长江一级阶地隧道盾构施工岩溶塌陷防治措施研究

吕延豪，孙雪兵，王金龙

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

由于地铁隧道施工及其他人类活动的影响，地铁穿越岩溶发育区极易诱发岩溶地面塌陷，威胁地铁运行和人民生命财产安全。弄清楚岩溶塌陷机理是岩溶研究的重点，由于地质结构和诱导塌陷外因的差异性，已经形成了几种广为认可的塌陷机理：潜蚀效应理论、真空吸蚀理论、潜蚀-真空吸蚀理论、压强差效应理论、震动论与液化论、自重效应理论、土体强度效应理论等[1]。武汉长江一级阶地为“上黏下砂”的二元覆盖型岩溶区，岩溶塌陷高发且特征明显[2]，廖明政[3]通过对武汉长江一级阶地白沙洲大道地面塌陷研究，发现主要为地下水水位变化和人为施工导致的顶板破坏，但并未详细阐述其塌陷机理。范士凯[4]对武汉地区岩溶地面塌陷进行了系统研究，针对长江一级阶地的岩溶塌陷提出了“渗流液化-流土漏失”的塌陷机理。可以看出，目前针对长江一级阶地塌陷机理的实体模型验证工作还比较欠缺，科学、直观地系统展示一级阶地岩溶塌陷过程仍比较困难[1]。

地铁隧道施工及运行对岩溶地层稳定影响巨大，塌陷后果严重，现阶段针对隧道岩溶的治理措施较多[5]，如武卫星等[6]根据岩溶地质结构类型分类，总结出在武汉地铁建设中采取注浆填充、岩层注浆帷幕、土层隔离、旋喷加固及围护结构入岩等处理措施，地铁2号线在穿越岩溶区时施工方也对隧道实施了岩溶注浆加固和洞内注浆加固措施[7]。但是目前分析岩溶对地铁结构及稳定性影响的研究较少[8]，地铁穿越岩溶区防塌陷方案设计仍处于探索阶段。为保障地铁隧道安全穿越长江一级阶地，开展地铁隧道防塌陷措施研究显得尤为重要。

1 工程概况

武汉地铁11号线三期工程江安路站-复兴路站区间位于长江南岸的武昌区，区间线路从江安路站出来后沿规划新武金堤道路下方穿行，经过大量既有房屋，并下穿武金堤，上跨地铁5号线区间，在巡司河街与复兴路路口下穿大型排水箱涵后继续北行穿过鹦鹉洲大桥引桥至复兴路站。线路走向基本与长江平行，全线长1.1 km，拟采用盾构法施工。初步勘察资料显示，区间位于长江一级阶地岩溶地面塌陷区，工程安全风险较大，仅在线路周围1 km范围内就曾发生3次岩溶地面塌陷，且都为自然突发岩溶地面塌陷，而附近区域因施工扰动而诱发的地面塌陷更为频繁。因此，对区间岩溶进行详细勘察、塌陷风险分析和制定妥善的防塌陷方案尤为重要。

2 塌陷机理

盾构区间位于武汉长江一级阶地上的全新世(Q4)二元结构地层组合的冲积层中，属武汉市8条岩溶隐伏岩溶带中的蔡甸张湾街-汉阳江堤街-武昌南湖-庙岭镇隐伏岩溶条带的东侧条带[9]，其砂层直接覆盖在岩溶发育的灰岩之上，上下2层之间存在密切的水力联系，属于极易塌陷区域[10]。

根据岩溶地面塌陷的机理，结合该区间地质结构和地下水特征，地铁盾构穿越该区容易发生“渗流液化-流土漏失”型塌陷[4]或“沙漏”型塌陷[5]。“渗流液化-流土漏失”型塌陷是指饱和粉土或砂层直接覆盖在可溶岩岩面之上，在粉土或砂层中的孔隙水与可溶岩中的岩溶裂隙、管道水发生直接联系，形成统一运动情况，由于水位不断升降变化，尤其是岩溶地下水位或承压水头低于孔隙水位时，发生垂直向下渗流。当水力坡度加大，且超过临界水力坡度时会产生流土，砂土呈流动状态漏入岩溶空洞，地面出现塌陷坑。

