城市轨道交通车站强发育破碎岩溶处理施工技术研究——以深圳市城市轨道交通16号线二期西坑站工程为例

黎 猛（中铁十七局集团有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概况

深圳市城市轨道交通16号线二期西坑站（以下简称“西坑站”）车站现状地面标高85.5～96.6 m，南北最大高差为11.1 m，车站覆土厚度为2.4～5.2 m，基坑开挖深度为15.6～27.6 m。车站地层自上而下为①1粉质黏土素填土、①3填碎石、①5杂填土、⑧3-3粉质黏土、⑧4-4含碎石粉质黏土、㉚1-1全风化砂岩、㉛2-4微风化灰岩（破碎）/溶洞。

通过钻孔和物探结果显示，西坑站车站的端头岩溶主要分布了覆盖式岩溶景观，岩溶的发育形式主要为细小破碎溶孔和部分溶隙。在局部埋深很大的岩溶区域附近还散布着软塑状黏土，部分溶沟和溶槽中填充了残积层的黏性土。在地质勘探的34个可溶岩石探孔中，有32个勘探钻孔已揭露存在溶孔，溶洞占比达94.12%。因此，判断西坑站岩溶发育等级为强发育岩溶地质。西坑站岩溶分布情况，如图1所示。

图1 车站端头范围岩溶分布情况

2 岩溶处理常见措施

对于处于岩溶发育地段的城市轨道交通车站，需要先通过采取钻孔探测等手段，确定岩溶覆盖范围区域后方可施工。一般城市轨道交通车站对岩溶的处理有以下几种常见措施[1]。

（1）当岩溶地区上方覆盖的土层地基比较薄时，需要对地基进行加固处理。加固处理不仅要形成满足建筑物承载力要求的人工地基，还要考虑岩溶地层的特性。

（2）对于一些底部没有地下水存在的岩溶地段，若对地面的建筑物没有影响，可以通过采用填充的方法对岩溶进行处理。

（3）当岩溶地区覆盖的范围不大，但存在水平较为发育的溶洞、溶沟时，不管岩溶内是否有其他填充物质，只要岩溶的顶部地层不厚，可以采用小爆破等人工方法来揭除岩溶上部地层，从而对溶洞或溶沟进行快速处理。

（4）对于一些风化裂隙破碎或者溶洞尺寸较小的岩溶，可以使用袖阀管注浆的方法进行加固处理。

3 岩溶处理方法选择

西坑站岩溶多位于车站结构底板以下，部分岩溶范围跨越底板结构，车站处于破碎或者溶洞较小且较为发育的岩溶地段。西坑站岩溶处理主要采用充填法和注浆法。当岩溶尺寸较大且岩溶内没有充填物或岩溶处于半充填时，充填溶洞的材料可以采用水泥砂浆或者碎石等，以此来增加车站结构地基的强度。当工程结构对地基承载力和变形有较高要求时，充填法宜与注浆法等其他处理方法结合使用。

4 岩溶处理工艺试验

岩溶处理正式施工前，应提前进行工艺性试验，以确定合理的充填、注浆的各类参数。通过试验找出能够使土体固结强度好、胶凝时间短、可注性较好的充填、浆液材料配方和实施方案，从而达到最佳的注浆处理效果。

4.1 充填、注浆试验原则

岩溶处理的充填材料主要有水泥砂浆、素混凝土、碎石等。注浆的材料主要有水泥浆、双液浆等。施工时可选择一种合适的充填、注浆材料或几种浆材互相配合使用。试验遵循以下原则[2-3]：

（1）对高度不超过1 m的溶洞，直接采用静压式灌浆；

（2）对标高为1～3 m，但溶洞内没有充填物或者岩溶处于半充填时，可以采用水泥砂浆的间歇式静压注浆成型方法进行岩溶处理。若发生二次灌浆后仍没有重新起压的情形，可再适当加入速凝剂；

