贺彬
【摘 要】随着经济的快速发展，生活水平的不断提高，城市轨道交通建设规模空前，各大、中型城市竞相规划、兴建。在黄河、长江流域，经过河水的冲蚀，河道的变迁，极易形成岩溶地质，为了确保城市轨道交通施工及运营期安全，需提前对岩溶地段进行处理，填充溶洞、溶沟、溶槽，阻断溶洞间及溶洞与上层覆土间的水利联系，避免岩溶塌陷事故发生。因此，研究一套城市轨道交通岩溶处理施工技术，是城市轨道交通建设的需要，是企业自身发展的需要，其意义重大。
【关键词】地铁车站；机理；岩溶处理；注浆技术研究；总结
第一章 概述
1.1项目概况
红建路车站位于汉阳鹦鹉大道下，处于红建路与鹦鹉大道交叉口，沿鹦鹉大道南北向布置。红建路车站属长江一级阶地全新统冲击区，地形较为平坦，场地覆盖层厚度30m左右，主要以第四系冲击相砂土层为主，下伏三叠系灰岩。车站基底位于4-2层中细砂上，场地地下水主要为上层滞水、第四系孔隙承压水及岩溶裂隙水。
根据岩溶勘察结果，红建路车站(228.2m)范围内均岩溶发育，砂土层与灰岩直接接触，地质结构类型为I类，在地下水位急剧变化或者其它工程活动诱发下，可能发生岩溶塌陷。在车站范围内布设有40个勘察钻孔，揭示溶洞81个，钻孔遇洞率77.1%，物探发现异常39个。车站底板埋深约16.04m，位于中细砂4-2层。场地区岩溶发育类型主要有溶隙和溶洞，局部灰岩表面溶沟和溶槽较发育。岩溶专项勘察钻孔揭示溶洞铅直最大高度12.0m，半充填黄褐色硬塑状粘土夹碎石；溶洞顶板距岩面约0.1m，位于红建路站南端头井范围内。由于灰岩中发育有岩溶及裂隙，在地下水水动力作用下，上覆砂层易沿溶洞、裂隙流失，造成洞顶垮塌，导致地面塌陷。一旦塌陷发生，将对地铁工程安全直接造成破坏，对包括地铁工程在内的周边建筑、交通和人员均可能造成损害。
1.2工点周边岩溶塌陷案列
1.2.1中南轧钢厂
岩溶专项勘察报告内指出，在本标段红-马区间（ K12+275～K12+375 ）场地范围内原汉阳中南轧钢厂在1977年9月20日至10 月9 日发生地面塌陷。后经调查塌陷产生的原因：由于距该地250m的大桥局桥梁机械厂抽吸深层岩溶水。
该井自1973 年使用以来，日取水量1000m3左右，水位最大降深约30 m(低于基岩面) ，塌陷产生前，该井出水混浊不能使用。
1.2.2世茂锦绣长江三期地产
2013年12月27日世茂锦绣长江三期地产发生岩溶塌陷。据了解，该塌陷位置位于本标段区间岩溶终点附近（鹦鹉小道与拦江路间），该塌陷为汽车钻施工Φ800mm工程桩时，在约80m深岩面位置发生的塌陷，设备、人员被埋压。塌陷坑直径约10米、面积约为60平方米、离地面约5米的漏斗型坑道。
第二章 岩溶地面塌陷机理分析
所谓的“岩溶地面塌陷”是指隐伏在第四纪覆盖层下的可溶性岩中存在岩溶空洞，且存在与覆盖层相联通的通道，在一些自然因素或人为因素的作用下，覆盖层物质沿着岩溶通道进入到岩溶空洞中，引发覆盖层土体漏失，导致地面塌陷的现象。
2.1岩溶塌陷机理
