复杂地质条件下地铁明挖车站设计与施工

复杂地质条件下地铁明挖车站设计与施工

郭旭东

广州地铁设计研究院有限公司广州510010

摘要：广州十四号线东平站位于广从断裂带，站位范围内岩性为石炭系梓门桥组的泥岩、粉砂岩、细砂岩、炭质页岩和灰岩组成。受广从断裂带影响，站址范围内分布有深厚的风化深槽，且灰岩由于风化和溶蚀作用，形成单个及串状溶洞，对地铁结构的施工及建成后运营及维护产生较大影响。以此明挖基坑为例，结合地质条件，详细介绍风化深槽及岩溶处理的原则、措施及检验。

关键词：地铁；明挖基坑；风化深槽；岩溶；处理措施

引言

广州地区受广从断裂带影响，风化深槽及岩溶发育较为强烈。在地铁施工阶段，由于风化深槽含水量丰富，存在突涌水风险；在地铁运营阶段，溶洞在附加荷载或振动作用下，会发生地基变形坍塌等情况。因此在工程建设时，应先探测基坑范围风化深槽含水量及溶洞分布、填充情况、与地铁结构的位置关系等，结合理论分析，分别采取针对措施，确保施工及运营期的安全。

1、工程概况

站位位于白云大道下方，沿道路呈西南—东北走向。基坑形状接近长方形，长约350.2m，宽约29.7m，深约17.5m，周边地势相对平缓，环境较为复杂。

根据详细勘察阶段地质勘察报告，场地范围内地层由上而下一次为：人工填土、淤泥质土、粉土、细砂、残积土、全风化、强风化细砂岩、中风化、微风化灰岩。车站左线18个钻孔均未揭示到中微风化岩面，中线及右线岩面较浅，据此可以判断出风化深槽带接触面（灰岩的顶面）倾向西偏南侧，车站东西方向存在较大的风化深槽。左线揭露到风化深槽主要为残积土和风化岩，主要包括全风化细砂岩（粉砂岩、粗砂岩）、强风化细砂岩（粉砂岩、粗砂岩）和残积土，多为石炭系灰岩和砂岩的混合物，含较多岩石碎块，<7>层强风化岩段富水性较好和透水性弱-中等，水量较丰富。

车站区域揭露灰岩钻孔共计41个，其中揭露溶洞的钻孔15个，溶洞出现几率36.6%。总溶洞数目是21个，并有3个钻孔揭露两层以上溶洞，占揭露溶洞钻孔的20.0%，由此可见，场地内灰岩溶洞发育强烈。溶洞的充填表现形式分为全充填、半充填和无充填。勘察揭露充填物质多为流塑、软塑状粘性土，局部洞体充填物夹中细砂和碎石，地层软弱，工程性质差，严重漏水。

2、风化深槽及岩溶对明挖基坑施工风险分析

明挖基坑的施工风险主要在于围护结构施工和基坑开挖两个方面。

在前期详细阶段勘察及后期补充勘察作业时，曾多次出现钻机钢套管掉落的情况，表明该区段岩溶发育较为强烈，仅依靠详勘钻探并不能完全揭示场地岩溶发育范围。因此在车站主体结构地连墙施工过程中，容易发生掉钻、塌孔、漏浆等事故，更容易造成地面的大面积坍塌。

根据勘察资料揭示，场地溶洞发育竖向上基本位于车站底板至地连墙嵌固深度范围内，独立溶洞及串状溶洞并存，独立溶洞高度最高达8.4m，串状溶洞高度最高达9.5m。由于灰岩区域溶洞有一定的联通性且基岩裂隙水含有一定的承压性，基坑在开挖至基底时，开挖面存在涌水、涌砂及坍塌事故。风化深槽分布于基底以上4.5m至基底以下26.5m范围，钻孔MNZ3-DP-17揭示出左线风化深槽厚度最大处已达31m，远超车站基底及地连墙嵌固深度。强风化层多为碎石状，透水性较强，基坑在开挖过程中存在突涌风险。且车站位于车流量较为密集的白云大道，若基坑内利用降水井强行抽排裂隙水，容易产生基坑外侧地表沉降及塌陷。

