红黏土岩溶地区地铁盾构隧道处理措施研究

张美聪

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

0 引言

武汉市地处江汉平原与鄂东丘陵山地的交接地带，地势东部、东南部高，中部与西部稍低，具明显的丘陵—平原地形特点。根据相关研究和岩溶专项勘察，武汉市可溶碳酸盐岩为近东西向的条带分布，主城区主要划分为北部、中部及南部3个碳酸盐岩条带；主城区外围以南还分布有4条近东西走向的碳酸盐岩条带[1-2]。近年来，武汉城区发生了多起岩溶地面塌陷地质灾害[3-4]，给人民的生产、生活与工程建设造成了严重影响[5-6]，2014年5月2日，临近武汉地铁纸坊线(27号线)大花岭站—江夏客厅站区间的江夏区大桥新区文化大道江南新天地小区项目工地进行补充地质勘探时发生岩溶塌陷事故。当地铁区间隧道穿过岩溶条带时，如岩溶处理不当或者未做处理，可能引发岩溶地面塌陷、突水、突泥等工程地质问题，同时也给地铁运营留下安全隐患[7-8]。目前武汉地铁6号线、7号线、11号线、2号线南延线、纸坊线等多条线路都遇到了岩溶问题，因此，有必要对岩溶的分布特征和处理措施进行总结，为武汉市后续地铁工程建设和类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

武汉地铁纸坊线(27号线)工程由7号线一期工程野芷湖站引出，沿文化大道、文化路、纸坊大街自北向南，止于地铁小镇站，线路全长16.96 km，设站7座，均为地下线。本工程横穿了主城区外围以南的4条隐伏可溶碳酸盐岩条带，分别为④沌口—流芳岭复式倒转向斜岩溶带、⑤汤逊湖—鸭儿湖扇形向斜岩溶带、⑥五里界向斜岩溶带、⑦鸢龙山—官家畈向斜岩溶带。(见图1)

图1 纸坊线与隐伏碳酸盐岩分布带关系图

其中大花岭站—江夏客厅站区间，线路出大花岭街站后沿文化大道向南敷设，直达江夏客厅站，区间线路长度约为2.3 km，位于⑤汤逊湖—鸭儿湖扇形向斜岩溶带内，区间平纵断面如图2、图3所示。

图2 大花岭站—江夏客厅站区间平面图

纵断面沿线基岩起伏变化较大，区间隧道穿越的主要地层有10-1黏土、13-2-1红黏土(硬塑状态)、13-2-2红黏土(可塑状态)及部分16b-2中—微风化石灰岩(单轴饱和抗压强度最大值68 MPa)。全区间分布有可溶性石灰岩，灰岩内有溶洞发育，灰岩上方覆盖层为红黏土，以13-2-1硬塑状、13-2-2可塑状和13-2-3软—流塑状三种形态分布，区间隧道的最小覆土约6 m，推荐采用盾构法进行施工，圆形断面，隧道内径5.5 m、外径6.2 m。

2 岩溶发育特征

2.1 可溶岩隐伏特征

该区间下部岩层主要为下三叠统大冶组(T1d)黏土岩夹灰岩条纹、泥质灰岩夹黏土岩条带、薄层灰岩、泥灰岩夹薄层灰岩，岩层上方为第四系覆盖层，主要地层为1-1杂填土、1-2素填土、10-1黏土及13-2-1(2、3)红黏土，覆盖层厚度8.1～33.1 m。可溶碳酸盐岩在地表基本无露头，根据其隐伏的特点属于覆盖型碳酸盐岩，上覆盖层为单一的具触变性的黏性土，为一元结构。上覆黏性土在下伏岩溶发育的可溶岩潜蚀的作用下易形成土洞，规模不大的土洞可自稳，并产生充填，自然条件下影响一般达不到地表，不易产生岩溶地面塌陷，但在外部环境扰动下，可能引起红黏土流动塌陷等地质灾害。

2.2 岩溶形态

2.2.1 岩面

从大花岭站—江夏客厅站区间纵断面图(见图3)可以看出，岩面起伏大，即岩层表面与覆盖层接触部位表现出凹凸不平，其主要的岩溶形态有：

(1)石芽：一般高0.6 m左右，基座直径0.8 m以上，表面具有海绵状、蜂窝状溶孔；

(2)溶沟溶槽：主要发育在褶皱核部或断层破碎带附近，在岩石裂缝基础上发展形成，走向多为近EW向，长短宽窄不一，断面上呈沟槽状或浅凹碟状；

(3)溶蚀凹地：由溶沟溶槽继续发展而成，大部分充填含碎石的黏性土。

2.2.2 溶洞

岩溶内部发育带中的岩溶形态有：

(1)溶孔：直径0.2～3.0 cm，局部达8 cm，在灰岩、白云质灰岩中最发育，发育深度较大，常呈海绵状，其发育由浅至深逐渐减弱；

(2)溶洞：按形态和成因分为裂隙状溶洞和管道状溶洞；裂隙状溶洞多见于浅部，一般宽0.2～2.0 m，高0.2～16.5 m，局部达20余米，形态不一；管道状溶洞洞壁多呈犬牙状，形态不规则，但规模较大，洞高0.5～10 m，局部达20.8 m；溶洞顶底板多见蜂窝状、针状溶孔。

