城市軌道交通車站強(qiáng)發(fā)育破碎巖溶處理施工技術(shù)研究
——以深圳市城市軌道交通16號線二期西坑站工程為例

黎 猛（中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

深圳市城市軌道交通16號線二期西坑站（以下簡稱“西坑站”）車站現(xiàn)狀地面標(biāo)高85.5～96.6 m，南北最大高差為11.1 m，車站覆土厚度為2.4～5.2 m，基坑開挖深度為15.6～27.6 m。車站地層自上而下為①1粉質(zhì)黏土素填土、①3填碎石、①5雜填土、⑧3-3粉質(zhì)黏土、⑧4-4含碎石粉質(zhì)黏土、?1-1全風(fēng)化砂巖、?2-4微風(fēng)化灰?guī)r（破碎）/溶洞。

通過鉆孔和物探結(jié)果顯示，西坑站車站的端頭巖溶主要分布了覆蓋式巖溶景觀，巖溶的發(fā)育形式主要為細(xì)小破碎溶孔和部分溶隙。在局部埋深很大的巖溶區(qū)域附近還散布著軟塑狀黏土，部分溶溝和溶槽中填充了殘積層的黏性土。在地質(zhì)勘探的34個(gè)可溶巖石探孔中，有32個(gè)勘探鉆孔已揭露存在溶孔，溶洞占比達(dá)94.12%。因此，判斷西坑站巖溶發(fā)育等級為強(qiáng)發(fā)育巖溶地質(zhì)。西坑站巖溶分布情況，如圖1所示。

圖1 車站端頭范圍巖溶分布情況

2 巖溶處理常見措施

對于處于巖溶發(fā)育地段的城市軌道交通車站，需要先通過采取鉆孔探測等手段，確定巖溶覆蓋范圍區(qū)域后方可施工。一般城市軌道交通車站對巖溶的處理有以下幾種常見措施[1]。

（1）當(dāng)巖溶地區(qū)上方覆蓋的土層地基比較薄時(shí)，需要對地基進(jìn)行加固處理。加固處理不僅要形成滿足建筑物承載力要求的人工地基，還要考慮巖溶地層的特性。

（2）對于一些底部沒有地下水存在的巖溶地段，若對地面的建筑物沒有影響，可以通過采用填充的方法對巖溶進(jìn)行處理。

（3）當(dāng)巖溶地區(qū)覆蓋的范圍不大，但存在水平較為發(fā)育的溶洞、溶溝時(shí)，不管巖溶內(nèi)是否有其他填充物質(zhì)，只要巖溶的頂部地層不厚，可以采用小爆破等人工方法來揭除巖溶上部地層，從而對溶洞或溶溝進(jìn)行快速處理。

（4）對于一些風(fēng)化裂隙破碎或者溶洞尺寸較小的巖溶，可以使用袖閥管注漿的方法進(jìn)行加固處理。

3 巖溶處理方法選擇

西坑站巖溶多位于車站結(jié)構(gòu)底板以下，部分巖溶范圍跨越底板結(jié)構(gòu)，車站處于破碎或者溶洞較小且較為發(fā)育的巖溶地段。西坑站巖溶處理主要采用充填法和注漿法。當(dāng)巖溶尺寸較大且?guī)r溶內(nèi)沒有充填物或巖溶處于半充填時(shí)，充填溶洞的材料可以采用水泥砂漿或者碎石等，以此來增加車站結(jié)構(gòu)地基的強(qiáng)度。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)對地基承載力和變形有較高要求時(shí)，充填法宜與注漿法等其他處理方法結(jié)合使用。

4 巖溶處理工藝試驗(yàn)

巖溶處理正式施工前，應(yīng)提前進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，以確定合理的充填、注漿的各類參數(shù)。通過試驗(yàn)找出能夠使土體固結(jié)強(qiáng)度好、膠凝時(shí)間短、可注性較好的充填、漿液材料配方和實(shí)施方案，從而達(dá)到最佳的注漿處理效果。

4.1 充填、注漿試驗(yàn)原則

巖溶處理的充填材料主要有水泥砂漿、素混凝土、碎石等。注漿的材料主要有水泥漿、雙液漿等。施工時(shí)可選擇一種合適的充填、注漿材料或幾種漿材互相配合使用。試驗(yàn)遵循以下原則[2-3]：

