昆明地鐵區間施工中的溶洞處理研究

摘要：城市地鐵建設施工中經常面對各類地質條件，在很多地區，溶洞處理往往成為難題。以昆明地鐵施工為背景，該地區巖溶極其發育。通過前期勘察，分析巖溶形態及分布規律，再對其力學指標進行統計，結合周邊施工環境進行處理方案的比選，最終選擇適宜的處理方法和施工工法，并在施工實踐后對處理措施進行總結，是溶洞處理研究中的一系列手段。

關鍵詞：地鐵；施工；溶洞；處理

1 引言

巖溶（或稱喀斯特）指可溶性巖石經水的長期作用所形成的各種奇特地質形態。如石灰巖、泥灰巖、大理巖、石膏、鹽巖受水作用可形成溶洞、溶溝、暗河、落水洞等一系列形態（圖1）。

1-石芽、石林；2-漏斗；3-落水洞；4-溶蝕裂隙；

5-塌陷洼地；6-溶溝、溶槽；7-暗河；8-溶洞；9-鐘乳石

圖1 巖溶巖層剖面圖

根據填充情況，溶洞可分為：

（1）全空溶洞：溶洞內無任何填充物或者絕大部分空間被地下水充填。

（2）部分填充溶洞：溶洞內部分被淤泥或其他力學性質較差巖土填充。

（3）完全填充溶洞：溶洞被粉土、粘土或其他力學性質較好的巖土填充。

2 工程背景

昆明軌道交通北京路圓通街巖溶發育地段為圓通街站及圓通街站相臨兩半個盾構區間。

昆明北站～圓通街站、圓通街站～人民路站兩個區間存在溶洞，以充填、半充填溶洞為主，充填物質主要為軟塑狀粘土、粉質粘土，局部夾碎石，詳見表1。昆明北站站～圓通街站區間線路沿北京路（寬60m）走向，線間距14.0m，環城北路以北部分線路位于北京路東側，環城北路以南部分線路位于北京路路中。區間線路兩側主要為居民住宅小區、商用樓，建筑層數2～12層不等，以10層以下居多，局部建有20層以上建筑。線路軌面埋深13.9～17.9m，結構主要穿越圓礫土層、（破碎）中風化灰巖層、全風化構造角礫巖層，區間右線全長630m，穿越的灰巖段長度約為265m，占區間總長的40%。圓通街站～人民路站區間線路沿北京路（寬60m）走向，線路位于北京路路中，線間距14.0m。區間線路兩側主要為居民住宅小區、商用樓，建筑層數2～12層不等，以10層以下居多，局部建有20層以上建筑。線路軌面埋深13.4～14.7m，結構主要穿越黏土層、（破碎）中風化灰巖層、全風化泥巖層、圓礫土層、粉土層，區間右線全長為583m，穿越的灰巖段長度約為102m，占區間總長的17%。

圖2 擬建地鐵地理位置圖

3 勘察方法及工作量布置

按照《鐵路工程勘察規范》（TB10012-2007），對車站、隧道巖溶發育地段應采用綜合物探手段確定物性異常范圍，并采用鉆探手段加以驗證。

按照《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范》（GB50307-1999），復雜場地車站機動鉆孔間距<25m，中等復雜場地區間30～50m。

