摘要：岩溶强发育地段，在施工过程中受到人为因素或自然因素的影响，均会引起溶洞、土洞的失稳，从而导致地面沉降或塌陷，本文以广州地铁八号线聚龙站溶洞处理施工为例，介绍其施工特点、工艺原理以及质量安全和环保措施，针对不同孔径大小、不同填充的溶洞所采用的各种不同的处理方法等。通过注浆，提高土体强度和底层的整体稳定性，从而保证在基坑开挖过程中控制周边沉降和保证周围环境的安全。
关键词：车站施工；溶洞处理；钻孔；压力注浆
1工程概况
广州市轨道交通八号线北延段（文化公园-白云湖）位于广州市白云区，线路全长16.3km，均为地下线。聚龙站位于白云区石槎路与德康路交界处，沿石槎路与西槎路南北敷设，采用地下二层（换乘节点三层）岛式结构，共设置4个出入口，2组风亭。车站标准段宽23.10m，基坑开挖深度18.0m（换乘节点27.0m）。车站主要采用明挖顺筑法施工，局部为满足交通疏解要求采用盖挖顺作法施工，围护结构采用600mm、800mm、1000mm厚地下连续墙+内支撑的型式。
本站揭露的岩土层主要有人工填土层、砾砂层、粉质粘土、淤泥质土、炭质灰岩和灰岩等地层。基坑岩面起伏较大，岩面南高北低，基坑中南端微风化岩面突出，连续墙成槽及开挖施工难度较大。
根据聚龙站初勘和详勘报告显示，沿线场地岩溶主要发育在石炭系灰岩层中，聚龙站钻孔72个，揭露溶洞钻孔有29孔，单孔见洞率74.3%,多孔发育2层或以上串珠状溶洞，最大洞体高度为7.90m，最小洞体高度为0.20m。
2溶洞处理概述
2.1溶洞对车站施工的影响
聚龙站北部岩溶强发育，部分地段砂层直接覆盖在基岩之上，均为引起地面沉降和塌陷的不良因素。施工过程中，由于人为或自然原因，地下水位的变化使溶（土）洞周边土体应力平衡破坏或受地下水侵蚀、冲刷使溶（土）洞中或周边土体颗粒流失而导致失稳塌陷从而引起地面沉降或塌陷。
过度抽排地下水或冲击震动、地面加载等均可导致溶（土）洞失稳导致地面沉降或塌陷。
溶岩裂隙水主要赋存在石炭系灰岩中，溶蚀裂隙和溶洞发育，水量中等～丰富，具承压性。溶洞、溶蚀裂隙发育很不均匀，裂隙、溶蚀及溶洞不太发育的部位，岩层透水性一般较弱；溶蚀及裂隙发育的部位，透水性一般中等，溶洞发育的部位透水性一般较强，有较大涌水的可能。
2.2溶洞处理的目的
(1)减小围护结构在施工时产生坍塌的风险；
(2)预防土洞在地下水作用下迅速发展的风险，减小后期运营的风险；
(3)预防未查明的溶洞，岩溶通道在基坑开挖时的突涌水对基坑及周边建、构筑物的破坏，提高砂土地基抗岩溶局部坍塌的能力，提高车站结构的安全性。
2.3溶洞处理的原则
(1)遵循岩溶处理、基底处理、围护结构、主体结构、抗浮方案、施工期涌水及运营期风险防治方案协调统一考虑的原则；
(2)影响工程安全的溶（土）洞均应处理；
(3)工程影响范围内的非填充土洞均应处理，对于全填充土洞根据填充物性质、地基承载力，周边环境等情况确定处理方案；
(4)溶洞处理需在详勘、和补勘报告的基础上进行，对详勘和补勘报告中揭露的溶洞进行注浆加固处理；
(5)对需要要处理的溶洞，采取填充、压密的方法处理，根据填充状态采取不同的处理工艺。
2.4溶洞处理的范围
根据聚龙站岩溶处理施工图，溶洞处理的范围如下：
(1)对嵌岩的围护结构、处于嵌岩段的溶洞需采用注浆处理，防止围护结构施工时产生坍塌；
(2)围护结构内外3m,墙底下的溶洞顶板厚度小于3.0m的必须处理；
(3)基底处于灰岩层段：
①处于基坑开挖范围内的浅层溶洞需提前注浆充填处理；
