地鐵隧道穿越巖溶地區處理方案及控制措施研究

廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510670

隨著軌道交通的快速發展，在巖溶地區修建地鐵區間隧道已經成必然趨勢，專家學者對此進行了相關研究，如卓旭煬[1]分析了巖溶上覆地層塌陷機理以及軟塑紅黏土層及硬塑紅黏土層中盾構隧道的施工風險，并提出了相應的處理措施。

趙勇等[2]以衡陽合江套湘江隧道為背景，對隧道穿越巖溶區的風險水平進行了量化分析，提出了完善的巖溶風險處理措施。陸平等[3]結合武漢地鐵6號線，在分析溶洞塌陷機理的基礎上，提出了針對不同地質巖溶發育類別應采取相應的處理方法。一般巖溶地層土層之間的力學差異性大，抗剪強度較低，后期沉降較大。對于巖溶地區施工城市的地鐵區間隧道，在盾構的掘進過程中更容易引起地面的不均勻沉降和盾構機的掉鉆、栽頭等嚴重事故，從而影響地基的穩定性。為此，在巖溶地層中采取有效措施對保證盾構隧道的安全通過具有重大意義。

文章依托廣州市軌道交通8號線的兩個區間段（分別為出入段線區間及亭崗站—白云湖區間），基于隧道的設計與施工，提出開展地鐵區間隧道如何順利通過此類存在巖溶情況的復雜地層條件以及現場如何保證施工質量和加固措施，然后介紹了巖溶地區地鐵區間隧道運營期間的一些主要風險和保護措施，為復雜巖溶地區的地鐵盾構設計施工提供參考。

1 工程概況及處理方案比選

1.1 工程概況

文章以廣州地鐵8號線北延段工程的亭崗站—白云湖區間及出入段線區間隧道為工程依托，根據亭崗站—白云湖區間的勘探結果，一共勘探了87個孔，其中14個鉆孔出現溶洞，其見洞率達16.1%；根據出入段線區間隧道勘探的25個孔中有9個鉆孔出現溶洞，其見洞率達36%，由此可知兩個區間均屬于巖溶發育區間。區間隧道范圍內溶（土）洞發育，對地下水位變化均較為敏感，地下水水位變化易導致巖溶塌陷。

1.2 處理方案比選

（1）巖溶區處理方案對比。對于巖溶風險區工程處理方法主要如表1所示。

表1 巖溶風險區工程處理方法表

該項目的巖溶地層主要存在于區間隧道，為防止盾構出現栽頭掉鉆等風險，給行車安全及路面塌陷造成無法估量的后果，該工程主要采用注漿方式對巖溶區進行預處理，區間隧道溶洞處理遵循溶洞探邊及注漿同步進行的原則。

對于注漿材料的選擇，開展了兩個方案進行比較：一是水泥漿液摻入粉煤灰；二是砂子里注入注漿液。

注漿的水泥漿液均有加入水玻璃速凝劑，根據室內外試樣對比，如表2所示。

表2 注漿材料方案試驗對比結果

通過研究可知，雖然方案一造價約為404元/m3，方案二造價約為326元/m3，但是方案一擴散半徑為2.6m，方案二擴散半徑為0.8m。故文章注漿材料選用水泥漿液摻入粉煤灰，其中粉煤灰、水泥、水質量比為0.32∶0.56∶1，水玻璃速凝劑的體積比約為0.08∶0.2∶1。

（2）注漿方案對比。目前地面的加固注漿方案主要有袖閥管地面注雙液漿與雙管旋噴樁，采用的布置方案均可為2000mm×2000mm梅花形，深度到巖面，與地面成90°直角。考慮到方案的經濟性，對兩種方案的設計概算進行對比，其結果如表3、表4所示。

表3 袖閥管地面注雙液漿造價變化表

表4 雙管旋噴樁地面加固造價變化表

由表3、表4可知，在同樣的注漿間距和深度的情況下，由于采用袖閥管對地面注雙液漿液的方法造價更低，因此該項目采用這一方法。

2 巖溶地區處理方案

2.1 巖溶地區處理目的

（1）減小在區間隧道盾構掘進過程中產生坍塌和盾構機頭的掉鉆、栽頭風險，同時避免對周邊管線和建筑物造成影響。

（2）滿足盾構區間隧道底部的承載力和變形條件。

（3）防止溶（土）洞的發育程度加深，降低地鐵通車后的運營風險。

2.2 巖溶地區處理原則

（1）區間隧道底施工應遵循巖溶處理、施工期突涌水、基底處理以及通車期間風險防治措施等多方面統一考慮的原則。

（2）對工程安全有影響的溶洞和土洞全部需要進行處理。

（3）如果在工程影響范圍內存在非完全填充的土洞，需要全部進行處理；如果在工程影響范圍內存在完全填充的土洞，則根據周圍環境及填充物的性質來確定是否需要進行處理[4]。

