岩溶区塌陷机理及地铁车站岩溶处理技术研究

叶书浩

摘 要：岩溶区域对地铁车站明挖基坑、结构施工以及建成后运营维护都有较大影响，为此，文章对岩溶区塌陷机理进行分析，研究提出提前对地铁车站岩溶地段进行处理，对溶洞、溶沟、溶槽填充，以及对溶洞间及溶洞与上层覆土间的水利联系进行阻断等技术措施，避免岩溶塌陷事故发生，以期为同类工程设计及施工提供借鉴。

关键词：地铁车站;岩溶塌陷机理;岩溶处理技术

中图分类号：U231.3

0 引言

岩溶区地铁车站基坑开挖过程中极易遇到涌水、突泥、地面塌陷等无法预料的地质灾害，给基坑施工、基坑周边环境带来巨大的安全隐患和经济损失。探究岩溶塌陷机理，有针对性地研究地铁车站基坑岩溶处理技术，是地铁建设的迫切需求。

长期以来，岩溶区地面塌陷已引起广泛关注，国内外许多学者对岩溶塌陷的分布规律、成因机制、触发原因、勘测技术方法、防治原则、处理措施进行研究。康彦仁[2]、胡亚波[3]、郑小战[4]等学者研究认为岩溶地面塌陷现象是多机制叠加的结果;范士凯[5]结合武汉地区岩溶经验，研究了岩溶塌落机理、类型、分布规律和防治对策;廖景[6]以广州5号线草暖公园至小北站盾构隧道溶洞处理作为工程实例，对盾构区间穿越岩溶区溶洞处理进行了分析与研究;张琨等[7]以白沙洲大道改造项目为例，研究了砂卵石地层覆盖岩溶情况下桩基穿越溶洞时预防漏浆、塌孔乃至地面塌陷的岩溶预注浆处理技术。本文从地铁车站岩溶塌陷机理入手，研究地铁车站岩溶地段处理，溶洞、溶沟、溶槽填充，溶洞间及溶洞与上层覆土间的水利联系阻断等处理技术。

1 工程概况

本次研究车站为地下二层双岛四线换乘车站，基坑长500.3m，标准段宽45.60m，深19.85～24.5m。场地揭露到的地层主要有，第四系人工填土层（Q4ml ），第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl ），第四系晚更新统冲洪积层（Q3al+pl ），残积层（Qel ）;车站基底位于中粗砂、泥炭质黏性土、粉质黏土、中微风化碎屑灰岩（可溶岩）。场地区域水系发育，地表水主要为河流、水库及少量沟渠水，地下水主要有2种类型，第一类是第四系松散岩类孔隙水，主要赋存于冲洪积砂层、圆砾土中，第二类是岩溶水，主要赋存于碎屑灰岩发育的溶洞及溶蚀裂隙中，具承压性。

根据详勘及岩溶专项勘察结果，本站岩溶属浅覆盖型岩溶，地质钻孔洞隙率35.3%，线岩溶率1.37%～89.29%，物探揭示溶洞366个，其中最大洞跨21.4 m，最大洞高26.6 m。岩溶发育极不均匀，总体属岩溶强发育，局部属岩溶微发育。岩溶型式有溶洞、溶孔、溶蚀裂隙、溶沟溶槽，以溶洞为主。溶洞主要为无充填、部分充填，充填物多为填流～软塑状黏性土夹砂土和碎石，钻具可自落。勘察未揭示有土洞发育，岩溶发育在平面上呈带状发育，发育极不均匀，岩溶垂直发育范围较大，可溶岩内均有发育且规律性不强。

2 岩溶区塌陷机理分析

范士凯、罗小杰[8]、康彦仁等研究总结了各种地质条件下岩溶塌陷的类型，根据大量岩溶塌陷处理的实际资料，按照地貌单元、地层时代和地层组合3个要素总结、划分了岩溶地面塌陷的宏观分布规律，提出不同地质条件下的岩溶地面塌陷具有不同的塌陷机理和相应的塌陷类型。关于塌陷机理，范士凯提出了“潜蚀—土洞冒落”、“渗流破坏—流土—漏失”以及“真空吸蚀”等3种机理。实际情况是三者并存，在不同地质情况下的塌陷符合不同的机理。

岩溶区塌陷影响因素有2类，一类是地质条件（内因），另一类是诱发条件（外因）。可溶岩上方土体是经过地质历史时期的沉积与固结作用形成的，经历了地质历史时期长期的地质作用，岩溶通道大多被堵塞，岩溶作用与其上方覆盖层已经达到平衡状态。没有外部因素的触发，岩溶地面塌陷现象一般不会或很难发生，尤其是在时间极为短暂的工程寿命期内（与地质历史相比）。因此，外部触发是岩溶地面塌陷的重要因素。罗小杰[8]从覆盖层塌陷土体破坏的受力角度将触发因素分为改变地下水作用、外加荷载、溶洞顶板抗力降低。

