南寧地鐵4號線巖溶發育特征及處治技術

趙庚亮， 張志龍， 趙金鵬， 譚忠盛*

(1.中鐵交通投資集團有限公司， 南寧 530021； 2.北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044)

隨著中國軌道交通建設的快速發展，城市地鐵越來越多，修建過程中各種工程問題逐步顯現[1-3]。中國南方地區巖溶較為發育，給軌道交通的安全建設帶來了一些工程難題，巖溶的處治技術成為近幾年的研究熱點[4-8]。

由于巖溶地層中存在可溶性巖，如碳酸鹽類巖石(石灰巖、白云巖)等，遇水易產生物理化學反應，進而形成溝槽、裂隙或者空洞[9]。溶洞的存在影響了周邊的地應力分布，當地鐵車站、隧道經過溶洞附近區域或者穿越溶洞時，就會對車站結構和隧道結構產生一定的危害，甚至施工期間導致坍塌事故發生[10]。王濱等[11]、康彥仁[12]采用理論分析等方法對巖溶區地面坍塌形成條件及機理進行了研究，洞隙的存在是塌陷產生的基礎，破壞形式類似于地下洞室洞頂圍巖的破壞。楊秀竹等[13]、董輝等[14]采用模型試驗的方法分析了溶洞對地鐵隧道結構的穩定性，研究表明溶洞的存在對隧道結構產生不利影響，易造成結構損害。張少雄等[15]、王建等[16]、田志宇等[17]針對實際工程對巖溶處治技術進行了總結，注漿排水、工字鋼橫跨溶洞以及增加配筋量等用來解決隧道工程建設中溶洞難題。以上研究基本上圍繞單個大型溶洞進行研究，軌道交通方面系統的溶洞處治研究較少。

為了解決南寧地鐵4號線巖溶帶來的工程難題，通過地質勘察手段探明巖溶分布規律，基于地質勘察資料分析南寧地鐵4號線巖溶發育規律，采用鉆芯和室內試驗確定地層及溶洞的物理力學參數，結合有限元軟件Midas GTS確定了溶洞與地鐵車站、盾構隧道的安全距離，提出巖溶區軌道交通溶洞處治范圍及處治措施，并對溶洞處治區域進行取芯，通過室內試驗研究巖溶處治效果。

1 工程背景

1.1 工程地質

南寧市軌道交通4號線一期工程線路如圖 1所示，其中2標段研究區域，起始點分別為體體區間、龍崗站。該標段地貌分區位于溶蝕殘峰坡地區(Ⅲ區)，殘峰主要由石炭系碳酸鹽巖組成，碳酸鹽巖的存在是巖溶形成的基本條件，經過水流沖蝕較易形成溶洞。地表巖溶微地貌比較發育，有洼地、溶槽。

圖1 南寧市軌道交通4號線一期工程線路示意圖

標段范圍內地層主要包括填土層、沖積層、坡殘積土層、石炭系(C)石灰巖層和泥盆系(D)巖層五大類，現場取芯后(圖2)采用室內試驗確定各地層物理力學參數如表1所示。地下水主要為上層滯水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水，南寧市年均降雨量達1 304.2 mm，褶皺和斷裂比較發育，因此溶洞內水囊有著源源不斷的巖溶水補給。

表1 各地層物理力學參數

圖2 現場取芯樣本照片

1.2 工程概況

研究區域地鐵車站規模及修建方法相似，以良慶圩站為例，車站長203 m，標準段結構外包寬19.7 m，端頭外包寬25.1 m(圖3)，最大開挖深度約18 m。車站底板下存在溶洞。車站主體結構及附屬結構均采用明挖法施工，圍護結構采用鉆孔灌注樁+內支撐的支護體系。車站為島式站臺形式，主體結構采用單柱雙跨箱型框架結構(局部為雙柱三跨)。車站主體圍護結構為φ1 000 mm鉆孔灌注樁+內支撐支護方案。

