溶土洞对地铁施工_运营的影响及治理措施

·设计研究·

溶土洞对地铁施工、运营的影响及治理措施

曲　强

(中铁工程设计咨询集团有限公司城交院,北京　100055)

摘　要:溶土洞的危害主要体现在洞体塌陷所引起的地层坍塌、基坑突涌水等方面,对地铁的施工和运营安全都存在较大影响。溶土洞治理已引起建设者的极大重视,是我国地铁建设中遇到的新课题。广州市北部地区是岩溶地质的代表,溶土洞发育强烈,且埋深较浅,以广州某地铁工程技术方案为例,通过对溶土洞定性、定量分析,治理措施的技术经济比较以及所达到的效果,介绍在明挖工法下,溶土洞治理的目的、关键点,并重点讨论土墩柱、岩面注浆、帷幕注浆等工程措施的设计与施工技术。溶土洞经过治理后,基坑开挖基本安全,未发生地层坍塌或突涌水事故,效果值得肯定。

关键词:溶土洞治理;地铁明挖结构;土墩柱;岩面注浆;帷幕注浆

中图分类号:U231　　文献标识码:A文章编号:1004-2954(2009)10-0068-04

下统栖霞组炭质灰岩沉积地层,岩层层面高低起伏,发育岩溶形成溶蚀沟槽。详细分层如下:人工填土层

<1>、冲积—洪积中砂层<3-2>、冲积～洪积黏性土层<4-1>、坡积土层<4-3>、硬塑或中密状残积土层<5C-2>、灰岩强风化带<7C-2>、中风化带<8C-2>、微风化带<9C-2>。

勘察期间揭露沿线地下水稳定水位埋深0.50～5.50m,高程为11.78～15.24m。

根据抽水试验资料,岩溶承压水位埋深在9.16m,高程6.03m。2.2　岩溶发育概况

岩溶是指可溶性岩层,如碳酸盐类岩层(石灰岩、白云岩)等受水的化学和物理作用产生沟槽、裂隙和空洞,以及由于空洞顶板塌落使地表产生陷穴、洼地等类现象和作用的总称。岩溶发育具备的3个条件是:具有可溶性岩层,具有溶解能力(含CO和足够流量2)的水,地表水有下渗、地下水有流动的途径。以下从4个方面对本区间岩溶发育的特征进行分析和评述。2.2.1　溶洞

(1)岩溶形态规模

本次勘察揭露沿线岩溶类型主要为埋藏型岩溶,发育特点复杂,与岩性、地形地貌、地质构造、岩层产状、地下水活动规律等诸多因素有关,其形态各异,可表现为溶沟、溶槽、溶隙、溶洞等,规模大小很难确定,以下仅根据本次钻探所揭露的溶洞、溶蚀深槽等进行描述和分析。

(2)溶洞发育特征

本段区间参与统计的钻孔为114个,揭露发育溶洞的钻孔40个,见洞率为35.1%,有14个钻孔揭露两层溶洞以上,占揭露溶洞钻孔的35.0%。以上统计结果表明,上—嘉区间的溶洞在二迭系下统栖霞组炭质灰岩分布较广泛,且发育较为强烈,溶洞主要分布在岩面附近,发育深度主要分布在20～30m,多呈串珠状分布。单个溶洞洞高一般在1～2m,最大洞高15.80m。

[9]　李术才,朱维中,陈卫忠,等.弹塑性大位移有限元方法在软岩隧

道变形预估系统研究中的应用[J].煤炭学报,1996,21(4):393397.

[10]　章立国,刘建国.地铁区间隧道施工过程动态模拟分析[J].隧道

建设,2003,23(6):3

5.

1　工程概况

广州地铁2、8号线拆解工程上林镇站—嘉禾站区间(以下简称“上—嘉区间”)与广州地铁3号线北延

段工程永泰站—嘉禾站区间(永—嘉区间)平面交汇,剖面上上—嘉区间下穿永—嘉区间右线,最大线间距30.8m,线路最大埋深15.9m,采用明挖法施工,结构形式为单洞、双洞或四洞矩形框架结构。由于本段地处岩溶地区,溶洞、土洞非常发育,勘察期间经常发生钻机掉钻现象,地面塌陷也时有发生。另一方面,岩溶水属承压水系,随着基坑的开挖,上覆土体的逐渐减少,基坑开挖期间的突涌水事件也应给予足够的重视。岩溶治理是本项工程的难点之一。2　工程地质情况2.1　区域地质

本区域原始地貌属广花凹陷冲积盆地,第四系地层以冲洪积砂层、土层及残积土层为主,基岩为二迭系

收稿日期:2009-06-30作者简介:曲　强(1979—),男,工程师,2003年毕业于北方交通大学土木工程专业,工学学士。

[7]　曲学兵.超浅埋隧道暗挖施工模拟[J].四川建筑科学研究,2002

(4):51

53.