地铁施工活动诱发塌陷包括勘探钻孔入岩、扰动疏通岩溶水、加速岩溶水渗流、破坏溶洞稳定性引发塌陷等。基坑大量抽取地下水，使岩溶水急剧大幅度下降，溶洞填充物流失，溶洞顶板负荷增加，引发塌陷。大孔径围护成孔，疏通岩溶水通道，贯通串珠状溶洞，加速岩溶水渗流，导致覆盖土层流失引发塌陷。深桩基穿过砂土进入下部溶洞，导致其上砂土层漏失引发地面塌陷。

地铁运营期列车振动造成透水性覆盖层流失进入溶洞中，溶洞顶板失稳造成充填物冒顶或塌陷、片帮，基底沉降、底板下沉或脱空，造成结构变形超限，威胁地铁运营安全。

3 岩溶处理原则和范围

3.1 处理原则

（1）岩溶处理遵循以预防、预处理为主，先处理后施工的原则，根据岩溶对车站结构的风险评估结果，按不同工程类型因地制宜采取不同的预防性措施或治理措施。

（2）对明挖结构应从岩溶处理、基底处理、围护结构、施工期基坑抗涌水突泥措施、抗浮措施、主体结构及运营期风险防治方案等多方面协调统筹考虑，尽量把工程措施合并，采用简单通用的工程措施。

（3）对工程影响范围内的非全填充溶（土）洞均应处理，并根据溶洞规模、填充情况、溶洞与结构位置关系确定处理方案;对于全填充溶（土）洞应根据填充物性质、地基承载力、周边环境等情况确定是否处理及处理方案。

（4）当基坑孔隙水与岩溶水连通时，基坑应采用全封闭的止水帷幕（或围护结构），截断岩溶水上游的补给和渗流通道，并采用明排+管井的降排水方案，实现按需降水;基坑岩溶水排放，应防止其水位大幅度下降或急剧下降，在满足溶洞水抗突涌稳定性的前提下，尽量将水位控制在溶洞顶以上，避免因岩溶水的抽排导致周边地面塌陷或沉降。

3.2 处理范围

研究表明，当结构底以下5 m内存在溶洞时，施工过程中的扰动可能导致塌陷、涌水等问题，工程风险大。GB 50007-2018《建筑地基基础设计规范》中规定：①对于完整、较完整的坚硬岩、较硬岩地基，当洞体较小，基础尺寸大于洞的平面尺寸，并有足够的支承长度，顶板岩石厚度大于或等于洞的跨度時（即厚跨比≥1.0），可不考虑岩溶对地基稳定性的影响;②跨越岩溶洞隙的梁式结构在稳定岩石上的支承长度应大于梁高1.5倍。故本车站应结合溶洞的发育形态规模、稳定岩面顶板的高度、溶洞厚跨比等确定岩溶处理范围。车站岩溶处理范围见图1。

3.2.1 车站基坑岩溶处理范围

（1）围护结构施工前，其两侧3 m 范围及围护结构深度范围的溶（土）洞均需进行处理。

（2）当围护结构不嵌岩时，围护结构底以下5 m范围内的溶（土）洞需进行处理。

（3）当围护结构嵌岩时，明挖法围护结构底部以下稳定完整溶洞顶板厚度不应小于3 m，盖挖法围护结构底部以下稳定完整溶洞顶板不应小于5 m。

（4）基坑开挖范围内的土洞应进行处理;基坑开挖范围内的溶洞，顶板较完整且充填情况较好，经分析无塌陷可能且判定施工过程中不会诱发开挖面塌陷的，可不处理。

3.2.2 车站主体结构岩溶处理范围

（1）底板以下5 m范围内的溶洞，均需进行处理。

（2）底板以下5～10 m范围内的溶洞，溶洞稳定岩面顶板高度小于3 m或厚跨比小于1的溶洞，需进行处理。

（3）对于“串珠状”溶洞，当需处理的溶洞与其下伏溶洞之间完整基岩层厚度小于0.5 m时，需进行处理。

（4）岩溶地区桩端下溶洞顶板厚应满足以下要求：①端承桩桩端下的顶板厚度宜大于3d（d为桩径）且不小于5 m;当桩端下持力层岩性较差、岩体较破碎、岩溶裂隙发育强烈、裂隙水丰富时，顶板厚度不宜小于5d且不小于5 m;②摩擦端承桩桩端下的顶板厚度宜大于2.5d且不小于5m。

（5）鉴于溶（土）洞发育的不确定性，基底以下存在上述处理范围之外的土洞或特大型溶洞（≥5 m）时，需召开专题会议会同各方研究确定是否处理及相应处理方案，以保证施工及后期运营安全。

