巖溶區塌陷機理及地鐵車站巖溶處理技術研究

葉書浩

摘 要：巖溶區域對地鐵車站明挖基坑、結構施工以及建成后運營維護都有較大影響，為此，文章對巖溶區塌陷機理進行分析，研究提出提前對地鐵車站巖溶地段進行處理，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系進行阻斷等技術措施，避免巖溶塌陷事故發生，以期為同類工程設計及施工提供借鑒。

關鍵詞：地鐵車站;巖溶塌陷機理;巖溶處理技術

中圖分類號：U231.3

0 引言

巖溶區地鐵車站基坑開挖過程中極易遇到涌水、突泥、地面塌陷等無法預料的地質災害，給基坑施工、基坑周邊環境帶來巨大的安全隱患和經濟損失。探究巖溶塌陷機理，有針對性地研究地鐵車站基坑巖溶處理技術，是地鐵建設的迫切需求。

長期以來，巖溶區地面塌陷已引起廣泛關注，國內外許多學者對巖溶塌陷的分布規律、成因機制、觸發原因、勘測技術方法、防治原則、處理措施進行研究。康彥仁[2]、胡亞波[3]、鄭小戰[4]等學者研究認為巖溶地面塌陷現象是多機制疊加的結果;范士凱[5]結合武漢地區巖溶經驗，研究了巖溶塌落機理、類型、分布規律和防治對策;廖景[6]以廣州5號線草暖公園至小北站盾構隧道溶洞處理作為工程實例，對盾構區間穿越巖溶區溶洞處理進行了分析與研究;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防漏漿、塌孔乃至地面塌陷的巖溶預注漿處理技術。本文從地鐵車站巖溶塌陷機理入手，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系阻斷等處理技術。

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，標準段寬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 ），第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl ），第四系晚更新統沖洪積層（Q3al+pl ），殘積層（Qel ）;車站基底位于中粗砂、泥炭質黏性土、粉質黏土、中微風化碎屑灰巖（可溶巖）。場地區域水系發育，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，主要賦存于碎屑灰巖發育的溶洞及溶蝕裂隙中，具承壓性。

根據詳勘及巖溶專項勘察結果，本站巖溶屬淺覆蓋型巖溶，地質鉆孔洞隙率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。巖溶發育極不均勻，總體屬巖溶強發育，局部屬巖溶微發育。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。勘察未揭示有土洞發育，巖溶發育在平面上呈帶狀發育，發育極不均勻，巖溶垂直發育范圍較大，可溶巖內均有發育且規律性不強。

2 巖溶區塌陷機理分析

范士凱、羅小杰[8]、康彥仁等研究總結了各種地質條件下巖溶塌陷的類型，根據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、劃分了巖溶地面塌陷的宏觀分布規律，提出不同地質條件下的巖溶地面塌陷具有不同的塌陷機理和相應的塌陷類型。關于塌陷機理，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種機理。實際情況是三者并存，在不同地質情況下的塌陷符合不同的機理。

巖溶區塌陷影響因素有2類，一類是地質條件（內因），另一類是誘發條件（外因）。可溶巖上方土體是經過地質歷史時期的沉積與固結作用形成的，經歷了地質歷史時期長期的地質作用，巖溶通道大多被堵塞，巖溶作用與其上方覆蓋層已經達到平衡狀態。沒有外部因素的觸發，巖溶地面塌陷現象一般不會或很難發生，尤其是在時間極為短暫的工程壽命期內（與地質歷史相比）。因此，外部觸發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、破壞溶洞穩定性引發塌陷等。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，溶洞頂板負荷增加，引發塌陷。大孔徑圍護成孔，疏通巖溶水通道，貫通串珠狀溶洞，加速巖溶水滲流，導致覆蓋土層流失引發塌陷。深樁基穿過砂土進入下部溶洞，導致其上砂土層漏失引發地面塌陷。

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

3 巖溶處理原則和范圍

3.1 處理原則

（1）巖溶處理遵循以預防、預處理為主，先處理后施工的原則，根據巖溶對車站結構的風險評估結果，按不同工程類型因地制宜采取不同的預防性措施或治理措施。

（2）對明挖結構應從巖溶處理、基底處理、圍護結構、施工期基坑抗涌水突泥措施、抗浮措施、主體結構及運營期風險防治方案等多方面協調統籌考慮，盡量把工程措施合并，采用簡單通用的工程措施。