（3）对于标高超过3 m，但溶洞仍未充填或者已半填充时，首先考虑采用充填注素混凝土进行回填，之后再采用灌浆进行补强；

（4）当溶洞处于开挖范围内且高度＞2 m，属于无充填或者半充填时，可使用碎石充填进行处理；

（5）若注浆时，发现注入的水泥浆液流失较严重，可以使用超细混凝土或双液砂浆对溶洞进行封边处理，然后再进行内部的注浆加固。

4.2 实验参数确定

4.2.1 充填材料确定充填材料选择采用C20素混凝土、M10水泥砂浆或碎石。混凝土及水泥砂浆采用车载泵对投料孔进行投料充填；碎石采用人工配合机械充填。西坑站岩溶均为发育、破碎的岩溶地质，岩溶面积均较小，因此，选用水泥砂浆作为充填材料。水泥砂浆中水泥∶砂配合比为1∶2，直接泵送充填，投料压力控制在1.5～2 MPa，投料孔管材选择200 mm聚氯乙烯（PVC）管。

4.2.2 注浆材料及配比

（1）水泥浆：采用普通硅酸盐水泥（P·O 42.5）；

（2）普通水泥-水玻璃双液浆：水玻璃模数2.4～3.4，波美度为30°Be＇～45°Be＇;

（3）其他辅材。①孔口止浆：φ65 mm×3.75 mm焊接钢管、锚固剂、机械式止浆塞；②注浆管：50 mm袖阀管。

4.2.3 注浆压力

周边孔第一轮注浆压力为0.2～0.3 MPa，终灌注浆压力为0.6～0.8 MPa；中央孔第一轮注浆压力为0.2～0.3 MPa，终灌注浆压力为0.8～1.0 MPa。另外，注浆泵的压力应达到设计压力的1.3～1.5倍。

5 岩溶处理施工

岩溶处理施工程序按照先探边界，然后注浆进行填充的顺序进行。车站溶洞处理必须先对围护影响内的孔洞进行处理，然后再对车站下部的孔洞进行处理。根据孔洞处理的先后顺序，按照端头向中间的方向逐个进行处理；进行注浆料施工前，应先施作外排止水、止浆帷幕，使处理区域的溶洞与外部洞体完全分离，然后再进行中间区域处理。

5.1 探边施工

5.1.1 溶洞探孔布置

根据溶洞大小采取相应的探边孔布置。探边孔设置应遵循以下原则：

（3）针对跨越结构轮廓线外3 m边界线且竖向高度超过5 m的大型溶洞，应进一步探明边界。即在物探轮廓线处布设一圈探边钻孔，若钻探未揭露存在溶洞，则停止向外发散钻孔；若钻探揭露存在溶洞，则继续往外2 m打设钻孔，直到钻探未揭露存在溶洞，确定溶洞实探边界线。以上3种情况的溶洞孔布置示意图，如图2所示。

图2 3种情况下的明挖结构溶洞孔布置示意图

（1）对物探揭露溶洞投影面边均小于5 m的小型溶洞，可不设探边孔，直接施工注浆孔；

（2）对物探揭露溶洞投影面边有一边大于5 m的大型溶洞，在物探轮廓线处布设一圈探边钻孔，若钻探未揭露存在溶洞，则停止向外发散钻孔；若钻探揭露存在溶洞，则继续往外2 m打设钻孔，直到钻探未揭露存在溶洞孔或钻探到结构轮廓线外3 m，确定溶洞实探边界线。

5.1.2 溶洞探孔施工

西坑站的溶洞探边及成孔设计直径为91 mm，选择使用XY-100地质钻机进行成孔施工。施工采用跟管钻进及泥浆循环护壁的方式钻进，达到终孔后拔出套管，下好注浆管（袖阀管）并充填水泥浆进行加固。探孔施工应遵循以下原则[4]：

（1）钻孔探边前应先进行管线探测，探明地下管线分布情况，确保钻孔位置没有地下管线；

（2）钻孔探边前应绘制探边孔分布示意图，探边完成后应绘制溶洞包络图；

（3）钻探过程中，应逐一记录好每一孔的芯样，并进行标识、分析、拍照及描述；

（4）探边孔采用地质钻机进行施工；

（5）钻孔结束后应及时封孔或下管，防止因钻透溶洞顶而引发塌方事故。

5.2 充填施工

5.2.1 投料孔布置

（1）探边孔施工完成后，根据已探明的溶洞边界线、溶洞垂直发育情况、溶洞内充填情况，采用250型地质钻机进行投料孔钻孔。投料孔间距在5～6 m左右。钻孔完成后立即下护壁套管（投料管），深度至溶洞顶面，在地面用夹具固定；套管采用直径200 mmPVC管。

