武漢軌道交通6號線工程巖溶發(fā)育特征及處理措施

劉建芳

(武漢地鐵集團有限公司，430074，武漢//高級工程師)

武漢市全境面積約8 494 km2，存在石灰?guī)r面積約1 080 km2，石灰?guī)r面積占全市面積約12.8%[6]。武漢市地貌形態(tài)由剝蝕堆積壟崗區(qū)(長江Ⅲ級階地)逐漸過渡為沖洪積區(qū)(長江Ⅰ級階地)。武漢歷史上出現(xiàn)了十多次巖溶塌陷，給工程建設(shè)帶來重大影響，且造成巨大的經(jīng)濟損失。巖溶地質(zhì)災(zāi)害防治引起許多專家、學(xué)者及工程技術(shù)人員的重視。文獻[1-9]對武漢地區(qū)巖溶發(fā)育歷史、發(fā)育規(guī)律、成因機制及塌陷災(zāi)害防治等問題進行了研究，并把武漢地區(qū)巖溶劃分為寬1.2～6.0 km的幾條地質(zhì)條帶。武漢軌道交通2號線、3號線、4號線、6號線、11號線等工程均遇到了巖溶問題。本文以風(fēng)險較大的武漢軌道交通6號線巖溶專項勘察、設(shè)計和施工為參考，分析了武漢砂層覆蓋型巖溶的發(fā)育特征、溶洞規(guī)模及溶洞充填特征等特點，總結(jié)了城市軌道交通車站區(qū)間設(shè)計施工的處理措施。其結(jié)論可為后期同類地鐵工程建設(shè)提供參考。

1 武漢巖溶發(fā)育特點

根據(jù)武漢軌道交通工程巖溶專項勘察資料及周邊的民建基坑地質(zhì)勘察情況，對武漢地區(qū)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分類，主要分為以下3種地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型[4]。

(1) Ⅰ類地質(zhì)：主要為長江一級階地砂、卵礫石覆蓋層。上部土層為填土層和少量黏性土層,下部土層為砂層或卵礫石層。地下水主要為孔隙承壓水和巖溶裂隙水，有承壓性。砂及卵礫石可直接通過溶溝、溶槽流失，如覆蓋層出現(xiàn)坍塌，直接會引起地面塌陷。

(2) Ⅱ類地質(zhì)：主要為長江一級階地砂、礫石層加幾米厚的黏土覆蓋層。該地層分布中，上部為砂層，下部為覆蓋于巖面上的約幾米厚的黏性土層。這種地層組合將砂礫石中的地下水與石灰?guī)r中巖溶水隔斷，發(fā)生塌陷的可能性小。

(3) Ⅲ類地質(zhì)：主要為長江三級階地，上覆土層為老黏土層。這類地層極少發(fā)生地面塌陷。

2 巖溶塌陷機理分析及巖溶風(fēng)險分類

巖溶塌陷是指在自然或人為原因作用下，覆蓋層沿巖溶孔隙通道進入巖溶空洞中，引起覆蓋土體的漏失，導(dǎo)致地面出現(xiàn)塌陷的現(xiàn)象[5]。

當覆蓋層為砂、礫石層直接蓋在巖面上時，砂、礫石層中的孔隙水與巖溶裂隙水存在水力聯(lián)系。當?shù)叵滤话l(fā)生升降變化，巖溶水位低于孔隙水位時，巖溶水垂直向下滲流，逐漸形成“漏斗狀疏松體”，砂、礫石土漏入巖溶孔洞或溝槽中，地面出現(xiàn)塌陷坑，該現(xiàn)象主要發(fā)生在Ⅰ類地質(zhì)結(jié)構(gòu)地層中。

當巖溶水位降至巖面以下，地下水位以上存在飽氣帶，即巖面附近有地下水的垂直循環(huán)帶，便產(chǎn)生潛蝕[5]。巖面的高低變化使巖面附近形成小徑流，長期的潛蝕將土顆粒帶入溶洞中，并在上覆地層中形成土洞，若洞頂冒落則會發(fā)生地面塌陷。武漢地區(qū)Ⅲ類地質(zhì)結(jié)構(gòu)地層的巖溶水位多高于巖面且?guī)r面高差變化不大，此類地質(zhì)結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生土洞，發(fā)生巖溶地面塌陷的可能性也很小。

