城市軌道交通車站強發育破碎巖溶處理施工技術研究
——以深圳市城市軌道交通16號線二期西坑站工程為例

黎 猛（中鐵十七局集團有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

深圳市城市軌道交通16號線二期西坑站（以下簡稱“西坑站”）車站現狀地面標高85.5～96.6 m，南北最大高差為11.1 m，車站覆土厚度為2.4～5.2 m，基坑開挖深度為15.6～27.6 m。車站地層自上而下為①1粉質黏土素填土、①3填碎石、①5雜填土、⑧3-3粉質黏土、⑧4-4含碎石粉質黏土、?1-1全風化砂巖、?2-4微風化灰巖（破碎）/溶洞。

通過鉆孔和物探結果顯示，西坑站車站的端頭巖溶主要分布了覆蓋式巖溶景觀，巖溶的發育形式主要為細小破碎溶孔和部分溶隙。在局部埋深很大的巖溶區域附近還散布著軟塑狀黏土，部分溶溝和溶槽中填充了殘積層的黏性土。在地質勘探的34個可溶巖石探孔中，有32個勘探鉆孔已揭露存在溶孔，溶洞占比達94.12%。因此，判斷西坑站巖溶發育等級為強發育巖溶地質。西坑站巖溶分布情況，如圖1所示。

圖1 車站端頭范圍巖溶分布情況

2 巖溶處理常見措施

對于處于巖溶發育地段的城市軌道交通車站，需要先通過采取鉆孔探測等手段，確定巖溶覆蓋范圍區域后方可施工。一般城市軌道交通車站對巖溶的處理有以下幾種常見措施[1]。

（1）當巖溶地區上方覆蓋的土層地基比較薄時，需要對地基進行加固處理。加固處理不僅要形成滿足建筑物承載力要求的人工地基，還要考慮巖溶地層的特性。

（2）對于一些底部沒有地下水存在的巖溶地段，若對地面的建筑物沒有影響，可以通過采用填充的方法對巖溶進行處理。

（3）當巖溶地區覆蓋的范圍不大，但存在水平較為發育的溶洞、溶溝時，不管巖溶內是否有其他填充物質，只要巖溶的頂部地層不厚，可以采用小爆破等人工方法來揭除巖溶上部地層，從而對溶洞或溶溝進行快速處理。

（4）對于一些風化裂隙破碎或者溶洞尺寸較小的巖溶，可以使用袖閥管注漿的方法進行加固處理。

3 巖溶處理方法選擇

西坑站巖溶多位于車站結構底板以下，部分巖溶范圍跨越底板結構，車站處于破碎或者溶洞較小且較為發育的巖溶地段。西坑站巖溶處理主要采用充填法和注漿法。當巖溶尺寸較大且巖溶內沒有充填物或巖溶處于半充填時，充填溶洞的材料可以采用水泥砂漿或者碎石等，以此來增加車站結構地基的強度。當工程結構對地基承載力和變形有較高要求時，充填法宜與注漿法等其他處理方法結合使用。

4 巖溶處理工藝試驗

巖溶處理正式施工前，應提前進行工藝性試驗，以確定合理的充填、注漿的各類參數。通過試驗找出能夠使土體固結強度好、膠凝時間短、可注性較好的充填、漿液材料配方和實施方案，從而達到最佳的注漿處理效果。

4.1 充填、注漿試驗原則

巖溶處理的充填材料主要有水泥砂漿、素混凝土、碎石等。注漿的材料主要有水泥漿、雙液漿等。施工時可選擇一種合適的充填、注漿材料或幾種漿材互相配合使用。試驗遵循以下原則[2-3]：

（1）對高度不超過1 m的溶洞，直接采用靜壓式灌漿；

（2）對標高為1～3 m，但溶洞內沒有充填物或者巖溶處于半充填時，可以采用水泥砂漿的間歇式靜壓注漿成型方法進行巖溶處理。若發生二次灌漿后仍沒有重新起壓的情形，可再適當加入速凝劑；

