杭州地鐵巖溶地層特征及處置方案研究

張 軍

（中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，浙江杭州 310004）

1 背景

隨著城市地鐵隧道工程建設需求的增長，巖溶區隧道工程越來越多。但若擬建地鐵周邊存在巖溶地層，會引發冒頂和地面坍塌等工程事故。由于巖溶地層地鐵建設的復雜性和危險性，如何探明溶洞的分布和形態并采取適當的方案措施進行處理，是巖溶隧道設計和施工的重難點問題。

聶信輝[1]通過綜合勘察技術調查了張吉懷鐵路蘭花區間大型溶洞群的規模和隧底巖溶發育情況，并采用回填混凝土的處理方案；寇邦寧[2]通過對南玉鐵路巴山隧道工程建立適用的綜合超前地質預報體系，精準判斷復雜地質條件下掌子面巖溶發育的情況和處理方法；卓旭煬[3]分析了巖溶頂板塌陷機理，并針對軟、硬塑紅黏土層溶區的盾構風險采用相應的處理方案；周華貴等[4]針對海底巖溶隧道首次采用“跨孔CT（computer?tomography）物探+鉆探”的勘察方案，并提出海面預處理方案和盾構針對性設計方案；劉志韜等[5]依托工程對巖溶區淺埋隧道下穿既有構筑物隧道的施工方法進行研究，提出相關理論依據，有效降低對既有構筑物的安全影響；李建偉[6]探討了以華北丘陵地區某巖溶隧道的巖溶發育規律及成因，并提出施工處治措施；錢莊等[7]探討了砂土覆蓋型巖溶盾構隧道的施工風險，并分析了溶洞地面注漿加固處理方案；李慎奎等[8]采用綜合統計法分析武漢地區巖溶發育規律特征和處理方法；曹校勇等[9]針對羊橋壩隧道巨型溶洞地層，提出了橋梁跨越、路基+明洞、回填暗挖和5種改線處理方案。

前人針對巖溶區隧道均給出了一系列合理有效的勘測手段和處理方法，但是由于巖溶地質溶洞的復雜性和差異性，且實際修建的地鐵工程也各不相同，因此工程的實用性較差；且對穿越覆蓋型復雜巖溶地層的系統性研究較少。針對上述問題，本文結合杭州地區的巖溶勘察資料，依托杭州地鐵6號線一期工程，給出了系統性的巖溶地質評價和處理方案體系，成功解決了杭州地鐵首次盾構穿越巖溶段的難題，為后續杭富、杭臨線路類似工程施工奠定了基礎。

2 工程概況

杭州地鐵6號線河山路站—鳳凰公園站區間巖溶專項勘察場區起于亭三浦河西側，沿浮山西路向西行進，止于浮山西路與周浦路交叉口東側75?m處。沿線建筑物層數為6層左右，地形地貌簡單，自然地面平坦，地面標高一般在3.27～8.75?m，屬沖海積平原地貌單元。

該盾構隧道位于錢塘江沖海積平原，上部第四紀覆蓋層發育，厚度較大，一般為35～50?m?。土體類型較復雜，性質差異較大，地層從中更新世至全新世均有發育，成因類型較多。淺部為沖海相砂質粉土及粉砂，中部為河流相粉砂層，其下主要為圓礫層、含礫粉質黏土（或碎石夾黏土）層?；字饕獮槭肯迭S龍組灰巖，場地兩端處部分鉆孔揭露基底為泥盆系西湖組石英砂巖，基巖按風化程度可分為全風化、強風化和中風化，本場區巖溶形態類型主要有溶洞、溶隙和土洞等，溶洞發育且具有很強的連通性。

地下水主要為巖溶水，賦存于場地基底的溶洞、溶隙及地下暗河之中。巖溶水主要受上部松散巖類孔隱水豎向緩慢入滲匯入，通過巖溶通道匯入地下暗河之中，其屬于滲入式補給。場區基巖裂隙及巖溶發育，具有較好連通性，故本區巖溶水具有較好連通性，水量大，對隧道影響較大。

3 溶洞綜合勘察

3.1 巖溶勘察方法

采用綜合勘察方法對隧址附近的工程地質、水文地質進行調查，查明巖溶地層巖性特征、節理裂隙發育情況；調查巖溶發育特征，洞內溶溝、溶槽、充填物等特征；查明溶洞與隧道的連通關系等?，F場采用鉆探和綜合物探勘察方法。鉆探主要用于鑒別巖性、劃分地層，查明巖土層的性質和分布；查明溶洞（土洞）的垂直向發育情況。鉆孔施鉆完畢，在孔內下PVC（或PE）管，為物探測試提供條件。綜合物探包括地面物探方法和孔中物探方法，前者包括瞬變電磁法和高密度電法，后者包括地震波CT、電磁波CT和孔內雷達探測法。綜合勘察流程如下：首先采用地質雷達和瞬變電磁2種物探方法開展隧道周圍的巖溶地層物探；其次對施工前方圍巖進行鉆探，勘探孔布置在隧道結構外側3?m及2條隧道中部，縱向鉆孔間距按20?m左右控制；最后進行孔中綜合物探，為便于進行物探CT法和雷達探測，將中間1?排勘探孔錯開，使其與兩邊勘探孔呈三角形布設。

