南宁地铁4号线岩溶发育特征及处治技术

赵庚亮， 张志龙， 赵金鹏， 谭忠盛*

(1.中铁交通投资集团有限公司， 南宁 530021； 2.北京交通大学土木建筑工程学院， 北京 100044)

随着中国轨道交通建设的快速发展，城市地铁越来越多，修建过程中各种工程问题逐步显现[1-3]。中国南方地区岩溶较为发育，给轨道交通的安全建设带来了一些工程难题，岩溶的处治技术成为近几年的研究热点[4-8]。

由于岩溶地层中存在可溶性岩，如碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩)等，遇水易产生物理化学反应，进而形成沟槽、裂隙或者空洞[9]。溶洞的存在影响了周边的地应力分布，当地铁车站、隧道经过溶洞附近区域或者穿越溶洞时，就会对车站结构和隧道结构产生一定的危害，甚至施工期间导致坍塌事故发生[10]。王滨等[11]、康彦仁[12]采用理论分析等方法对岩溶区地面坍塌形成条件及机理进行了研究，洞隙的存在是塌陷产生的基础，破坏形式类似于地下洞室洞顶围岩的破坏。杨秀竹等[13]、董辉等[14]采用模型试验的方法分析了溶洞对地铁隧道结构的稳定性，研究表明溶洞的存在对隧道结构产生不利影响，易造成结构损害。张少雄等[15]、王建等[16]、田志宇等[17]针对实际工程对岩溶处治技术进行了总结，注浆排水、工字钢横跨溶洞以及增加配筋量等用来解决隧道工程建设中溶洞难题。以上研究基本上围绕单个大型溶洞进行研究，轨道交通方面系统的溶洞处治研究较少。

为了解决南宁地铁4号线岩溶带来的工程难题，通过地质勘察手段探明岩溶分布规律，基于地质勘察资料分析南宁地铁4号线岩溶发育规律，采用钻芯和室内试验确定地层及溶洞的物理力学参数，结合有限元软件Midas GTS确定了溶洞与地铁车站、盾构隧道的安全距离，提出岩溶区轨道交通溶洞处治范围及处治措施，并对溶洞处治区域进行取芯，通过室内试验研究岩溶处治效果。

1 工程背景

1.1 工程地质

南宁市轨道交通4号线一期工程线路如图 1所示，其中2标段研究区域，起始点分别为体体区间、龙岗站。该标段地貌分区位于溶蚀残峰坡地区(Ⅲ区)，残峰主要由石炭系碳酸盐岩组成，碳酸盐岩的存在是岩溶形成的基本条件，经过水流冲蚀较易形成溶洞。地表岩溶微地貌比较发育，有洼地、溶槽。

图1 南宁市轨道交通4号线一期工程线路示意图

标段范围内地层主要包括填土层、冲积层、坡残积土层、石炭系(C)石灰岩层和泥盆系(D)岩层五大类，现场取芯后(图2)采用室内试验确定各地层物理力学参数如表1所示。地下水主要为上层滞水和碳酸盐岩裂隙岩溶水，南宁市年均降雨量达1 304.2 mm，褶皱和断裂比较发育，因此溶洞内水囊有着源源不断的岩溶水补给。

表1 各地层物理力学参数

图2 现场取芯样本照片

1.2 工程概况

研究区域地铁车站规模及修建方法相似，以良庆圩站为例，车站长203 m，标准段结构外包宽19.7 m，端头外包宽25.1 m(图3)，最大开挖深度约18 m。车站底板下存在溶洞。车站主体结构及附属结构均采用明挖法施工，围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑的支护体系。车站为岛式站台形式，主体结构采用单柱双跨箱型框架结构(局部为双柱三跨)。车站主体围护结构为φ1 000 mm钻孔灌注桩+内支撑支护方案。

研究区域盾构隧道均采用圆形断面，隧道外径6 m，内径5.4 m(图3)，衬砌管片厚0.3 m，环宽1.5 m，管片采用3+2+1的形式，即3块标准块，二块相邻块和一块封顶块，管片环、纵缝均采用弯螺栓连接，每环共使用22个弯螺栓。管片有3种类型，即左转弯管片、右转弯管片和标准管片，左右转弯管片楔形量为38 mm，对称设于管片两侧。