（3）對工程影響范圍內的非全填充溶（土）洞均應處理，并根據溶洞規模、填充情況、溶洞與結構位置關系確定處理方案;對于全填充溶（土）洞應根據填充物性質、地基承載力、周邊環境等情況確定是否處理及處理方案。

（4）當基坑孔隙水與巖溶水連通時，基坑應采用全封閉的止水帷幕（或圍護結構），截斷巖溶水上游的補給和滲流通道，并采用明排+管井的降排水方案，實現按需降水;基坑巖溶水排放，應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致周邊地面塌陷或沉降。

3.2 處理范圍

研究表明，當結構底以下5 m內存在溶洞時，施工過程中的擾動可能導致塌陷、涌水等問題，工程風險大。GB 50007-2018《建筑地基基礎設計規范》中規定：①對于完整、較完整的堅硬巖、較硬巖地基，當洞體較小，基礎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定性的影響;②跨越巖溶洞隙的梁式結構在穩定巖石上的支承長度應大于梁高1.5倍。故本車站應結合溶洞的發育形態規模、穩定巖面頂板的高度、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）圍護結構施工前，其兩側3 m 范圍及圍護結構深度范圍的溶（土）洞均需進行處理。

（2）當圍護結構不嵌巖時，圍護結構底以下5 m范圍內的溶（土）洞需進行處理。

（3）當圍護結構嵌巖時，明挖法圍護結構底部以下穩定完整溶洞頂板厚度不應小于3 m，蓋挖法圍護結構底部以下穩定完整溶洞頂板不應小于5 m。

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

3.2.2 車站主體結構巖溶處理范圍

（1）底板以下5 m范圍內的溶洞，均需進行處理。

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

（3）對于“串珠狀”溶洞，當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，需進行處理。

（4）巖溶地區樁端下溶洞頂板厚應滿足以下要求：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;當樁端下持力層巖性較差、巖體較破碎、巖溶裂隙發育強烈、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處理方案，以保證施工及后期運營安全。

4 巖溶處理方案

4.1 處理方式選擇溶（土）洞預處理措施應根據溶洞規模、填充物性質等因素確定，選擇合理方式進行處理。

（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黏土或淤泥的溶洞，也可采用旋噴加固。

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

（3）對規模較大溶洞應加密鉆探，進一步探明巖溶處理范圍邊界和填充情況，然后進行處理。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，當探邊孔超過圍護結構外側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為有限邊界，最外排孔未見洞，則該孔不需注漿，應向內收縮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漿帷幕，其余內圈孔注水泥漿單液漿。若處理范圍內未找到洞體邊界，在距圍護結構外3 m處施工1排注漿孔，對空洞和規模較大半填充溶洞先注水泥砂漿，再復注水泥水玻璃雙液漿形成止漿帷幕;④對規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漿帷幕，控制注漿邊界、減少注漿的范圍及注漿量。

（4）在物探異常區，應評估施工風險，結合巖溶專項勘察鉆孔布置及CT掃描，并考慮周邊建（構）筑物、地下管線等現場場地條件，進行鉆孔驗證，如果發現溶洞，則依據溶洞的大小、填充情況及溶洞與結構位置關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、準確地測記注漿量、注漿壓力、注入率、漿液水灰比等注漿參數，通過注漿智能監控，監控施工過程中的進漿、返漿、壓力等一系列施工參數、指標，以判定是否達到終漿標準。智能注漿監控能很好地解決注漿量的不足（填充溶洞不達標）、過量（漿液進入周邊河道、地下管道（槽）內）、無法持壓（溶洞內無法填滿、溶洞間通道竄漿）等問題。智能注漿系統原理見圖3。

終漿標準：①邊界孔注漿孔口壓力達到0.6 MPa，中央孔注漿孔口壓力達到0.8 MPa，可結束注漿作業;②注漿孔吸漿量不大于40 L/min，且維持30 min，可結束注漿作業;③鄰孔有濃漿液返出，可結束注漿作業;④單孔注漿量達到平均注漿量的1.5～2.0倍，且進漿量明顯減少時，可結束注漿作業。若注漿孔口壓力達不到設計注漿壓力最大值，現場溶洞注漿量達到設計注漿量的110%，應召集各方現場共同協商處理。