②底板以下2m范围内的所有溶洞均处理；
(4)基底处于砂层段：底板以下、岩面以上有3.0m厚度、且较稳定的隔水层时，其下灰岩所发现的溶洞原则上不需要处理。
3施工方法
3.1溶洞的探查及边界探测
(1)溶洞的探查
车站主体结构范围内初勘和详勘钻孔共72个，钻孔平均间距15~20m，并29个钻孔已经揭露溶洞，车站主体基坑北侧基本处于发育的溶（土）洞范围内。
溶洞处理前，在初勘和详勘的基础上进行地质补勘，地下连续墙每幅设置两组超前钻，可进一步确认未探明的溶洞，补勘过程中探明的溶洞做好标记，预留注浆孔，以便进行处理。
(2)溶洞边界的探测
溶（土)洞处理前，先进行溶（土）洞平面范围的探测，尽可能摸清溶洞的规模大小。以揭示到溶（土）洞的钻孔为基准点加密钻孔，间隔2.0m向四周扩散,直到找到溶洞边界为止。探测孔可兼做注浆孔进行注浆充填，加密钻孔完成后做好封孔处理，封孔采用0.5:1的水泥浆填充，以压力注浆的方式封孔，直到孔顶返浆，起钻后将地面补平。钻孔布置见图3.1-1。
按设计方案钻孔、取芯，每孔绘制地质剖面柱状图，标注洞顶、洞底标高和填充物性状。每个溶土洞根据设计方案进行边界探孔，逐洞逐孔编号，每洞绘制平面四至图和洞高分布图，根据加密钻孔揭示的溶洞位置，绘制溶洞的包络图，根据包络图面积和洞身高度计算出理论预计注浆量。
图3.1-1钻孔确定溶洞范围示意图
3.2处理方法
(1)无填充溶洞和半填充溶洞处理方法
对洞高对大于3m以上的无填充溶洞和半填充溶洞，采用灌填水泥砂浆进行填充。采用锚固钻机成孔，选用200PVC套管跟进方法。并加工Φ108钢管，钢管采用内套丝方法连接。上面部分与混凝土泵车连接，直接泵送水泥砂浆，并预留出气孔。
小于3m的溶（土)洞和半填充溶（土）洞采用袖阀管压力注浆填充。
(2)全填充溶洞处理方法
采用压力注浆的方法，进行填充加固，注浆压力从低到高，间歇、反复压浆。
3.3施工顺序
(1)溶（土）洞处理的施工顺序应遵循：探边界—注浆充填—注浆效果监测；
(2)进行车站溶（土）洞处理时，先对围护结构影响范围的溶洞进行处理，再对车站结构底板下方的溶洞进行处理，溶洞的处理先后顺序按照由北向南逐个进行处理；
(3)注浆施工时，应先施做外排止水、止浆帷幕，将处理范围内溶（土）洞与外界洞体隔离，再处理中间区域。灌注水泥浆时，周边孔与中央孔交替进行注浆。
3.4袖阀管注浆施工工艺及技术要求
3.4.1布孔、终孔、注浆处理原则
(1)一槽两钻处理布孔及终孔原则
①布孔原则：地下连续墙施工前对每一副连续墙布置两个超前钻探孔；
②终孔原则：超前钻探孔终孔深度按钻至连续墙底标高以下3米终孔，且3米处须为稳定隔水层或完整的岩体，否则需钻至稳定隔水层或完整的岩体终孔。若遇到以下特殊情况则按下述原则终孔：
a.若在墙下3米范围内发现溶洞，但洞底标高未达到墙底下3米，仍需钻穿至墙下3米终孔。
b.若在墙下3米范围内发现溶洞，且洞底标高超过墙下3米，仍需钻孔至洞底，并进入稳定隔水层或完整岩体2米终孔。
(2)连续墙内外侧封边界限布孔及终孔原则
①布孔原则：在一槽两钻中发现有溶土洞的孔，平面上以距连续墙中心线两侧各3米为封边界限，在该范围内（含3米线）进行布孔。(布孔间距为@2000mm，梅花型布置)。一槽两钻中未发现有溶土洞的，不需进行两侧3米线（含3米线）范围内的探边钻孔；
②终孔原则：两侧3米线范围内（含3米线）的探边孔深度以临近的一槽两钻的钻孔深度为参考。若钻至墙下3米未发现溶洞，即终孔；若钻至墙下3米发现有溶洞，终孔原则如下：