4 岩溶处理方案

4.1 处理方式选择溶（土）洞预处理措施应根据溶洞规模、填充物性质等因素确定，选择合理方式进行处理。

（1）对全填充溶洞采用注水泥浆处理，对于溶洞填充物为流塑状粉质黏土或淤泥的溶洞，也可采用旋喷加固。

（2）对规模小于2 m的半填充或无填充溶洞，采用注水泥浆处理;对规模较大的半填充、无填充溶（土）洞，可采用压注砂浆、填充低标号混凝土、吹砂+注水泥浆或填充碎石+注水泥浆等方法进行处理。

（3）对规模较大溶洞应加密钻探，进一步探明岩溶处理范围边界和填充情况，然后进行处理。岩溶探边及注浆孔平面示意图见图2。①探边以钻探揭露溶洞为中心，围绕勘探孔呈梅花形布置钻孔，钻孔间距宜为2m×2 m;②探边孔由中心依次向外围钻探，当探边孔超过围护结构外侧3 m外时，终止探边。探边孔兼做注浆孔，若洞体在处理范围内为有限边界，最外排孔未见洞，则该孔不需注浆，应向内收缩1孔为边界孔注浆;③若岩溶腔体较大，最外圈注浆孔注水泥水玻璃双液浆形成止浆帷幕，其余内圈孔注水泥浆单液浆。若处理范围内未找到洞体边界，在距围护结构外3 m处施工1排注浆孔，对空洞和规模较大半填充溶洞先注水泥砂浆，再复注水泥水玻璃双液浆形成止浆帷幕;④对规模较大全填充溶洞处理范围边界孔注水泥水玻璃双液浆形成止浆帷幕，控制注浆边界、减少注浆的范围及注浆量。

（4）在物探异常区，应评估施工风险，结合岩溶专项勘察钻孔布置及CT扫描，并考虑周边建（构）筑物、地下管线等现场场地条件，进行钻孔验证，如果发现溶洞，则依据溶洞的大小、填充情况及溶洞与结构位置关系采取有效的处理加固措施。

4.2 智能注浆

智能注浆采用注浆自动记录仪自动、准确地测记注浆量、注浆压力、注入率、浆液水灰比等注浆参数，通过注浆智能监控，监控施工过程中的进浆、返浆、压力等一系列施工参数、指标，以判定是否达到终浆标准。智能注浆监控能很好地解决注浆量的不足（填充溶洞不达标）、过量（浆液进入周边河道、地下管道（槽）内）、无法持压（溶洞内无法填满、溶洞间通道窜浆）等问题。智能注浆系统原理见图3。

终浆标准：①边界孔注浆孔口压力达到0.6 MPa，中央孔注浆孔口压力达到0.8 MPa，可结束注浆作业;②注浆孔吸浆量不大于40 L/min，且维持30 min，可结束注浆作业;③邻孔有浓浆液返出，可结束注浆作业;④单孔注浆量达到平均注浆量的1.5～2.0倍，且进浆量明显减少时，可结束注浆作业。若注浆孔口压力达不到设计注浆压力最大值，现场溶洞注浆量达到设计注浆量的110%，应召集各方现场共同协商处理。

4.3 注浆质量检测方法及标准

为保证岩溶预处理效果，保证车站结构安全，需对岩溶处理质量进行检测。为防止围护桩及桩基施工期间地面塌陷，围护桩周3 m范围内溶洞处理应保证充填效果，要求填充率应大于80%，同时要求随机原位标贯击数N≥10。對于基坑底以下5 m，围护桩、摩擦端承桩、摩擦桩桩端大于3d且不小于5 m溶洞处理应满足相应地基承载力要求;为降低基坑突水、涌泥、涌砂风险，保证基坑施工安全，基坑底以下5 m以及围护桩底3 m溶洞处理应满足止水要求，渗透系数宜小于5×10-5cm/s。

有地基承载力及止水要求的岩溶处理效果检查方法与标准见表1。表1中，3种评定方法相辅相成，缺一不可，相互验证;基底5 m范围内溶洞注浆处理后要求地基承载力不小于180 kPa;检查孔施作结束后应对其进行注浆封堵。

5 结束语

考虑到岩溶区塌陷理论研究还不够完善，岩溶区地铁建设经验有限，设计中应首先考虑结合地质条件通过选线调整路由及埋深，车站应尽量减小基坑深度，规避或降低岩溶区地铁建设及运营风险。对于线路无法规避的岩溶区应采取合理的施工方法及处理措施进行岩溶处理。本文依据地铁车站工程项目实例，结合车站复杂地质情况和具体施工工况分析了岩溶塌陷机理及其诱因，提出了具有针对性的处理方案，期望本文对类似工程有借鉴作用。

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收稿日期 2019-09-17

责任编辑 朱开明