本区间溶洞多以顺层面和沿竖向溶蚀裂隙发育的竖向溶洞为主。以DJ-K140钻孔为例：钻孔揭示溶洞为串珠状，溶洞铅直高度1.3～7.5 m，后在其周边2.98～5.33 m范围以梅花型布置4个钻孔。根据钻孔揭示，该溶洞在形态上为顺岩层走向(或裂隙)发育的陡立溶洞，多呈串珠状发育，垂直岩层走向方向溶洞最大高度达15.1 m，平行于岩层溶洞宽度达20余米(见图4、图5)。

图4 DJ-K140钻孔平面图

图5 DJ-K140钻孔揭露溶洞形态示意图

2.3 岩溶发育特征

本区间共布设岩溶专项勘察孔395个，共揭示溶洞536个，钻孔见洞隙率、线岩溶率如表1所示，物探发现异常678个，如表2所示。

表1 钻孔见洞隙率、线岩溶率统计表

表2 物探CT推测岩溶异常点统计表

溶洞规模如表3所示，主要以小于3 m为主，共272个，占比达50.74%，3～6 m溶洞187个，占比34.8%，6 m以上的大溶洞77个，占比14.36%。

表3 溶洞规模统计表

溶洞的充填情况为：无充填241个，占44.96%，半充填130个，占24.25%，全填充165个；占30.78%。溶洞充填物多为棕红、棕黄、黄褐色黏性土或黏性土夹碎石；少部分溶洞充填中密的灰黄色角砾状土或碎石土。充填物状态不一，多呈软塑—可塑状，部分呈流塑或硬塑状。一般来说浅部1～12 m溶洞多为全充填，无充填或半充填的溶洞相对较少，埋深较大的溶洞多为无充填。

同时地质物探CT推测岩溶异常点的高程分布规律与钻孔揭露的溶洞的高程分布规律基本吻合，场区岩溶异常点顶板标高大多在-20 m(距离岩面0～30 m)标高以内，约占异常点总数的93.62%，其中主要在基岩面10 m以内，占比55.10%。

根据地质钻探及物探结果分析可知：

(1)揭露深度范围内岩溶多以垂向的溶隙、溶洞为主，彼此连通性较差，多分布于基岩面以下几米到数十米范围内。

(2)场区内灰岩中溶洞、溶隙处于武汉浅部岩溶发育带内，溶隙主要发育在灰岩的上部，发育方向和强度受层面和裂隙控制，强溶蚀带一般发育深度在基岩面以下1～12 m，一般为黏性土充填。溶蚀现象为强发育。

(3)岩层表面与覆盖层接触部位起伏大，灰岩表面溶沟和溶槽较发育，多被红黏土充填。

(4)充填物多为红黏土夹少量碎石，说明充填物来自上方覆盖层。

2.4 红黏土及不良地质作用

本区间岩层表面与覆盖层接触部位起伏大，灰岩表面溶沟和溶槽较发育，其走向多为垂直于线路的EW(东西)向，多被红黏土充填。红黏土具上硬下软、含水量高、孔隙比大、高液限、高塑限、低压缩性的特点，平面上亦具有不均匀性，并具有明显的胀缩特性，遇水易软化。其中，13-2-2红黏土多呈可塑状，13-2-3红黏土多呈软塑状，多分布于灰岩面溶蚀凹槽处，局部段碎石含量相对较高，底部为软塑—流塑状，为软弱土层，稳定性差。根据室内试验，软塑—可塑状黏性土具中等—高压缩性，承载力特征值为120 kPa。

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2.5 裂隙岩溶水

主要赋存于碳酸盐岩浅部发育的溶洞和溶(裂)隙中，具中等透水性，该段裂隙岩溶水水位标高在3.4～10.06 m之间，埋深12.0～18.6 m之间，基本在基岩面附近波动。根据地质勘察水文长观孔中碳酸盐岩裂隙岩溶水水位与地表水水位历时曲线分析，本场区裂隙岩溶水与长江水位、地表水体(汤逊湖湖水)均无直接水力联系，主要接受相邻含水层的侧向径流补给。抽水试验显示，本场区属于弱富水—中等富水区，但由于灰岩中岩溶裂隙或溶洞具方向无规律性及发育不均匀性，故抽水影响半径变化大，设计及施工时应引起注意。由于溶洞位于地下水位以下，溶洞空腔富水性强，总的来说未充填的溶洞富水性较强，半充填溶洞富水性较差，全充填的溶洞富水性最差。