a.若在墙下3米范围内发现溶洞，但洞底标高未达到墙下3米，则钻穿至溶洞底板并入岩0.5米即终孔。
b.若在墙下3米范围内发现溶洞，且洞底标高超过墙下3米，仍需钻孔至洞底并入岩0.5米终孔。
(3)车站底板内探边孔布孔及终孔原则
①布孔原则：车站底板内（基坑内侧3米线范围不包括在内）探边孔布孔间距为@2000mm，梅花型布置；
②终孔原则：探边钻孔深度至底板以下2米。若在底板以下2米范围内发现溶洞，按以下原则终孔：
a.若洞底标高未达到车站底板以下2米，则仍需钻穿至车站底板以下2米终孔；
b.若洞底标高超过车站底板以下2米，则需钻孔至洞底并入岩0.5米终孔。
(4)注浆处理原则
①完成连续墙两侧3米线布孔后须先注双液浆封边。封边后，一槽两钻范围内的洞体再用单液浆填充；
②基坑外侧布孔探边至3米线截止，不论是否找到洞的边界，都不再往外布孔探边。基坑内侧布孔探边至3米线，先按上述（1）中原则完成封边后，再按第3小节所述原则进行布孔探边，进行注浆处理。
③一墙两钻及探溶土洞边界探测完成后，绘制完整的溶土洞地层包络图，对每个孔（注：溶土洞如在多个位置连通的为一个整体）的预注浆量做好相应的数据提交审核后，进行注浆施工。
图3.4-1袖阀管注浆施工结构图
3.4.2袖阀管施工工艺
溶（土）洞的处理采用袖阀管注浆，袖阀注浆管为每节长4m、直径48mm的硬质塑料管，注浆管分实管和花管两种，实管上未开设溢浆孔，用于非注浆地层；花管上开有Φ8mm的溢浆孔8个，每组小孔间距33cm，用于需注浆地层。在花管有孔部位外面套有抗爆压力为4.5MPa橡胶套，橡胶套覆盖着溢浆孔，起到单向阀作用。注浆芯管采用双塞注浆芯管，通过注浆压力使得两堵头与花管密贴，达到分段注浆的效果。袖阀管结构见图3.4-1，注浆施工工艺流程见图3.4-2。
3.4.3注浆参数
本次溶(土）洞处理范围的周围注浆孔注双液浆，双液浆质量配比为水：水泥:水玻璃=（1：1.38：0.3（质量比），水玻璃波美度为38～43Be′,模数为2.4～3.0；中央注浆孔注普通水泥浆，浆液水灰比为1：1～1：1.5；，注浆压力控制在0.4～1.0Mpa，注浆速度30～70L/min。水泥浆拌制采用42.5级普通硅酸盐水泥。
注浆参数根据设计图纸要求作为参考，通过现场试验调配，取得合理的水泥浆液配比、注浆压力等参数，以保证充填效果。
3.4.4施工步骤
(1)管线探测
聚龙站场地范围内管线复杂繁多，对施工影响很大。为确保施工过程中管线的安全，钻孔前需对钻孔位置的管线进行探测，标识，钻孔位置尽量避开管线，保证安全距离，现场钻孔作业要严格进行作业交底。
(2)测量放样
利用勘察钻孔，根据钻孔平面坐标测放揭露溶（土）洞的钻孔孔位，并以该孔位为基点放样出线路方向线和垂直于线路的方向线，在两个方向线上进行2m孔位布置。
(3)钻孔
钻孔采用选用XY-150型钻机，成孔直径91mm，针对较软土层采用合金钻具回转钻进方法成孔，
针对硬土层和破碎岩层采用风动潜孔钻锤冲击钻进。如钻进过程出现孔壁坍塌，则采用泥浆循环护壁成孔。
图3.4-2袖阀管注浆施工工艺流程图
对于钻探发现的溶土洞，按照2m×2m正方形布置钻孔查找洞体边界，查找范围至溶土洞边界，如图3.1-1所示，由已揭露溶洞的钻孔向周围扩散布孔探查，钻孔顺序由内向外，直到查找到溶洞边界为止。在查找洞体边界时，若外围钻孔未发现溶、土洞，则暂时不处理，采用回填处理。在钻孔过程中揭露的溶、土洞要做好记录，以供注浆作业参考。
(4)埋设注浆管