（1）對高度不超過1 m的溶洞，直接采用靜壓式灌漿；

（2）對標(biāo)高為1～3 m，但溶洞內(nèi)沒有充填物或者巖溶處于半充填時(shí)，可以采用水泥砂漿的間歇式靜壓注漿成型方法進(jìn)行巖溶處理。若發(fā)生二次灌漿后仍沒有重新起壓的情形，可再適當(dāng)加入速凝劑；

（3）對于標(biāo)高超過3 m，但溶洞仍未充填或者已半填充時(shí)，首先考慮采用充填注素混凝土進(jìn)行回填，之后再采用灌漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；

（4）當(dāng)溶洞處于開挖范圍內(nèi)且高度＞2 m，屬于無充填或者半充填時(shí)，可使用碎石充填進(jìn)行處理；

（5）若注漿時(shí)，發(fā)現(xiàn)注入的水泥漿液流失較嚴(yán)重，可以使用超細(xì)混凝土或雙液砂漿對溶洞進(jìn)行封邊處理，然后再進(jìn)行內(nèi)部的注漿加固。

4.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

4.2.1 充填材料確定充填材料選擇采用C20素混凝土、M10水泥砂漿或碎石。混凝土及水泥砂漿采用車載泵對投料孔進(jìn)行投料充填；碎石采用人工配合機(jī)械充填。西坑站巖溶均為發(fā)育、破碎的巖溶地質(zhì)，巖溶面積均較小，因此，選用水泥砂漿作為充填材料。水泥砂漿中水泥∶砂配合比為1∶2，直接泵送充填，投料壓力控制在1.5～2 MPa，投料孔管材選擇200 mm聚氯乙烯（PVC）管。

4.2.2 注漿材料及配比

（1）水泥漿：采用普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5）；

（2）普通水泥-水玻璃雙液漿：水玻璃模數(shù)2.4～3.4，波美度為30°Be＇～45°Be＇;

（3）其他輔材。①孔口止?jié){：φ65 mm×3.75 mm焊接鋼管、錨固劑、機(jī)械式止?jié){塞；②注漿管：50 mm袖閥管。

4.2.3 注漿壓力

周邊孔第一輪注漿壓力為0.2～0.3 MPa，終灌注漿壓力為0.6～0.8 MPa；中央孔第一輪注漿壓力為0.2～0.3 MPa，終灌注漿壓力為0.8～1.0 MPa。另外，注漿泵的壓力應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力的1.3～1.5倍。

5 巖溶處理施工

巖溶處理施工程序按照先探邊界，然后注漿進(jìn)行填充的順序進(jìn)行。車站溶洞處理必須先對圍護(hù)影響內(nèi)的孔洞進(jìn)行處理，然后再對車站下部的孔洞進(jìn)行處理。根據(jù)孔洞處理的先后順序，按照端頭向中間的方向逐個(gè)進(jìn)行處理；進(jìn)行注漿料施工前，應(yīng)先施作外排止水、止?jié){帷幕，使處理區(qū)域的溶洞與外部洞體完全分離，然后再進(jìn)行中間區(qū)域處理。

5.1 探邊施工

5.1.1 溶洞探孔布置

根據(jù)溶洞大小采取相應(yīng)的探邊孔布置。探邊孔設(shè)置應(yīng)遵循以下原則：

（3）針對跨越結(jié)構(gòu)輪廓線外3 m邊界線且豎向高度超過5 m的大型溶洞，應(yīng)進(jìn)一步探明邊界。即在物探輪廓線處布設(shè)一圈探邊鉆孔，若鉆探未揭露存在溶洞，則停止向外發(fā)散鉆孔；若鉆探揭露存在溶洞，則繼續(xù)往外2 m打設(shè)鉆孔，直到鉆探未揭露存在溶洞，確定溶洞實(shí)探邊界線。以上3種情況的溶洞孔布置示意圖，如圖2所示。

