明挖地铁车站基坑溶洞预处理技术

朱 斌，徐 壮，罗小刚，韩 莉，姬凤玲，彭远胜

（1、深圳地铁建设集团有限公司 深圳 518026；2、深圳大学土木与交通工程学院 深圳 518060）

0 引言

岩溶地区水文地质条件极其复杂，各种地下岩溶，深浅不一、大小不同、形态各异，给工程建设带来了威胁和危害，不仅增加了工程建设的投资，还严重影响着工程建设的正常运行和建筑物的安全使用。国内学者针对岩溶的处治技术做了较多的研究工作，并总结出很多成熟的工作经验。但目前的研究主要集中在地铁隧道和公路隧道的岩溶处置上［1−8］，而对地铁车站的研究较少。谭佳等人［9］针对岩溶发育区断裂破碎带引发的基坑突涌风险，针对性地提出了坑内蓄水、设置隔水层、综合注浆处理的应急整治方案。提前预判地铁车站基坑岩溶风险并进行预处理，既能够有效保障基坑施工安全和地铁运营安全，又具有经济性。江杰等人［10］通过有限元模拟和案例分析，提出了岩溶车站的预处理范围和原则。但是岩溶地质具有很强的地域性，具体工程需要根据场地的岩溶地质特征确定地铁车站基坑的预处理范围和预处理技术。

本文结合深圳地铁16 号线某车站的岩溶地质风险，针对性地提出地铁车站溶洞风险预处理范围及方案，并通过检测数据对处理效果进行了分析。

1 岩溶发育概况

该车站范围内第四系地层以冲洪积成因为主，下部为残积黏性土，下伏基岩为微风化灰岩。可溶岩岩面埋深在13.40～37.30 m 之间，埋深差别大，可溶岩岩面此起彼伏，岩面极不平整。车站主体结构底板大部分位于残积粉质黏土中，局部位于微风化灰岩及微风化灰岩与第四系粉质黏土结合面处。勘察报告显示，可溶岩勘探孔见洞率64.29%，线岩溶率为1.59%～49.83%，总线岩溶率13.39%。根据《建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011》，该地铁车站岩溶发育等级为强发育。

按照出露条件，车站范围内发育的岩溶为覆盖型岩溶，类型有：溶洞、溶隙、溶槽、溶孔等，且以溶洞、溶隙两种类型为主，如图1 所示。含有充填物的溶洞占比为95.6%，充填物主要包括粉质黏土、砂、粉质黏土夹杂砂砾3种类型。

图1 钻探揭露的溶洞及岩溶裂隙Fig.1 Karst Cave and Karst Cracks Revealed by Drilling

2 岩溶风险分析

2.1 车站范围内溶洞分布特征分析

地铁车站岩溶风险与溶洞规模大小及其分布的位置密切相关。该地铁车站溶洞分布深度与车站底板的关系如图2所示。

图2 溶洞竖向分布情况Fig.2 Vertical Distribution of Karst Cave

车站基坑开挖范围内溶洞占比1.8%；在车站结构底板下0～5 m 范围溶洞占比30.1%，直径0.3～10.4 m，平均直径3.6 m，洞高0.3～16.5 m，平均洞高3.3 m；结构底板下5～10 m 范围内溶洞占比26.1%，直径0.5～8.5 m，平均直径2.9 m，洞高0.6～5.8 m，平均洞高2.5 m；结构底板下大于10 m 范围内溶洞占比42%，直径0.8～8.5 m，平均直径3.3 m，洞高0.5～9.6 m，平均洞高4.8 m。可知大部分溶洞分布在车站底板5 m以下的范围内。

2.2 基坑开挖过程中岩溶风险分析

基坑开挖过程中岩溶风险包括岩溶塌陷、基坑突涌。基坑开挖过程中的岩溶塌陷主要是由于基坑开挖揭露溶洞顶板使其变为敞口溶洞，从而引起施工机械或人员突然坠落等施工安全事故。因此，基坑开挖范围内的溶洞均需要预处理。

