地铁车站土建工程地下岩溶区域治理技术研究

郭涛

摘要：在叙述地铁白云东平站工程概况和地质情况的基础上，详细阐述了溶洞治理设计、溶洞探边钻孔施工、溶洞注浆施工及其效果，验证了相关技术参数，可供从事地铁车站土建工程地下岩溶区域治理施工的技术人员参考。

关键词：地铁车站；土建工程；地下岩溶；治理技术

0   引言

岩溶发育区域存在的溶洞，是诱发地铁土建工程施工风险的基本因素。为避免溶洞发生塌陷甚至引发次生灾害，在地铁土建工程施工前对勘察设计阶段已探明的施工影响范围内的溶洞均应提前进行治理。同时施工扰动也会引发勘察设计阶段未探明溶洞的塌陷，这也是地铁土建施工过程中的重大安全隐患。有效治理已探明和未探明溶洞，避免土建施工过程中发生安全风险，是工程技术人员面临的重大责任。

1   工程概況

粤港澳大湾区广州东至花都天贵城际项目（简称：广花城际项目）的白云东平站，位于白云大道北与东凤东路交叉路口东北侧地块，沿东凤东路东西向敷设，与已运营的地铁14号线通道换乘，与规划佛山地铁6号线节点换乘。白云东平站总长443.8m，标准段宽34.7m，地下3层结构，共设4个出入口和9个风亭。

2   地质情况

根据白云东平站勘察结果可知，大里程段的126m属于岩溶强发育地质。其详勘阶段钻孔156个，其中包括125个正在发育溶洞的钻孔，见洞率高达80%；16个揭露出溶洞的钻孔，位置大致分布在地下30～40m范围之内，呈串珠状，且存在部分大型溶洞。

根据该区域地质资料及勘察结果，判定岩溶主要集中分布在地层代号为<9C-2>的钙质灰岩微风化带，呈现灰白色、浅灰色，深灰色、肉红色等色彩，隐晶-微晶结构，中厚至巨厚的层状构造，主要矿物成分为碳酸钙、方解石等为主，岩石组织结构基本未破坏，矿物成份基本未变化，少量风化裂隙较发育，岩芯呈短柱状-长短柱状，敲击声脆。RQD值（即岩心累计长度与钻孔进尺长度之比）为60～85%。该岩层在场地内广泛分布，层厚0.05～19.1m，平均层厚为6.96m，层顶埋深18.10～63.2m（标高-40.7～5.52m），层底埋深 23.6～65.5m（标高-43～-0.86m）。该岩层属较软岩至坚硬岩之间，岩体较破碎至较完整之间，其完整性指数为0.35，岩体基本质量等级为Ⅱ～Ⅳ类。

3   溶洞治理方案设计

3.1   探边钻孔布置原则

围护结构及独立桩周边3m以内、围护结构或桩底下5m以上范围为溶土洞，应进行布点探边。溶洞治理探边孔以标示的溶洞为中心，按2m间距往外呈梅花形布置。以此类推，在围护结构及独立桩周边3m之内，直至未探测到岩溶为止。

白云东平站工程的勘探点应钻至围护结构底、桩底或基底以下5m，稳定在相对不透水层或完整岩体。若围护结构底、桩底或基底以下遇串珠状溶洞、土洞时，需钻穿洞底。当穿越岩体厚度累计达到5m、勘探点可在溶洞底钻入完整岩体2m后，予以终孔。

除了格构柱、抗拔桩、地连墙周边3m和底板、桩底、墙底以下5m范围内溶洞需进行治理之外，基坑范围内其他位置的溶洞可不进行治理。直径和跨度比较大的溶洞，需经过论证后进行治理。基坑范围内标示的土洞需全部治理。

3.2   注浆材料的选用

注浆材料采用双液浆和水泥浆，其中溶洞外围采用双液浆封边，内部采用水泥浆填充。水泥浆采用42.5R早强型普通硅酸盐水泥机械配置。注浆管应进入溶洞底部以下不小于0.5m。

3.2.1   对于周边孔

周边孔以相对压力小、次数多、数量大的方法进行控制，注浆压力为0.6～0.8MPa，注浆次数为3～4次，采用双液浆，水泥：水：水玻璃为1：1.38：0.3（质量配比），采用42.5R早强型普通硅酸盐水泥，水玻璃模数为2.4～3.4（30～40°Be'）。上述数值应根据现场试验予以确定。

3.2.2   对于中央孔

中央孔压注水泥浆，水泥采用42.5R早强型普通硅酸盐水泥，水灰比为1.0～1.5，注浆压力为0～1.0MPa，注浆速度为30～70L/min。注浆压力逐步提高，达到注浆终压并继续注浆10min以上。上述数值应根据现场试验予以确定。

