杭州地鐵巖溶地層特征及處置方案研究

張 軍

（中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，浙江杭州 310004）

1 背景

隨著城市地鐵隧道工程建設(shè)需求的增長，巖溶區(qū)隧道工程越來越多。但若擬建地鐵周邊存在巖溶地層，會引發(fā)冒頂和地面坍塌等工程事故。由于巖溶地層地鐵建設(shè)的復(fù)雜性和危險性，如何探明溶洞的分布和形態(tài)并采取適當(dāng)?shù)姆桨复胧┻M(jìn)行處理，是巖溶隧道設(shè)計和施工的重難點(diǎn)問題。

聶信輝[1]通過綜合勘察技術(shù)調(diào)查了張吉懷鐵路蘭花區(qū)間大型溶洞群的規(guī)模和隧底巖溶發(fā)育情況，并采用回填混凝土的處理方案；寇邦寧[2]通過對南玉鐵路巴山隧道工程建立適用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系，精準(zhǔn)判斷復(fù)雜地質(zhì)條件下掌子面巖溶發(fā)育的情況和處理方法；卓旭煬[3]分析了巖溶頂板塌陷機(jī)理，并針對軟、硬塑紅黏土層溶區(qū)的盾構(gòu)風(fēng)險采用相應(yīng)的處理方案；周華貴等[4]針對海底巖溶隧道首次采用“跨孔CT（computer?tomography）物探+鉆探”的勘察方案，并提出海面預(yù)處理方案和盾構(gòu)針對性設(shè)計方案；劉志韜等[5]依托工程對巖溶區(qū)淺埋隧道下穿既有構(gòu)筑物隧道的施工方法進(jìn)行研究，提出相關(guān)理論依據(jù)，有效降低對既有構(gòu)筑物的安全影響；李建偉[6]探討了以華北丘陵地區(qū)某巖溶隧道的巖溶發(fā)育規(guī)律及成因，并提出施工處治措施；錢莊等[7]探討了砂土覆蓋型巖溶盾構(gòu)隧道的施工風(fēng)險，并分析了溶洞地面注漿加固處理方案；李慎奎等[8]采用綜合統(tǒng)計法分析武漢地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律特征和處理方法；曹校勇等[9]針對羊橋壩隧道巨型溶洞地層，提出了橋梁跨越、路基+明洞、回填暗挖和5種改線處理方案。

前人針對巖溶區(qū)隧道均給出了一系列合理有效的勘測手段和處理方法，但是由于巖溶地質(zhì)溶洞的復(fù)雜性和差異性，且實際修建的地鐵工程也各不相同，因此工程的實用性較差；且對穿越覆蓋型復(fù)雜巖溶地層的系統(tǒng)性研究較少。針對上述問題，本文結(jié)合杭州地區(qū)的巖溶勘察資料，依托杭州地鐵6號線一期工程，給出了系統(tǒng)性的巖溶地質(zhì)評價和處理方案體系，成功解決了杭州地鐵首次盾構(gòu)穿越巖溶段的難題，為后續(xù)杭富、杭臨線路類似工程施工奠定了基礎(chǔ)。

2 工程概況

杭州地鐵6號線河山路站—鳳凰公園站區(qū)間巖溶專項勘察場區(qū)起于亭三浦河西側(cè)，沿浮山西路向西行進(jìn)，止于浮山西路與周浦路交叉口東側(cè)75?m處。沿線建筑物層數(shù)為6層左右，地形地貌簡單，自然地面平坦，地面標(biāo)高一般在3.27～8.75?m，屬沖海積平原地貌單元。

該盾構(gòu)隧道位于錢塘江沖海積平原，上部第四紀(jì)覆蓋層發(fā)育，厚度較大，一般為35～50?m?。土體類型較復(fù)雜，性質(zhì)差異較大，地層從中更新世至全新世均有發(fā)育，成因類型較多。淺部為沖海相砂質(zhì)粉土及粉砂，中部為河流相粉砂層，其下主要為圓礫層、含礫粉質(zhì)黏土（或碎石夾黏土）層?；字饕獮槭肯迭S龍組灰?guī)r，場地兩端處部分鉆孔揭露基底為泥盆系西湖組石英砂巖，基巖按風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化，本場區(qū)巖溶形態(tài)類型主要有溶洞、溶隙和土洞等，溶洞發(fā)育且具有很強(qiáng)的連通性。

