明挖地鐵車站基坑溶洞預(yù)處理技術(shù)

朱 斌，徐 壯，羅小剛，韓 莉，姬鳳玲，彭遠(yuǎn)勝

（1、深圳地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 深圳 518026；2、深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 深圳 518060）

0 引言

巖溶地區(qū)水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，各種地下巖溶，深淺不一、大小不同、形態(tài)各異，給工程建設(shè)帶來了威脅和危害，不僅增加了工程建設(shè)的投資，還嚴(yán)重影響著工程建設(shè)的正常運(yùn)行和建筑物的安全使用。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)巖溶的處治技術(shù)做了較多的研究工作，并總結(jié)出很多成熟的工作經(jīng)驗(yàn)。但目前的研究主要集中在地鐵隧道和公路隧道的巖溶處置上［1?8］，而對(duì)地鐵車站的研究較少。譚佳等人［9］針對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)斷裂破碎帶引發(fā)的基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)性地提出了坑內(nèi)蓄水、設(shè)置隔水層、綜合注漿處理的應(yīng)急整治方案。提前預(yù)判地鐵車站基坑巖溶風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行預(yù)處理，既能夠有效保障基坑施工安全和地鐵運(yùn)營(yíng)安全，又具有經(jīng)濟(jì)性。江杰等人［10］通過有限元模擬和案例分析，提出了巖溶車站的預(yù)處理范圍和原則。但是巖溶地質(zhì)具有很強(qiáng)的地域性，具體工程需要根據(jù)場(chǎng)地的巖溶地質(zhì)特征確定地鐵車站基坑的預(yù)處理范圍和預(yù)處理技術(shù)。

本文結(jié)合深圳地鐵16 號(hào)線某車站的巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)性地提出地鐵車站溶洞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)處理范圍及方案，并通過檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)處理效果進(jìn)行了分析。

1 巖溶發(fā)育概況

該車站范圍內(nèi)第四系地層以沖洪積成因?yàn)橹?，下部為殘積黏性土，下伏基巖為微風(fēng)化灰?guī)r?？扇軒r巖面埋深在13.40～37.30 m 之間，埋深差別大，可溶巖巖面此起彼伏，巖面極不平整。車站主體結(jié)構(gòu)底板大部分位于殘積粉質(zhì)黏土中，局部位于微風(fēng)化灰?guī)r及微風(fēng)化灰?guī)r與第四系粉質(zhì)黏土結(jié)合面處?？辈靾?bào)告顯示，可溶巖勘探孔見洞率64.29%，線巖溶率為1.59%～49.83%，總線巖溶率13.39%。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007—2011》，該地鐵車站巖溶發(fā)育等級(jí)為強(qiáng)發(fā)育。

按照出露條件，車站范圍內(nèi)發(fā)育的巖溶為覆蓋型巖溶，類型有：溶洞、溶隙、溶槽、溶孔等，且以溶洞、溶隙兩種類型為主，如圖1 所示。含有充填物的溶洞占比為95.6%，充填物主要包括粉質(zhì)黏土、砂、粉質(zhì)黏土夾雜砂礫3種類型。

圖1 鉆探揭露的溶洞及巖溶裂隙Fig.1 Karst Cave and Karst Cracks Revealed by Drilling

2 巖溶風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 車站范圍內(nèi)溶洞分布特征分析

地鐵車站巖溶風(fēng)險(xiǎn)與溶洞規(guī)模大小及其分布的位置密切相關(guān)。該地鐵車站溶洞分布深度與車站底板的關(guān)系如圖2所示。