4.3 注漿質量檢測方法及標準

為保證巖溶預處理效果，保證車站結構安全，需對巖溶處理質量進行檢測。為防止圍護樁及樁基施工期間地面塌陷，圍護樁周3 m范圍內溶洞處理應保證充填效果，要求填充率應大于80%，同時要求隨機原位標貫擊數N≥10。對于基坑底以下5 m，圍護樁、摩擦端承樁、摩擦樁樁端大于3d且不小于5 m溶洞處理應滿足相應地基承載力要求;為降低基坑突水、涌泥、涌砂風險，保證基坑施工安全，基坑底以下5 m以及圍護樁底3 m溶洞處理應滿足止水要求，滲透系數宜小于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準見表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;檢查孔施作結束后應對其進行注漿封堵。

5 結束語

考慮到巖溶區塌陷理論研究還不夠完善，巖溶區地鐵建設經驗有限，設計中應首先考慮結合地質條件通過選線調整路由及埋深，車站應盡量減小基坑深度，規避或降低巖溶區地鐵建設及運營風險。對于線路無法規避的巖溶區應采取合理的施工方法及處理措施進行巖溶處理。本文依據地鐵車站工程項目實例，結合車站復雜地質情況和具體施工工況分析了巖溶塌陷機理及其誘因，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。

參考文獻

[1]GB 50157-2013地鐵設計規范[S]. 2014.

[2]康彥仁.論巖溶塌陷形成的致塌模式[J].水文地質工程地質，1992，19（4）.

[3]胡亞波，劉廣潤，肖尚德，等.一種復合型巖溶地面塌陷的形成機理-以武漢市烽火村塌陷為例[J].地質科技情報，2007，26（1）.

[4]鄭小戰.廣花盆地巖溶地面塌陷災害形成機理及風險評估研究[D].湖南長沙：中南大學，2009.

[5]范士凱. 巖溶地面塌陷機理、類型、及其分布規律及防治對策 [C]//湖北地質學會會刊. 湖北武漢：湖北省地質調查院《資源環境與工程》編輯部，2014.

[6]廖景. 地鐵盾構區間巖溶處理[J].現代隧道技術，2010，47（增刊）.

[7]張琨，劉建民，鄔歡，等.城市橋梁樁基穿越溶洞預注漿施工技術[J].施工技術，2011

[8]羅小杰. 也論覆蓋型巖溶地面塌陷機理[J].工程地質學報，2015，23（5）.

[9]羅小杰，羅世杰.武漢市漢南區長江干堤內地面塌陷成因分析與處置措施探討[J].資源環境與工程，2009（增2）.

[10] 康彥仁.試論巖溶地面塌陷的類型劃分[J].中國巖溶，1984，3（2）.

[11] 陳國亮.巖溶地面塌陷的成因與防治[M].北京：中國鐵道出版社，1994.

[12] 代群力.論巖溶地面塌陷的形式機制與防治[J].中國煤田地質，1994，6（2）.

[13] 程星，黃潤秋.巖溶塌陷的地質概化模型[J].水文地質工程地質，2002（6）.

[14] 徐衛國，趙桂榮.論巖溶塌陷形成機理[J].煤炭學報，1986（2）.

[15] GB 50007-2011建筑地基基礎設計規范[S].? 2011.

[16] GB/T 51238-2018 巖溶地區建筑地基基礎技術標準[S]. 2019.

[17] DBJT 15-136-2018 廣東省巖溶地區建筑地基基礎技術規范 [S]. 2018.

[18] 中國鐵路設計集團有限公司. 深圳市城市軌道交通14號線工程詳細勘察階段巖土工程勘察報告[R]. 天津：中國鐵路設計集團有限公司，2017.

[19] 中國鐵路設計集團有限公司. 深圳市城市軌道交通14號線工程巖溶專項勘察報告[R]. 天津：中國鐵路設計集團有限公司，2017.

[20] 中國鐵路設計集團有限公司. 深圳市城市軌道交通14號線工程巖溶處理專項設計技術要求[R] .天津：中國鐵路設計集團有限公司，2018.

收稿日期 2019-09-17

責任編輯 朱開明