（2）当溶洞跨越结构轮廓线外3 m时，需要沿结构轮廓线外1～2 m左右的距离布置一排投料孔，投料孔间距在5～6 m左右。

（3）若发现在跨越结构轮廓线外3 m且洞高＞5 m的大型溶洞，投料孔需在结构轮廓线3 m外布置，投料孔间距在5～6 m左右。

（4）填料孔应伸入溶洞顶板以下空洞内不小于1 m的距离。若发现终孔段遇性状较差、规模较大的岩溶或裂隙密集发育带等地质缺陷，需进一步加深钻孔深度，保证钻孔深度达到岩溶下部完整岩体内0.5 m的距离。西坑站投料孔布置示意图，如图3所示。

图3 投料孔布置示意图

5.2.2 排气孔设置

根据充填施工经验，每一个溶洞至少布置1个排气孔，排气孔与投料孔的间距在1～2 m，排气孔间距不超过4 m，可选择洞顶处钻孔兼作排气孔。施工过程中，为防止排气孔堵塞，可采用75 mmPVC管进行保护。

5.3 注浆施工

5.3.1 注浆孔布置

（1）对于高度＜1 m的小型溶洞，只需在勘探钻孔处布置钻孔即可，并且只需布置1个注浆孔。

（2）对于高度在1～3 m的中型溶洞，应围绕勘探钻孔呈三角形布置注浆孔，需要布置3个注浆孔，注浆孔的间距为2 m×2 m。

（3）对于高度＞3 m的大型溶洞，需要围绕勘探的钻孔呈梅花形布置注浆孔，注浆孔的间距为2 m×2 m，布设的注浆孔要达到结构外侧3 m方位为止。

（4）注浆孔应伸入到溶洞底部以下至少0.5 m处。若发现终孔段遇性状较差、规模较大的岩溶或裂隙密集发育带等地质缺陷，需要进一步加深钻孔深度，保证钻孔深度达到岩溶下部完整岩体内0.5 m处。

（5）注浆过程中还应设置排气孔进行释压。西坑站溶洞处理注浆孔布置示意图，如图4所示。

图4 车站注浆孔布置示意图

5.3.2 注 浆

（1）注浆顺序。按照先注外圈孔，后注内圈孔的原则注浆，而且同序列孔要间隔注浆。若注浆期间浆液流失量较大或者注浆压力不满足设计要求时，需要及时调整浆液浓度或者选取双液浆封堵溶洞周边。

（2）注浆压力。周边孔第一轮注浆压力为0.2～0.3 MPa，终灌注浆压力为0.6～0.8 MPa；中央孔第一轮注浆压力为0.2～0.3 MPa，终灌注浆压力为0.8～1.0 MPa。另外，注浆泵的压力取设计压力1.3～1.5倍为宜。注浆压力也可根据现场施工需要逐步进行调整。当封堵涌水时，注浆压力计算公式如式（1）：

式中：P——注浆终压，MPa；

P0——涌水压力，MPa。

（3）注浆量。按照工程地质比拟、经验数据、浆液均匀扩散的单孔注浆计算3种方式确认注浆量。采用整体计算的方式，计算公式如式（2）：

式中：V——溶洞预估体积，m3；

η——充填系数；

α——浆液扩散系数。

①对于全充填，注水泥浆量：P1＝V×0.4。

②对于半充填，素混凝土充填量：P2/素混凝土＝V×0.8×0.8；注水泥浆量：P2/水泥浆＝V×0.8×0.2＋V×0.1（溶洞高度＞3 m）；水泥砂浆量：P2＝V×0.8（1 m＜溶洞高度≤3 m）；水泥浆量：P2/水泥浆＝V×0.8（溶洞高度≤1 m）。

③对于无充填，充填素混凝土量：P3/素混凝土＝V×0.8；注水泥浆量：P3/水泥浆＝V×0.2（溶洞高度＞3 m）；水泥砂浆量：P3＝V（1 m＜溶洞高度≤3m）；水泥浆量：P3/水泥浆＝V（溶洞高度≤1 m）。