[8]　Itascaconsultinggroup.FastLagrangianAnalysisofContinuain3Di-mension(FLAC3D),Version3.0,Manual,Itasca,Minnesota,Min-neapolis.2005.

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(3)溶洞充填特征

上林镇至嘉禾区间勘察揭露岩溶洞穴64个,其中半充填和无充填47个,占岩溶总量的73.4%,全充填状占26.6%。揭露充填物多为流塑、软塑状黏性土,易被水流冲蚀,局部洞体充填物夹灰岩碎块,为近期塌落物,钻探中表现为漏水,地层软弱,工程性质差,钻具自重下沉现象;无充填物岩溶为空洞,在钻探中出现掉钻现象,严重漏水。

(4)洞体稳定性分析

从钻孔见溶洞情况可以看出,在揭露的64个岩溶洞体中有38个洞体顶板厚度小于洞体高度,比率为59.4%,顶板最小厚度仅为0.10m。由于顶板厚度小,岩溶洞体高度大,且充填不好,在受到外力作用情况下,可造成顶板塌落,地面发生塌陷,对于结构稳定性和桩基施工影响较大。

2.2.2　土洞

土洞是指埋藏在岩溶地区可溶性岩层上覆土层内的空洞。当上覆有适宜被冲蚀的土体,其下有排泄、储存冲蚀物的通道和空间,地表水向下渗透或地下水位在岩土交界附近作频繁升降运动,由于水对土层的潜蚀作用,产生土洞,土洞继续发展,即形成地表塌陷。土洞主要形成于岩溶发育地区,多位于黏性土层中,砂土及碎石土中则少见,是岩溶作用的产物。

土洞的发育与上覆土层的土质、厚度、岩溶发育程度、地下水活动等因素密切相关。上—嘉区间揭露土洞主要是地下水作用形成的,共有5个钻孔揭露。2.2.3　岩溶地质的危害

对以上数据进行分析以后,可以总结出本区域溶、土洞的四大特点:

(1)溶、土洞的见洞率较高,且部分成串珠状;

(2)溶洞的规模较大,顶板普遍较薄,承受上覆荷载的能力较弱;

(3)溶、土洞的充填物多为流塑、软塑状,易被冲蚀;

(4)岩溶水具有承压水特征。由此,可总结出岩溶地质的两大危害。

第一,基坑开挖期间的突涌水:随着基坑的开挖,岩面以上的土体逐渐减少,而由于承压水系相互连通,岩溶承压水的承压水头可以得到很快的补给,所以施工期间的承压水头基本上将保持不变,基坑越深则出现突涌水的可能性越大。

第二,地铁运营期间的基底塌陷:无论是在远期还是近期,本段区域都曾发生过地面塌陷现象。另外,在施做地质钻孔时也记录有掉钻事件发生,这说明本区域地层出现塌陷的可能性很大,而地铁安全运营要求轨道的差异沉降是毫米级的,这给隧道地基的稳定提

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出很高的要求。3　岩溶治理的方法3.1　岩溶治理的目的

(1)满足永久隧道结构的承载力、变形要求

溶、土洞填充物性质软弱,随着时间的推移,并受周边环境的变化以及地下水活动的影响,很可能出现洞体坍塌现象。通过对洞体充填物的加固处理,提高其自身强度,从而提高洞体的稳定性,降低洞体坍塌而引起的地层塌陷,进而减小变形缝处的差异沉降。

(2)降低施工期间突水事件发生的几率

岩溶水属承压水系,随着施工期间基坑的开挖,水头上方土重的不断减小,岩溶承压水可能造成基坑突水事件的发生。通过对浅层、薄板溶洞的充填加固处理,相当于增加溶洞顶板厚度,从而降低出现基坑突水事件的几率。

(3)降低新生土洞对隧道稳定性的不利影响对溶、土洞的认识,现在普遍认为溶洞的发育周期较长,通常以百年计,在地铁运营期间出现新生溶洞的可能性很小,故对溶洞的处理主要针对目前勘察发现的顶板较薄、有漏洞、可能促成新生土洞发展的浅层溶洞;而土洞的发展速度较快,当土层具备一定条件时土洞将很快产生,这对使用中的区间隧道将产生不利影响。通过对隧道下地层的加固处理,将隧道地层划分为若干单元,防止土洞发育、发展过大,并利用隧道本身的纵向刚度,使隧道变形不至于发展过快,即使出现土洞,也给运营期间的抢险工作赢得了充分的时间。3.2　岩溶治理的具体措施3.2.1　防基坑突涌水的治理措施3.2.1.1　假定

