地铁隧道穿越岩溶地区处理方案及控制措施研究

广东省重工建筑设计院有限公司，广东 广州 510670

随着轨道交通的快速发展，在岩溶地区修建地铁区间隧道已经成必然趋势，专家学者对此进行了相关研究，如卓旭炀[1]分析了岩溶上覆地层塌陷机理以及软塑红黏土层及硬塑红黏土层中盾构隧道的施工风险，并提出了相应的处理措施。

赵勇等[2]以衡阳合江套湘江隧道为背景，对隧道穿越岩溶区的风险水平进行了量化分析，提出了完善的岩溶风险处理措施。陆平等[3]结合武汉地铁6号线，在分析溶洞塌陷机理的基础上，提出了针对不同地质岩溶发育类别应采取相应的处理方法。一般岩溶地层土层之间的力学差异性大，抗剪强度较低，后期沉降较大。对于岩溶地区施工城市的地铁区间隧道，在盾构的掘进过程中更容易引起地面的不均匀沉降和盾构机的掉钻、栽头等严重事故，从而影响地基的稳定性。为此，在岩溶地层中采取有效措施对保证盾构隧道的安全通过具有重大意义。

文章依托广州市轨道交通8号线的两个区间段（分别为出入段线区间及亭岗站—白云湖区间），基于隧道的设计与施工，提出开展地铁区间隧道如何顺利通过此类存在岩溶情况的复杂地层条件以及现场如何保证施工质量和加固措施，然后介绍了岩溶地区地铁区间隧道运营期间的一些主要风险和保护措施，为复杂岩溶地区的地铁盾构设计施工提供参考。

1 工程概况及处理方案比选

1.1 工程概况

文章以广州地铁8号线北延段工程的亭岗站—白云湖区间及出入段线区间隧道为工程依托，根据亭岗站—白云湖区间的勘探结果，一共勘探了87个孔，其中14个钻孔出现溶洞，其见洞率达16.1%；根据出入段线区间隧道勘探的25个孔中有9个钻孔出现溶洞，其见洞率达36%，由此可知两个区间均属于岩溶发育区间。区间隧道范围内溶（土）洞发育，对地下水位变化均较为敏感，地下水水位变化易导致岩溶塌陷。

1.2 处理方案比选

（1）岩溶区处理方案对比。对于岩溶风险区工程处理方法主要如表1所示。

表1 岩溶风险区工程处理方法表

该项目的岩溶地层主要存在于区间隧道，为防止盾构出现栽头掉钻等风险，给行车安全及路面塌陷造成无法估量的后果，该工程主要采用注浆方式对岩溶区进行预处理，区间隧道溶洞处理遵循溶洞探边及注浆同步进行的原则。

对于注浆材料的选择，开展了两个方案进行比较：一是水泥浆液掺入粉煤灰；二是砂子里注入注浆液。

注浆的水泥浆液均有加入水玻璃速凝剂，根据室内外试样对比，如表2所示。

表2 注浆材料方案试验对比结果

通过研究可知，虽然方案一造价约为404元/m3，方案二造价约为326元/m3，但是方案一扩散半径为2.6m，方案二扩散半径为0.8m。故文章注浆材料选用水泥浆液掺入粉煤灰，其中粉煤灰、水泥、水质量比为0.32∶0.56∶1，水玻璃速凝剂的体积比约为0.08∶0.2∶1。

（2）注浆方案对比。目前地面的加固注浆方案主要有袖阀管地面注双液浆与双管旋喷桩，采用的布置方案均可为2000mm×2000mm梅花形，深度到岩面，与地面成90°直角。考虑到方案的经济性，对两种方案的设计概算进行对比，其结果如表3、表4所示。