岩溶发育区基坑突涌风险是由于基坑开挖卸载减小了岩溶水赋存空间上部的抗突层厚度，致使其抵抗岩溶承压水的能力降低而引起的。该车站场地范围内裂隙岩溶水具承压性，初见水位埋深13.40～26.90 m，初见水位高程6.74～20.64 m，稳定水位埋深4.00～10.60 m，稳定水位标高22.81～30.43 m，承压水头差6.50～20.50 m，平均承压水头差12.69 m。车站结构底板埋深约18.2 m，标高约15.2 m。此外，在岩土工程勘察阶段，绝大部分钻孔钻至基岩后，会产生钻进用水漏失的现象。这表明基岩溶蚀裂隙或溶洞较为发育，裂隙岩溶水的径流通道较为畅通。采用Ressiner弹性厚板理论，对基坑底板抗突体厚度进行分析［11］。该理论假设基坑底部岩层为等厚度矩形弹性厚板，并将岩溶承压水压力减去厚板自重应力视为均布荷载垂直作用于溶洞顶部岩体上。在垂直均布荷载作用下，抗突体满足的基本方程：

式中：［σxmax］为抗突体的抗拉强度（MPa）；a为厚板长度（溶洞平面投影长度）（m）；b为厚板宽度（溶洞平面投影宽度）（m）；P0为竖向荷载（MPa）。

本工程中岩体物理、力学参数如下：岩体质量等级为Ⅳ级，重度为21 kN/m3，单轴抗压强度为14.80 MPa，单轴抗拉强度为0.92 MPa，粘聚力为0.50 MPa，内摩擦角为33°，弹性模量为3 GPa，泊松比为0.32。

地铁车站范围内82.3%溶洞的直径不大于5 m。按照承压水稳定水位最大标高30.43 m，采用公式2计算得到：在车站结构底板下5 m 处的溶洞，尺寸越大，抵抗基坑突涌风险所需抗突层厚度越大。当溶洞宽度大于4 m 时，抵抗基坑突涌风险所需抗突层厚度大于5 m，例如4 m×5 m、5 m×5 m 的溶洞所需抗突层厚度分别为5.65 m、6.34 m，显然不能满足抗突涌要求，需要进行处理。在车站结构底板下10 m处的溶洞，抵抗基坑突涌风险所需抗突层厚度小于10 m，满足抗突涌要求，因此不需要处理。

2.3 地铁车站运营过程中岩溶风险分析

地铁车站运营过程中，车站上部结构荷载在溶洞顶部产生的附加应力若超过溶洞顶板的承受能力，将会导致溶洞顶板破坏，引起溶洞塌陷风险。地铁车站溶洞塌陷风险会造成车站基底局部悬空、结构开裂、地下水入渗等问题，严重危及行车安全。

在车站结构底板下0～5 m 范围的溶洞使车站结构底板地基的均质性差异较大，在车站上部结构荷载产生的附加应力影响下易发生地基不均匀沉降；由于裂隙发育，溶洞顶板完整性较差，在上部结构荷载及地铁运营过程中车辆振动荷载的影响下，存在岩溶塌陷风险；

结构底板下5～10 m 范围内的溶洞由于裂隙发育，使溶洞稳定岩面顶板高度小于3 m，存在岩溶塌陷风险；

结构底板下大于10 m 范围内的溶洞受附加应力影响较小，岩溶塌陷风险小。由于大部分溶洞内有充填物，表明该范围内的溶洞有继续发育的可能性，对车站建成后的后期运营安全有一定影响。此范围内的溶洞需要进行稳定性验算，最终根据稳定性验算结果有针对性地提出处理方案。因此，基于经济性，在初步的预处理方案中暂不考虑。

2.4 溶洞预处理范围的确定

综上所述，该地铁车站需要进行预处理的溶洞主要是结构底板下0～10 m 深度范围内及基坑开挖范围内的溶洞。

3 溶洞预处理技术及处理效果检验

3.1 溶洞预处理技术

地铁车站预处理方案包括溶洞充填加固和基坑封底加固。由于本地铁车站结构底板下0～5 m 范围溶洞占比小且溶洞规模较小，因此综合考虑经济、安全及对周边环境的影响，该地铁车站方案主要为溶洞充填注浆加固技术。