為提高地質資料的準確性，針對巖溶發育地段采用地質雷達法結合機動鉆孔的綜合勘探方法，并加大勘探密度，判定場區巖溶發育程度及形態特點。

布孔原則：車站勘探孔主要按建筑物輪廓線及圍護結構內外側2～3m位置布設，勘探孔間距距離一般約為10m，勘探深度約為車站底板以下完整基巖10m。

區間勘探孔沿軌道兩側邊線對稱布置，勘探點平均距約20m，控制性鉆孔深度至隧道底板以下2.5倍隧道洞徑，洞底以下10m完整基巖。

勘察結果表明，本區屬隱伏巖溶區，可溶巖基本被覆蓋，鉆孔見洞率約為82%。溶洞垂直方向主要分布在：標高1868.70～1886.99m，埋深：5.20～24.00 m，洞高：0.90～21.60m，高度小于2.00m 約為40%，2.0～5.0m約30%個，大于5.00m約為30%，最大溶洞21.60m。溶洞多數被充填，充填物為軟塑狀～可塑狀粉質粘土，部分為圓礫土夾砂充填，局部夾碎石，部分溶洞呈半邊狀、串珠狀分布，鉆探過程中揭露有3個空溶洞。鉆進過程中均漏水，不返水。

4 物理力學指標統計

該地段巖石物理力學指標詳見表2。

5 區間溶洞處理措施

5.1 區間常用工法介紹

目前，國內外城市地鐵區間施工較為成熟的方法有盾構法、明挖法、礦山法。

（1）盾構法

盾構法在國內地鐵中得到了較為成功的應用，該法施工對周圍建筑及地面變形控制較好、施工速度快，施工環境好，且隨著盾構機制造技術的成熟，盾構隧道的造價已接近甚至低于礦山法隧道或明挖法隧道。

盾構機設備復雜、價格昂貴，在不利的地層條件下，對其選型須慎重。另外盾構法不適用于結構尺寸復雜多變地段的隧道施工，如渡線段、存車線地段等。

（2）明挖法

明挖法是一種便捷的施工方法，它適用各種不同的地質條件，施工工藝簡單，技術成熟，施工安全，質量可靠。其缺點是施工時對周圍環境和交通影響較大，且在隧道較深的情況下施工風險較大，工程造價較高。

一般而言，明挖法主要用于當隧道埋深較淺，且地面有足夠的施工場地的地段，在基坑開挖范圍內無重要的市政管線或市政管線可以臨時改移，城市道路交通流量不大或當需要封閉道路交通時有臨時改道條件，特別是盾構工作井、隧道洞口地段覆土較淺處等地段，均適宜采用明挖法施工。

（3）礦山法

礦山法適用于隧道埋深較深，地質情況較好，地下水含量小或地下水位較低的情況。礦山法施工對地層變化的適應性強，技術成熟，工法簡單，施工對周邊環境、地下管線和交通的影響較小。當隧道圍巖松散、地下水含量大或地下水位較高時，須采取降水、注漿加固等輔助施工措施。施工所產生的地表沉降量也較大，工期較長，施工的安全性較差，投資的可控性差。

5.2 施工工法比選

對非隱伏巖溶區而言，上述三種工法各有優缺點，各工法的優缺點詳表5。

對隱伏巖溶區地鐵隧道施工而言，施工工法的選擇要著重考慮巖溶對隧道的影響，一般遵循能避讓就盡量避讓，不能避讓就進行治理的原則，現就相關工法在地鐵隧道施工的適宜性及產生的工程問題做簡單敘述。

（1）盾構法的適宜性

在隱伏巖溶區，采用盾構法施工，盾構隧道的工程問題主要有如下幾個方面：

①盾構隧道在基巖中通過，其工程問題是巖溶洞穴的涌水、涌泥及盾構機姿態失控或陷落；

②盾構隧道在復合地層中通過，即上部為土層，下部為基巖，其工程問題是盾構機姿態的控制，下部巖溶突水、突泥問題，地面沉降問題；

③盾構隧道在隱伏巖溶區上覆地層中通過，其工程問題較少，但仍需防止巖溶承壓水對盾構施工的影響。

如盾構隧道需要在巖溶區通過，并穿過巖溶洞穴，需事先探明穿越地層的溶洞分布及發育情況，采取注漿充填巖溶洞穴，在隧道通過地段，由外至里、由疏至密進行充填。

（2）礦山法的適宜性

在隱伏巖溶區，礦山法開挖隧道的工程問題較多，主要有突水、突泥、地面塌陷等，隧道在上覆土層中通過則要驗算隧道底板土層厚度是否能夠抵御巖溶承壓水的水頭，同時，亦要考慮第四系砂層地下水對隧道施工的影響。隧道在巖溶區基巖中通過時，仍需采取注漿充填巖溶洞穴。防止隧道開挖時產生的突水、突泥、巖溶地面塌陷事故。而且對巖溶洞穴的充填處理難度高，處理費用大，處理效果不理想。