真空吸蝕的產(chǎn)生主要有2個條件：一是大量抽排巖溶地下水，水位在短時間內(nèi)急劇下降；二是覆蓋層對地下溶洞有良好的封閉作用，能在水位下降的過程中形成負壓或真空[5]。覆蓋土層的薄弱位置可能會瞬間產(chǎn)生陷坑，在短時間內(nèi)可產(chǎn)生很多個塌陷坑，危害嚴重。Ⅱ類地質(zhì)結(jié)構(gòu)地層也有較大可能發(fā)生巖溶地面塌陷。

根據(jù)以上3種塌陷機理、巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型和發(fā)育規(guī)律，將武漢巖溶區(qū)劃分為高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)。Ⅰ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)為高風(fēng)險區(qū)，約占石灰?guī)r總分布面積的4.9%。武漢地區(qū)十余次巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害都發(fā)生在Ⅰ類地質(zhì)結(jié)構(gòu)地層。Ⅱ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)為中風(fēng)險區(qū)，約占石灰?guī)r總分布面積的5.8%。Ⅲ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)為低風(fēng)險區(qū)，基本不發(fā)生巖溶地面塌陷，約占石灰?guī)r總分布面積的89.3%。

3 武漢軌道交通6號線巖溶發(fā)育特征

武漢軌道交通6號線一期前進村站—紅建路站、紅建路站—馬鸚路站兩區(qū)間沿鸚鵡大道敷設(shè)。紅建路站采用明挖法施工，兩區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，總長約2 220.2 m，區(qū)間所處地質(zhì)為Ⅰ類巖溶地質(zhì)。本文根據(jù)此段巖溶專項勘察資料，對溶洞的規(guī)模、發(fā)育程度及填充情況進行了分析。

紅建路站頂板覆土厚3.0～4.5 m，區(qū)間隧道覆土厚9.2～17.4 m，車站主要位于粉細砂層和中細砂層；隧道底距基巖面約5.9～16.0 m，巖溶主要在巖面以下15 m內(nèi)發(fā)育，發(fā)育方向和強度受層面和裂隙控制，多為陡立灰?guī)r層面，垂向呈溶隙，溶槽形態(tài)發(fā)育[3-5]。

紅建路站巖溶區(qū)段長2 010 m，巖溶勘察鉆孔共277個，揭露溶洞247個，物探異常191處。巖溶鉆孔遇洞率為58.5%。溶洞高度以小于3 m為主，溶洞高0．2～1.0 m的為128個，占總?cè)芏幢戎禐?2%；溶洞高1．0～2.0 m的為66個，占總?cè)芏幢戎禐?7%；溶洞高2．0～3.0 m的為24個，占總?cè)芏幢戎禐?%；其余溶洞高度大于3 m的為29個，占總?cè)芏幢戎禐?2%。

此巖溶段以小規(guī)模溶洞為主，主要為淺層巖溶，基巖面以下2～8 m范圍發(fā)育較強，巖面下10～15 m以下發(fā)育逐漸減弱；全填充溶洞埋深較淺，半填充溶洞較深，無填充溶洞埋深最大，說明溶洞填充為自上而下，填充物主要來源于上覆土層。

其中，未充填溶洞為103個，占總?cè)芏幢戎禐?2%；半充填溶洞為67個，占總?cè)芏幢戎禐?8%；全充填溶洞為74個，占總?cè)芏幢戎禐?0%；溶洞內(nèi)填充物主要為黏土，含少量碎石。

4 武漢軌道交通6號線工程防止巖溶塌陷的措施

地鐵是百年工程，要同時考慮施工和運營中的巖溶塌陷風(fēng)險。處于巖溶高風(fēng)險區(qū)的武漢軌道交通6號線前進村站—紅建路站、紅建路站—馬鸚路站兩區(qū)間所處地層是長江一級階地Ⅰ類地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型的典型代表；覆蓋層為二元結(jié)構(gòu)沖積層，且沖積層下部飽和砂層直接覆蓋于石灰?guī)r之上，極易發(fā)生巖溶塌陷。因此,在該線路的車站和區(qū)間施工中,主要采取了如下巖溶處理措施。