钻孔完成后，埋设注浆套管，采用Φ48PVC袖阀管，注浆管进入溶洞底部以下不小于0.5m，孔口下1.0m段施作止浆段封堵，防止注浆时浆液沿管壁上冒，止浆段采用1∶1水泥砂浆封堵密实。注浆管布置见图3.4-3。
图3.4-3溶洞注浆管布置图
(5)注浆浆液配制
根据溶洞面积及高度估算预配制浆液的体积，按水灰比计算出所需的水泥和水的用量，在搅拌机内加入计算好的用水量，边搅拌边加入计算好的水泥用量，搅拌均匀后倒入储浆池内备用。
(6)注浆
①注浆流程
注浆前，先进行注水试验，以检查注浆管路是否正常和判断地层的吸浆能力等，并防止堵管；灌浆量按拌浆桶桶数进行计量。先进行周边孔注浆，双液浆填充，封闭溶洞边界，再进行中央孔注浆，采用水泥单液浆填充，注浆压力控制0.4～1.0Mpa，注浆速度30~70L/min。
②终孔原则
灌至注浆压力后稳压10min以上，且进浆速度小于开始进浆速度的1/4,终孔压力值为单液浆为0.6Mpa，双液浆为0.7Mpa。根据注浆材料及地质条件，结合类似工程的施工经验及施工前做的试验结果，具体须在施工前进行现场及室内实验，必要时对各项参数进行修正。
③注浆施工的操作方法：
a.注浆方式采取后退式分段注浆工艺，即由孔底自下而上进行注浆，每次注浆段长0.5m，注完第一段浆段后，上提注浆芯管，进行第二注浆段注浆施工。
b.在芯管拔出长度大于一节管长时，停注拆取该节芯管及接头，将接头接在未拔出的芯管上继续注浆，依此进行直至完成注浆。
c.注浆过程中如需暂停注浆时，必须先将水泥浆管拿出放入清水桶中，并同时将注浆芯管提升0.4m，向孔内注清水后再停止注浆，这样既保持管路畅通，又保证注浆不受注水影响。
d.对于双液注浆，需暂停注浆时或每次注浆完成前，改用单液浆注浆1min，提出注浆芯管后，用钢管插入注浆管底部用清水由下至上冲洗注浆管，单液浆则直接停注后进行冲洗，并在管顶盖上闷盖。
e.为保证注浆效果，一般采用重复注浆方法。两次注浆时间间隔为6～10h,注浆3次，满足终孔压力时停止注浆，并用水泥砂浆封孔。
f.注浆过程中作好注浆工作记录表，注浆孔的注浆工作情况及注浆工序作业时间。注浆过程中随时分析和改进注浆作业；并且认真记录实际孔位、孔深、孔内地下物、涌水等，当与地质报告不符时，应采取措施进行修正。
④注浆过程中的注意事项：
a.外围孔采用双液浆注浆时，初期采用小压力注浆慢速注浆，并采用间歇往复注浆，以有效控制浆液流失。
b.中央孔主要以压力控制终孔，灌至注浆压力后稳压10min为止。
c.注浆采用隔孔跳注的方式，避免串浆、跑浆。
d.注浆过程中根据地面情况，可边钻孔边注双液浆进行封闭，保证施工安全。
(7)注浆效果检验
采用钻孔抽芯法，做抗压试验要求28d无侧限抗压强度≥0.2Mpa；
采用随机原位标贯试验，标贯击数应不小于10击；
检测数量按1%孔数抽查，且不小于3点，每个溶洞均要检测一次，采用随机钻孔取芯，做抗压试验。
检查孔在灌浆结束7d后进行压水试验。
3.4.5施工注意事项
(1)严格按照设计图纸的要求进行施工，确保钻孔深度满足设计要求，钻孔施工过程中做好编录；
(2)严格控制浆液配比，做好施工记录及各种签证记录；
(3)严格控制注浆压力，加强地面监测，防止重要建筑物破坏；
(4)切实进行分次注浆，控制好分次注浆量和间隔时间；
(5)施工过程中如管道堵塞，及时进行清洗，严防堵管；
(6)施工过程中对异常情况及时向上级汇报，及时进行处理。
3.5灌注水泥砂浆施工工艺
根据一槽两钻及探边孔的地质情况，在溶洞高度大于3米的无填充溶洞和半填充溶洞采用灌注水泥砂浆。