研究區域盾構隧道均采用圓形斷面，隧道外徑6 m，內徑5.4 m(圖3)，襯砌管片厚0.3 m，環寬1.5 m，管片采用3+2+1的形式，即3塊標準塊，二塊相鄰塊和一塊封頂塊，管片環、縱縫均采用彎螺栓連接，每環共使用22個彎螺栓。管片有3種類型，即左轉彎管片、右轉彎管片和標準管片，左右轉彎管片楔形量為38 mm，對稱設于管片兩側。

2 巖溶發育特征

2.1 巖溶發育程度及充填物特征

依據研究區域各車站及區間隧道地勘資料，巖溶發育程度如圖4所示，溶洞全充填、半充填以及無充填比例如圖5所示。

圖4 各車站及區間巖溶發育程度

圖5 各車站及區間溶洞填充比例

根據巖溶發育程度，場地巖溶發育等級可依據相關規范[18]進行劃分。體體區間—良慶大橋南站之間地層溶洞較為發育，良良區間—龍崗站之間地層，除五象車輛段之外巖溶均為中等發育。南寧地鐵4號線調研段車站及區間隧道溶洞基本分為未充填、半充填以及全充填3種類型，半充填以及全充填溶洞填充物質基本上都是黏土、灰巖碎塊，這主要是因為溶洞大多發育在巖-土交界面上，溶洞形成后由于動水原因，將溶洞周圍黏土、灰巖碎塊帶入溶洞內；體體區間、良慶大橋南站、良慶圩站、清龍區間、楞塘村站以及良塄區間的溶洞空洞較多，體育中心東站、體良區間、良良區間清平坡站以及龍崗站的溶洞大部分為全充填，施工時應采取相應工程措施進行加固，控制溶洞造成的施工安全風險。

2.2 溶洞與地鐵車站及盾構隧道空間位置關系

地鐵車站附近溶洞與車站相對位置關系如圖6所示，盾構隧道附近溶洞與隧道相對位置關系如圖7所示。

圖6 車站附近溶洞與車站相對位置關系

圖7 盾構隧道附近溶洞與隧道相對位置關系

由圖6可知，溶洞主要分布于地鐵車站底板及以下10 m范圍內，其次是底板以上范圍，底板下10 m以下范圍溶洞較少，這主要可能因為車站基本上位于灰巖-黏土交界面的原因，巖溶較為發育。由圖7可知，體體區間、良良區間以及良楞區間溶洞分布于隧道范圍內較多，施工時應多加關注；體良區間、五象車輛段以及清龍區間溶洞基本上位于隧道底板以下。

3 溶洞規模位置對地鐵車站和盾構隧道穩定性影響分析

3.1 巖柱失穩判據選擇

不考慮巖體的節理裂隙等因素，將圍巖視為均質完整的巖土體，其破壞失穩的機制假定如下：隧道開挖或者外部荷載引起圍巖應力重分布，造成局部圍巖產生應力集中，使圍巖超過自身抗力而破壞。因此，在選擇溶洞與隧道之間巖柱(板)的破壞判據時，主要考慮巖土體的破壞情況，其中塑性區范圍貫通可作為巖柱(板)失穩的標準。本文通過Midas GTS有限元軟件對車站和隧道溶洞模型進行計算，采用摩爾-庫倫破壞準則，只要車站或隧道洞周巖土體與溶洞塑性區產生貫通，即判斷為兩者間巖土體破壞失穩[4]。由于塑性區貫通不一定造成現實中的巖柱(板)破壞，此處是為了便于分析車站、隧道與溶洞周邊圍巖安全性做出的假定，塑性區的貫通為巖柱(板)失穩的必要不充分條件。隧道與溶洞間巖柱(板)失穩計算公式為

L≤Lp=Cs+Ts

(1)