国家勘察大师范士凯根据多年处理岩溶地面塌陷灾害的经验，研究总结了各种地质条件下岩溶塌陷的类型，根据大量岩溶塌陷处理的实际资料，按照地貌单元、地层时代、和地层组合三个要素总结、划分了岩溶地面塌陷的宏观分布规律，提出不同地质条件下的岩溶地面塌陷具有不同的塌陷机理和相应的塌陷类型。关于塌陷机理，范士凯提出了以下三种“潜蚀—土洞冒落”机理、“渗流破坏—流土—漏失”机理以及“真空吸蚀”机理。实际情况是三者并存，在不同的地质情况下塌陷符合不同的机理。
其中渗流破坏—流土—漏失机理是一种混合类型的机理，当覆盖层为二元结构冲积层且冲积层下部饱和粉土、砂、砾石层直接盖在岩面之上时，在粉土、砂、砾石层中的孔隙水与可溶岩中的岩溶裂隙、通道水发生直接联系，形成统一运动情况下，由于水位不断的升降变化，尤其是岩溶地下水位或承压水头低于孔隙水位时，发生垂直向下渗流。
先是在粉土、砂、砾石层中发生潜蚀作用，形成漏斗状疏松体，进而因垂直渗流加剧，局部水里坡度加大，超过临界水力坡度时发生流土，既砂、砾石呈流动状态漏入岩溶空洞，在地面出现塌陷坑。
产生流土—漏失需要有下面几个必要条件。岩溶洞、隙未填充或者半填充，且岩溶洞、隙与第四系孔隙含水层有开口通道。第四系含水层中的孔隙水向下渗流，且岩溶水位于土、岩接合面以下，或岩溶承压水位低于孔隙水位。孔隙地下水向下渗流的初始阶段先发生潜蚀，既土中的细颗粒被带走，形成漏斗状松散体，进而渗漏加剧，局部水力坡度加大，当向下渗流的水力坡度大于孔隙含水层的流土临界水力坡度时发生流土，向溶洞、隙中漏失。当可溶岩基岩面之上覆盖有一定厚度的不透水性粘土层(如更新世粘性土)或隔水岩石层时，孔隙含水层中地下水向下渗流和流土则不会发生。
红建路车站属长江一级阶地全新统冲击区，车站范围内均存在岩溶。地勘资料显示，车站范围内砂土层与灰岩直接接触，地质结构类型为I类，当岩溶空洞与上部砂土层连通后，砂土层发生流土，造成地面塌陷。
从机理来看，该区域发生塌陷属于流土—漏失机理。
综合考虑红建路车站施工影响范围的地貌单元、地层组合、地层时代及第四系孔隙水与岩溶地下水的关系等因素，该区域塌陷属流土漏失型塌陷，治理时应采取对溶洞进行注浓浆填充，对地下水渗漏通道进行阻隔等措施。
第四章 地铁车站岩溶处理注浆技术研究
根据岩溶专项勘察资料，结合相关规范的要求，提出红建路车站岩溶处理的原则如下：车站围护结构连续墙落底，墙下设置注浆帷幕，形成有效隔水层、隔砂层，阻断基坑内外水力联系及砂层联系，确保整个基坑为一个封闭体系；对车站临时立柱桩及中间立柱桩进行超前钻预注浆，每桩一孔，深度至基岩面以下10m；对于车站范围内基底采用高喷格构式加固，通过旋喷桩土墩柱在基底形成隔水墙，分割基底为一定面积的方形墩体，以阻止基底水的流动，从而阻止砂层的流失，以提高基底的强度；对基坑范围内已探明溶洞进行注浆处理。
车站基坑开挖前根据现场实际情况采取降水措施，只降砂层中的承压水，严禁降岩层水，同时降水方案严防出现自砂层与岩层之间的水力流动，以防地下水活动导致粉细砂进入岩溶，诱发砂层塌陷。施工过程中，对岩溶水位变化以及砂层水位进行持续观测，以指导施工的安全进行。
4.1 钻孔灌浆施工技术研究
4.1.1传统施工工艺
传统注浆采用钻杆直接注浆或成孔后将钻杆拔出下一次性塑料管注浆、封孔施工工艺。