根據巖溶專項勘察方案，共施鉆171個地質勘探孔，其中171個探孔均揭露中風化灰巖，126個孔揭露有溶洞，遇洞率為73.2%；共揭露溶洞293個，土洞4?個，超大溶洞頂距離車站底板約為2?m，溶洞最高達到 43.6?m。

3.2 巖溶發育特征

（1）巖溶形態規模。從已有的171個鉆孔資料統計來看，揭露出溶洞293個，平均洞高2.5?m。其中，洞高小于1?m的溶洞占總量的1/3，50%的溶洞洞高小于1.5?m，80%的溶洞洞高小于4.0?m；大于5?m洞高的溶洞有44個，占總溶洞數的15%；大于10?m洞高的溶洞有6個，占總溶洞數的2.1%，勘探孔揭露溶洞最大高度為19.2?m，溶洞洞高分布如圖1所示。

圖1 溶洞洞高分布

（2）溶洞橫向分布特征。圖2給出了基巖面以下巖溶統計，由圖可知，自基巖面向下的方向，線巖溶率漸漸增大，最大值發生在2～4?m處，達27.35%～33.25%；隨著深度不斷加大，線巖溶率逐漸減小，17～23?m處開始，線巖溶率減小至5.54%～8.57%，基巖面以下24?m處線巖溶率穩定在3%以下。

圖2 基巖面以下巖溶統計

（3）巖溶垂向分布特征。溶洞的垂向分布可以用2個指標來描述，一是洞頂標高，另一個是碳酸鹽巖頂板以下的埋深[10]。因河山路站—鳳凰公園站區間巖溶條帶基巖面起伏較大，洞頂標高指標可能會對溶洞的垂向分布產生誤導，故采用溶洞頂板在基巖面下的埋深來研究溶洞的分布規律，溶洞頂板在基巖面以下埋深統計如圖3所示。由圖可知，1/3的溶洞頂板在基巖面下2.5?m以內，50%的溶洞在基巖面下5.5?m以內，90%的溶洞在基巖面下14.0?m以內；埋深大于15.0?m的溶洞有25個，占總溶洞數的8.7%。

圖3 溶洞頂板在基巖面以下埋深統計

（4）巖溶充填特征。為辨析溶洞內充填物數量，可將巖溶劃分為全充填溶洞、半充填溶洞和無充填溶洞3?種類型。全充填溶洞占63.4%，無充填溶洞約占27.5%，半充填溶洞約占9.1%。每個充填類型溶洞數量與頂板在基巖面下埋深的關系如圖4所示，由圖可知，全充填溶洞平均埋深5.22?m，半充填5.60?m，無充填8.79??m，全充填溶洞和半充填溶洞埋深較小，無充填溶洞埋深較大。

圖4 溶洞充填類型在基巖面以下埋深統計

3.3 巖溶地質分類

杭州地區的碳酸鹽巖分別為灰巖、老黏土、角礫混黏土和粉細砂層所覆蓋。為便于對巖溶地質進行統一處理，根據上覆巖、土層工程性能地質差異，在剖面上將巖溶地層劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 共6個地質結構類型，如圖5所示。

圖5 巖溶地質分類

（1）Ⅰ類中粉細砂可直接通過溶隙、孔洞等通道漏失，引起地面塌陷，從而產生巖溶地質災害。

（2）Ⅱ類中存在厚度＞3?m的黏土層，由于地下水長期頻繁作用，在碳酸鹽巖上方的老黏性土層中可能存在土洞。老黏性土層的連續性遭受破壞時可引起地面塌陷，如鉆孔連通粉細砂層、土洞塌陷等。

（3）Ⅲ 類存在厚度＞3?m的角礫混黏土層，由于地下水長期頻繁作用，在角礫混黏土層中可能存在土洞。土洞進一步發展可能引起地面塌陷，如未封堵的鉆孔連通粉細砂層、土洞坍塌等。