式(1)中：L為隧道與溶洞間巖柱(板)的最小安全厚度；Lp為塑性區總范圍；Cs為溶洞塑性區范圍；Ts為車站或隧道塑性區范圍。

3.2 溶洞理想化建模

在地勘資料溶洞統計分析的基礎上，將溶洞理想化為橢圓，其形狀如圖8所示。由于溶洞分布較為復雜，為了簡化計算工作量，以車站為例，選取典型研究溶洞位置如圖9所示。假定溶洞洞高和洞寬之比不變，改變溶洞的洞高來模擬不同溶洞大小。

圖8 理想化溶洞示意圖

圖9 溶洞位置示意圖

變化其溶洞洞徑l進行計算。

3.3 地鐵車站與溶洞安全距離分析

建立數值模型如圖10所示，其中圍巖參數如表1所示，溶洞設置為空單元，計算工況如表2所示。

圖10 車站附近溶洞分析模型

表2 車站附近溶洞計算工況

當溶洞位于車站內部時(圖11)，隨著溶洞洞高的增加，塑性區范圍逐漸增大。當洞高6 m時，溶洞上方塑性區達到地表形成貫通區；當洞高1～3 m，溶洞塑性區呈對稱“C”狀分布在溶洞兩側，范圍相對較小。建議施工單位遇到車站內部溶洞時，當洞高大于3 m時，應對溶洞充填水泥漿，當溶洞高度小于等于3 m時，盡量提前將溶洞沿邊緣挖掉，防止設備、人員因溶洞塌陷造成事故。

當溶洞位于車站兩側時(圖12)，由于車站基坑提前施作圍護樁等結構，因此車站開挖幾乎不產生塑性區。當溶洞高6 m，溶洞塑性區水平范圍小于2 m，因此，溶洞高6 m距車站結構外2 m的情況下，車站結構安全，但溶洞塑性區貫通至地表，為了保證長期穩定性，需對溶洞進行充填注漿。當溶洞高3 m，溶洞塑性區水平范圍1～2 m，因此，溶洞高3 m距車站結構外2 m的情況下，車站結構安全。當溶洞高1 m，溶洞塑性區0.5～1 m，與車站距離大于1 m時，可以不用處理；當溶洞距車站小于1 m時，應對其進行充填水泥漿。

圖12 車站兩側溶洞塑性區分布

當溶洞處于車站底部位置時(圖13)，隨著溶洞高度的增加，塑性區范圍逐漸增大，呈“耳朵”狀分布在兩側。當溶洞位于車站結構底板位置時，應進行充填注漿。當溶洞位于結構底板位置標高，且位于結構輪廓線之外，參考底板以上溶洞處理。

圖13 車站底部溶洞塑性區分布

當溶洞處于車站底板以下位置時，由于溶洞的洞徑不同，導致溶洞對車站結構的影響不同，因此，對不同溶洞洞徑下頂板安全厚度進行擬合(圖14)。隨著溶洞洞高的增大，其頂板安全厚度也隨之增大，擬合結果為y=0.50+0.35x+0.18x2，其中x為溶洞高度，y為頂板安全厚度，相關系數R2=0.97，擬合效果較好。當溶洞洞高8 m時，溶洞頂板厚度為14 m時其塑性區與車站結構無交疊區域，可以不處理。當溶洞洞高6 m位于車站結構底板以下時，隨著溶洞頂板厚度的增加，溶洞塑性區與車站結構交疊區域越小，說明溶洞對車站結構安全性影響越小。當溶洞頂板大于10 m時，洞高6 m的溶洞對車站結構的影響可以忽略，因此洞高6 m頂板厚度超過10 m的溶洞可以不處理。相比于洞高6 m的溶洞，洞高3 m的溶洞塑性區較小，因此對車站結構影響的安全距離也較小。當溶洞頂板大于2 m時，溶洞塑性區與車站無交疊區域，溶洞無需處理。當溶洞洞高1 m時，頂板大于1.5 m溶洞塑性區與車站無交疊區，車站結構受溶洞影響較小，可不處理。