（3）明挖法的適宜性

在隱伏巖溶區采用明挖法施工時，在明挖開挖區域范圍內的溶洞，可以通過基坑開挖予以揭示，但是開挖區以外的地層同樣需要首先探明溶洞的發育及分布情況，對于昆明軌道交通首期工程相關隱伏巖溶區的區間隧道而言，依據目前的鉆探資料，多數溶洞存在于隧道底板以下，仍待探明。

當第四系土層較厚時，采用明挖法施工可以避免暗挖法所遇到的工程問題。但明挖法在第四系土層厚度較薄地段，基坑底板可能容易產生突水現象。同時，在第四系砂層厚度大、下水豐富的地段，則要求做好止水降水工作，要求基坑圍護結構不但要滿足自身穩定性，還要有可靠的止水、防水措施，確保基坑圍護結構能起到擋土止水作用。

綜上分析可得無論采取上述何種工法施工，巖溶區都存在事先探明溶洞分布及發育情況，探明后采取相關處理措施等工程問題。對于昆明北站～圓通街站～人民路站區間而言，兩側建筑物密集，埋深較大，就周邊環境和埋深情況而言不適宜采用明挖法施工。如采用礦山法施工，除了上述分析的相關問題外，圓礫層段需采取大量輔助施工措施，施工的安全性較差，亦不推薦。采用盾構法施工風險小，施工速度快，推薦采用盾構法施工。

對巖溶區采用盾構法施工，還會遇到灰巖強度的問題，對于昆明軌道交通首期工程隱伏巖溶區而言，依據目前鉆孔揭示，灰巖的最大飽和抗壓強度為118MPa左右，該巖石強度在復合式盾構機的處理范圍內。

5.3 溶洞理論分析

溶洞的存在對結構安全是否存在影響是確定其是否需要處理的前提，目前，對于城市地鐵地下區間而言，溶洞的存在對區間安全性的影響沒有相關的規范規定的定量或定性判據。在路基工程的相關設計中，有關于洞區路基設計的相關規定，包括如何判定溶洞對路基結構的影響，以及如何處理有對結構有影響的溶洞均有部分條文予以說明。對于路基工程而言，判定溶土洞對結構安全性影響的主要控制條件有兩個方面，一是底板安全厚度，二是溶洞離路基的安全距離。

5.3.1 頂板安全厚度

頂板安全厚度是溶洞穩定性評價中的重要控制因素，評價溶洞穩定性必須掌握和分析以下條件：

（1）洞穴條件：包括洞穴的位置、形態、大小、頂板厚度、洞頂形態、跨度、圍巖巖性、巖體強度、巖層產狀、節理裂隙狀況、頂板巖體的巖溶發育狀況等等。

（2）相關條件：荷載狀況（受荷時間、荷載性質及大小），巖石含水量及溫度變化影響、水動力條件及其搬運作用等。

溶洞穩定性評價是一個復雜而且比較困難的問題。目前工程實踐中只能把以上因素加以概化，提出一些近似的辦法加以處理。以下幾點可供參考：

（1）近似結構分析法

①荷載傳遞線交匯法

參照梁的設計，假定荷載擴散角為30°～35°向下傳遞，此傳遞線交于頂板與洞壁的交點以外時，即認為洞壁直接支承頂板上的外荷與自重，頂板是安全的。

②雙向板分析法

完整的水平頂板，可以近似地作為四周嵌制的矩形板驗算其穩定性。

③臨界厚跨比法

影響溶洞頂板穩定性的四個主要因素為頂板的完整度、洞頂形態（成拱狀況）、頂板厚度和建筑物跨過長度。以未成拱的水平頂板受力最不利，見圖8。

圖8 厚跨比概念圖

當溶洞頂板都屬完整時，則可取水平頂板的厚度H與跨長L之比為最小者，作為評價完整頂板安全厚度的臨界值，大于此值的頂板為安全。國內不同研究資料對安全厚跨比提出了不同的經驗值，為0.20～0.87。