3 水文地质及塌陷物理模型试验

3.1 地层岩性

根据区间钻探资料、原位测试、工程物探和室内试验成果可知，区间范围内的岩土层构成主要为：表层人工填土，湖积层，第四系全新统冲积层，第四系中更新统冲、洪积层，残积、坡残积层，三叠系(T)灰岩，泥灰岩等。区间沿线溶洞主要在灰岩中发育，地质结构特征如下所述。

(1) 粉质黏土(地层代号3-2)。褐色、灰褐色，呈软塑状态，土质较均匀，刀切面较光滑，手指稍用力可按出浅坑，局部夹少量粉土，干强度中等偏低，韧性中等偏低。层厚1.40～23.70 m，平均厚度5.56 m，层面埋深1.30～17.90 m，层顶标高8.08～21.87 m，沿线场区内该层部分地段分布。

(2) 粉砂(地层代号4-1)。灰黄色、青灰色，松散～稍密状态，砂粒矿物成份主要为石英、长石，含白云母，级配差，均匀性较好。层厚0.90～10.00 m，平均厚度4.69 m，层面埋深3.00～16.40 m,层顶标高5.03～19.27 m，沿线场区内该层部分地段分布。

(3) 粉细砂(地层代号4-2)。灰～青灰色，饱和，稍密～中密状态，砂粒矿物成份主要为石英、长石，含白云母，级配差，均匀性较好，该层中局部地段不均匀夹有薄层粉土、粉质黏土。层厚1.20～15.20 m，平均厚度6.10 m，层面埋深6.60～28.80 m，层顶标高-3.56～17.87 m，沿线场区内该层大部分地段分布。

(4) 中风化灰岩(地层代号16a-2)。岩体张性裂隙和碎裂裂隙较发育，钻进时大部分钻孔严重漏浆，钻孔岩芯表面小溶沟、溶槽较为发育，取芯节长5～80 cm不等，采取率约85%～95%。岩石饱和单轴极限抗压强度值为41.91～88.08 MPa，属于较硬岩～坚硬岩；岩体较破碎，岩体基本质量等级为Ⅲ～Ⅳ级。层面埋深22.50～55.00 m，层顶标高-33.39～-1.05 m。

(5) 中风化泥灰岩(地层代号16b-2)。部分岩芯表面有溶蚀现象，节理裂隙发育，取芯呈碎块状和5～50 cm柱状，采取率约75%～90%，属于软岩～较软岩，岩体破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层面埋深31.50～46.90 m，层顶标高-24.87～-5.96 m。

区间地层中已探到的无充填溶洞垂高0.80～2.80 m，平均高度1.83 m，洞顶埋深26.10～32.30 m。半充填-全充填溶洞洞内充填物为软～硬塑状态的黏性土夹灰岩块，溶洞垂高0.60～4.10 m，平均高度1.52 m，洞顶埋深27.4～49.8 m，洞顶标高-27.77～-2.90 m。区间地层物理力学参数设计建议值如表1所列。

表1 地层物理力学参数设计建议值汇总Tab.1 Summary of recommended design values of physical and mechanical parameters of formation

3.2 水文条件

场区内的地下水主要有上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水和岩溶水4种类型。

(1) 层滞水主要赋存于填土层中，无统一自由水面，勘察实测沿线钻孔内的上层滞水稳定水位在0.51～3.20 m之间，绝对标高为19.01～26.81 m。

(2) 孔隙承压水主要赋存于粉质黏土夹粉土、粉砂、砂性土层、砂混砾卵石中。基岩裂隙水主要赋存于下伏灰岩、泥灰岩、砂岩和石英砂岩的节理裂隙中，主要由上部承压水下渗补给，其水量较为匮乏。

(3) 岩溶水主要赋存于灰岩和泥灰岩中。岩溶水与长江有一定水力联系，含水层的水力交替循环条件和地下水的承压性及丰富程度主要受岩溶发育程度的影响[3]。根据此次钻探施工揭露岩溶的发育情况发现，该标段场区内灰岩和泥灰岩中的岩溶较为发育，表明场区内存在岩溶水，其水量和水位将在详勘阶段进一步查明。