岩溶裂隙水具承压性,为防止基坑开挖造成基底突涌水,需对详勘揭露的溶洞进行判定、处理。由于地质情况复杂,很难用较准确的公式去计算得出哪个溶洞需要处理,哪个不用。从可操作性角度出发,保守的假定:当承压水头作用时,上方的土体受浮力的影响,即选取某一位置,使其能够达到水浮力与土压力的基本平衡。

3.2.1.2　溶、土洞需要进行处理的埋深计算

由基坑开挖后不透水层的厚度与承压水头的压力平衡条件可知:

当(h-H)r≥(hH)rw-w基坑底是稳定的,否则是危险的。

式中:h为基坑底高程,本基坑底高程为-2m;H为基坑底以下某一高程位置;r为土的天然重度,取平均重度18kN/m;h.0m;rw为承压水头高程,取6w为水的重度,取9.8kN/m。

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由此,可以得出H=-11.6m,取整为-12m,即高程低于-12m的土层是相对安全的,-12m以上的土体存在突涌水风险。为此,需要将高程-12m以上的溶、土洞进行充填加固处理,以提高充填物的密实性和黏结强度,从而抵抗溶洞承压水对基坑的不利影响。

3.2.1.3　治理措施

为了降低工程总体投资,保证不同大小洞体的加固效果,需对不同洞体采取不同的处理方式。

(1)溶、土洞充填加固处理的原则

对于高风险区段的溶、土洞充填加固,按照以下原则执行。

①无填充溶、土洞和半填充溶、土洞对洞径大于2m且无填充溶、土洞和半填充溶、土洞,先进行投砂处理,后采用注浆加固的方法;投砂处理时在原钻孔附近(约0.6m)补钻2个 200mm的投砂孔,两投砂孔中心与原钻孔中心需在同一连线上,两投砂孔可相互作为出气孔。投砂后注浆加固,方法见后面的全充填处理方法。投砂管建议采用 200mm的PVC套管,投砂孔的大小也可由施工单位根据现场施工情况进行调整,达到填砂目的即可。

②全充填溶、土洞或洞径小于2m的溶、土洞,可直接采用注浆填充。

采用压力注浆的方法进行填充加固,注浆压力从低到高,间歇、反复压浆。

(2)注浆工艺

所有钻孔采用袖阀管注浆。

(3)注浆材料

周边孔:纯水泥浆+水玻璃。双液浆现场配合比试验时,应以初凝时间为指标进行控制,但应综合考虑浆液的可泵性时间。双液浆配比建议为水泥∶水∶水玻　璃=1∶1.38∶0.29(质量比),水玻璃模数m=2.4～3.4(浓度=30～40Be′),但应进行现场配合比试验确定。中央孔:纯水泥浆,水灰比建议为1.0～1.5,具体应根据现场试验确定。

(4)注浆压力和注浆量

周边孔:以相对小压力、多次数、较大量控制;压力0.6～0.8MPa,3～4次。中央孔:压力按0.8～1.0MPa控制,3次。

注浆扩散半径按照1.5m设计。(5)注浆间歇时间

每次间隔6～10h。(6)溶、土洞处理注浆孔平面布置

本找到洞体边界为止;然后从中心向其他方向探孔,以

基本找到洞体边界为止。若洞体为有限边界,最外排孔未见洞,则该孔不需注浆,应向内收缩一孔作为边孔,注双液浆。

(7)溶、土洞处理施工顺序要点(图1、图2)①溶、土洞处理的施工顺序应遵循:探边界—填砂—注浆充填—注浆效果监测。

②注浆施工时,应先施做止水、止浆帷幕,将处理范围内溶洞与外界洞体隔离,再处理中间区域。若在周边孔注第一次浆时,注浆量已较多,压力达不到设计要求时,周边孔与中央孔可交替注浆。

③发现浆液流失严重时添加水玻璃速凝剂,以确保注浆效果。

④中央区域注浆孔应跳跃施工,以防止跑浆、窜浆。

图1　溶洞充填加固平面示意(单位:mm)

图2　溶洞充填加固剖面示意(单位:mm)

3.2.2　防基底塌陷的治理措施

由于岩溶发育的形状、规模等的复杂程度远远超出人们的想象,阻止基底塌陷本身是很难做到。广州

地铁2号线北延线处于岩溶发育区的长度达到7km,若想将岩溶发育情况探明清楚再进行分类、分析、加

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充填处理前,先进行溶、土洞平面范围的试探测:以揭示到溶、土洞的钻孔为基准点,沿垂直隧道方向间