3、风化深槽及岩溶处理原则

目前广州地区地铁施工遇到风化深槽地质情况下，处理原则如下：1）围护结构选型应考虑整体性及封闭性较好的结构形式。2）根据勘察资料及抽水试验数据，对基坑内进行专项布孔探边，探测出风化深槽范围及深度。3）对基底以下风化深槽发育区进行注浆封堵。

遇到岩溶地质情况下，处理原则如下：1）场地平整后，对围护结构所在位置进行超前地质钻探，以探明围护结构及基底隐藏岩溶范围，本站以围护结构边线外放2m为界，对于基坑外侧2m范围之外，不再进行探边，对于基坑内侧则需找出溶洞的大小及高度。2）溶洞处理采用地面加固形式，注浆管应伸入至溶洞底部以下不小于0.5m。3）溶洞加固完成后，在其周边布设检查孔对注浆效果进行检测，若发现注浆不饱满时，即可利用检查孔继续注浆填充处理。

4、施工工艺

明挖基坑风化深槽处理的目的是对基岩裂隙进行注浆填充封堵，减少基坑开挖过程中突涌风险，并对基底土体进行加固改良，提高基底以下土体密实性。处理方法：基坑围护结构施做完成后，利用基坑内降水井进行抽水试验，判定风化深槽富水量大小，并对异常处进行注浆处理。

（1）抽水实验

根据详勘资料显示，风化深槽范围大部分位于南侧基坑。南侧基坑长248.5m，坑内降水井设置25口，坑外水位观测孔19个。2016年1月至2月期间对南侧基坑每个抽水井连续抽水8小时后停止抽水，然后每隔1小时对坑内抽水井的水位回升情况和坑外水位观测孔变化情况进行测量，出水量及回水情况详见附表。

通过对比分析可发现，J7、J8抽水井出水量异常，相对于其他抽水井出水量及回水速率明显偏大。结合详勘资料地，可以由此推论，受风化深槽影响，基坑范围内局部裂隙水丰富，连通性较强。

（2）风化深槽处理

根据抽水实验结果，以J7、J8降水井为中心，向外辐射进行2m×2m布孔探边，并及时进行注浆封堵。注浆采用自上而下循环式分段灌注法，对基底所处的地层进行分段注浆，分段长度控制在1~4m左右。注浆步骤简单概括为：成孔—冲洗—压水确定注浆参数—注浆—封孔。

①成孔：孔径110~130mm钻至连续墙底以上2米、注浆孔提前钻至风化深槽后，对钻孔采用钢套管护壁，或采用孔内灌水泥浆并预埋pvc管代替钢套管护壁。

②洗孔：灌浆前采用压力水进行裂隙冲洗，冲洗到连续在10分钟内不再出现混水为止。冲洗压力可为灌浆压力的80%。

③压水试验：压水试验应在裂隙冲洗后或结合裂隙冲洗进行，了解岩层的渗透性，为灌浆提供依据；简易压水试验的压力可为灌浆压力的80%，该值若大于1MPa时，采用1MPa.压水不大于20min，每5min测读一次压入流量，取最后的流量值作为计算流量，其成果仍以透水率表示。

④灌浆：采用循环式灌浆，射浆管必须下入到灌浆段底部，距离段底不大于50cm。可促使浆液在灌浆段内始终保持着循环流动状态，不易沉淀，有利于保证灌浆质量。压力表安装在孔口回浆管路上，灌浆压力宜通过灌浆试验确定，按照经验初步拟定在0.6~1MPa，可适当提高压力进行试验，具体压力应在在注浆过程中调整确定。灌浆浆液的浓度应由稀到浓，逐级变换，水灰比可采用3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1等六个比级。

（3）注浆堵水效果

本次对风化深槽处理累计钻探工程量1216m，注入浆液412m³，注浆施工前最大出水量21.1m³/h，注浆施工结束后最大出水量2.1m³/h，堵水率达90%。堵水效果十分明显，注浆堵水较为成功。

明挖基坑溶洞处理的目的是增强基底地层强度，保证施工及后期运营安全，并防止新的溶洞形成。处理方法：探明岩溶区溶洞分布后确定处理范围，按溶洞充填情况可分为全填充、半填充及无填充三种类型。注浆采用静压注浆法、回填砂石等施工工法，具体步序如下：