（3）對于標高超過3 m，但溶洞仍未充填或者已半填充時，首先考慮采用充填注素混凝土進行回填，之后再采用灌漿進行補強；

（4）當溶洞處于開挖范圍內且高度＞2 m，屬于無充填或者半充填時，可使用碎石充填進行處理；

（5）若注漿時，發現注入的水泥漿液流失較嚴重，可以使用超細混凝土或雙液砂漿對溶洞進行封邊處理，然后再進行內部的注漿加固。

4.2 實驗參數確定

4.2.1 充填材料確定充填材料選擇采用C20素混凝土、M10水泥砂漿或碎石?；炷良八嗌皾{采用車載泵對投料孔進行投料充填；碎石采用人工配合機械充填。西坑站巖溶均為發育、破碎的巖溶地質，巖溶面積均較小，因此，選用水泥砂漿作為充填材料。水泥砂漿中水泥∶砂配合比為1∶2，直接泵送充填，投料壓力控制在1.5～2 MPa，投料孔管材選擇200 mm聚氯乙烯（PVC）管。

4.2.2 注漿材料及配比

（1）水泥漿：采用普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5）；

（2）普通水泥-水玻璃雙液漿：水玻璃模數2.4～3.4，波美度為30°Be＇～45°Be＇;

（3）其他輔材。①孔口止漿：φ65 mm×3.75 mm焊接鋼管、錨固劑、機械式止漿塞；②注漿管：50 mm袖閥管。

4.2.3 注漿壓力

周邊孔第一輪注漿壓力為0.2～0.3 MPa，終灌注漿壓力為0.6～0.8 MPa；中央孔第一輪注漿壓力為0.2～0.3 MPa，終灌注漿壓力為0.8～1.0 MPa。另外，注漿泵的壓力應達到設計壓力的1.3～1.5倍。

5 巖溶處理施工

巖溶處理施工程序按照先探邊界，然后注漿進行填充的順序進行。車站溶洞處理必須先對圍護影響內的孔洞進行處理，然后再對車站下部的孔洞進行處理。根據孔洞處理的先后順序，按照端頭向中間的方向逐個進行處理；進行注漿料施工前，應先施作外排止水、止漿帷幕，使處理區域的溶洞與外部洞體完全分離，然后再進行中間區域處理。

5.1 探邊施工

5.1.1 溶洞探孔布置

根據溶洞大小采取相應的探邊孔布置。探邊孔設置應遵循以下原則：

（3）針對跨越結構輪廓線外3 m邊界線且豎向高度超過5 m的大型溶洞，應進一步探明邊界。即在物探輪廓線處布設一圈探邊鉆孔，若鉆探未揭露存在溶洞，則停止向外發散鉆孔；若鉆探揭露存在溶洞，則繼續往外2 m打設鉆孔，直到鉆探未揭露存在溶洞，確定溶洞實探邊界線。以上3種情況的溶洞孔布置示意圖，如圖2所示。

圖2 3種情況下的明挖結構溶洞孔布置示意圖

（1）對物探揭露溶洞投影面邊均小于5 m的小型溶洞，可不設探邊孔，直接施工注漿孔；

（2）對物探揭露溶洞投影面邊有一邊大于5 m的大型溶洞，在物探輪廓線處布設一圈探邊鉆孔，若鉆探未揭露存在溶洞，則停止向外發散鉆孔；若鉆探揭露存在溶洞，則繼續往外2 m打設鉆孔，直到鉆探未揭露存在溶洞孔或鉆探到結構輪廓線外3 m，確定溶洞實探邊界線。

5.1.2 溶洞探孔施工

西坑站的溶洞探邊及成孔設計直徑為91 mm，選擇使用XY-100地質鉆機進行成孔施工。施工采用跟管鉆進及泥漿循環護壁的方式鉆進，達到終孔后拔出套管，下好注漿管（袖閥管）并充填水泥漿進行加固。探孔施工應遵循以下原則[4]：

（1）鉆孔探邊前應先進行管線探測，探明地下管線分布情況，確保鉆孔位置沒有地下管線；

（2）鉆孔探邊前應繪制探邊孔分布示意圖，探邊完成后應繪制溶洞包絡圖；

（3）鉆探過程中，應逐一記錄好每一孔的芯樣，并進行標識、分析、拍照及描述；

（4）探邊孔采用地質鉆機進行施工；

（5）鉆孔結束后應及時封孔或下管，防止因鉆透溶洞頂而引發塌方事故。

5.2 充填施工

5.2.1 投料孔布置

（1）探邊孔施工完成后，根據已探明的溶洞邊界線、溶洞垂直發育情況、溶洞內充填情況，采用250型地質鉆機進行投料孔鉆孔。投料孔間距在5～6 m左右。鉆孔完成后立即下護壁套管（投料管），深度至溶洞頂面，在地面用夾具固定；套管采用直徑200 mmPVC管。