2 岩溶发育特征

2.1 岩溶发育程度及充填物特征

依据研究区域各车站及区间隧道地勘资料，岩溶发育程度如图4所示，溶洞全充填、半充填以及无充填比例如图5所示。

图4 各车站及区间岩溶发育程度

图5 各车站及区间溶洞填充比例

根据岩溶发育程度，场地岩溶发育等级可依据相关规范[18]进行划分。体体区间—良庆大桥南站之间地层溶洞较为发育，良良区间—龙岗站之间地层，除五象车辆段之外岩溶均为中等发育。南宁地铁4号线调研段车站及区间隧道溶洞基本分为未充填、半充填以及全充填3种类型，半充填以及全充填溶洞填充物质基本上都是黏土、灰岩碎块，这主要是因为溶洞大多发育在岩-土交界面上，溶洞形成后由于动水原因，将溶洞周围黏土、灰岩碎块带入溶洞内；体体区间、良庆大桥南站、良庆圩站、清龙区间、楞塘村站以及良塄区间的溶洞空洞较多，体育中心东站、体良区间、良良区间清平坡站以及龙岗站的溶洞大部分为全充填，施工时应采取相应工程措施进行加固，控制溶洞造成的施工安全风险。

2.2 溶洞与地铁车站及盾构隧道空间位置关系

地铁车站附近溶洞与车站相对位置关系如图6所示，盾构隧道附近溶洞与隧道相对位置关系如图7所示。

图6 车站附近溶洞与车站相对位置关系

图7 盾构隧道附近溶洞与隧道相对位置关系

由图6可知，溶洞主要分布于地铁车站底板及以下10 m范围内，其次是底板以上范围，底板下10 m以下范围溶洞较少，这主要可能因为车站基本上位于灰岩-黏土交界面的原因，岩溶较为发育。由图7可知，体体区间、良良区间以及良楞区间溶洞分布于隧道范围内较多，施工时应多加关注；体良区间、五象车辆段以及清龙区间溶洞基本上位于隧道底板以下。

3 溶洞规模位置对地铁车站和盾构隧道稳定性影响分析

3.1 岩柱失稳判据选择

不考虑岩体的节理裂隙等因素，将围岩视为均质完整的岩土体，其破坏失稳的机制假定如下：隧道开挖或者外部荷载引起围岩应力重分布，造成局部围岩产生应力集中，使围岩超过自身抗力而破坏。因此，在选择溶洞与隧道之间岩柱(板)的破坏判据时，主要考虑岩土体的破坏情况，其中塑性区范围贯通可作为岩柱(板)失稳的标准。本文通过Midas GTS有限元软件对车站和隧道溶洞模型进行计算，采用摩尔-库伦破坏准则，只要车站或隧道洞周岩土体与溶洞塑性区产生贯通，即判断为两者间岩土体破坏失稳[4]。由于塑性区贯通不一定造成现实中的岩柱(板)破坏，此处是为了便于分析车站、隧道与溶洞周边围岩安全性做出的假定，塑性区的贯通为岩柱(板)失稳的必要不充分条件。隧道与溶洞间岩柱(板)失稳计算公式为

L≤Lp=Cs+Ts

(1)

式(1)中：L为隧道与溶洞间岩柱(板)的最小安全厚度；Lp为塑性区总范围；Cs为溶洞塑性区范围；Ts为车站或隧道塑性区范围。

3.2 溶洞理想化建模

在地勘资料溶洞统计分析的基础上，将溶洞理想化为椭圆，其形状如图8所示。由于溶洞分布较为复杂，为了简化计算工作量，以车站为例，选取典型研究溶洞位置如图9所示。假定溶洞洞高和洞宽之比不变，改变溶洞的洞高来模拟不同溶洞大小。

图8 理想化溶洞示意图

图9 溶洞位置示意图

变化其溶洞洞径l进行计算。

3.3 地铁车站与溶洞安全距离分析

建立数值模型如图10所示，其中围岩参数如表1所示，溶洞设置为空单元，计算工况如表2所示。

图10 车站附近溶洞分析模型

表2 车站附近溶洞计算工况

当溶洞位于车站内部时(图11)，随着溶洞洞高的增加，塑性区范围逐渐增大。当洞高6 m时，溶洞上方塑性区达到地表形成贯通区；当洞高1～3 m，溶洞塑性区呈对称“C”状分布在溶洞两侧，范围相对较小。建议施工单位遇到车站内部溶洞时，当洞高大于3 m时，应对溶洞充填水泥浆，当溶洞高度小于等于3 m时，尽量提前将溶洞沿边缘挖掉，防止设备、人员因溶洞塌陷造成事故。

当溶洞位于车站两侧时(图12)，由于车站基坑提前施作围护桩等结构，因此车站开挖几乎不产生塑性区。当溶洞高6 m，溶洞塑性区水平范围小于2 m，因此，溶洞高6 m距车站结构外2 m的情况下，车站结构安全，但溶洞塑性区贯通至地表，为了保证长期稳定性，需对溶洞进行充填注浆。当溶洞高3 m，溶洞塑性区水平范围1～2 m，因此，溶洞高3 m距车站结构外2 m的情况下，车站结构安全。当溶洞高1 m，溶洞塑性区0.5～1 m，与车站距离大于1 m时，可以不用处理；当溶洞距车站小于1 m时，应对其进行充填水泥浆。