表3 袖阀管地面注双液浆造价变化表

表4 双管旋喷桩地面加固造价变化表

由表3、表4可知，在同样的注浆间距和深度的情况下，由于采用袖阀管对地面注双液浆液的方法造价更低，因此该项目采用这一方法。

2 岩溶地区处理方案

2.1 岩溶地区处理目的

（1）减小在区间隧道盾构掘进过程中产生坍塌和盾构机头的掉钻、栽头风险，同时避免对周边管线和建筑物造成影响。

（2）满足盾构区间隧道底部的承载力和变形条件。

（3）防止溶（土）洞的发育程度加深，降低地铁通车后的运营风险。

2.2 岩溶地区处理原则

（1）区间隧道底施工应遵循岩溶处理、施工期突涌水、基底处理以及通车期间风险防治措施等多方面统一考虑的原则。

（2）对工程安全有影响的溶洞和土洞全部需要进行处理。

（3）如果在工程影响范围内存在非完全填充的土洞，需要全部进行处理；如果在工程影响范围内存在完全填充的土洞，则根据周围环境及填充物的性质来确定是否需要进行处理[4]。

2.3 岩溶地区处理范围

根据岩溶地区的处理原则，为了能够确保在地铁施工过程中和施工完成后运营阶段的安全，地质勘察单位探明的所有关于工程影响范围的岩溶地层均需要进行处理。

当区间隧道底部的地质情况为灰岩时，需要对隧道结构轮廓外1m后的岩溶地层作为处理的范围，且应处理存在于隧道底板下2m内任意大小的溶洞[5]。当区间隧道底部的地质情况为砂土层时，如果隧道底部仰拱的土层为黏土或粉质黏土等不透水的隔水层，且厚度超过2m时，对于隔水层下方的岩溶地层可以不进行处理；如果隧道底部为砂层，且不存在稳定的隔水层，隧道外轮廓外偏3m及底板下2m范围内的岩溶地层，都应该进行处理。

2.4 岩溶区处理流程

（1）布置钻孔。需要同步进行钻孔布置及溶洞探边，将存在溶洞的钻孔作为基准点，先从隧道边线对钻孔进行加密施工，若在隧道内进行钻孔施工，钻孔间隔应该为2m，并将其作为注浆孔。选择在数个洞顶处钻孔，将其作为排气孔，钻孔的间距如果超过4m，则需要进行加设，其布置图分别如图1、图2所示。

图1 隧道结构外侧3米线钻孔平面布置图（单位：m）

图2 隧道结构外侧1米线钻孔平面布置图（单位：m）

（2）溶洞探边。对于溶洞的探边钻孔，一般采用的是91mm的直径，在钻孔的过程中要采用泥浆护壁，并施作套管跟进，当钻孔深度达到设计深度时停止钻孔，拔出套管并插入注浆管，对注浆管周边进行水泥浆充填。

关于溶洞边界的探明，如果外围的钻孔出现溶（土）洞（或所揭示的溶土洞不符合处理原则），则采用封孔处理。如果在钻孔过程中发现符合处理原则的溶（土）洞，则需要在钻孔过程中做好记录并下注浆管。

根据探边钻孔原则，当隧道底板处于不透水层时，探边钻孔至隧道底2.0m；当隧道底板处于砂层时，探边钻孔需要穿透砂层，并进入1.0m左右的不透水层；若砂层较厚，探边钻孔需要进入10.0m的砂层。

（3）下注浆管。根据由详勘钻探和施工探边了解到的溶洞情况，对溶洞进行注浆处理，注浆管布置方式如下：地面到溶洞顶板的范围采用实管；溶洞范围内采用钢花管，钢花管底部采用闷盖进行封堵。将实管和花管焊接为一根管后必须检测管的密封性，在管内注满清水后（以重力抵消孔内水的浮力），马上将管插入钻孔直至岩溶地层的处理标高，注浆管顶部露出地面约0～30cm，同时露出地面的注浆管需要使用闷盖加以保护。注浆管插入钻孔后，对靠近地面1～2m的注浆管与钻孔空隙需要使用水泥砂浆进行封堵加固[6]。

岩溶区注浆的具体流程主要分为六个步骤进行：

第一，通过取芯结果，对溶洞深度、位置、充填物及大小进行判断，并记录整个过程的现场情况，如有无发生掉钻、漏水等特殊情况；然后根据钻孔结果制订合理的溶洞处理方案及相关的注浆参数等，具体如图3所示。