2.3 巖溶地區處理范圍

根據巖溶地區的處理原則，為了能夠確保在地鐵施工過程中和施工完成后運營階段的安全，地質勘察單位探明的所有關于工程影響范圍的巖溶地層均需要進行處理。

當區間隧道底部的地質情況為灰巖時，需要對隧道結構輪廓外1m后的巖溶地層作為處理的范圍，且應處理存在于隧道底板下2m內任意大小的溶洞[5]。當區間隧道底部的地質情況為砂土層時，如果隧道底部仰拱的土層為黏土或粉質黏土等不透水的隔水層，且厚度超過2m時，對于隔水層下方的巖溶地層可以不進行處理；如果隧道底部為砂層，且不存在穩定的隔水層，隧道外輪廓外偏3m及底板下2m范圍內的巖溶地層，都應該進行處理。

2.4 巖溶區處理流程

（1）布置鉆孔。需要同步進行鉆孔布置及溶洞探邊，將存在溶洞的鉆孔作為基準點，先從隧道邊線對鉆孔進行加密施工，若在隧道內進行鉆孔施工，鉆孔間隔應該為2m，并將其作為注漿孔。選擇在數個洞頂處鉆孔，將其作為排氣孔，鉆孔的間距如果超過4m，則需要進行加設，其布置圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 隧道結構外側3米線鉆孔平面布置圖（單位：m）

圖2 隧道結構外側1米線鉆孔平面布置圖（單位：m）

（2）溶洞探邊。對于溶洞的探邊鉆孔，一般采用的是91mm的直徑，在鉆孔的過程中要采用泥漿護壁，并施作套管跟進，當鉆孔深度達到設計深度時停止鉆孔，拔出套管并插入注漿管，對注漿管周邊進行水泥漿充填。

關于溶洞邊界的探明，如果外圍的鉆孔出現溶（土）洞（或所揭示的溶土洞不符合處理原則），則采用封孔處理。如果在鉆孔過程中發現符合處理原則的溶（土）洞，則需要在鉆孔過程中做好記錄并下注漿管。

根據探邊鉆孔原則，當隧道底板處于不透水層時，探邊鉆孔至隧道底2.0m；當隧道底板處于砂層時，探邊鉆孔需要穿透砂層，并進入1.0m左右的不透水層；若砂層較厚，探邊鉆孔需要進入10.0m的砂層。

（3）下注漿管。根據由詳勘鉆探和施工探邊了解到的溶洞情況，對溶洞進行注漿處理，注漿管布置方式如下：地面到溶洞頂板的范圍采用實管；溶洞范圍內采用鋼花管，鋼花管底部采用悶蓋進行封堵。將實管和花管焊接為一根管后必須檢測管的密封性，在管內注滿清水后（以重力抵消孔內水的浮力），馬上將管插入鉆孔直至巖溶地層的處理標高，注漿管頂部露出地面約0～30cm，同時露出地面的注漿管需要使用悶蓋加以保護。注漿管插入鉆孔后，對靠近地面1～2m的注漿管與鉆孔空隙需要使用水泥砂漿進行封堵加固[6]。

巖溶區注漿的具體流程主要分為六個步驟進行：

第一，通過取芯結果，對溶洞深度、位置、充填物及大小進行判斷，并記錄整個過程的現場情況，如有無發生掉鉆、漏水等特殊情況；然后根據鉆孔結果制訂合理的溶洞處理方案及相關的注漿參數等，具體如圖3所示。