图12 车站两侧溶洞塑性区分布

当溶洞处于车站底部位置时(图13)，随着溶洞高度的增加，塑性区范围逐渐增大，呈“耳朵”状分布在两侧。当溶洞位于车站结构底板位置时，应进行充填注浆。当溶洞位于结构底板位置标高，且位于结构轮廓线之外，参考底板以上溶洞处理。

图13 车站底部溶洞塑性区分布

当溶洞处于车站底板以下位置时，由于溶洞的洞径不同，导致溶洞对车站结构的影响不同，因此，对不同溶洞洞径下顶板安全厚度进行拟合(图14)。随着溶洞洞高的增大，其顶板安全厚度也随之增大，拟合结果为y=0.50+0.35x+0.18x2，其中x为溶洞高度，y为顶板安全厚度，相关系数R2=0.97，拟合效果较好。当溶洞洞高8 m时，溶洞顶板厚度为14 m时其塑性区与车站结构无交叠区域，可以不处理。当溶洞洞高6 m位于车站结构底板以下时，随着溶洞顶板厚度的增加，溶洞塑性区与车站结构交叠区域越小，说明溶洞对车站结构安全性影响越小。当溶洞顶板大于10 m时，洞高6 m的溶洞对车站结构的影响可以忽略，因此洞高6 m顶板厚度超过10 m的溶洞可以不处理。相比于洞高6 m的溶洞，洞高3 m的溶洞塑性区较小，因此对车站结构影响的安全距离也较小。当溶洞顶板大于2 m时，溶洞塑性区与车站无交叠区域，溶洞无需处理。当溶洞洞高1 m时，顶板大于1.5 m溶洞塑性区与车站无交叠区，车站结构受溶洞影响较小，可不处理。

图14 车站底板以下溶洞安全距离拟合曲线

3.4 盾构隧道与溶洞安全距离分析

建立数值模型如图15所示，其中围岩参数见表1，溶洞设置为空单元，计算工况如表3所示。

表3 盾构隧道附近溶洞计算工况

图15 隧道顶板以上溶洞分析模型

当溶洞位于隧道正上方时(图16)，随着洞高的增大，隧道塑性区也产生一定的变化，说明不同洞高的溶洞对隧道塑性区的影响程度不同；当溶洞洞高为1 m时，溶洞距隧道0.7 m溶洞塑性区和隧道塑性区未贯通，说明位于隧道上方的溶洞洞高1 m的安全距离为0.7 m；以此类推，洞高1.5、2 m的溶洞安全距离分别为0.9 m和1.2 m。对不同溶洞洞高的安全距离规律进行拟合，如图17所示，随着溶洞洞高的增大，其安全距离也随之增大，拟合结果为y=1.19-0.97x+0.5x2，其中x为溶洞高度，y为顶板安全厚度，相关系数R2=1，拟合效果较好。

图16 隧道顶部溶洞塑性区分布

图17 隧道上方溶洞安全距离拟合曲线

当溶洞位于隧道顶底板时(图18)，随着溶洞洞高的增大，溶洞与隧道塑性区范围也逐渐增大，当溶洞洞高超过2 m时，隧道侧边塑性区与溶洞塑性区贯通形成更大范围的塑性区，极易导致坍塌卡机以及盾构机栽头。因此，当溶洞位于隧道顶底板位置时，必须采取注浆等填充加固措施进行处治。

图18 隧道顶、底板溶洞塑性区分布

当溶洞位于隧道底板以下时(图19)，随着溶洞洞高的增大，溶洞塑性区逐渐增大，当洞高大于1 m，隧道由于开挖形成的塑性区已经被溶洞塑性区影响，导致隧道周边塑性区不明显；当溶洞洞高为1 m时，隧道距溶洞的安全距离为1～1.5 m；当溶洞洞高为2 m时，隧道距溶洞的安全距离为2.5～3.5 m；当溶洞洞高为3 m时，隧道距溶洞的安全距离为4～4.5 m。对不同溶洞洞高的安全距离规律进行拟合，如图20所示，随着溶洞洞高的增大，其安全距离也随之增大，拟合结果服从线性分布，关系为y=-0.37+1.55x，其中x为溶洞高度，y为安全距离，相关系数R2=0.99，拟合效果较理想。