由于该车站场地岩溶强发育且发育情况非常复杂，钻探资料显示的是钻孔点位孔深范围内的岩溶发育情况，物探资料揭示的是钻孔间岩溶发育情况，平面上存在较多盲区，且物探成果具有多解性和局限性。因此，进行溶洞注浆充填加固技术施工工艺流程为：查看地勘、设计资料；施钻探边孔，确定溶洞边界；施钻投料孔，孔深至洞体顶板下0.5 m，安装φ150 mm的投料管，进行投料（砂、碎石、素混凝土等）；确定注浆孔（包括2个排气孔）位置，注浆材料为水泥浆、普通水泥+水玻璃双液、粉煤灰（矿粉渣）+外加剂等，注浆参数包括不同阶段注浆压力、注浆次序、注浆间歇时间等；注浆孔φ50 mm 袖阀管需下放溶洞底部后进行注浆；充填注浆加固效果检验。

平面投影尺寸大于5 m 的溶洞注浆充填加固如图3所示。该溶洞为部分充填，洞顶在结构底板下4 m。

图3 平面投影尺寸大于5 m的溶洞充填注浆加固Fig.3 Karst Cave with a Plane Projection Size Greater than 5 m Filled with Grouting

加固顺序为：①先施工16 个钻探边孔，孔间距为2.0 m，以基本找到洞体边界为止，最终确定溶洞边界；②施工内部的2个钻投料孔，吹填砂处理；③施工15个注浆孔，孔间距为2.0 m，注浆时由内向外，跳孔注浆。注浆时需要选取其中2 个孔做为排气孔，排气孔间距不超过4 m。对于注浆过程中存在浆液流失量较大或者注浆压力不能达到设计要求时应调整浆液浓度或者选取双液浆对溶洞周边进行封堵；④注浆结束后28 d施作2个检查孔，对充填注浆加固质量进行检查。

平面投影尺寸小于5 m的溶洞注浆充填加固如图4所示。该溶洞为部分充填，洞顶在结构底板下2.2 m。由于溶洞尺寸小，溶洞边界易于确定。因此直接在溶洞中心处施钻投料孔，进行充填碎石处理。然后施工2 个注浆孔进行注浆加固，同时选取其中一个孔做为排气孔。注浆结束后28 d 后施作1 个检查孔，对充填注浆加固质量进行检查。

图4 平面投影尺寸小于5 m的溶洞充填注浆加固Fig.4 Karst Cave with a Plane Projection Size Less than 5 m Filled with Grouting

3.2 溶洞预处理效果检验

试验段注浆结束后28 d 进行检测，溶洞填充采用随机原位标贯试验，标贯击数应不小于10击。注浆后溶洞加固处理后兼做止水帷幕质量检查孔压水试验透水率应不大于5×10−5cm/s，且合格率达到85%。

检验性钻孔不应小于注浆孔总数的5%，且单体工程不小于3 点；充填加固要求每个溶洞均要检测1 次，钻孔布置宜距离充填注浆孔200～300 cm；注浆效果渗透性评定的压水检查，其试验点数量不少于注浆孔数的2%且单体工程不少于3个点并满足设计要求。

加固芯样的抗压强度平均值为2.3 MPa，大于设计要求的0.8 MPa，且芯样外观质量完好。单点法压水试验得到两次压水试验测得的渗透系数为4.48×10−5cm/s 和4.56×10−5cm/s，均 小 于 设 计 要 求 的5×10−5cm/s。因此，本次试验段岩溶处治方案可行。

4 结论

⑴对于溶洞强发育的地铁车站，存在岩溶基坑突涌风险、岩溶塌陷风险；

⑵应根据车站范围内溶洞分布特征，综合考虑基坑开挖过程中的基坑突涌风险及岩溶塌陷风险、地铁车站运营过程中的岩溶塌陷风险，确定溶洞预处理范围；

⑶对于结构底板下0～5 m 范围内溶洞占比小且溶洞规模较小的地铁车站，溶洞充填注浆加固技术是较为经济、安全的预加固技术。该技术主要包括探边、投料、注浆、检测4 个步骤。需要根据溶洞平面投影尺寸，灵活确定具体实施方案。