4   溶洞探边钻孔施工

4.1   确定试验孔位

参考详勘阶段“一槽两钻”钻孔对地连墙、抗拔桩等主要围护结构位置的勘察结果，以及现场施工机械互相影响、互相制约等情况，为便于施工顺利开展，选择S10-02地连墙、JZ-26抗拔桩2处位置探测到的溶洞，作为本车站溶洞治理的试验洞。

根据施工现场勘察和施工图纸中标示的需注浆治理的溶洞位置，S10-02地连墙、JZ-26抗拔桩的位置对应勘察编号为MRNZ3-BYDP-33、MRNZ3-BYDP-64的2处溶洞，与勘察设计中需治理溶洞的位置相对应。

施工现场岩溶区北侧设有多条10kV高压线斜跨基坑，高压线距离地面7.5m左右，高压线周边5m安全距离之内不能施工。S10-02地连墙、JZ-26抗拔桩地处岩溶区域南侧，在高压线安全范围之外，故不受高压线影响。

综合以上3种原因，选择S10-02地连墙、JZ-26抗拔桩作为本车站的试验洞是合适的。

4.2   确定溶洞探边范围

根据详勘出的钙质灰岩区域80%的岩溶见洞率数据，计算出地连墙、抗拔桩、格构柱在墙、桩周边3m范围内，按照2m间距梅花型布设探边孔，共设置探边孔1100个，需治理溶洞区域的面积共计5281m²。

4.3   溶洞探边钻孔施工

4.3.1   布设探边孔

根据探边设计要求对S10-02地连墙、JZ-26抗拔桩周边3m范围内，按照2m间距梅花型向外布设探边孔；按照“一槽两钻地连墙、抗拔桩的孔位编号加上数字”由内向外顺时针布设探边孔并进行编号。

4.3.2   钻进探边孔

采用地质钻机对S10-02-1地连墙，JZ-26-5抗拔桩等2个探边孔进行钻探。钻进过程中，保存取芯样品、做好过程记录、在图纸上标注已探明溶洞的位置。

4.3.3   下放袖阀管

钻孔完成之后，为了防止孔位坍塌，应立即下放袖阀管。袖阀管伸出地面不少于30cm，以免注浆过程中溢浆将袖阀管淹没。如果钻孔未探测到溶洞，则及时用水泥浆对钻孔进行封堵。探边孔完成后，及时使用干水泥将探边孔地下至少3m位置进行封堵，以保证孔口不漏气。

4.3.4   钻孔要点

钻机开始钻进前，需对钻杆的垂直度進行检查，确保其垂直度符合要求。钻进速度不能过快，尤其是在土层与岩层交界位置，以防止孔位偏斜。

在钻进地连墙和抗拔桩孔位的过程中，都会存在不同程度的漏浆现象，这说明此处溶洞可能存在与相邻溶洞连通现象。下袖阀管至一定深度后，往袖阀管内注入清水，以防止地下水压过大将袖阀管顶出。

4.3.5   探边钻孔结果

S10-02地连墙详勘孔溶洞位置标示在地面下30.5～33m。共投入钻机3台，布置探边钻孔16个。溶洞标示在地面下19.9～26m范围内，在地连墙两侧3m范围内未探到溶洞边界。

JZ-26抗拔桩详勘孔溶洞位置标示在地面下32～34.5m、39m、41.5～42.6m。共投入钻机3台，布置探边钻孔18个。溶洞标示在地面下28～42.6m范围内，在抗拔桩两侧3m范围内未探到溶洞边界。

S10-02地连墙探边钻孔地面长度总计为608.08m，JZ-26抗拔桩探边钻孔地面长度总计为857.37m，平均每天每台钻机可钻进57m左右。

4.4   绘制溶洞包络图

在S10-02地连墙、JZ-26抗拔桩探边钻孔完成之后，汇总所有探边钻孔数据资料，绘制溶洞包络图，计算出溶洞预估注浆量。经计算得出S10-02地连墙溶洞预估注浆量为455.65m3，JZ-26抗拔桩溶洞预估注浆量为384.49m3。

5   溶洞注浆施工

5.1   配制浆液

5.1.1   配制水泥浆

配制水泥浆采用42.5R早强型普通硅酸盐水泥，现场配制水泥浆液的水灰比为1：1，浆液比重为1.53，1m3水泥浆中含有水泥0.759t，水泥的密度为3.15t/m3。配制水泥浆时采用体积为0.5m3、直径为1m的搅拌罐，加入0.38m3的水至高度为48cm的位置，再倒入0.12m3的水泥，搅拌完成后即可得到比重为1.53的水泥浆。