图19 隧道底板以下溶洞塑性区分布

图20 隧道底板以下溶洞安全距离拟合曲线

4 溶洞处治措施及效果分析

4.1 地面溶洞处治措施

岩溶处治措施基本上可以分为以下步骤进行。

(1)为了确认溶洞准确位置及范围，结合岩溶探测结果在地铁车站地下连续墙1 m范围内钻取中心距为2 m的勘探孔(图21)，所有勘探孔均沿地下连续墙两侧布置，钻孔深度比地下连续墙最大深度深2 m；若盾构隧道附近存在溶洞，则采用如图22所示，加密钻孔同时作为注浆孔。

图21 地连墙两侧注浆孔和勘探孔的布置

图22 盾构隧道附近注浆孔的布置

(2)为了排出溶洞内岩溶水，借助勘探孔和注浆孔，布置多台水泵，将溶洞中的岩溶水抽出来(图23)。

图23 岩溶洞穴治理技术示意图

(3)使用的回填材料与细砂或松散的石头相对应，粒径为10～30 mm对溶洞进行回填。

(4)采用水灰比为0.8的水泥和水玻璃混合浆液对溶洞进行处理。水玻璃密度为1.125 g/mL，水泥水玻璃比为4。本项目采用32.5级普通硅酸盐水泥。注浆压力为0.1～0.4 MPa，注浆速率为30～70 L/min。

(5)处理结束后立即封闭注浆孔，并拔出注浆管。

(6)为了保证岩溶处治的质量，在处理后28 d建造随机勘探孔，从而能够检查岩溶洞穴的密封性。对勘探孔内土体进行无侧限抗压强度试验和标准贯入试验。

4.2 隧道内溶洞处治措施

岩溶的处治措施除地表钻孔注浆外，也可采用洞内措施。

(1)用于岩溶区施工的盾构机可配置超前探测仪器与机械设备(小钻机)。超前探测仪器的探测距离不宜小于15 m，探测范围应超出隧道轮廓外3 m，超前探测应采用交叉探测方式，交叉距离3～5 m。本项目未采用，此处仅作为建议。

(2)用于岩溶区施工的盾构机侧面可设置超前注浆孔(图24)，该注浆孔也可同时作为超前探测孔，每个断面需施工不宜少于6个探测孔。

图24 盾构机超前注浆孔

(3)若通过盾构机超前探测发现溶(土)洞时，借助探测结果判断溶洞规模，需要处治时优先采用地面处理方法，若地面没有条件，可通过盾构侧面注浆口进行超前注浆。

(4)岩溶区盾构隧道管片环标准块可增设2个预留注浆孔，盾构隧道施工过程中应加强二次注浆。适当增加管片含钢量，南宁轨道交通4号线一期工程岩溶区域盾构管片配筋不小于175 kg/m3。

4.3 岩溶处治效果分析

岩溶注浆主要用于填充岩溶空洞，提高地层强度和水密性，这3个效应对于保证盾构隧道施工安全非常重要。以体育中心东站为例，对溶洞处理结果进行说明。本次检测对28个溶(土)洞钻孔取样，取3个溶(土)洞的填充物芯样进行固结快剪试验，实测c、φ均满足c≥30 kPa、φ≥25°，满足设计要求；对25个溶洞的填充物的标准贯入锤击数进行抗剪强度验算，换算的c、φ均满足c≥30 kPa，φ≥25°；对29个溶(土)洞进行现场标准贯入试验，标准贯入试验锤击数N均满足N≥20，满足设计要求；结合固结快剪试验、标准贯入试验以及抗剪强度换算结果综合评定，证明了所提出的注浆施工方案是合理的，注浆加固质量是可以接受的。

5 结论

依托南宁地铁4号线2标车站及隧道工程，采用数理统计及数值计算等手段研究了岩溶发育规律及处治技术，得出以下结论。

(1)南宁地铁4号线岩溶总体上中等发育。溶洞基本分为未充填、半充填以及全充填三种类型，半充填以及全充填溶洞填充物质基本上都是黏土、灰岩碎块。

(2)溶洞主要分布于地铁车站底板及以下10 m范围内，其次是底板以上范围；体体区间、良良区间以及良楞区间溶洞分布于隧道范围内较多，施工时应多加关注；体良区间、五象车辆段以及清龙区间溶洞基本上位于隧道底板以下。

(3)不同位置不同尺寸的溶洞塑性区不同，溶洞洞高越大塑性区越大，需要的安全距离越大；溶洞位于车站内部时，洞高大于3 m应对溶洞充填水泥浆；溶洞位于车站两侧时，车站两侧2 m范围内溶洞需处理；溶洞位于车站底板下时，可采用文中拟合公式进行计算顶板安全厚度。

(4)溶洞位于隧道开挖面范围内必须处理，溶洞位于隧道上方或者下方时，顶板安全距离需大于4.5 m。

(5)采用钻孔注浆措施对溶洞进行填充，并结合检测钻芯结果，验证了岩溶处治措施的合理性。