在本标段的地质情况下采用传统注浆施工工艺存在很大的风险：该工艺成孔后将砂层和溶洞连通，拔出钻杆后上层砂石将跟随钻孔通道进入溶洞，引发岩溶塌陷（容易发生岩溶塌陷的时间段为：钻孔完成拔出钻杆至注浆管到位前），造成人员、财产损失，甚至可能造成极大的社会影响。
另若采用传统注浆施工工艺则存在较大的施工隐患：一来施工中容易出现注浆不足或过量等情况；另外溶洞内灌浆无法持压，容易出现溶洞顶部或溶洞间通道无法填满。
4.1.2引进新工艺
结合多次专家会的意见后，项目部决定采取引进新工艺的方法进行红建路站岩溶灌浆施工。
引进的新工艺有：1）跟管钻进成孔工艺（跟管设备）；2)灌浆监控工艺（灌浆记录仪+止浆塞）。
现场钻孔、注浆施工工序为：钻孔布置→钢套管钻孔施工→下PP-R管，取出钢套管→基岩钻孔、拔出→孔内止浆塞施工→灌浆流量仪记录注浆→终孔、拔出止浆塞至地面下1m进行补充注浆。钻孔注浆施工工艺如下图3所示：
4.2.1引进新工艺的特点：
1）跟管施工工艺（设备）：跟管至岩层后，能够完全避免砂石漏失，基本消除了传统工艺在该地层中施工存在的风险。
2）灌浆监控工艺（灌浆记录仪+止浆塞）：通过灌浆记录仪+止浆塞实时监控施工过程中的进浆、返浆、压力等一系列施工参数、指标来判定是否达到终浆标准，能很好地解决注浆量的不足（无法有效填充溶洞、可能发生塌陷）、过量（浆液进入砂层后，造成浪费，同时增加成槽难度）、无法持压（溶洞内、溶洞间通道无法填满）等问题。
4.2.2终浆标准
通过专项方案评审会及试验段施工总结会，确定灌浆终浆标准：
1）在最大设计压力（0.5Mpa）下，灌浆孔段注入率不大于1.0L/min时，继续灌注30min后可结束灌浆作业；
2）邻孔有浓浆液返出，可结束灌浆作业；
3）若止浆塞压力达到10MPa以上时，仍有浓浆液从注浆孔套管内、外返出，可结束灌浆作业。
4.2现场施工操作
4.2.1 钻孔
按照下图跟管钻进流程分序钻孔，钢套管入岩后灌水，检查套管与基岩之间的密封程度，若清水下降速度较快，则继续加深钢套管深度。
4.2.2拌浆
现场设置集中拌浆系统，高速搅拌机每次拌浆量为0.4方，搅拌时间大于30s。拌浆采用1:1、0.8:1、0.6:1三种浆液，其中1:1的浆液拌制1.2方；0.8:1的浆液配置1.2方；之后所有的浆液都采用0.6:1。
4.2.3注浆
4.2.3.1下入注浆塞之前必须检查管路连通性，使用注浆机分别对进浆、回浆管路通水检查；
4.2.3.2注浆塞下面的射浆管必须下入到溶洞底板以上0.5m位置处，注浆塞打压控制在8-10MPa。
4.2.3.3同一个钻孔有多个溶洞，若两个溶洞之间的岩石厚度达到2m以上时，分别至下而上进行灌注；若岩石厚度无法满足注浆塞卡塞厚度，则两个溶洞一起进行灌注；
4.2.3.4止浆塞打压完成后，在钢套管内加满清水，观察水位是否下降，若不下降或者下降不明显，则开始进行灌浆；若水位下降较快需重新打压。
4.2.3.5注浆过程中要对注浆量较大的钻孔采取低压慢流、间歇待凝等措施进行控制，实际操作过程中，第一次注浆最大注浆量根据所灌溶洞垂直高度1-1.5倍进行控制（最大不能超过15方），注浆流量控制在40L/min左右（慢1档）；根据实际情况可采取第三次、第四次注浆，注浆量根据现场情况调节孔口三通进行控制，间歇待凝时间为3-4h.