（2）相關理論分析

對于區間隧道結構而言，以下我們從隧道力學的角度出發，分析溶洞距離區間隧道底部的安全距離。對于處于圖9所示的原巖應力狀態的邊界條件下，毛洞形成后，圍巖的應力開始重分布，其應力狀態見圖10。

圖9 毛洞應力邊界條件

圓形洞室的開挖對相關應力的影響情況，根據隧道力學的相關原理，依據G.Kirsch公式，對軸對稱條件下的地下洞室而言，其應力狀態可通過圖11予以表示。

圖10 軸對稱條件下毛洞時的圍巖應力狀態

由圖10分析可得，隨著 的增加，即離隧道洞室周邊愈遠，洞室周邊圍巖的應力都很接近原巖應力狀態，當 大于5時，相差都在5%以內（為4%）。

（3）本工程取值

在區間隧道開挖前，地層中存在的溶洞在自然條件下是穩定的，隧道開挖后，受隧道周邊地層應力重分布的影響，溶洞的應力狀態也相應的發生了改變，可能會導致溶洞的失穩，甚至塌陷，直至周圍地層建立新的穩定平衡。

由上一節的分析可知，對于存在毛洞的地層而言，當 大于5時，洞室周邊的應力與原巖應力狀態相差都在5%以內。而區間隧道結構為存在支護的洞室結構，對于存在支護的洞室而言，其應力影響范圍較毛洞要小，因此，對于區間隧道施工前穩定的溶洞而言，當其位于隧道結構底板以下 （12.4m）時，區間隧道的施工開挖對溶洞應力狀態的影響可以忽略不計，考慮到管片襯砌結構的支護作用，本工程結構底部以下10m以下的溶洞可認為不受盾構施工的影響。

5.3.2 側面安全距離

（1）相關規范規定

關于溶洞距離結構物側面的安全距離問題，在地鐵區間隧道方面也沒有相關資料介紹，在路基工程設計方面有相應條文。《公路路基設計規范》（JTG D30-2004）以及《鐵路特殊路基設計規范》（TB10035-2006）均有類似的規定，具體為當巖溶地貌位于路基兩側時，應判定巖溶對路基的影響。對于開口的巖溶地貌可參照自然邊坡來判別其穩定性及其對路基的影響；對于地下溶洞可按坍塌時的擴散角（見圖11）、式（4-1）計算其影響范圍。

圖11 溶洞安全距離計算示意圖

（4-1）

（4-2）

式中： ——溶洞頂板厚度（m）

——坍塌擴散角（°）

——安全系數，取1.10～1.25

——巖石內摩察角。

如在頂板巖層上有覆蓋土層，則自土層底部用45°角向上繪斜線，求出與地面的交點。路基坡腳應在交點范圍以外。路基坡腳處于溶洞坍塌擴散的影響范圍之外，該溶洞可不作處理。

（2）相關理論分析

（支護應力為原巖應力的0.5倍）

圖13 軸對稱條件下有支護時圍巖應力狀態

地下區間隧道結構為存在支護的圓形洞室結構，對于存在支護結構的圓形洞室而言，其應力狀態可通過圖13予以表示。

由圖13分析可得，隨著 的增加，即離隧道洞室周邊愈遠，洞室周邊圍巖的應力都很接近原巖應力狀態，在支護應力為原巖應力的0.5倍時，當 大于4時，相差都在5%以內（為3.13%），當 等于3時，相差為5.56%。