3 岩溶处理措施

3.1 处理范围

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)，对于完整、较完整的坚硬岩、较硬岩地基：(1)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；(2)顶板岩石厚度大于或等于洞的跨度时(即厚跨比>1.0)，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响。本区间溶洞多以顺层面和沿竖向溶蚀裂隙发育的竖向溶洞为主，一般宽0.2～2.0 m。因此，综合参考武汉地铁既有线已实施工程岩溶处理经验基础上，对地铁隧道底以下6 m、隧道结构外轮廓两侧3 m范围之内的未填充、半充填或全充填(充填物强度较底的)溶洞，必须进行岩溶处理。(见图6)

图6 溶洞处理示意图(单位：mm)

3.2 处理方法

3.2.1 钻孔揭示溶洞

(1)高度不大于1 m且无填充溶洞和半填充溶洞，以及全填充溶洞(充填物强度较低的)均直接采用纯水泥浆进行静压式灌浆。

(2)高度1～3 m且无填充溶洞和半填充溶洞，先采用水泥砂浆进行填充，再采用水泥浆进行压力注浆填充。

(3)对于溶洞高度大于3 m无填充溶洞和半填充溶洞，可考虑先投碎石(5～10 mm)，后采用注浆加固的方法。

3.2.2 物探异常区

对异常区进行钻孔验证，若发现存在溶洞则根据溶洞大小采取相应的处理加固方法；若没有发现溶洞，采用压力注浆的方法对钻孔进行填充加固和封孔。

4 红黏土处理措施

本区间岩面发育有大量的溶沟和溶槽，其走向多为垂直于线路的EW向，多被红黏土充填，当该层为13-2-3时呈软塑—流塑状，且下伏灰岩可能存在溶洞发育，存在溶隙、溶槽、溶洞等空洞，一是在盾构掘进过程中由于机械扰动等多方面原因，可能引起红黏土流失，诱发地面塌陷，严重影响施工安全；二是该层土承载力值极低，若不进行加固处理，在后续运营过程中可能引起隧道结构底板发生不均匀沉降，对运营安全存在较大影响；三是由于溶沟和溶槽走向为垂直于线路的EW向，在外部环境变化扰动下，可能发生红黏土横向流动，危及运营隧道安全。因此必须考虑红黏土的不利影响，有必要对其进行处理，具体的处理措施为：

(1)对13-2-3软塑状红黏土及标贯值低于5的13-2-2可塑状红黏土，查明分布范围后自地面采用高压旋喷桩(三重管)进行加固(见图7)。旋喷桩桩径800 mm，旋喷桩横向间距600 mm、纵向间距1000 mm，加固深度为红黏土层顶至基岩面(红黏土层底)、加固平面为隧道两侧3 m范围内，要求加固后的土体无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。

图7 红黏土加固平剖面示意图(单位：mm)

(2)软塑—流塑红黏土经旋喷桩加固处理并验收后，在左右线隧道两侧各施做一排混凝土素桩，直径1.0 m，间距1.0 m，桩底嵌入基岩1.0 m，桩顶至隧道中心线，上部空桩采用黏性土回填，形成挡土隔离墙进行隔离防护，防止周边施工扰动红黏土造成流失，确保地铁隧道运营安全。(见图8)

图8 桩基隔离防护示意图(单位：mm)

5 结论

(1)本场区为一元结构型的覆盖型碳酸盐岩，灰岩中发育有大量溶洞，岩面起伏大，溶沟和溶槽较发育；灰岩上覆盖层为单一的具触变性的红黏土，在外部环境扰动下(如盾构隧道掘进施工和地铁运营列车振动等)，易引发红黏土流动塌陷等地质灾害，因此需在地铁盾构隧道施工前对岩溶和红黏土加以处理。

(2)岩溶的处理范围包括隧道底板以下6 m、结构外轮廓两侧3 m范围之内的未充填、半充填或全充填(充填物强度较底的)溶洞。主要处理方法包括对已探明岩溶采用地面注浆加固处理，对物探异常区进行钻孔验证后处理。

(3)13-2-3软塑—流塑状红黏土的处理范围包括平面为隧道两侧3 m范围内、深度为红黏土层顶至基岩面(红黏土层底)。主要处理措施为首先采用高压旋喷桩进行加固处理，然后再在隧道两侧采用素混凝土钻孔桩隔断防护。

本文以武汉地铁纸坊线(27号线)大花岭站—江夏客厅站区间为例，结合岩溶专项勘察，总结了岩溶、红黏土的分布与发育特征，在此基础上提出了岩溶和红黏土的处理措施，目前本地铁线已开通运营，实践证明这些措施达到了预期效果，可为今后类似工程提供借鉴和参考。