圖2 溶洞豎向分布情況Fig.2 Vertical Distribution of Karst Cave

車站基坑開挖范圍內(nèi)溶洞占比1.8%；在車站結(jié)構(gòu)底板下0～5 m 范圍溶洞占比30.1%，直徑0.3～10.4 m，平均直徑3.6 m，洞高0.3～16.5 m，平均洞高3.3 m；結(jié)構(gòu)底板下5～10 m 范圍內(nèi)溶洞占比26.1%，直徑0.5～8.5 m，平均直徑2.9 m，洞高0.6～5.8 m，平均洞高2.5 m；結(jié)構(gòu)底板下大于10 m 范圍內(nèi)溶洞占比42%，直徑0.8～8.5 m，平均直徑3.3 m，洞高0.5～9.6 m，平均洞高4.8 m。可知大部分溶洞分布在車站底板5 m以下的范圍內(nèi)。

2.2 基坑開挖過程中巖溶風(fēng)險(xiǎn)分析

基坑開挖過程中巖溶風(fēng)險(xiǎn)包括巖溶塌陷、基坑突涌?；娱_挖過程中的巖溶塌陷主要是由于基坑開挖揭露溶洞頂板使其變?yōu)槌谌芏矗瑥亩鹗┕C(jī)械或人員突然墜落等施工安全事故。因此，基坑開挖范圍內(nèi)的溶洞均需要預(yù)處理。

巖溶發(fā)育區(qū)基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)是由于基坑開挖卸載減小了巖溶水賦存空間上部的抗突層厚度，致使其抵抗巖溶承壓水的能力降低而引起的。該車站場(chǎng)地范圍內(nèi)裂隙巖溶水具承壓性，初見水位埋深13.40～26.90 m，初見水位高程6.74～20.64 m，穩(wěn)定水位埋深4.00～10.60 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高22.81～30.43 m，承壓水頭差6.50～20.50 m，平均承壓水頭差12.69 m。車站結(jié)構(gòu)底板埋深約18.2 m，標(biāo)高約15.2 m。此外，在巖土工程勘察階段，絕大部分鉆孔鉆至基巖后，會(huì)產(chǎn)生鉆進(jìn)用水漏失的現(xiàn)象。這表明基巖溶蝕裂隙或溶洞較為發(fā)育，裂隙巖溶水的徑流通道較為暢通。采用Ressiner彈性厚板理論，對(duì)基坑底板抗突體厚度進(jìn)行分析［11］。該理論假設(shè)基坑底部巖層為等厚度矩形彈性厚板，并將巖溶承壓水壓力減去厚板自重應(yīng)力視為均布荷載垂直作用于溶洞頂部巖體上。在垂直均布荷載作用下，抗突體滿足的基本方程：

式中：［σxmax］為抗突體的抗拉強(qiáng)度（MPa）；a為厚板長(zhǎng)度（溶洞平面投影長(zhǎng)度）（m）；b為厚板寬度（溶洞平面投影寬度）（m）；P0為豎向荷載（MPa）。

本工程中巖體物理、力學(xué)參數(shù)如下：巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，重度為21 kN/m3，單軸抗壓強(qiáng)度為14.80 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為0.92 MPa，粘聚力為0.50 MPa，內(nèi)摩擦角為33°，彈性模量為3 GPa，泊松比為0.32。

地鐵車站范圍內(nèi)82.3%溶洞的直徑不大于5 m。按照承壓水穩(wěn)定水位最大標(biāo)高30.43 m，采用公式2計(jì)算得到：在車站結(jié)構(gòu)底板下5 m 處的溶洞，尺寸越大，抵抗基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)所需抗突層厚度越大。當(dāng)溶洞寬度大于4 m 時(shí)，抵抗基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)所需抗突層厚度大于5 m，例如4 m×5 m、5 m×5 m 的溶洞所需抗突層厚度分別為5.65 m、6.34 m，顯然不能滿足抗突涌要求，需要進(jìn)行處理。在車站結(jié)構(gòu)底板下10 m處的溶洞，抵抗基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)所需抗突層厚度小于10 m，滿足抗突涌要求，因此不需要處理。