隔2.0m施做1排注浆钻孔,以基本找到洞体边界为止;沿隧道方向施做一排注浆钻孔,间隔2.0m,以基70曲　强—溶土洞对地铁施工、运营的影响及治理措施

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固,溶、土洞的加固费用不仅惊人,其所采用的地球物理勘察费用也甚至要以亿计,所以针对溶、土洞的大范围详细勘察也不现实。采用跨越的方式相对稳妥且可控性较强,以下介绍“地下桥”和“土墩柱”两种方法。3.2.2.1　“地下桥”与“土墩柱”

(1)“地下桥”,是将桥的概念引入隧道工程,是将隧道支撑在可提供足够承载力的桩基础上,桩基础采用钻孔(冲孔)灌注桩,桩上做帽梁。“地下桥”的受力模式是将隧道作为架在桩基础上的箱形梁,土压力、水压(浮)力、列车荷载等作为作用在箱形梁上的荷载,再按各种不利工况组合进行计算。

(2)“土墩柱”,是介于“土”和“柱”之间的一种状态,就其本身而言可视为复合地基。

“土墩柱”的目的是将基底的土体划分成多个块,阻止新生土洞以及未得到处理的土洞的大规模发展,

进行布置,具体应根据结构形式及相关计算进行确定。

图3　搅拌桩平面布置(单位:mm)

在墩与墩之间形成“土拱”;另一方面,由于隧道这个“箱形梁”,通过加大底板厚度及加强配筋,获得较大的截面刚度,当其架立于“土墩柱”和土之上时,即形成一个弹性地基梁,因“土墩柱”与土的区别,使其弹性地基的弹簧抗力有所不同。此方法的最终目的就是

当“土墩柱”之间出现一定规模的塌陷时,依靠“土墩柱”稳定地基和隧道本身的刚度,保证运营安全。

(3)“地下桥”与“土墩柱”的比较

地下桥可靠度和运营的安全度很高,其缺点也很明显,桩基作为承载结构,其桩底完整岩层厚度要求达到3D(D为桩径),而找到3D厚度的完整岩层往往很困难,桩体施工所引起的溶洞处理也无法估计。从目前的见洞率来看,桩基遇到溶洞的几率非常高,甚至可能需要穿过串珠状洞体,这使得地下桥方案在难度和投资上都存在很大的不确定性。

反观“土墩柱”方案,由于考虑弹性地基梁的计算模型,不能完全依靠“土墩柱”作为支撑结构,其可靠度和安全度比“地下桥”方案要低。但墩柱的存在已将塌陷的规模限制住,充分发挥土拱上方土体的抗力作用,其安全度也是有相当保证的。由于“土墩柱”只在土层施做,其难度和投资都是可控的,难度低、造价低是其最大优点。

综上,选择“土墩柱”的方案作为防基底塌陷的措施是可行的。

3.2.2.2　“土墩柱”的形式

土墩柱本身相当于复合地基,但与普通复合地基不同的是,墩柱周围要求是不透水的,以阻断水的冲刷作用,作为控制塌陷的一个措施。土墩柱采用深层搅拌桩或旋喷桩均可,但考虑到搅拌桩与旋喷桩造价差

图4　土墩柱布置剖面示意(单位:m)

4　结语

岩溶地质的发育情况非常复杂,涉及大范围岩溶处理的工程,摸查清楚再行处理显然投入巨大,且勘察起来也非常困难。从投资上,对溶、土洞进行判定、划

分进而针对性的处理更显合理,目前本段区域的溶、土洞的处理比较成功,基坑开挖也比较顺利。溶、土洞处理的关键是控制注浆参数、双液浆配比,否则跑浆现象是非常严重的,建议通过试验段来摸索确定。

土墩柱在一定程度上讲,属于复合地基,其利用了弹性地基梁理论,更主要的是为地铁运营提供安全储备,故不建议进行大面积的地基处理。参考文献:

[1]　中铁工程设计咨询集团有限公司.广州市轨道交通2、8号线延长

线三元里—嘉禾土建工程施工设计———上林镇站—嘉禾站区间岩溶处理[Z].北京:2007.

[2]　广东省土木建筑学会,中国地质科学院岩溶地质研究所.广州市

轨道交通2、8号线延长线2号线北延段工程岩溶地质工程风险咨询报告[Z].广州:2007.

[3]　JGJ79—2002,建筑地基处理技术规范[S].

[4]　叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M].北京:中国建筑工业出

版社,1997:470(8):47

49.

477.

[5]　陈炳祥.岩溶隧道施工技术研究与应用[J].铁道标准设计,2004

异较大,故建议采用搅拌桩,类似工程可参照图3、图4

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