4.1 紅建路站巖溶處理措施

武漢軌道交通6號線紅建路站沿鸚鵡大道南北向布置。車站結(jié)構(gòu)型式為雙層兩跨鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)，車站長228 m，寬21.1 m，高14.94 m；基坑深度為18.3～19.5 m，主體圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻。車站所處位置巖溶分布情況如圖1所示。

4.1.1 巖溶處理思路

對地下連續(xù)墻成槽位置及臨時立柱樁下的巖層裂隙及溶洞進行注漿處理，避免地下連續(xù)墻成槽及立柱樁成孔時出現(xiàn)巖溶塌陷。運營期列車振動、周邊環(huán)境變化及地下水活動作用下可能出現(xiàn)砂層的漏失和坍塌，因此考慮采用地下連續(xù)墻入巖、設(shè)置牛腿，以及由基坑底旋噴樁格柵式抽條加固形成的支撐體系來支撐車站結(jié)構(gòu)。

a) 巖溶平面分布圖

注:圖中不規(guī)則圖形代表巖溶

b) 巖溶剖面分布圖

圖1 紅建路站巖溶分布情況圖

4.1.2 巖溶處理方法

(1) 對地下連續(xù)墻范圍內(nèi)溶洞的處理：先對地下連續(xù)墻位置下的灰?guī)r層以下15 m進行帷幕注漿(見圖2)，注漿孔間距為2～3 m,從而形成有效的隔水、隔砂層，盡量阻斷車站范圍內(nèi)外巖層的水力聯(lián)系以形成封閉體系。

圖2 紅建路站巖溶處理圖

(2)對車站立柱樁的處理：對車站內(nèi)臨時立柱樁及中間立柱樁下施做超前鉆孔，每樁1孔，孔深至基巖面以下10 m，并對超前鉆孔揭露的溶洞進行灌漿處理(見圖2)。對于小型溶洞及溶隙，在滿足施工要求的前提下，也可適當調(diào)整樁位避開溶洞范圍，保證樁體受力安全。

(3)對于車站范圍內(nèi)基底進行格構(gòu)式抽條旋噴加固(見圖3)：車站基底旋噴樁格構(gòu)式土墩柱將基底分割為多塊區(qū)域，以減少基底砂土層水的流動，從而阻止砂層的流失，以提高基底強度，降低巖溶塌陷的風(fēng)險。對車站基坑范圍內(nèi)已探明溶洞進行注漿處理，如遇異常點需驗證后再進行處理。

a) 旋噴樁布置平面圖b) 旋噴樁加固大樣圖

注:單位mm

圖3 紅建路站基底格構(gòu)式旋噴加固圖

(4)巖溶水的處理：車站基坑開挖前嚴禁降巖溶水，只降砂層中的承壓水，按需降水，水位在基坑下1～2 m即可，降水時必須防止出現(xiàn)砂層向巖層的豎向流動，避免砂進入巖溶裂隙中而產(chǎn)生漏失引起塌陷。對巖溶水位及承壓水位變化需進行嚴密觀測。

4.2 紅建路站—馬鸚路站區(qū)間巖溶處理措施

武漢軌道交通6號線紅建路站—馬鸚路站區(qū)間位于鸚鵡大道下，長1 309 m，覆土厚9.0～17.5 m，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間處于Ⅰ類地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型巖溶區(qū)，巖溶較發(fā)育，在歷史上多次發(fā)生巖溶地面塌陷，在此地層中施工及運營風(fēng)險很大。區(qū)間巖溶分布情況如圖4所示。

4.2.1 區(qū)間巖溶處理思路

砂層在重力及地下水活動作用下產(chǎn)生漏失后，極易形成圓錐形塌陷坑，影響范圍廣，且處于砂層中的隧道也是有塌陷可能的構(gòu)筑物。塌陷除直接破壞隧道結(jié)構(gòu)外，還可能造成隧道偏壓，影響隧道的穩(wěn)定和安全。