圖14 車站底板以下溶洞安全距離擬合曲線

3.4 盾構隧道與溶洞安全距離分析

建立數值模型如圖15所示，其中圍巖參數見表1，溶洞設置為空單元，計算工況如表3所示。

表3 盾構隧道附近溶洞計算工況

圖15 隧道頂板以上溶洞分析模型

當溶洞位于隧道正上方時(圖16)，隨著洞高的增大，隧道塑性區也產生一定的變化，說明不同洞高的溶洞對隧道塑性區的影響程度不同；當溶洞洞高為1 m時，溶洞距隧道0.7 m溶洞塑性區和隧道塑性區未貫通，說明位于隧道上方的溶洞洞高1 m的安全距離為0.7 m；以此類推，洞高1.5、2 m的溶洞安全距離分別為0.9 m和1.2 m。對不同溶洞洞高的安全距離規律進行擬合，如圖17所示，隨著溶洞洞高的增大，其安全距離也隨之增大，擬合結果為y=1.19-0.97x+0.5x2，其中x為溶洞高度，y為頂板安全厚度，相關系數R2=1，擬合效果較好。

圖16 隧道頂部溶洞塑性區分布

圖17 隧道上方溶洞安全距離擬合曲線

當溶洞位于隧道頂底板時(圖18)，隨著溶洞洞高的增大，溶洞與隧道塑性區范圍也逐漸增大，當溶洞洞高超過2 m時，隧道側邊塑性區與溶洞塑性區貫通形成更大范圍的塑性區，極易導致坍塌卡機以及盾構機栽頭。因此，當溶洞位于隧道頂底板位置時，必須采取注漿等填充加固措施進行處治。

圖18 隧道頂、底板溶洞塑性區分布

當溶洞位于隧道底板以下時(圖19)，隨著溶洞洞高的增大，溶洞塑性區逐漸增大，當洞高大于1 m，隧道由于開挖形成的塑性區已經被溶洞塑性區影響，導致隧道周邊塑性區不明顯；當溶洞洞高為1 m時，隧道距溶洞的安全距離為1～1.5 m；當溶洞洞高為2 m時，隧道距溶洞的安全距離為2.5～3.5 m；當溶洞洞高為3 m時，隧道距溶洞的安全距離為4～4.5 m。對不同溶洞洞高的安全距離規律進行擬合，如圖20所示，隨著溶洞洞高的增大，其安全距離也隨之增大，擬合結果服從線性分布，關系為y=-0.37+1.55x，其中x為溶洞高度，y為安全距離，相關系數R2=0.99，擬合效果較理想。

圖19 隧道底板以下溶洞塑性區分布

圖20 隧道底板以下溶洞安全距離擬合曲線

4 溶洞處治措施及效果分析

4.1 地面溶洞處治措施

巖溶處治措施基本上可以分為以下步驟進行。

(1)為了確認溶洞準確位置及范圍，結合巖溶探測結果在地鐵車站地下連續墻1 m范圍內鉆取中心距為2 m的勘探孔(圖21)，所有勘探孔均沿地下連續墻兩側布置，鉆孔深度比地下連續墻最大深度深2 m；若盾構隧道附近存在溶洞，則采用如圖22所示，加密鉆孔同時作為注漿孔。

圖21 地連墻兩側注漿孔和勘探孔的布置

圖22 盾構隧道附近注漿孔的布置

(2)為了排出溶洞內巖溶水，借助勘探孔和注漿孔，布置多臺水泵，將溶洞中的巖溶水抽出來(圖23)。

圖23 巖溶洞穴治理技術示意圖

(3)使用的回填材料與細砂或松散的石頭相對應，粒徑為10～30 mm對溶洞進行回填。

(4)采用水灰比為0.8的水泥和水玻璃混合漿液對溶洞進行處理。水玻璃密度為1.125 g/mL，水泥水玻璃比為4。本項目采用32.5級普通硅酸鹽水泥。注漿壓力為0.1～0.4 MPa，注漿速率為30～70 L/min。