圖2 3種情況下的明挖結(jié)構(gòu)溶洞孔布置示意圖

（1）對物探揭露溶洞投影面邊均小于5 m的小型溶洞，可不設(shè)探邊孔，直接施工注漿孔；

（2）對物探揭露溶洞投影面邊有一邊大于5 m的大型溶洞，在物探輪廓線處布設(shè)一圈探邊鉆孔，若鉆探未揭露存在溶洞，則停止向外發(fā)散鉆孔；若鉆探揭露存在溶洞，則繼續(xù)往外2 m打設(shè)鉆孔，直到鉆探未揭露存在溶洞孔或鉆探到結(jié)構(gòu)輪廓線外3 m，確定溶洞實(shí)探邊界線。

5.1.2 溶洞探孔施工

西坑站的溶洞探邊及成孔設(shè)計(jì)直徑為91 mm，選擇使用XY-100地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行成孔施工。施工采用跟管鉆進(jìn)及泥漿循環(huán)護(hù)壁的方式鉆進(jìn)，達(dá)到終孔后拔出套管，下好注漿管（袖閥管）并充填水泥漿進(jìn)行加固。探孔施工應(yīng)遵循以下原則[4]：

（1）鉆孔探邊前應(yīng)先進(jìn)行管線探測，探明地下管線分布情況，確保鉆孔位置沒有地下管線；

（2）鉆孔探邊前應(yīng)繪制探邊孔分布示意圖，探邊完成后應(yīng)繪制溶洞包絡(luò)圖；

（3）鉆探過程中，應(yīng)逐一記錄好每一孔的芯樣，并進(jìn)行標(biāo)識、分析、拍照及描述；

（4）探邊孔采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行施工；

（5）鉆孔結(jié)束后應(yīng)及時(shí)封孔或下管，防止因鉆透溶洞頂而引發(fā)塌方事故。

5.2 充填施工

5.2.1 投料孔布置

（1）探邊孔施工完成后，根據(jù)已探明的溶洞邊界線、溶洞垂直發(fā)育情況、溶洞內(nèi)充填情況，采用250型地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行投料孔鉆孔。投料孔間距在5～6 m左右。鉆孔完成后立即下護(hù)壁套管（投料管），深度至溶洞頂面，在地面用夾具固定；套管采用直徑200 mmPVC管。

（2）當(dāng)溶洞跨越結(jié)構(gòu)輪廓線外3 m時(shí)，需要沿結(jié)構(gòu)輪廓線外1～2 m左右的距離布置一排投料孔，投料孔間距在5～6 m左右。

（3）若發(fā)現(xiàn)在跨越結(jié)構(gòu)輪廓線外3 m且洞高＞5 m的大型溶洞，投料孔需在結(jié)構(gòu)輪廓線3 m外布置，投料孔間距在5～6 m左右。

（4）填料孔應(yīng)伸入溶洞頂板以下空洞內(nèi)不小于1 m的距離。若發(fā)現(xiàn)終孔段遇性狀較差、規(guī)模較大的巖溶或裂隙密集發(fā)育帶等地質(zhì)缺陷，需進(jìn)一步加深鉆孔深度，保證鉆孔深度達(dá)到巖溶下部完整巖體內(nèi)0.5 m的距離。西坑站投料孔布置示意圖，如圖3所示。

圖3 投料孔布置示意圖

5.2.2 排氣孔設(shè)置

根據(jù)充填施工經(jīng)驗(yàn)，每一個(gè)溶洞至少布置1個(gè)排氣孔，排氣孔與投料孔的間距在1～2 m，排氣孔間距不超過4 m，可選擇洞頂處鉆孔兼作排氣孔。施工過程中，為防止排氣孔堵塞，可采用75 mmPVC管進(jìn)行保護(hù)。

5.3 注漿施工

5.3.1 注漿孔布置

（1）對于高度＜1 m的小型溶洞，只需在勘探鉆孔處布置鉆孔即可，并且只需布置1個(gè)注漿孔。

（2）對于高度在1～3 m的中型溶洞，應(yīng)圍繞勘探鉆孔呈三角形布置注漿孔，需要布置3個(gè)注漿孔，注漿孔的間距為2 m×2 m。

（3）對于高度＞3 m的大型溶洞，需要圍繞勘探的鉆孔呈梅花形布置注漿孔，注漿孔的間距為2 m×2 m，布設(shè)的注漿孔要達(dá)到結(jié)構(gòu)外側(cè)3 m方位為止。