（2）當溶洞跨越結構輪廓線外3 m時，需要沿結構輪廓線外1～2 m左右的距離布置一排投料孔，投料孔間距在5～6 m左右。

（3）若發現在跨越結構輪廓線外3 m且洞高＞5 m的大型溶洞，投料孔需在結構輪廓線3 m外布置，投料孔間距在5～6 m左右。

（4）填料孔應伸入溶洞頂板以下空洞內不小于1 m的距離。若發現終孔段遇性狀較差、規模較大的巖溶或裂隙密集發育帶等地質缺陷，需進一步加深鉆孔深度，保證鉆孔深度達到巖溶下部完整巖體內0.5 m的距離。西坑站投料孔布置示意圖，如圖3所示。

圖3 投料孔布置示意圖

5.2.2 排氣孔設置

根據充填施工經驗，每一個溶洞至少布置1個排氣孔，排氣孔與投料孔的間距在1～2 m，排氣孔間距不超過4 m，可選擇洞頂處鉆孔兼作排氣孔。施工過程中，為防止排氣孔堵塞，可采用75 mmPVC管進行保護。

5.3 注漿施工

5.3.1 注漿孔布置

（1）對于高度＜1 m的小型溶洞，只需在勘探鉆孔處布置鉆孔即可，并且只需布置1個注漿孔。

（2）對于高度在1～3 m的中型溶洞，應圍繞勘探鉆孔呈三角形布置注漿孔，需要布置3個注漿孔，注漿孔的間距為2 m×2 m。

（3）對于高度＞3 m的大型溶洞，需要圍繞勘探的鉆孔呈梅花形布置注漿孔，注漿孔的間距為2 m×2 m，布設的注漿孔要達到結構外側3 m方位為止。

（4）注漿孔應伸入到溶洞底部以下至少0.5 m處。若發現終孔段遇性狀較差、規模較大的巖溶或裂隙密集發育帶等地質缺陷，需要進一步加深鉆孔深度，保證鉆孔深度達到巖溶下部完整巖體內0.5 m處。

（5）注漿過程中還應設置排氣孔進行釋壓。西坑站溶洞處理注漿孔布置示意圖，如圖4所示。

圖4 車站注漿孔布置示意圖

5.3.2 注 漿

（1）注漿順序。按照先注外圈孔，后注內圈孔的原則注漿，而且同序列孔要間隔注漿。若注漿期間漿液流失量較大或者注漿壓力不滿足設計要求時，需要及時調整漿液濃度或者選取雙液漿封堵溶洞周邊。

（2）注漿壓力。周邊孔第一輪注漿壓力為0.2～0.3 MPa，終灌注漿壓力為0.6～0.8 MPa；中央孔第一輪注漿壓力為0.2～0.3 MPa，終灌注漿壓力為0.8～1.0 MPa。另外，注漿泵的壓力取設計壓力1.3～1.5倍為宜。注漿壓力也可根據現場施工需要逐步進行調整。當封堵涌水時，注漿壓力計算公式如式（1）：

式中：P——注漿終壓，MPa；

P0——涌水壓力，MPa。

（3）注漿量。按照工程地質比擬、經驗數據、漿液均勻擴散的單孔注漿計算3種方式確認注漿量。采用整體計算的方式，計算公式如式（2）：

式中：V——溶洞預估體積，m3；

η——充填系數；

α——漿液擴散系數。

①對于全充填，注水泥漿量：P1＝V×0.4。

②對于半充填，素混凝土充填量：P2/素混凝土＝V×0.8×0.8；注水泥漿量：P2/水泥漿＝V×0.8×0.2＋V×0.1（溶洞高度＞3 m）；水泥砂漿量：P2＝V×0.8（1 m＜溶洞高度≤3 m）；水泥漿量：P2/水泥漿＝V×0.8（溶洞高度≤1 m）。

③對于無充填，充填素混凝土量：P3/素混凝土＝V×0.8；注水泥漿量：P3/水泥漿＝V×0.2（溶洞高度＞3 m）；水泥砂漿量：P3＝V（1 m＜溶洞高度≤3m）；水泥漿量：P3/水泥漿＝V（溶洞高度≤1 m）。

