溶專項勘察鉆孔布置及CT掃描，并考慮周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線等現(xiàn)場場地條件，進(jìn)行鉆孔驗證，如果發(fā)現(xiàn)溶洞，則依據(jù)溶洞的大小、填充情況及溶洞與結(jié)構(gòu)位置關(guān)系采取有效的處理加固措施。

4.2 智能注漿

智能注漿采用注漿自動記錄儀自動、準(zhǔn)確地測記注漿量、注漿壓力、注入率、漿液水灰比等注漿參數(shù)，通過注漿智能監(jiān)控，監(jiān)控施工過程中的進(jìn)漿、返漿、壓力等一系列施工參數(shù)、指標(biāo)，以判定是否達(dá)到終漿標(biāo)準(zhǔn)。智能注漿監(jiān)控能很好地解決注漿量的不足（填充溶洞不達(dá)標(biāo)）、過量（漿液進(jìn)入周邊河道、地下管道（槽）內(nèi)）、無法持壓（溶洞內(nèi)無法填滿、溶洞間通道竄漿）等問題。智能注漿系統(tǒng)原理見圖3。

終漿標(biāo)準(zhǔn)：①邊界孔注漿孔口壓力達(dá)到0.6 MPa，中央孔注漿孔口壓力達(dá)到0.8 MPa，可結(jié)束注漿作業(yè);②注漿孔吸漿量不大于40 L/min，且維持30 min，可結(jié)束注漿作業(yè);③鄰孔有濃漿液返出，可結(jié)束注漿作業(yè);④單孔注漿量達(dá)到平均注漿量的1.5～2.0倍，且進(jìn)漿量明顯減少時，可結(jié)束注漿作業(yè)。若注漿孔口壓力達(dá)不到設(shè)計注漿壓力最大值，現(xiàn)場溶洞注漿量達(dá)到設(shè)計注漿量的110%，應(yīng)召集各方現(xiàn)場共同協(xié)商處理。

4.3 注漿質(zhì)量檢測方法及標(biāo)準(zhǔn)

為保證巖溶預(yù)處理效果，保證車站結(jié)構(gòu)安全，需對巖溶處理質(zhì)量進(jìn)行檢測。為防止圍護(hù)樁及樁基施工期間地面塌陷，圍護(hù)樁周3 m范圍內(nèi)溶洞處理應(yīng)保證充填效果，要求填充率應(yīng)大于80%，同時要求隨機(jī)原位標(biāo)貫擊數(shù)N≥10。對于基坑底以下5 m，圍護(hù)樁、摩擦端承樁、摩擦樁樁端大于3d且不小于5 m溶洞處理應(yīng)滿足相應(yīng)地基承載力要求;為降低基坑突水、涌泥、涌砂風(fēng)險，保證基坑施工安全，基坑底以下5 m以及圍護(hù)樁底3 m溶洞處理應(yīng)滿足止水要求，滲透系數(shù)宜小于5×10-5cm/s。

有地基承載力及止水要求的巖溶處理效果檢查方法與標(biāo)準(zhǔn)見表1。表1中，3種評定方法相輔相成，缺一不可，相互驗證;基底5 m范圍內(nèi)溶洞注漿處理后要求地基承載力不小于180 kPa;檢查孔施作結(jié)束后應(yīng)對其進(jìn)行注漿封堵。

5 結(jié)束語

考慮到巖溶區(qū)塌陷理論研究還不夠完善，巖溶區(qū)地鐵建設(shè)經(jīng)驗有限，設(shè)計中應(yīng)首先考慮結(jié)合地質(zhì)條件通過選線調(diào)整路由及埋深，車站應(yīng)盡量減小基坑深度，規(guī)避或降低巖溶區(qū)地鐵建設(shè)及運(yùn)營風(fēng)險。對于線路無法規(guī)避的巖溶區(qū)應(yīng)采取合理的施工方法及處理措施進(jìn)行巖溶處理。本文依據(jù)地鐵車站工程項目實例，結(jié)合車站復(fù)雜地質(zhì)情況和具體施工工況分析了巖溶塌陷機(jī)理及其誘因，提出了具有針對性的處理方案，期望本文對類似工程有借鑒作用。

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收稿日期 2019-09-17

責(zé)任編輯 朱開明