（3）本工程取值

對區間隧道結構而言，由上述分析可知，在存在管片襯砌支護的前提下，當 等于3時，區間隧道洞室周邊的應力與原巖應力狀態相差為5.56%以內，因此，對于工程施工前本穩定的溶洞而言，當其位于隧道結構側面邊線 （6.2m）以外時，洞室開挖對溶洞的影響可以忽略不計，即距離本工程結構側面結構邊線6.2m以外的溶洞可認為不受盾構施工的影響。

5.4 溶洞的處理

相關路基規范規定，對路基結構穩定性有影響的溶洞均應采取相應的措施予以處理，具體如下。

《鐵路特殊路基設計規范》（TB10035-2006）規定線路應盡量繞避巖溶發育地區，繞避困難時，路基工程宜選擇在巖溶發育最窄、易于處理的位置通過。同時應采取相應的處理措施：

（1）裸露和埋藏較淺的溶洞可根據其大小、深度、所處位置及施工條件選擇回填封閉、蓋板跨越、支頂加固等措施處理。覆蓋層厚度小于5m的溶洞和溶蝕裂隙發育帶，采用注漿加固時，注漿深度應根據溶蝕裂隙發育情況或溶洞大小，頂板厚度，溶洞的厚跨比等綜合確定。路基基底以下處理深度不宜小于10m。

（2）埋藏較深的溶洞和溶蝕裂隙發育帶宜采用注漿封閉土、石界面、形成隔水帷幕、厚度為5～8m，其中進入基巖內的深度不宜小于3m；巖溶很發育，溶洞呈串珠狀或空洞較大時，進入基巖內的深度應適當增加。

（3）覆蓋層土洞埋藏較淺時，宜回填夯實并作好地表水的引排封閉處理；土洞埋藏較深時，宜采用充填、注漿或全覆蓋層注漿加固等措施處理。

（4）對易產生土洞的覆蓋層，宜針對誘發因素采取注漿加固或封堵等措施。

（5）注漿加固分段應綜合考慮加固后地下水條件變化等因素的影響，消除隱患。

5.4.1 地下區間巖溶風險區劃分

依據溶洞距離隧道結構的距離（垂直距離和水平距離）將隧道周邊巖溶區域劃分為高風險區和低風險區域。

圖14 區間隧道溶洞風險區劃分

圖14所示區域為本工程區間隧道結構周邊溶洞的風險區劃分示意圖，結構側邊線兩側1D范圍內一直延伸至地表及結構邊線底部10m線以上部分區域為溶洞高風險區段。上述區域以外的區域為低風險區。

5.4.2 地下區間溶洞處理

（1）處理原則

①為防止土洞擴張危及區間隧道結構安全，凡是發現的土洞一律采取注漿充填處理；

②高風險區需進行重點處理；低風險區一般不進行處理，個別處有大溶洞或溶洞強烈發育視情況處理。

③溶洞分布及處理范圍參照隧道縱剖面圖結合施工探灌等相關手段綜合判定。

（2）處理目的

通過巖面注漿，對巖土交界面層處理，降低巖面土層與基巖水的互通性，降低土洞發生機率，同時提高該處地層的承載力；溶洞填充物灰巖地層承載力有很大差別，通過對隧道一定深度范圍內的溶洞預先充填處理，使溶洞范圍內的地層達到設計要求的強度，改善盾構推進范圍內地層的均質性，減小水的流動性，以保證施工和運營安全。

對于高風險區，溶洞采用“溶洞充填外加巖面注漿”及預留注漿管的方案綜合處理。充填處理主要是根據溶洞的大小及原始充填情況采取先充填砂夾石，再靜壓灌漿或直接靜壓灌漿的方法。根據以往在防治巖溶地面塌陷實踐，充填注漿是有效的措施，采用密布的壓漿孔可以揭露溶洞，消除隱患；壓漿以充填溶洞穴，防止其坍塌；漿液擴散滲透，可消除或擊破相鄰溶洞使之坍塌隨即處理。