4.2.3.6可以根据现场情况越级变浆；
4.2.3.7注浆过程中要对回浆管路及钢套管内水位情况进行观察，若回浆管路无浆液或者气体返回，可根据现场实际情况加快注浆速度，最大速度不超过80L/min；若钢套管内有气泡或者液体返回，则加大卡塞压力，如果卡塞压力达到10MPa以上仍然有浆液从钢套管内返回，则停止注浆；
4.2.3.8每次待凝时需要拔出注浆塞进行管路冲洗，严禁在未拔出注浆塞时进行管路冲洗，防止冲洗水进入溶洞；
4.2.3.9当灌浆孔灌浆结束后应尽快灌浆封孔，封孔采用“压力灌浆封孔法”，浆液采用0.5:1的水泥浓浆。
4.3施工监测
由于存在岩溶塌陷的风险，在施工过程中，对施工管段范围内进行沉降监控测量，确保施工安全可控。
4.4取芯检测情况
红建路站灌浆完成后，对灌浆效果进行取芯检测，从取芯结果来判断，效果良好。
4.5地连墙施工情况分析
根据红建路站地连墙施工情况：1、地连墙施工过程中均未出现液面下降情况；2、成槽砂层砂层渣样中未出现明显水泥浆；3、成槽岩层渣样中有明显的水泥固体和水泥状土。初步判断：地连墙范围内溶洞填充情况较好，该种灌浆工艺能够满足溶洞填充的要求。
红建路车站地连墙、桩基及后续主体结构工程施工过程中未出现任何质量及安全事故。综合上述现场情况判断，红建路车站采用围护结构连续墙落底，连续墙下设置注浆帷幕，车站临时立柱桩及中间立柱桩进行超前钻预注浆，车站范围内基底采用高喷格构式加固对基坑范围内已探明溶洞进行注浆处理的处理方法是可行的，有效解除了岩溶发育区修建地铁车站发生岩溶地面塌陷的安全隐患。
4.5现场施工总结
通过车站注浆施工，确定并验证了所采用的新设备、新工艺，为之后前进村站~红建路站~马鹦路站区间岩溶处理积累经验，相关施工数据可以指导区间岩溶大面积施工。
利用跟管钻机钻孔，对地质影响较小，通过覆盖层钻孔完成后，在孔内下PP-R管，再钻岩层至成孔，可有效的解决钻孔过程中的岩溶塌陷这一安全隐患。采用PP-R管替代钢套管，有效解决了因注浆时间过长，施工扰动等原因造成的钢套管埋置问题，同时也减少了盾构在掘进施工过程中受钢套管埋置而造成其掘进困难的风险的影响。
采用灌浆记录仪+止浆塞的结合，能取得较好的注浆效果，确保溶洞注浆填充满，浆液也不会进入砂层，且根据合理的终浆标准，注浆量也不会过量，而导致浆液的浪费。
通过采用岩溶注浆的施工方案对地基缺陷的处理，对比区间采用明挖等其他施工设计方案，有效的控制了成本投入，同时此工法的采用，对场地条件要求较小，有效的避免了房屋征拆、管线改迁等前期费用投入，取得了良好的社会与经济效益。
参考文献：
[1]《地铁设计规范》(GB50157-2003)
[2]《建筑地基基础设计规范》(GB50007 -2011)
[3]《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202-2002)
[4]《武汉地铁6号线八标一期土建工程车站围护结构施工图设计》
[5]《武汉地铁6号线八标一期土建工程区间岩溶处理施工设计》
论文作者:贺彬
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年3月总第208期
论文发表时间:2016/6/12
标签：岩溶论文; 溶洞论文; 注浆论文; 钻孔论文; 车站论文; 浆液论文; 范围内论文; 《工程建设标准化》2016年3月总第208期论文;