圖3 判斷溶洞深度、位置、充填物及大小

第二，安裝抵達溶洞底部20～30cm注漿管，具體如圖4所示。

圖4 安裝抵達溶洞底部20～30cm注漿

第三，在孔壁與套管之間注入套殼料；然后在地平面4m范圍內通過止漿料進行止漿（防止漿液流進管道中），具體如圖5所示。

圖5 注入套殼料于孔壁與套管

第四，在注漿管內安裝注漿芯管；然后進行水泥漿液的配置，通過壓力注漿形式，對注漿管內進行壓力注漿；最后使溶洞內充填物發生滲透固結并變密實，具體如圖6所示。

圖6 安裝注漿芯管于注漿管內

第五，使用清水對注漿管進行清洗后安裝孔口保護裝置，同時檢查溶洞的注漿效果，并對其是否合格進行判斷，若不滿足要求則進行二次注漿，具體如圖7所示。

圖7 安裝孔口保護裝置

第六，對注漿效果進行最后的檢查，若合格則采用M15水泥砂漿進行注漿封孔，并恢復路面，具體如圖8所示。

圖8 檢查注漿效果

3 巖溶區注漿處理質量安全控制

3.1 注漿施工質量控制措施

（1）注漿過程中如果發現大量漿液流失，為了保證注漿的效果，應適時地添加水玻璃等。

（2）對于注漿孔的注漿應采用跳躍方式注漿，防止串漿和跑漿。

（3）注漿方式一般采用重復注漿，以保證注漿的效果，注漿的間隔時間一般為6～10h，在進行3次注漿后，當達到終孔壓力時應停止注漿并封孔。

（4）需要記錄現場整個過程，結合取得的注漿數據進行及時調整和改進，并記錄孔深、孔位、涌水等情況，如果不符合地質報告，應進行更改修正。

3.2 巖溶區注漿處理效果查驗

（1）對于溶（土）洞注漿效果的檢驗，一般采用“二次注漿”方法檢查填充率，或通過隨機原位標貫試驗進行檢測注漿效果。當標貫值達到“堅硬”時，注漿效果為優；當標貫值達到“硬塑”時，注漿效果為合格[7]。

（2）對于基底處或基底下淺層溶洞，需要滿足以下任一條件：①隨機原位標貫試驗，其標貫擊數大于等于10；②隨機鉆孔抽芯法抗壓試驗，其28d無側限抗壓強度大于0.2MPa。

（3）將固結狀態及固結強度作為砂層等注漿加固效果檢查的評定標準。其中，土層的固結狀態，一般通過“土層取樣”的方式檢查。如果試樣為“完整、不破碎”，則表明土層固結效果較好；如果試樣為“松散、破塊狀”，說明其固結效果較差。一般采用標貫法檢查固結強度，其標貫值達到“堅硬”為優，達到“硬塑”為合格。

4 運營期主要風險及保護措施

地鐵運營期間存在的風險主要有以下三點：

（1）受目前鉆孔和勘察水平的限制，難以探明地下所有溶洞的分布情況，而未探明的溶洞將導致地鐵在運營期間存在一定的風險。

（2）由于地鐵通車對周邊經濟的影響，必將導致地鐵周邊大量建筑物的興起，在對這類建筑物進行打樁、抽排地下水和深基坑的開發時，容易導致溶洞的塌陷從而引起地面沉降和地下水位的急劇下降，進而使地鐵的運營存在風險。

（3）地鐵運營期間，地鐵存在震動荷載，該震動荷載將對溶洞產生較大影響，對未探明及未處理的溶洞產生不利影響。

為了避免地鐵運營期間的這些風險，建議對地鐵進行全方位自動化監控測量，同時在管片拼裝時預留注漿孔，當監測數據變化較大時進行注漿加固。對于在地鐵周邊開發和施工的項目，均需要對其周邊地鐵進行安全評估論證，確保地鐵安全，最后嚴格控制周邊工程項目對地下水位的影響，確保地下水位不發生大幅度升降。

5 結論

文章基于廣州市地鐵8號線盾構區間工程實例，開展地鐵隧道穿越巖溶地區處理方案及控制措施的研究，主要工作總結如下：

（1）通過對比巖溶風險區工程處理方法，結合工程的特點，采用袖閥管注漿方式對巖溶區進行預處理，防止盾構出現栽頭、掉鉆等風險。

（2）在明確了巖溶地區處理的目的、原則及范圍的基礎上，提出了巖溶區工程處理的具體流程，從而確保地鐵施工和運營的安全。

（3）建立了巖溶區注漿處理質量安全控制，并對巖溶區注漿處理效果進行查驗。總結了運營期的主要風險，并提出相應的保護措施，從而確保地鐵后期運營的安全。