地下水主要為巖溶水，賦存于場地基底的溶洞、溶隙及地下暗河之中。巖溶水主要受上部松散巖類孔隱水豎向緩慢入滲匯入，通過巖溶通道匯入地下暗河之中，其屬于滲入式補(bǔ)給。場區(qū)基巖裂隙及巖溶發(fā)育，具有較好連通性，故本區(qū)巖溶水具有較好連通性，水量大，對隧道影響較大。

3 溶洞綜合勘察

3.1 巖溶勘察方法

采用綜合勘察方法對隧址附近的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，查明巖溶地層巖性特征、節(jié)理裂隙發(fā)育情況；調(diào)查巖溶發(fā)育特征，洞內(nèi)溶溝、溶槽、充填物等特征；查明溶洞與隧道的連通關(guān)系等?，F(xiàn)場采用鉆探和綜合物探勘察方法。鉆探主要用于鑒別巖性、劃分地層，查明巖土層的性質(zhì)和分布；查明溶洞（土洞）的垂直向發(fā)育情況。鉆孔施鉆完畢，在孔內(nèi)下PVC（或PE）管，為物探測試提供條件。綜合物探包括地面物探方法和孔中物探方法，前者包括瞬變電磁法和高密度電法，后者包括地震波CT、電磁波CT和孔內(nèi)雷達(dá)探測法。綜合勘察流程如下：首先采用地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁2種物探方法開展隧道周圍的巖溶地層物探；其次對施工前方圍巖進(jìn)行鉆探，勘探孔布置在隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)3?m及2條隧道中部，縱向鉆孔間距按20?m左右控制；最后進(jìn)行孔中綜合物探，為便于進(jìn)行物探CT法和雷達(dá)探測，將中間1?排勘探孔錯開，使其與兩邊勘探孔呈三角形布設(shè)。

根據(jù)巖溶專項勘察方案，共施鉆171個地質(zhì)勘探孔，其中171個探孔均揭露中風(fēng)化灰?guī)r，126個孔揭露有溶洞，遇洞率為73.2%；共揭露溶洞293個，土洞4?個，超大溶洞頂距離車站底板約為2?m，溶洞最高達(dá)到 43.6?m。

3.2 巖溶發(fā)育特征

（1）巖溶形態(tài)規(guī)模。從已有的171個鉆孔資料統(tǒng)計來看，揭露出溶洞293個，平均洞高2.5?m。其中，洞高小于1?m的溶洞占總量的1/3，50%的溶洞洞高小于1.5?m，80%的溶洞洞高小于4.0?m；大于5?m洞高的溶洞有44個，占總?cè)芏磾?shù)的15%；大于10?m洞高的溶洞有6個，占總?cè)芏磾?shù)的2.1%，勘探孔揭露溶洞最大高度為19.2?m，溶洞洞高分布如圖1所示。

圖1 溶洞洞高分布

（2）溶洞橫向分布特征。圖2給出了基巖面以下巖溶統(tǒng)計，由圖可知，自基巖面向下的方向，線巖溶率漸漸增大，最大值發(fā)生在2～4?m處，達(dá)27.35%～33.25%；隨著深度不斷加大，線巖溶率逐漸減小，17～23?m處開始，線巖溶率減小至5.54%～8.57%，基巖面以下24?m處線巖溶率穩(wěn)定在3%以下。

圖2 基巖面以下巖溶統(tǒng)計

（3）巖溶垂向分布特征。溶洞的垂向分布可以用2個指標(biāo)來描述，一是洞頂標(biāo)高，另一個是碳酸鹽巖頂板以下的埋深[10]。因河山路站—鳳凰公園站區(qū)間巖溶條帶基巖面起伏較大，洞頂標(biāo)高指標(biāo)可能會對溶洞的垂向分布產(chǎn)生誤導(dǎo)，故采用溶洞頂板在基巖面下的埋深來研究溶洞的分布規(guī)律，溶洞頂板在基巖面以下埋深統(tǒng)計如圖3所示。由圖可知，1/3的溶洞頂板在基巖面下2.5?m以內(nèi)，50%的溶洞在基巖面下5.5?m以內(nèi)，90%的溶洞在基巖面下14.0?m以內(nèi)；埋深大于15.0?m的溶洞有25個，占總?cè)芏磾?shù)的8.7%。