5.1.2   配制双液浆

配制双液浆采用42.5R早强型普通硅酸盐水泥。现场配制双液浆时，水泥：水：水玻璃的质量配比为1：1.38：0.3。水玻璃溶液中的水和水玻璃体积之比，理论上为0.74：0.2168，水玻璃的波美度为40°Be'。因此制作水玻璃溶液在体积为0.7m?的容器中，须加入0.5m?水和0.146m?水玻璃。其中水玻璃可换算为0.202t，可使用60kg/桶的容器取4桶水玻璃，倒入搅拌容器中充分搅拌。注浆时将同比例的水泥浆与水玻璃溶液混合后，即可得到1：1.38：0.3的双液浆。

5.2   注浆过程

5.2.1   选定注浆孔

选定S10-02-11地连墙、JZ-26-4抗拔桩为首次注浆孔，在袖阀管封孔后安装注浆管。注浆管应进入溶洞底部以下不小于0.5m，在注浆管的出浆口下部放置皮套，保证注浆管与袖阀管之间保持密封状态，准备就绪后开始注浆。

5.2.2   周边孔注浆

由于溶洞未探到边界，故周边孔采用双液浆进行注浆封边。注浆前取等体积的水泥浆和水玻璃进行混合并记录混合时间，控制其凝固时间在20～25s内即可注浆，压力达到0.8MPa并继续注浆10min以上，即可终止注浆。

5.2.3   中央孔注浆

中央孔注水泥浆，注浆压力达到1.0MPa后，继续注浆10min以上即可终止注浆。注浆速度控制在70～150L/min。

溶洞注浆达到设计压力值之后，适当提升注浆管继续注浆；再次达到注浆压力设计值之后继续提升注浆管，直至注浆管提升至标示的溶洞顶部为止。注浆管每次提升高度为80cm，完成注浆后使用清水清洗注浆管，并且保护袖阀管，以便进行二次注浆。

5.3   注浆要点

注浆过程中，注浆区地面以及周围地面都存在不同程度的冒浆现象。在S10-02地连墙注浆过程中，抗拔桩孔位出现冒浆现象，再次验证这2处钻孔地下溶洞存在联通现象。

袖阀管连接部位使用连接套头加连接胶进行连接，要求连接部位牢固不漏浆。在使用连接胶胶接袖阀管之后，再使用透明胶带进行缠绕密封，以保证连接位置的密封性。

注浆过程中，水泥浆液和水玻璃需要不断消耗和补充，所以在注浆过程中每隔30min～60min，必须对水泥浆的比重和混合浆液的凝固时间进行检测，以满足质量要求。

现场的注浆机分为2种：一种为双液浆注浆机，1台注浆机可同时抽取水泥浆和水玻璃进行混合注浆。另一种为单液浆注浆机，需2台注浆机分别抽取水泥浆和水玻璃在注浆管位置进行混合后再注浆。使用2台单液浆注浆机同时注浆时，由于2台注浆机抽取的浆液汇入同一管道，注浆压力表上压力值较高，鉴别压力时先将抽取水玻璃的注浆机关停，看另1台注浆机压力表上的压力，如果压力达到设计值，表明此孔位注浆已完成。

5.4  注浆效果检测

试验孔位注浆完成50天后，对2个试验溶洞治理的效果进行取芯检测。取芯显示溶洞位置已被水泥浆填充，对取芯进行贯击检测和抗压强度检测，结果均合格。这表明水泥浆和双液浆的配制参数符合要求、注浆过程控制有效。

试验结果表明，在设计单位给定地连墙、抗拔桩周边3m的安全距离为边界进行探边钻孔和注浆后，其质量要求通过试验予以确认，对溶洞的治理效果符合设计要求。对白云东平站S10-02地连墙、JZ-26抗拔桩等2个试验位置的溶洞进行治理的结果，可作为广花城际白云东平站整个岩溶区域治理的依据。注浆设计参数与确定参数对照如表1所示。

6   结语

按照确定参数对地铁白云东平站地下溶洞进行注浆填充，填充效果和检测强度均满足设计要求。目前，国内岩溶发育区域地铁工程溶洞的治理原则、治理范围及相应的施工技术仍在逐步探索与完善之中。广州多条地铁线路穿越岩溶发育区，对溶洞预治理积累了丰富的经验。针对岩溶轻微或强烈发育区域等不良地质风险制定相应治理措施，是保证地下工程在施工期间的安全及运营期结构稳定的重要手段。

参考文献

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