3.3 塌陷物理模型试验

针对长江一级阶地典型的地质构造，结合场区的地质特征，自主设计物理模型，定量研究岩溶地面塌陷过程，验证其塌陷机理，也为岩溶处理提供依据。

物理模型由模型主体、供水系统、砂土收集系统、水位监测系统与地面变形监测系统组成(见图1)。

图1 岩溶地面塌陷物理模型结构示意(单位：mm)Fig.1 Physical model structure of Karst ground collapse

模型主体为长方体透明容器，为岩溶基岩上覆地层模拟区域。主体模型底板正中间预留一直径为10 mm的圆孔，模拟岩溶通道与上覆地层的岩溶开口。供水系统分别为上覆地层(如粉细砂层)提供稳定水位(供水系统1)，为岩溶通道提供设计水位(供水系统2)，设计水位可按要求变化，两供水系统相互独立。水位控制系统可分别对两供水系统提供独立的稳定水头，控制精度为1 mm，量程0～15 m(静水头)。沙土收集系统包括2个串联的漏斗状容器，容器1和容器2分别和供水系统2连接。利用摄像机录制岩溶塌陷全过程，重点捕获砂层中水位降落漏斗以及岩溶塌陷的启动-发生-结束全过程。

模型试验直观地观测到长江一级阶地典型岩溶地面塌陷过程的3个阶段：① 初始阶段，砂层中水位降落漏斗出现；② 临界破坏阶段，水力梯度达到临界值时，流土-漏失发生；③ 最后阶段，塌陷形成。随岩溶水位下降，模型试验共发生3次塌陷，最大塌陷速率随塌陷次数明显减弱，塌陷过程变得更加平稳。在第3次沙漏塌陷后，再降低水位，未观测到明显的沙漏现象，说明岩溶塌陷结束。

对模型塌陷过程分析如下：当岩溶水位高于孔隙水位时，无漏砂现象发生；但当岩溶水位持续下降时，孔隙地下水向下渗流的初始阶段先发生潜蚀，即土中细颗粒被带走，形成“漏斗状疏松体”，进而渗流加剧，局部水力坡度加大，当向下渗流的水力坡度大于孔隙含水层的流土临界水力坡度时饱和砂土呈液态，发生流土，向溶洞中漏失，形成地面塌陷。并且，塌陷发生至扩展到一定程度后停止，再继续降低岩溶水位，新一轮砂土液化-漏失发生，岩溶塌陷继续发展。上述试验结果完全再现了“渗流液化-流土漏失”岩溶塌陷过程，验证了长江一级阶地典型岩溶地质岩溶地面塌陷机理的正确性，试验模拟得到岩溶塌陷沙漏的塌陷坡角为40°。

4 盾构区间岩溶处理及防塌陷方案

沿线地质勘探资料显示，区间基岩为可溶岩，上部为全新统砂性土，属典型的二元结构地层组合[11]，极易发生“渗流液化-流土漏失型”塌陷，地铁盾构施工及运营过程中隧洞及临近地区均存在岩溶塌陷的风险。

范士凯[12]在岩溶地面塌陷调查研究和武汉地区数十处岩溶地面塌陷事故、灾害处理实践的基础上，提出了土体工程宏观控制论，即通过测绘、勘探，准确界定它们的空间界限和类型，并通过试验确定地质-土体力学模型，然后针对各类工程地质和岩土工程问题给出评价结论和工程措施建议。笔者也准备以这一理论为指导，开展区间岩溶处理和防塌陷方案设计。

4.1 岩溶处理及防塌陷方案

借鉴武汉地铁6号线红建路站-马鹦路站区间地铁盾构穿越相同地质条件区岩溶处理设计与施工的成功经验[13-14]，制定江安路站-复兴路站区间岩溶处理方案：利用隔离桩及岩溶防渗帷幕等措施隔断隧道区间与外侧砂层的水力联系，再利用隧道底岩溶满铺注浆方式充填溶洞，并隔断垂直方向的水力联系，确保盾构区间内地下水稳定，避免发生渗流液化-流土漏失型塌陷。