(5)處理結束后立即封閉注漿孔，并拔出注漿管。

(6)為了保證巖溶處治的質量，在處理后28 d建造隨機勘探孔，從而能夠檢查巖溶洞穴的密封性。對勘探孔內土體進行無側限抗壓強度試驗和標準貫入試驗。

4.2 隧道內溶洞處治措施

巖溶的處治措施除地表鉆孔注漿外，也可采用洞內措施。

(1)用于巖溶區施工的盾構機可配置超前探測儀器與機械設備(小鉆機)。超前探測儀器的探測距離不宜小于15 m，探測范圍應超出隧道輪廓外3 m，超前探測應采用交叉探測方式，交叉距離3～5 m。本項目未采用，此處僅作為建議。

(2)用于巖溶區施工的盾構機側面可設置超前注漿孔(圖24)，該注漿孔也可同時作為超前探測孔，每個斷面需施工不宜少于6個探測孔。

圖24 盾構機超前注漿孔

(3)若通過盾構機超前探測發現溶(土)洞時，借助探測結果判斷溶洞規模，需要處治時優先采用地面處理方法，若地面沒有條件，可通過盾構側面注漿口進行超前注漿。

(4)巖溶區盾構隧道管片環標準塊可增設2個預留注漿孔，盾構隧道施工過程中應加強二次注漿。適當增加管片含鋼量，南寧軌道交通4號線一期工程巖溶區域盾構管片配筋不小于175 kg/m3。

4.3 巖溶處治效果分析

巖溶注漿主要用于填充巖溶空洞，提高地層強度和水密性，這3個效應對于保證盾構隧道施工安全非常重要。以體育中心東站為例，對溶洞處理結果進行說明。本次檢測對28個溶(土)洞鉆孔取樣，取3個溶(土)洞的填充物芯樣進行固結快剪試驗，實測c、φ均滿足c≥30 kPa、φ≥25°，滿足設計要求；對25個溶洞的填充物的標準貫入錘擊數進行抗剪強度驗算，換算的c、φ均滿足c≥30 kPa，φ≥25°；對29個溶(土)洞進行現場標準貫入試驗，標準貫入試驗錘擊數N均滿足N≥20，滿足設計要求；結合固結快剪試驗、標準貫入試驗以及抗剪強度換算結果綜合評定，證明了所提出的注漿施工方案是合理的，注漿加固質量是可以接受的。

5 結論

依托南寧地鐵4號線2標車站及隧道工程，采用數理統計及數值計算等手段研究了巖溶發育規律及處治技術，得出以下結論。

(1)南寧地鐵4號線巖溶總體上中等發育。溶洞基本分為未充填、半充填以及全充填三種類型，半充填以及全充填溶洞填充物質基本上都是黏土、灰巖碎塊。

(2)溶洞主要分布于地鐵車站底板及以下10 m范圍內，其次是底板以上范圍；體體區間、良良區間以及良楞區間溶洞分布于隧道范圍內較多，施工時應多加關注；體良區間、五象車輛段以及清龍區間溶洞基本上位于隧道底板以下。

(3)不同位置不同尺寸的溶洞塑性區不同，溶洞洞高越大塑性區越大，需要的安全距離越大；溶洞位于車站內部時，洞高大于3 m應對溶洞充填水泥漿；溶洞位于車站兩側時，車站兩側2 m范圍內溶洞需處理；溶洞位于車站底板下時，可采用文中擬合公式進行計算頂板安全厚度。

(4)溶洞位于隧道開挖面范圍內必須處理，溶洞位于隧道上方或者下方時，頂板安全距離需大于4.5 m。

(5)采用鉆孔注漿措施對溶洞進行填充，并結合檢測鉆芯結果，驗證了巖溶處治措施的合理性。