3.5.1施工流程
(1)成孔：采用螺旋空压机钻200mm孔径，钻至溶洞底0.5mm为止；共施作四个，孔与孔之间的净距离为500mm。排气孔的埋设根据其他标段的施工经验。本次砂浆孔计划成孔四个为一组，其中中间为灌浆孔、其余三个作为排气孔，确保灌浆期间至少有1个排气孔不堵塞。布孔位置见图4.7-1。
图4.7-1灌浆孔埋管示意图
(2)埋管：三个孔均埋设200PVC管，灌浆孔再预埋108mm孔径的钢套管，埋设至洞底上不大于1.5m，上端预留0.5mm，并用夹具固定防止掉落，上部预留足够长度与混凝土泵车泵管连接，见图3.5-1。
(3)泵送水泥砂浆：上部灌浆管与泵车管连接后，直接泵送水泥砂浆（M5）；在灌浆前，先对灌浆管泵气通管；为保持灌浆孔贯通，需间隔进行通气防止堵塞。
(4)第一次灌浆完成后，对排气孔继续灌注水泥砂浆，作为第一次灌浆的补充并封孔。
3.5.2施工注意事项
(1)锚固钻机施工前确保机械正常运转，机长务必检查做好相关记录，防止成孔过程中机械出现故障；
(2)灌浆管采用丝接，上部套管与泵车连接需牢固稳定；
(3)灌浆过程务必保持排气孔的通气，灌浆需连续，不可断续，防止注浆管堵塞。
3.6施工质量控制标准
施工质量控制标准见表3.6-1所示。
表3.6-1施工质量检验标准表
3.7加固效果检测
溶（土）洞填充注浆效果检验，主要检查填充率及密实程度。
(1)采用“二次压浆”方法进行检查填充率；
(2)密实程度检查：采用标贯法测定，标贯值达到“坚硬”状土为优，“硬塑”状土为合格。
(3)采用钻孔抽芯法，做抗压试验，要求28d无侧限抗压强度≥0.2MPa；
(4)采用随机原位标贯试验，标贯击数应不小于10击。
(5)检查原则和数量：按1%孔数抽查，且不小于3点，要求每个溶洞均要检测一次；采用随机钻孔取芯，做抗压试验，要求无侧限抗压强度不小于0.2MPa。质量检查孔的压水检查工作应在单元工程灌浆结束7d后进行。
4施工质量保证措施
(1)钻孔施工前必须查明各种地下管线，避免对地下管线造成破坏，当钻孔位置和地下管线冲突、钻孔施工有困难时可适当调整其位置。
(2)施工过程中须加强对施工地段的地下水监测和地面建筑物沉降变形监测等。避免产生地面沉降或隆起。
(3)注浆过程中，安排施工员进行全过程旁站，重点控制配合比、注浆压力和注浆量，确保达到设计要求。
(4)施工过程中如遇到无法进入的建筑物下方的土洞或空洞须施工斜孔进行处理，下钻前根据相关资料确定角度和位置。
(5)在完成注浆后28天，对已完成加固土体进行原位标贯、抽芯等相关试验，确保强度、抗渗系数等满足设计要求。如不能满足要求，需要重新进行处理。
5总结
地铁溶洞处理是一项复杂的工作，施工人员需要先考虑到溶洞特殊地质带来的影响，然后综合考虑施工方案，同时做好异常事故的准备。通过对本工程进行溶洞注浆处理的施工，实现了工程的顺利进行，确保了施工安全，施工方法是合理可行的。通过实际操作总结出来的溶洞注浆工艺和施工控制重点，可以做为以后岩溶地段溶洞处理有价值的参考经验。
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论文作者:谭相波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/17
标签：溶洞论文; 注浆论文; 钻孔论文; 范围内论文; 基坑论文; 原则论文; 边界论文; 《基层建设》2019年第13期论文;