2.3 地鐵車站運(yùn)營(yíng)過程中巖溶風(fēng)險(xiǎn)分析

地鐵車站運(yùn)營(yíng)過程中，車站上部結(jié)構(gòu)荷載在溶洞頂部產(chǎn)生的附加應(yīng)力若超過溶洞頂板的承受能力，將會(huì)導(dǎo)致溶洞頂板破壞，引起溶洞塌陷風(fēng)險(xiǎn)。地鐵車站溶洞塌陷風(fēng)險(xiǎn)會(huì)造成車站基底局部懸空、結(jié)構(gòu)開裂、地下水入滲等問題，嚴(yán)重危及行車安全。

在車站結(jié)構(gòu)底板下0～5 m 范圍的溶洞使車站結(jié)構(gòu)底板地基的均質(zhì)性差異較大，在車站上部結(jié)構(gòu)荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響下易發(fā)生地基不均勻沉降；由于裂隙發(fā)育，溶洞頂板完整性較差，在上部結(jié)構(gòu)荷載及地鐵運(yùn)營(yíng)過程中車輛振動(dòng)荷載的影響下，存在巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)；

結(jié)構(gòu)底板下5～10 m 范圍內(nèi)的溶洞由于裂隙發(fā)育，使溶洞穩(wěn)定巖面頂板高度小于3 m，存在巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)；

結(jié)構(gòu)底板下大于10 m 范圍內(nèi)的溶洞受附加應(yīng)力影響較小，巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)小。由于大部分溶洞內(nèi)有充填物，表明該范圍內(nèi)的溶洞有繼續(xù)發(fā)育的可能性，對(duì)車站建成后的后期運(yùn)營(yíng)安全有一定影響。此范圍內(nèi)的溶洞需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，最終根據(jù)穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果有針對(duì)性地提出處理方案。因此，基于經(jīng)濟(jì)性，在初步的預(yù)處理方案中暫不考慮。

2.4 溶洞預(yù)處理范圍的確定

綜上所述，該地鐵車站需要進(jìn)行預(yù)處理的溶洞主要是結(jié)構(gòu)底板下0～10 m 深度范圍內(nèi)及基坑開挖范圍內(nèi)的溶洞。

3 溶洞預(yù)處理技術(shù)及處理效果檢驗(yàn)

3.1 溶洞預(yù)處理技術(shù)

地鐵車站預(yù)處理方案包括溶洞充填加固和基坑封底加固。由于本地鐵車站結(jié)構(gòu)底板下0～5 m 范圍溶洞占比小且溶洞規(guī)模較小，因此綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全及對(duì)周邊環(huán)境的影響，該地鐵車站方案主要為溶洞充填注漿加固技術(shù)。

由于該車站場(chǎng)地巖溶強(qiáng)發(fā)育且發(fā)育情況非常復(fù)雜，鉆探資料顯示的是鉆孔點(diǎn)位孔深范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況，物探資料揭示的是鉆孔間巖溶發(fā)育情況，平面上存在較多盲區(qū)，且物探成果具有多解性和局限性。因此，進(jìn)行溶洞注漿充填加固技術(shù)施工工藝流程為：查看地勘、設(shè)計(jì)資料；施鉆探邊孔，確定溶洞邊界；施鉆投料孔，孔深至洞體頂板下0.5 m，安裝φ150 mm的投料管，進(jìn)行投料（砂、碎石、素混凝土等）；確定注漿孔（包括2個(gè)排氣孔）位置，注漿材料為水泥漿、普通水泥+水玻璃雙液、粉煤灰（礦粉渣）+外加劑等，注漿參數(shù)包括不同階段注漿壓力、注漿次序、注漿間歇時(shí)間等；注漿孔φ50 mm 袖閥管需下放溶洞底部后進(jìn)行注漿；充填注漿加固效果檢驗(yàn)。

平面投影尺寸大于5 m 的溶洞注漿充填加固如圖3所示。該溶洞為部分充填，洞頂在結(jié)構(gòu)底板下4 m。

圖3 平面投影尺寸大于5 m的溶洞充填注漿加固Fig.3 Karst Cave with a Plane Projection Size Greater than 5 m Filled with Grouting