④對于開挖范圍內且洞高＞2 m的無充填或半充填溶洞，充填碎石量：P4/碎石＝V×0.5。

5.3.3 注漿結束

（1）單孔注漿結束。當注漿量達到設計注漿量的1.2倍時，若注漿孔內壓力仍然不上升，可以采用間歇式注漿的方式進行處理；當壓力達到設計終壓后，結束該孔注漿。當注漿孔壓力均達到設計終壓后，經過10 min左右的穩定，并且壓漿速度為開始速度的1/4或者單孔的注漿量已經達到設計注漿量的80%，可判定單孔注漿結束。

（2）全段結束。若所有的注漿孔均達到注漿結束標準，且無漏注現象，即可判定全段注漿結束。

（3）封孔。按總注漿孔的5%～10%的數量標準抽查注漿孔，確認終孔條件后，起拔注漿管，然后立即采用M7.5砂漿封孔。封孔必須嚴實且飽滿，且應先充填后拔管，以免回填不實。

5.4 監控量測

（1）為確保溶洞處理過程中周邊環境安全，在施工過程中，對溶洞處理70 m范圍內建筑物進行施工監測，監測溶洞施工過程中對建筑物的影響程度。每天監測2次（上、下午各1次），如有預警情況，則加密監測。

（2）施工過程中，采取每間隔20 m挖一處探溝，對管線位置進行再次確認，并將開挖出管線位置坐標進行測量取點，繪制成圖紙；同時在管線上布置監測觀察點，每天監測2次（上、下午各1次），如有預警情況，則加密監測。

（3）鉆孔完成后，每個溶洞根據投影面積大小選取1～2孔作為地下水位監測孔，監測孔布置間距為20～30 m，安裝水位監測管，每天監測2次（上、下午各1次），如有預警情況，則加密監測。

（4）車站巖溶處理的施工監測，除一般常規的監測外，需要特殊說明加強以下監測內容：

①巖溶地基處理工程應進行全程監測，施工過程中應隨時檢查材料準用記錄、施工記錄和計量記錄、分項檢驗記錄等內容；

②對基坑周邊存在重要建筑的車站，其監測范圍適當加大，明挖基坑3 h，且不小于70 m。

（5）施工過程中應對地下水位變化和降水對周邊環境的影響進行監測，并符合下列規定：

①應采取措施預防降水引起的地基變形、影響建筑物的正常使用或結構的穩定性；

②在施工過程中應做好質量檢驗和水位監測，以及坑壁與坑底穩定性監測；

③基坑開挖應根據設計要求進行監測，實施動態設計與信息化施工，應著重考慮巖溶對基坑結構安全性的影響；

④巖溶發育區圍護結構施工及開挖時，需加強水位監測，水位監測井需滿足20～30 m的間距要求。

5.5 巖溶處理效果檢查

5.5.1 注漿效果檢查

采用取芯法、滲透系數測試法、標貫法等方法綜合評定注漿效果。西坑站主要通過取芯法和滲透系數測試法來檢驗溶洞的注漿效果。

（1）取芯法。通過對巖溶處理加固體進行取芯，對比取芯量、巖芯的整體性、溶孔充填效果、充填物芯樣的性能來判斷注漿效果，并對取芯芯樣進行抗壓測試。注漿段無側限耐壓性能要大于0.2 MPa，充填材料段無側限耐壓性能要大于0.4 MPa。

（2）滲透系數測試法。通過壓水試驗，計算注漿后地層的單位吸水量及地層滲透系數來判斷注漿加固效果。壓水試驗透水率應不大于5×10-5cm/s，且合格率應達到85%以上；其余不合格孔段的透水率最大值應不超過7.5×10-5cm/s，且不集中。滿足上述2個條件即可判定注漿合格。

5.5.2 充填效果檢查

（1）基底以上、圍護結構3 m范圍外的溶洞，采用“二次壓漿”方法檢查溶洞的充填率；

（2）基底以上、圍護結構3 m范圍內的溶洞，先采用“二次壓漿”方法檢查，然后采用標貫法測定密實度。當標貫值達到“堅硬”狀的土質，說明充填效果優良，達到“硬塑”狀的土質，則判定充填效果合格。

6 結 語

城市軌道交通車站溶洞處理涉及2個關鍵因素，一是溶洞的探邊，確定溶洞處理范圍，避免漏處理而留下安全隱患；二是處理效果的檢測，要確保處理達到必要的效果，滿足安全施工條件。本文通過實際操作總結出的溶洞注漿工藝和施工控制重點，可為類似城市軌道交通車站巖溶地段溶洞處理提供有價值的參考經驗。