圖3 溶洞頂板在基巖面以下埋深統(tǒng)計

（4）巖溶充填特征。為辨析溶洞內(nèi)充填物數(shù)量，可將巖溶劃分為全充填溶洞、半充填溶洞和無充填溶洞3?種類型。全充填溶洞占63.4%，無充填溶洞約占27.5%，半充填溶洞約占9.1%。每個充填類型溶洞數(shù)量與頂板在基巖面下埋深的關(guān)系如圖4所示，由圖可知，全充填溶洞平均埋深5.22?m，半充填5.60?m，無充填8.79??m，全充填溶洞和半充填溶洞埋深較小，無充填溶洞埋深較大。

圖4 溶洞充填類型在基巖面以下埋深統(tǒng)計

3.3 巖溶地質(zhì)分類

杭州地區(qū)的碳酸鹽巖分別為灰?guī)r、老黏土、角礫混黏土和粉細(xì)砂層所覆蓋。為便于對巖溶地質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)一處理，根據(jù)上覆巖、土層工程性能地質(zhì)差異，在剖面上將巖溶地層劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 共6個地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，如圖5所示。

圖5 巖溶地質(zhì)分類

（1）Ⅰ類中粉細(xì)砂可直接通過溶隙、孔洞等通道漏失，引起地面塌陷，從而產(chǎn)生巖溶地質(zhì)災(zāi)害。

（2）Ⅱ類中存在厚度＞3?m的黏土層，由于地下水長期頻繁作用，在碳酸鹽巖上方的老黏性土層中可能存在土洞。老黏性土層的連續(xù)性遭受破壞時可引起地面塌陷，如鉆孔連通粉細(xì)砂層、土洞塌陷等。

（3）Ⅲ 類存在厚度＞3?m的角礫混黏土層，由于地下水長期頻繁作用，在角礫混黏土層中可能存在土洞。土洞進(jìn)一步發(fā)展可能引起地面塌陷，如未封堵的鉆孔連通粉細(xì)砂層、土洞坍塌等。

（4）Ⅳ 類存在厚度＞3?m的粉細(xì)砂層，在地下水長期頻繁作用下，老黏性土層中可能存在土洞。土洞進(jìn)一步發(fā)展可能引起地面塌陷。

（5）Ⅴ 類存在厚度＞3?m的角礫混黏土層，由于地下水長期頻繁作用，在角礫混黏土層中（或黏土混角礫）可能存在土洞。土洞進(jìn)一步發(fā)展可能引起地面塌陷。

（6）Ⅵ 類有厚度＞6?m的石英砂巖層，一般不會發(fā)生巖溶地面塌陷。

4 巖溶處理施工

4.1 巖溶總體處理措施

為提高盾構(gòu)以下砂層和基巖的穩(wěn)定性，以填充巖溶裂隙及溶洞、阻止巖溶發(fā)展和坍塌為目的，本著“處理為主，防治為輔”的原則處理巖溶。

由于巖溶發(fā)育具有不規(guī)律性，詳勘及物探難以將周邊所有溶洞土洞精確探明，故施工前應(yīng)對高風(fēng)險地區(qū)進(jìn)行補(bǔ)孔核驗，查明溶洞具體位置及規(guī)模。對位于高風(fēng)險地區(qū)已揭示的土洞、溶洞，采用從地面打孔注漿或填砂的加固方式，對結(jié)構(gòu)底板及以下10?m范圍的巖面做注漿加固處理。根據(jù)溶洞發(fā)育特征，結(jié)合已有類似工程的溶洞處理經(jīng)驗[11-14]，對河山路站—鳳凰公園站區(qū)間巖溶進(jìn)行分類，分別采取不同的處理措施，如圖6所示。

4.2 巖溶處理措施

根據(jù)圖6確定的巖溶總體處理措施，對具體的步驟進(jìn)行細(xì)化。首先對兩側(cè)采用帷幕注漿隔斷，注漿深入灰?guī)r層15?m，對于Ⅰ類巖溶采用800?mm地下連續(xù)墻隔斷，地下連續(xù)墻入巖深度為500?mm。