（4）Ⅳ 類存在厚度＞3?m的粉細砂層，在地下水長期頻繁作用下，老黏性土層中可能存在土洞。土洞進一步發展可能引起地面塌陷。

（5）Ⅴ 類存在厚度＞3?m的角礫混黏土層，由于地下水長期頻繁作用，在角礫混黏土層中（或黏土混角礫）可能存在土洞。土洞進一步發展可能引起地面塌陷。

（6）Ⅵ 類有厚度＞6?m的石英砂巖層，一般不會發生巖溶地面塌陷。

4 巖溶處理施工

4.1 巖溶總體處理措施

為提高盾構以下砂層和基巖的穩定性，以填充巖溶裂隙及溶洞、阻止巖溶發展和坍塌為目的，本著“處理為主，防治為輔”的原則處理巖溶。

由于巖溶發育具有不規律性，詳勘及物探難以將周邊所有溶洞土洞精確探明，故施工前應對高風險地區進行補孔核驗，查明溶洞具體位置及規模。對位于高風險地區已揭示的土洞、溶洞，采用從地面打孔注漿或填砂的加固方式，對結構底板及以下10?m范圍的巖面做注漿加固處理。根據溶洞發育特征，結合已有類似工程的溶洞處理經驗[11-14]，對河山路站—鳳凰公園站區間巖溶進行分類，分別采取不同的處理措施，如圖6所示。

4.2 巖溶處理措施

根據圖6確定的巖溶總體處理措施，對具體的步驟進行細化。首先對兩側采用帷幕注漿隔斷，注漿深入灰巖層15?m，對于Ⅰ類巖溶采用800?mm地下連續墻隔斷，地下連續墻入巖深度為500?mm。

圖6 巖溶分類和處理措施

（1）無填充溶、土洞和半填充溶、土洞。先投入砂石填充，填充完成后注漿，如圖7所示，投砂施工時在原鉆孔附近0.6?m處補鉆2個φ250?mm的投砂孔，3個孔中心需在同一連線上，2個投砂孔可以互作為排氣孔。投砂完成后，對溶洞進行注漿填充加固，注漿壓力從小到大，間歇、反復注漿直至填充完成。投砂管建議采用φ219?mm的PVC套管，投砂孔的大小也可根據現場施工情況進行調整。

圖7 半、全填充巖溶處理措施（單位：mm）

（2）全充填溶、土洞采用注漿填充。洞徑大于2?m的全充填溶、土洞及洞徑小于2?m的溶、土洞，可直接采用注漿填充的方法進行加固，注漿壓力從小到大，間歇、反復注漿直至填充完成。

（3）車站下伏大型溶洞。兩側牛腿及中間承壓樁基形成穩固的豎向支撐體系，車站中間立柱樁位處施超前鉆孔，對超前鉆揭露的溶洞進行灌漿處理；圍護結構外側，基巖內設置15?m注漿帷幕，如圖8所示。

圖8 車站下伏大型溶洞處理措施

4.3 注漿工藝

本區間采用φ48?mm的PVC袖閥管注漿工藝，如圖9 所示。注漿材料采用水灰比為 0.5?:?1～1?:?1 的純水泥漿，若溶洞水有流動性時，可在漿液中加入速凝劑或采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，具體應根據現場試驗確定。注漿壓力一般在0.4～4.0?MPa 范圍，當壓力從 0.4??MPa 逐步提高至終壓4.0??MPa時，繼續注漿10??min即可結束注漿。注漿速度一般為30～70?L/min，注漿擴散半徑設計為1.5?m，每個注漿孔每米的灌漿量初步按2?m3考慮。實際灌漿參數可根據現場實驗進行調整。

圖9 注漿現場施工

4.4 質量檢查

注漿質量檢查采用鉆孔取芯為主，壓水試驗為輔的綜合方法。大于2?m洞徑的溶洞必須進行質量檢查，對小于2?m洞徑的溶洞按總數量的10%進行注漿質量檢查，每個需質量檢查的溶洞加固區，根據其發育規模由監理工程師確定1～3個質量檢查孔，同時對注漿擴散半徑進行質量檢查。鉆孔取芯后對芯樣進行抗壓試驗，注漿加固結體28天的無側限抗壓強度應不小于0.2?MPa，溶洞加固處理后質量檢查孔壓水試驗透水率應不大于10??Lu，合格率 85% 以上方可達標，其余不合格孔段的透水率應不大于15??Lu，且不集中。

5 結論

（1）杭州地區覆蓋型巖溶地層的溶洞絕大部分都為中小型溶洞，85%的溶洞高小于5?m；頂板在基巖下溶洞中，92.3%的埋深在基巖面下15?m?以內；線巖溶率在2～4?m處出現最大值為30%，在24?m處開始穩定在3%以下；全充填溶洞占63.4%，無充填溶洞占?27.5%，半充填溶洞占9.1%。

（2）覆蓋型巖溶區下伏大型溶洞，應綜合多種勘察方法，詳細查明底部溶洞的發育特征和水文地質情況，為巖溶處理方案確定提供依據。

（3）對于小型溶洞，由于發育特征復雜，可根據巖溶地質分類，采取對應類型的方法進行處理，但底部應采取排水措施防止巖溶積水。

（4）對杭州地區不同的巖溶地質類型采用不同的巖溶處理方案，可針對性地有效處理巖溶，可為國內類似工程提供參考。