（4）注漿孔應(yīng)伸入到溶洞底部以下至少0.5 m處。若發(fā)現(xiàn)終孔段遇性狀較差、規(guī)模較大的巖溶或裂隙密集發(fā)育帶等地質(zhì)缺陷，需要進(jìn)一步加深鉆孔深度，保證鉆孔深度達(dá)到巖溶下部完整巖體內(nèi)0.5 m處。

（5）注漿過程中還應(yīng)設(shè)置排氣孔進(jìn)行釋壓。西坑站溶洞處理注漿孔布置示意圖，如圖4所示。

圖4 車站注漿孔布置示意圖

5.3.2 注 漿

（1）注漿順序。按照先注外圈孔，后注內(nèi)圈孔的原則注漿，而且同序列孔要間隔注漿。若注漿期間漿液流失量較大或者注漿壓力不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要及時(shí)調(diào)整漿液濃度或者選取雙液漿封堵溶洞周邊。

（2）注漿壓力。周邊孔第一輪注漿壓力為0.2～0.3 MPa，終灌注漿壓力為0.6～0.8 MPa；中央孔第一輪注漿壓力為0.2～0.3 MPa，終灌注漿壓力為0.8～1.0 MPa。另外，注漿泵的壓力取設(shè)計(jì)壓力1.3～1.5倍為宜。注漿壓力也可根據(jù)現(xiàn)場施工需要逐步進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)封堵涌水時(shí)，注漿壓力計(jì)算公式如式（1）：

式中：P——注漿終壓，MPa；

P0——涌水壓力，MPa。

（3）注漿量。按照工程地質(zhì)比擬、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、漿液均勻擴(kuò)散的單孔注漿計(jì)算3種方式確認(rèn)注漿量。采用整體計(jì)算的方式，計(jì)算公式如式（2）：

式中：V——溶洞預(yù)估體積，m3；

η——充填系數(shù)；

α——漿液擴(kuò)散系數(shù)。

①對于全充填，注水泥漿量：P1＝V×0.4。

②對于半充填，素混凝土充填量：P2/素混凝土＝V×0.8×0.8；注水泥漿量：P2/水泥漿＝V×0.8×0.2＋V×0.1（溶洞高度＞3 m）；水泥砂漿量：P2＝V×0.8（1 m＜溶洞高度≤3 m）；水泥漿量：P2/水泥漿＝V×0.8（溶洞高度≤1 m）。

③對于無充填，充填素混凝土量：P3/素混凝土＝V×0.8；注水泥漿量：P3/水泥漿＝V×0.2（溶洞高度＞3 m）；水泥砂漿量：P3＝V（1 m＜溶洞高度≤3m）；水泥漿量：P3/水泥漿＝V（溶洞高度≤1 m）。

④對于開挖范圍內(nèi)且洞高＞2 m的無充填或半充填溶洞，充填碎石量：P4/碎石＝V×0.5。

5.3.3 注漿結(jié)束

（1）單孔注漿結(jié)束。當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.2倍時(shí)，若注漿孔內(nèi)壓力仍然不上升，可以采用間歇式注漿的方式進(jìn)行處理；當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后，結(jié)束該孔注漿。當(dāng)注漿孔壓力均達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后，經(jīng)過10 min左右的穩(wěn)定，并且壓漿速度為開始速度的1/4或者單孔的注漿量已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%，可判定單孔注漿結(jié)束。

（2）全段結(jié)束。若所有的注漿孔均達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，且無漏注現(xiàn)象，即可判定全段注漿結(jié)束。

（3）封孔。按總注漿孔的5%～10%的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)抽查注漿孔，確認(rèn)終孔條件后，起拔注漿管，然后立即采用M7.5砂漿封孔。封孔必須嚴(yán)實(shí)且飽滿，且應(yīng)先充填后拔管，以免回填不實(shí)。

5.4 監(jiān)控量測

（1）為確保溶洞處理過程中周邊環(huán)境安全，在施工過程中，對溶洞處理70 m范圍內(nèi)建筑物進(jìn)行施工監(jiān)測，監(jiān)測溶洞施工過程中對建筑物的影響程度。每天監(jiān)測2次（上、下午各1次），如有預(yù)警情況，則加密監(jiān)測。