加固順序?yàn)椋孩傧仁┕?6 個(gè)鉆探邊孔，孔間距為2.0 m，以基本找到洞體邊界為止，最終確定溶洞邊界；②施工內(nèi)部的2個(gè)鉆投料孔，吹填砂處理；③施工15個(gè)注漿孔，孔間距為2.0 m，注漿時(shí)由內(nèi)向外，跳孔注漿。注漿時(shí)需要選取其中2 個(gè)孔做為排氣孔，排氣孔間距不超過4 m。對(duì)于注漿過程中存在漿液流失量較大或者注漿壓力不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)應(yīng)調(diào)整漿液濃度或者選取雙液漿對(duì)溶洞周邊進(jìn)行封堵；④注漿結(jié)束后28 d施作2個(gè)檢查孔，對(duì)充填注漿加固質(zhì)量進(jìn)行檢查。

平面投影尺寸小于5 m的溶洞注漿充填加固如圖4所示。該溶洞為部分充填，洞頂在結(jié)構(gòu)底板下2.2 m。由于溶洞尺寸小，溶洞邊界易于確定。因此直接在溶洞中心處施鉆投料孔，進(jìn)行充填碎石處理。然后施工2 個(gè)注漿孔進(jìn)行注漿加固，同時(shí)選取其中一個(gè)孔做為排氣孔。注漿結(jié)束后28 d 后施作1 個(gè)檢查孔，對(duì)充填注漿加固質(zhì)量進(jìn)行檢查。

圖4 平面投影尺寸小于5 m的溶洞充填注漿加固Fig.4 Karst Cave with a Plane Projection Size Less than 5 m Filled with Grouting

3.2 溶洞預(yù)處理效果檢驗(yàn)

試驗(yàn)段注漿結(jié)束后28 d 進(jìn)行檢測(cè)，溶洞填充采用隨機(jī)原位標(biāo)貫試驗(yàn)，標(biāo)貫擊數(shù)應(yīng)不小于10擊。注漿后溶洞加固處理后兼做止水帷幕質(zhì)量檢查孔壓水試驗(yàn)透水率應(yīng)不大于5×10?5cm/s，且合格率達(dá)到85%。

檢驗(yàn)性鉆孔不應(yīng)小于注漿孔總數(shù)的5%，且單體工程不小于3 點(diǎn)；充填加固要求每個(gè)溶洞均要檢測(cè)1 次，鉆孔布置宜距離充填注漿孔200～300 cm；注漿效果滲透性評(píng)定的壓水檢查，其試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量不少于注漿孔數(shù)的2%且單體工程不少于3個(gè)點(diǎn)并滿足設(shè)計(jì)要求。

加固芯樣的抗壓強(qiáng)度平均值為2.3 MPa，大于設(shè)計(jì)要求的0.8 MPa，且芯樣外觀質(zhì)量完好。單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)得到兩次壓水試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)為4.48×10?5cm/s 和4.56×10?5cm/s，均 小 于 設(shè) 計(jì) 要 求 的5×10?5cm/s。因此，本次試驗(yàn)段巖溶處治方案可行。

4 結(jié)論

⑴對(duì)于溶洞強(qiáng)發(fā)育的地鐵車站，存在巖溶基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)、巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)；

⑵應(yīng)根據(jù)車站范圍內(nèi)溶洞分布特征，綜合考慮基坑開挖過程中的基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)及巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)、地鐵車站運(yùn)營(yíng)過程中的巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)，確定溶洞預(yù)處理范圍；

⑶對(duì)于結(jié)構(gòu)底板下0～5 m 范圍內(nèi)溶洞占比小且溶洞規(guī)模較小的地鐵車站，溶洞充填注漿加固技術(shù)是較為經(jīng)濟(jì)、安全的預(yù)加固技術(shù)。該技術(shù)主要包括探邊、投料、注漿、檢測(cè)4 個(gè)步驟。需要根據(jù)溶洞平面投影尺寸，靈活確定具體實(shí)施方案。