根據(jù)武漢巖溶區(qū)塌陷資料可知，巖溶塌陷角φ約為40°[4]。圖5為隧道埋深與塌陷漏斗關(guān)系圖。由圖5可知，隧道邊線到塌陷漏斗中心的距離b與隧道中心到基巖面的距離h2的關(guān)系為b=h2tanφ[4]，因此通過一定的處理措施保證隧道與塌陷漏斗之間的距離大于b即可保證隧道的安全。

a) 巖溶平面分布

b) 巖溶剖面分布

區(qū)間巖溶處理的主要思路：首先盡量將隧道高度下壓，以降低隧道與基巖面的距離；然后對左、右線隧道兩側(cè)一定范圍內(nèi)的灰?guī)r進行注漿處理，在隧道兩側(cè)形成一道注漿帷幕以減少帷幕兩側(cè)巖溶裂隙及地下水的連通性，帷幕深度為巖面以下15 m；最后對兩側(cè)帷幕之間的溶洞進行注漿處理，確保兩側(cè)帷幕之間不會發(fā)生巖溶塌陷。

注:D代表隧道直徑;B代表塌陷漏斗在地表的寬度;h1代表地表至隧道中心的距離;H代表地表至基巖面的距離,H=h1+h2

圖5 隧道埋深與塌陷漏斗關(guān)系圖

4.2.2 區(qū)間巖溶處理方法

(1)基巖面以下巖溶處理措施:在隧道內(nèi)側(cè)輪廓線外一定距離C(根據(jù)場地條件)處設(shè)1排帷幕注漿孔,并對基巖面以下15 m進行巖層注漿，注漿孔間距為2～3 m。同時,根據(jù)巖溶專項勘察資料，有針對性地對注漿帷幕之間的溶洞和物探異常進行注漿處理(見圖6)。

(2)基巖面以上巖溶處理措施：當隧道覆土較淺,隧道底至基巖面距離h0和計算出的C較大時,注漿孔因地面交通條件或建構(gòu)筑物限制等因素?zé)o法實施，可考慮縮短C進行帷幕注漿，在土層部分采取隔斷的措施減少塌陷漏斗對區(qū)間隧道的影響，采用一排φ800 mm@1 000 mm灌注樁+φ800 mm旋噴樁組合，灌注樁適當入巖。詳見圖7。

圖6 溶洞注漿與帷幕注漿處理圖

圖7 溶洞注漿與土層隔斷處理圖

5 結(jié)論

(1) 武漢軌道交通6號線巖溶區(qū)段巖溶在基巖面以下2～8 m范圍內(nèi)發(fā)育較強，基巖面以下10～15 m巖溶發(fā)育逐漸減弱，全充填溶洞約占30%，半充填溶洞約占28%，未充填溶洞約占42%；溶洞距離土巖分界面越近，溶洞的填充率越高，充填物與覆蓋層土層性質(zhì)相近。

(2) 防止巖溶塌陷的處理措施要考慮施工及運營期間的安全。針對Ⅰ類地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型土層，首先要考慮車站、區(qū)間盡量靠近巖面，處理措施考慮車站、區(qū)間兩側(cè)巖面下15 m的帷幕注漿，盾構(gòu)區(qū)間隧道根據(jù)地面情況可考慮設(shè)置土層中隔斷樁；注漿帷幕之間溶洞進行注漿充填處理，物探異常驗證后注漿處理。

(3) Ⅰ類地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型土層塌陷坑一般成片、成群出現(xiàn)，因此需進一步研究此類地質(zhì)結(jié)構(gòu)土層中承壓水和巖溶水的流動規(guī)律以評估引起的塌陷區(qū)半徑，并以此為依據(jù)擴大地鐵影響控制紅線來控制紅線范圍內(nèi)的各類工程，尤其是有深層降水及入巖樁基的工程。地鐵運營期間，對周邊水位、地鐵區(qū)間隧道變形進行長期監(jiān)測，以及對周邊影響范圍內(nèi)的各類工程施工項目建立預(yù)警系統(tǒng)等都需要進一步的研究。

(4) 武漢地區(qū)巖溶地質(zhì)類型多樣，巖溶地質(zhì)條帶分布范圍廣且不均勻。民建、工業(yè)、地鐵車站隧道、市政道路橋梁隧道等不同的工程建設(shè)及結(jié)構(gòu)型式對巖溶地質(zhì)的要求不同，巖溶處理方式也各異。建議相關(guān)部門從勘察、設(shè)計及施工等方面對武漢地區(qū)的巖溶進行有效歸類總結(jié)，其結(jié)論可為后續(xù)涉及巖溶區(qū)段的工程提供參考。