（2）施工過程中，采取每間隔20 m挖一處探溝，對管線位置進(jìn)行再次確認(rèn)，并將開挖出管線位置坐標(biāo)進(jìn)行測量取點(diǎn)，繪制成圖紙；同時(shí)在管線上布置監(jiān)測觀察點(diǎn)，每天監(jiān)測2次（上、下午各1次），如有預(yù)警情況，則加密監(jiān)測。

（3）鉆孔完成后，每個(gè)溶洞根據(jù)投影面積大小選取1～2孔作為地下水位監(jiān)測孔，監(jiān)測孔布置間距為20～30 m，安裝水位監(jiān)測管，每天監(jiān)測2次（上、下午各1次），如有預(yù)警情況，則加密監(jiān)測。

（4）車站巖溶處理的施工監(jiān)測，除一般常規(guī)的監(jiān)測外，需要特殊說明加強(qiáng)以下監(jiān)測內(nèi)容：

①巖溶地基處理工程應(yīng)進(jìn)行全程監(jiān)測，施工過程中應(yīng)隨時(shí)檢查材料準(zhǔn)用記錄、施工記錄和計(jì)量記錄、分項(xiàng)檢驗(yàn)記錄等內(nèi)容；

②對基坑周邊存在重要建筑的車站，其監(jiān)測范圍適當(dāng)加大，明挖基坑3 h，且不小于70 m。

（5）施工過程中應(yīng)對地下水位變化和降水對周邊環(huán)境的影響進(jìn)行監(jiān)測，并符合下列規(guī)定：

①應(yīng)采取措施預(yù)防降水引起的地基變形、影響建筑物的正常使用或結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

②在施工過程中應(yīng)做好質(zhì)量檢驗(yàn)和水位監(jiān)測，以及坑壁與坑底穩(wěn)定性監(jiān)測；

③基坑開挖應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工，應(yīng)著重考慮巖溶對基坑結(jié)構(gòu)安全性的影響；

④巖溶發(fā)育區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及開挖時(shí)，需加強(qiáng)水位監(jiān)測，水位監(jiān)測井需滿足20～30 m的間距要求。

5.5 巖溶處理效果檢查

5.5.1 注漿效果檢查

采用取芯法、滲透系數(shù)測試法、標(biāo)貫法等方法綜合評定注漿效果。西坑站主要通過取芯法和滲透系數(shù)測試法來檢驗(yàn)溶洞的注漿效果。

（1）取芯法。通過對巖溶處理加固體進(jìn)行取芯，對比取芯量、巖芯的整體性、溶孔充填效果、充填物芯樣的性能來判斷注漿效果，并對取芯芯樣進(jìn)行抗壓測試。注漿段無側(cè)限耐壓性能要大于0.2 MPa，充填材料段無側(cè)限耐壓性能要大于0.4 MPa。

（2）滲透系數(shù)測試法。通過壓水試驗(yàn)，計(jì)算注漿后地層的單位吸水量及地層滲透系數(shù)來判斷注漿加固效果。壓水試驗(yàn)透水率應(yīng)不大于5×10-5cm/s，且合格率應(yīng)達(dá)到85%以上；其余不合格孔段的透水率最大值應(yīng)不超過7.5×10-5cm/s，且不集中。滿足上述2個(gè)條件即可判定注漿合格。

5.5.2 充填效果檢查

（1）基底以上、圍護(hù)結(jié)構(gòu)3 m范圍外的溶洞，采用“二次壓漿”方法檢查溶洞的充填率；

（2）基底以上、圍護(hù)結(jié)構(gòu)3 m范圍內(nèi)的溶洞，先采用“二次壓漿”方法檢查，然后采用標(biāo)貫法測定密實(shí)度。當(dāng)標(biāo)貫值達(dá)到“堅(jiān)硬”狀的土質(zhì)，說明充填效果優(yōu)良，達(dá)到“硬塑”狀的土質(zhì)，則判定充填效果合格。

6 結(jié) 語

城市軌道交通車站溶洞處理涉及2個(gè)關(guān)鍵因素，一是溶洞的探邊，確定溶洞處理范圍，避免漏處理而留下安全隱患；二是處理效果的檢測，要確保處理達(dá)到必要的效果，滿足安全施工條件。本文通過實(shí)際操作總結(jié)出的溶洞注漿工藝和施工控制重點(diǎn)，可為類似城市軌道交通車站巖溶地段溶洞處理提供有價(jià)值的參考經(jīng)驗(yàn)。