圖6 巖溶分類和處理措施

（1）無填充溶、土洞和半填充溶、土洞。先投入砂石填充，填充完成后注漿，如圖7所示，投砂施工時在原鉆孔附近0.6?m處補(bǔ)鉆2個φ250?mm的投砂孔，3個孔中心需在同一連線上，2個投砂孔可以互作為排氣孔。投砂完成后，對溶洞進(jìn)行注漿填充加固，注漿壓力從小到大，間歇、反復(fù)注漿直至填充完成。投砂管建議采用φ219?mm的PVC套管，投砂孔的大小也可根據(jù)現(xiàn)場施工情況進(jìn)行調(diào)整。

圖7 半、全填充巖溶處理措施（單位：mm）

（2）全充填溶、土洞采用注漿填充。洞徑大于2?m的全充填溶、土洞及洞徑小于2?m的溶、土洞，可直接采用注漿填充的方法進(jìn)行加固，注漿壓力從小到大，間歇、反復(fù)注漿直至填充完成。

（3）車站下伏大型溶洞。兩側(cè)牛腿及中間承壓樁基形成穩(wěn)固的豎向支撐體系，車站中間立柱樁位處施超前鉆孔，對超前鉆揭露的溶洞進(jìn)行灌漿處理；圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，基巖內(nèi)設(shè)置15?m注漿帷幕，如圖8所示。

圖8 車站下伏大型溶洞處理措施

4.3 注漿工藝

本區(qū)間采用φ48?mm的PVC袖閥管注漿工藝，如圖9 所示。注漿材料采用水灰比為 0.5?:?1～1?:?1 的純水泥漿，若溶洞水有流動性時，可在漿液中加入速凝劑或采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，具體應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。注漿壓力一般在0.4～4.0?MPa 范圍，當(dāng)壓力從 0.4??MPa 逐步提高至終壓4.0??MPa時，繼續(xù)注漿10??min即可結(jié)束注漿。注漿速度一般為30～70?L/min，注漿擴(kuò)散半徑設(shè)計為1.5?m，每個注漿孔每米的灌漿量初步按2?m3考慮。實際灌漿參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場實驗進(jìn)行調(diào)整。

圖9 注漿現(xiàn)場施工

4.4 質(zhì)量檢查

注漿質(zhì)量檢查采用鉆孔取芯為主，壓水試驗為輔的綜合方法。大于2?m洞徑的溶洞必須進(jìn)行質(zhì)量檢查，對小于2?m洞徑的溶洞按總數(shù)量的10%進(jìn)行注漿質(zhì)量檢查，每個需質(zhì)量檢查的溶洞加固區(qū)，根據(jù)其發(fā)育規(guī)模由監(jiān)理工程師確定1～3個質(zhì)量檢查孔，同時對注漿擴(kuò)散半徑進(jìn)行質(zhì)量檢查。鉆孔取芯后對芯樣進(jìn)行抗壓試驗，注漿加固結(jié)體28天的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于0.2?MPa，溶洞加固處理后質(zhì)量檢查孔壓水試驗透水率應(yīng)不大于10??Lu，合格率 85% 以上方可達(dá)標(biāo)，其余不合格孔段的透水率應(yīng)不大于15??Lu，且不集中。

5 結(jié)論

（1）杭州地區(qū)覆蓋型巖溶地層的溶洞絕大部分都為中小型溶洞，85%的溶洞高小于5?m；頂板在基巖下溶洞中，92.3%的埋深在基巖面下15?m?以內(nèi)；線巖溶率在2～4?m處出現(xiàn)最大值為30%，在24?m處開始穩(wěn)定在3%以下；全充填溶洞占63.4%，無充填溶洞占?27.5%，半充填溶洞占9.1%。

（2）覆蓋型巖溶區(qū)下伏大型溶洞，應(yīng)綜合多種勘察方法，詳細(xì)查明底部溶洞的發(fā)育特征和水文地質(zhì)情況，為巖溶處理方案確定提供依據(jù)。

（3）對于小型溶洞，由于發(fā)育特征復(fù)雜，可根據(jù)巖溶地質(zhì)分類，采取對應(yīng)類型的方法進(jìn)行處理，但底部應(yīng)采取排水措施防止巖溶積水。

（4）對杭州地區(qū)不同的巖溶地質(zhì)類型采用不同的巖溶處理方案，可針對性地有效處理巖溶，可為國內(nèi)類似工程提供參考。