隧洞岩溶处理和防塌陷方案如图2所示，具体如下：隧洞两侧布置隔离桩，隔离桩由Φ800 mm@1 100 mm灌注桩+桩间Φ800 mm旋喷桩+灌注桩靠隧道侧一排Φ800 mm@500 mm旋喷桩组成，灌注桩入岩1.0 m，旋喷桩加固至基岩面；帷幕注浆位于隔离桩底部，先于隔离桩施工，注浆管深入基岩面下15.0 m，注浆范围为基岩面下15.0 m至基岩面上1.0 m，注浆管双排布置纵向间距为2 m；满铺注浆间距根据岩溶发育情况按3 m×3 m或5 m×5 m梅花形布置，注浆管深入基岩面以下10 m；注浆处如遇溶洞底部边界深于要求的注浆深度范围，注浆管应深入溶洞底部以下1.0 m进行注浆，隔离桩位置及注浆孔位置及其间距可视地面环境及地下管线情况予以适当调整。

图2 区间隧道岩溶处理及防塌陷方案示意(单位：mm)Fig.2 Schematic diagram of Karst treatment and anti- subsidence scheme of interval tunnel

4.2 方案安全性分析

为了对区间隧道岩溶方案的安全性进行初步评价，本文根据地层结构及隧道结构特征，针对该设计提出的区间隧道岩溶处理方案，对岩溶处理前后地层的地下水渗流特征进行了模拟分析。

图3为岩溶满铺注浆处理前后的孔隙水压力分布云图，从图3(a)可以看出，灌浆加固前由于溶洞的存在，地下水存在流向溶洞的趋势，因此在溶洞周围的孔隙水压力有明显的增大，溶洞上方的孔隙水压力分布表现为漏斗状。而在灌浆加固之后水泥浆将原有溶洞充填，由于水泥浆固结后具有一定抗渗性能，因此孔隙水压力重新恢复至均匀分布状态，如图3(b)所示。

图3 灌浆前后地层孔隙水压力分布(单位：Pa)Fig.3 Pore water pressure distribution before and after grouting

图4为隔离桩实施前后的孔隙水压力分布云图，加固前，由于同一水平位置土层的物理、力学性质相同，故孔隙水压力分布比较均匀，同一水平位置的孔隙水压力基本相同，渗流梯度分布也相对规则，均是由土层自下而上逐渐减小,如图4(a)所示。隔离桩加固后，从图4(b)可以看出：钻孔桩和旋喷桩在砂土层中形成了一道隔水帷幕，当帷幕外侧岩溶引发沙土层塌陷时，桩体可以防止隧道一侧的砂土在渗流作用下产生流失而造成隧道周边土层的破坏。

图4 隔离桩加固前后地层孔隙水压力分布(单位：Pa)Fig.4 Pore water pressure distribution before and after isolation pile reinforcement

根据本区间地层二元结构特征下的“渗流液化-流土漏失”岩溶地面塌陷机理，在切断了隧道区域与周边区域的水力联系后，可初步保障隧道盾构施工及地铁运行的安全。

5 结论与建议

武汉长江一级阶地典型的二元地层结构为岩溶地面塌陷高风险区，本文分析了武汉地铁11号线三期工程江安路站-复兴路站区间地层地质和水文情况，认为在隧道盾构施工及地铁运行过程中存在岩溶塌陷风险，通过物理模型试验验证了长江一级阶地岩溶塌陷的“渗流液化-流土漏失”机理。借鉴类似工程经验，结合该区间地层结构特征，制定了“隧道外侧隔离桩及桩下帷幕注浆，隧道区内满铺岩溶注浆”的岩溶处理及防塌陷方案，并通过地下水渗流模拟分析验算了此方案对预防岩溶地面塌陷和地铁施工运行安全的保障效果。

后续研究中，建议进一步进行区间地质详勘，细化区间岩溶处理设计方案，通过数值模拟进一步验算该方案的受力稳定性，完善设计，提升方案的经济性。同时在施工和运行期应加强对区间结构内力及变形、地面沉降、周边水位的监测，定期对结构进行检测，建立预警体系，编制应急预案，确保工程运营安全。