巖面注漿是采用袖閥管在巖土界面上進行注漿加固，其目的主要是壓漿封堵基巖和土層的界面，壓漿管只在界面附近開孔，用較高的壓力將界面上的溶槽、溶溝、破碎帶、構造帶、節理、裂隙，全部用漿液固結，將界面周邊的溶洞填滿，將溶洞和界面連通的通路（洞口）封住，甚至固結，從而阻止已有溶洞、土洞的發生發展，阻止或延緩新溶洞的形成。

對于低風險區的個別溶洞僅做充填注漿處理。若遇空的巖溶通道、較大溶洞和裂隙，視具體情況先灌注中粗砂或稀的水泥砂漿對溶蝕腔體進行充填，再采用水泥漿液或雙液注漿，全充填溶洞一般采用單液注漿。

區間隧道周邊注漿孔布置情況分別如圖15、16所示。

圖15 盾構隧道注漿孔平面布置圖

（3）處理方案

①填充溶洞處理

采用靜壓灌漿法，在鉆孔中插入袖閥管下到溶洞底面，進行深孔注漿。袖閥管采用Φ90PVC 管，注漿擴散半徑設計為1.5m，鉆孔間距2.0m×2.0m正方形布置。靜壓灌漿法漿液采用純水泥漿，水灰比=0.5：1～1：1，注漿壓力0.2～0.3MPa；對于洞內水有流動性時，周邊孔應在漿液中加入摻加速凝劑，控制漿液凝固時間在10～20 秒左右。注漿施工時，應采取分序孔的注漿方式，采用先外圍后內部、先下后上的注漿施工方法。為保證漿液不至于跑得太遠，應采用間歇定量分次，先低壓灌漿后高壓補強注漿的方法，在注漿壓力下，吸漿量1～2L/min穩壓15min 終注。

圖16 盾構隧道注漿孔橫斷面布置圖

②半填充、未填充溶洞的處理

當溶洞高度大于2m時，地面鉆孔放入鋼套管并固定，將Φ200 注砂管放至溶洞上，用高壓風機將干砂壓入，為防止洞內高壓阻止灌砂，利用其它灌漿孔作為減壓孔。吹砂填充密實，壓力穩定時即可停止。然后再用其它孔插入袖閥管靜壓灌漿填充密實。當溶洞高度小于2m 時，直接采用袖閥管靜壓灌漿填充密實。

巖面注漿處理方案

巖面采用Φ90PVC 袖閥管注漿。加固區域寬度為線路中線兩側各1D（D為管片外徑），高度為巖面上1m 范圍內的土層。注漿擴散半徑設計為1.5m，布孔間距按3m ×3m 梅花型布置。首先施工90mm～130mm 直徑的鉆孔至巖面下0.5m，然后下袖閥管進行注漿。

（4）處理順序

①先對高風險區周圈開放連通的裂隙通道封閉注漿，然后處理中間區域，以確保注漿效果，減少注漿損失。

②中間區域梅花形跳孔施工，以防止跑漿，竄漿現象。

5.4.3 效果檢測

高風險區域內溶洞經注漿填充后其內部土體應有良好的均勻性、自立性、密閉性，采用隨機鉆孔取芯，加固后取芯無側限抗壓強度應大于1.0MPa，在換刀處標準可適當提高，檢測數量不少于注漿孔數量的3%。同時在對取心鉆孔輔以壓水試驗，檢查鉆孔注漿加固體透水性強弱和充填密實度。

6 結束語

對于存在溶洞的地鐵區間施工，無論采取上述何種工法施工，巖溶區都存在事先探明溶洞分布及發育情況，探明后采取相關處理措施等工程問題，而昆明地區最宜采用的施工工法為盾構法。施工之前應對結構的頂板安全距離和側面安全距離進行理論分析，對填充溶洞采取靜壓灌漿法處理，對半填充、未填充溶洞采取灌砂或巖面注漿處理。

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