（1）岩溶区域探测

①场地内围护结构施工前，应进行超前地质钻探，以查明围护结构及基底隐藏岩溶范围。对于地下连续墙结构，进行“一槽两钻”即每幅地连墙范围内进行两次钻探，超前钻水平间距不应大于3m，钻孔深度为地连墙底以下3m，如遇溶洞需钻穿溶洞，以确定围护结构范围内是否有溶洞存在，若有则需进行处理。

②鉴于地连墙超前钻已揭示的不良地质情况，以围护结构外放2m为界限，对此范围内的区域进行2m×2m梅花形布孔，对溶洞发育情况进行补充探边。若探测到溶洞发育延伸至限界范围之外，则不再对基坑外放2m之外区域进行查探，及时利用探边孔进行双液浆封边并填充注浆处理。钻孔深度应不小于地连墙超前钻所揭示溶洞底部高程。

③对于地连墙内侧则需根据详勘、补勘及超前钻阶段已揭示的溶洞钻孔为中心，向外扩散，采用2m×2m梅花形布孔，对基坑内溶洞发育进行探边。钻孔深度应进入基底以下不小于10m，若遇溶蚀凹槽、破碎带等特殊地质，应根据其埋深、地下水性质综合判断后确定终孔条件。

（2）全填充、半填充溶洞处理：

对于全填充溶洞内填充物进行判别，并进行标贯试验，对于标贯击数大于10击的全填充溶洞，则认为填充物密实，不再采取特殊加固措施。对于标贯基数小于10击的全填充溶洞或半填充溶洞，则通过高压灌浆加固，使填充物劈裂、挤压等物理填充，达到封堵溶洞隔绝水力联系，并将充填物转变为具有一定强度的结石或硬塑状土体。

注浆施工时，利用已有探边孔插入袖阀管至溶洞底部，袖阀管采用φ48PVC管，在溶洞段管壁上间隔150mm钻花眼作为出浆孔，外包橡皮箍作为单向阀，采用静压灌浆法由下而上进行深孔注浆。注浆材料采用水泥浆，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥；水灰比=1.0～1.5，具体应根据现场试验确定；注浆压力为0～1.0MPa；注浆压力逐步提高，达到注浆终压并继续注浆10min以上。

（3）无填充溶洞处理

对于高度大于3m的无填充溶洞，由地面钻孔放入钢套管并进行固定，将φ200钢套管放于溶洞上方，注入水泥砂浆，利用其它灌浆孔作为减压孔。待填充密实，压力稳定时，即可停止。然后再用其它探边孔插入袖阀管静压灌浆填充缝隙。对于高度小于3m的无填充溶洞，可直接采用袖阀管静压灌浆填充密实。

（4）岩溶处理检测标准

对溶洞填充注浆效果检查，主要采用钻孔抽芯法结合标贯进行检测。按1%孔数抽查，且不小于3点，要求每个溶土洞或溶蚀槽均要检测一次；样品采用随机钻孔取芯，做抗压试验，要求无侧限抗压强度不小于0.2MPa。采用随机原位标贯试验，标贯击数应不小于10击。

（5）溶土洞处理效果

本次对岩溶区地连墙超前地质勘察累计钻探工程量7788m，溶洞探边累计钻探工程量12993m，注入浆液10394m³。地连墙在施工过程中无掉钻、漏浆情况产生，基坑开挖时无塌陷情况产生，溶洞探测及注浆充填较为成功。

5.结语

若要根本上杜绝风化深槽及岩溶对地铁施工及运营带来的风险和危害，在设计工程可行性研究期间，线站位应尽量避开地层破碎带及岩溶发育区，但地铁线站位往往取决于交通服务功能，地质条件为次要考虑因素。因而当遇到风化深槽、岩溶区域时，需在施工过程中采取相应措施保证施工及运营安全。

要有效解决岩溶地质给地铁施工及运营带来的风险，应从勘察设计阶段入手，制定专项勘察设计，查明风化深槽及岩溶等不良地质发育形态，着重对异常区域进行分析，指导设计及施工。在施工阶段，一定要严把质量关，施工完毕，待检测结果满足要求后方可进行下一步工序。

参考文献：

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