④对于开挖范围内且洞高＞2 m的无充填或半充填溶洞，充填碎石量：P4/碎石＝V×0.5。

5.3.3 注浆结束

（1）单孔注浆结束。当注浆量达到设计注浆量的1.2倍时，若注浆孔内压力仍然不上升，可以采用间歇式注浆的方式进行处理；当压力达到设计终压后，结束该孔注浆。当注浆孔压力均达到设计终压后，经过10 min左右的稳定，并且压浆速度为开始速度的1/4或者单孔的注浆量已经达到设计注浆量的80%，可判定单孔注浆结束。

（2）全段结束。若所有的注浆孔均达到注浆结束标准，且无漏注现象，即可判定全段注浆结束。

（3）封孔。按总注浆孔的5%～10%的数量标准抽查注浆孔，确认终孔条件后，起拔注浆管，然后立即采用M7.5砂浆封孔。封孔必须严实且饱满，且应先充填后拔管，以免回填不实。

5.4 监控量测

（1）为确保溶洞处理过程中周边环境安全，在施工过程中，对溶洞处理70 m范围内建筑物进行施工监测，监测溶洞施工过程中对建筑物的影响程度。每天监测2次（上、下午各1次），如有预警情况，则加密监测。

（2）施工过程中，采取每间隔20 m挖一处探沟，对管线位置进行再次确认，并将开挖出管线位置坐标进行测量取点，绘制成图纸；同时在管线上布置监测观察点，每天监测2次（上、下午各1次），如有预警情况，则加密监测。

（3）钻孔完成后，每个溶洞根据投影面积大小选取1～2孔作为地下水位监测孔，监测孔布置间距为20～30 m，安装水位监测管，每天监测2次（上、下午各1次），如有预警情况，则加密监测。

（4）车站岩溶处理的施工监测，除一般常规的监测外，需要特殊说明加强以下监测内容：

①岩溶地基处理工程应进行全程监测，施工过程中应随时检查材料准用记录、施工记录和计量记录、分项检验记录等内容；

②对基坑周边存在重要建筑的车站，其监测范围适当加大，明挖基坑3 h，且不小于70 m。

（5）施工过程中应对地下水位变化和降水对周边环境的影响进行监测，并符合下列规定：

①应采取措施预防降水引起的地基变形、影响建筑物的正常使用或结构的稳定性；

②在施工过程中应做好质量检验和水位监测，以及坑壁与坑底稳定性监测；

③基坑开挖应根据设计要求进行监测，实施动态设计与信息化施工，应着重考虑岩溶对基坑结构安全性的影响；

④岩溶发育区围护结构施工及开挖时，需加强水位监测，水位监测井需满足20～30 m的间距要求。

5.5 岩溶处理效果检查

5.5.1 注浆效果检查

采用取芯法、渗透系数测试法、标贯法等方法综合评定注浆效果。西坑站主要通过取芯法和渗透系数测试法来检验溶洞的注浆效果。

（1）取芯法。通过对岩溶处理加固体进行取芯，对比取芯量、岩芯的整体性、溶孔充填效果、充填物芯样的性能来判断注浆效果，并对取芯芯样进行抗压测试。注浆段无侧限耐压性能要大于0.2 MPa，充填材料段无侧限耐压性能要大于0.4 MPa。

（2）渗透系数测试法。通过压水试验，计算注浆后地层的单位吸水量及地层渗透系数来判断注浆加固效果。压水试验透水率应不大于5×10-5cm/s，且合格率应达到85%以上；其余不合格孔段的透水率最大值应不超过7.5×10-5cm/s，且不集中。满足上述2个条件即可判定注浆合格。

5.5.2 充填效果检查

（1）基底以上、围护结构3 m范围外的溶洞，采用“二次压浆”方法检查溶洞的充填率；

（2）基底以上、围护结构3 m范围内的溶洞，先采用“二次压浆”方法检查，然后采用标贯法测定密实度。当标贯值达到“坚硬”状的土质，说明充填效果优良，达到“硬塑”状的土质，则判定充填效果合格。

6 结 语

城市轨道交通车站溶洞处理涉及2个关键因素，一是溶洞的探边，确定溶洞处理范围，避免漏处理而留下安全隐患；二是处理效果的检测，要确保处理达到必要的效果，满足安全施工条件。本文通过实际操作总结出的溶洞注浆工艺和施工控制重点，可为类似城市轨道交通车站岩溶地段溶洞处理提供有价值的参考经验。