图3 判断溶洞深度、位置、充填物及大小

第二，安装抵达溶洞底部20～30cm注浆管，具体如图4所示。

图4 安装抵达溶洞底部20～30cm注浆

第三，在孔壁与套管之间注入套壳料；然后在地平面4m范围内通过止浆料进行止浆（防止浆液流进管道中），具体如图5所示。

图5 注入套壳料于孔壁与套管

第四，在注浆管内安装注浆芯管；然后进行水泥浆液的配置，通过压力注浆形式，对注浆管内进行压力注浆；最后使溶洞内充填物发生渗透固结并变密实，具体如图6所示。

图6 安装注浆芯管于注浆管内

第五，使用清水对注浆管进行清洗后安装孔口保护装置，同时检查溶洞的注浆效果，并对其是否合格进行判断，若不满足要求则进行二次注浆，具体如图7所示。

图7 安装孔口保护装置

第六，对注浆效果进行最后的检查，若合格则采用M15水泥砂浆进行注浆封孔，并恢复路面，具体如图8所示。

图8 检查注浆效果

3 岩溶区注浆处理质量安全控制

3.1 注浆施工质量控制措施

（1）注浆过程中如果发现大量浆液流失，为了保证注浆的效果，应适时地添加水玻璃等。

（2）对于注浆孔的注浆应采用跳跃方式注浆，防止串浆和跑浆。

（3）注浆方式一般采用重复注浆，以保证注浆的效果，注浆的间隔时间一般为6～10h，在进行3次注浆后，当达到终孔压力时应停止注浆并封孔。

（4）需要记录现场整个过程，结合取得的注浆数据进行及时调整和改进，并记录孔深、孔位、涌水等情况，如果不符合地质报告，应进行更改修正。

3.2 岩溶区注浆处理效果查验

（1）对于溶（土）洞注浆效果的检验，一般采用“二次注浆”方法检查填充率，或通过随机原位标贯试验进行检测注浆效果。当标贯值达到“坚硬”时，注浆效果为优；当标贯值达到“硬塑”时，注浆效果为合格[7]。

（2）对于基底处或基底下浅层溶洞，需要满足以下任一条件：①随机原位标贯试验，其标贯击数大于等于10；②随机钻孔抽芯法抗压试验，其28d无侧限抗压强度大于0.2MPa。

（3）将固结状态及固结强度作为砂层等注浆加固效果检查的评定标准。其中，土层的固结状态，一般通过“土层取样”的方式检查。如果试样为“完整、不破碎”，则表明土层固结效果较好；如果试样为“松散、破块状”，说明其固结效果较差。一般采用标贯法检查固结强度，其标贯值达到“坚硬”为优，达到“硬塑”为合格。

4 运营期主要风险及保护措施

地铁运营期间存在的风险主要有以下三点：

（1）受目前钻孔和勘察水平的限制，难以探明地下所有溶洞的分布情况，而未探明的溶洞将导致地铁在运营期间存在一定的风险。

（2）由于地铁通车对周边经济的影响，必将导致地铁周边大量建筑物的兴起，在对这类建筑物进行打桩、抽排地下水和深基坑的开发时，容易导致溶洞的塌陷从而引起地面沉降和地下水位的急剧下降，进而使地铁的运营存在风险。

（3）地铁运营期间，地铁存在震动荷载，该震动荷载将对溶洞产生较大影响，对未探明及未处理的溶洞产生不利影响。

为了避免地铁运营期间的这些风险，建议对地铁进行全方位自动化监控测量，同时在管片拼装时预留注浆孔，当监测数据变化较大时进行注浆加固。对于在地铁周边开发和施工的项目，均需要对其周边地铁进行安全评估论证，确保地铁安全，最后严格控制周边工程项目对地下水位的影响，确保地下水位不发生大幅度升降。

5 结论

文章基于广州市地铁8号线盾构区间工程实例，开展地铁隧道穿越岩溶地区处理方案及控制措施的研究，主要工作总结如下：

（1）通过对比岩溶风险区工程处理方法，结合工程的特点，采用袖阀管注浆方式对岩溶区进行预处理，防止盾构出现栽头、掉钻等风险。

（2）在明确了岩溶地区处理的目的、原则及范围的基础上，提出了岩溶区工程处理的具体流程，从而确保地铁施工和运营的安全。

（3）建立了岩溶区注浆处理质量安全控制，并对岩溶区注浆处理效果进行查验。总结了运营期的主要风险，并提出相应的保护措施，从而确保地铁后期运营的安全。