溶洞按其填充情况可分为未填充溶洞、半填充溶洞和完全填充溶洞, 溶洞的填充物一般为淤泥和松散细砂, 承载力很低。隧道周围若存在溶洞, 承载力和稳定性会明显降低, 因此盾构掘进通过溶洞发育区时容易引发盾构机栽头、陷落或者地表沉降过大甚至坍塌等安全事故。为了确保盾构机安全、顺利通过溶洞发育区, 避免岩溶塌陷和地表沉降过大, 同时满足地铁隧道结构永久的承载力、变形和防水等耐久性要求, 需要在盾构施工前对隧道周围岩溶地质进行处治^[1,2]。

针对岩溶不良地质的处治问题, 许多学者和工程技术人员开展了较多研究, 也总结提出很多岩溶处治技术^[3,4,5]。国内针对地铁盾构隧道岩溶处治技术的研究已有不少, 但研究成果还不够成熟, 岩溶处治技术水平参差不齐, 同时考虑到岩溶地质较强的地域特性, 有必要结合南宁的岩溶特点, 总结提出一套适应性更强的地铁隧道盾构穿越岩溶地质的岩溶处治技术, 服务于南宁地铁工程的后期建设。

南宁地铁2号线石建区间 (石子塘站—建设路站) 隧道沿银海大道道路下方敷设, 银海大道为城市主要交通干道, 车流量较大, 道路两侧建筑较多, 以商铺、酒店、居民楼为主, 周边沿线的建 (构) 筑物主要为1～10层房屋。区间除右线有202.2m暗挖段外, 其余全部采用盾构法施工, 左、右线隧道总盾构长度为1 963.946m, 隧道埋深10～15m。

根据勘察报告表明, 石建区间为残丘洼地亚区, 场地东面为山体, 地势较高, 北面较低, 沿线方向为北低南高, 高差约10m。钻孔揭露地层主要为第四系填土层、黏性土层, 局部夹碎石土透镜体, 古近系角砾岩、泥岩、泥质粉砂岩及泥盆系硅质岩、泥灰岩和燧石灰岩等, 隧道主要穿越的地层包括粉质黏土层、泥岩层、角砾岩层及粉砂岩层。

从地下水赋存条件、含水介质及水力特征等方面分析, 区间地下水可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水及碳酸盐岩类裂隙岩溶水3大类。松散岩类孔隙水含水岩组为填土层、坡残积的黏土层、粉质黏土层和角砾土层, 水位埋藏较浅, 地下水类型为潜水或上层滞水;基岩裂隙水含水岩组为古近系的泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩及泥盆系角砾岩、硅质岩及燧石灰岩等岩层, 属潜水～承压水;碳酸盐岩岩溶水赋存于泥盆系泥灰岩的溶蚀裂隙和溶洞中, 水柱高约9.7m, 属承压水。勘察期间钻孔内岩溶水稳定, 水位一般在地面以下2.31～8.46m, 地下水面至构筑物底深14～23m。经检测, 地下水腐蚀介质为pH值, 对混凝土结构有弱腐蚀性, 对钢筋混凝土结构中的钢筋能产生轻微腐蚀作用。

勘察资料显示区间隧道底板设计高程低于可溶岩岩石面标高, 一般隧道底板基本深入基岩, 区间局部基岩埋深较深, 在隧道底板下15m范围内均存在可溶岩。地质调查场地及其附近均未发现地面落水洞、漏斗、塌陷洼地等现象, 构筑物未见由于岩溶塌陷而形成的开裂现象。溶洞、溶孔、溶蚀裂隙、溶沟溶槽等岩溶形态在区间内散乱分布, 主要以溶洞为主。溶洞断面形态极不规则, 规模大小不一, 部分溶洞呈串珠状发育, 连通性较好, 规模较大, 洞内一般充填流塑～可塑状黏性土混不等量砂粒或角砾、碎石。溶洞发育统计如表1所示, 岩溶发育平面如图1所示。

岩溶对场地构筑物地基岩土体存在的主要问题是:①岩溶岩面上存在软塑或流塑状黏性土及土洞, 会引起地面塌陷, 影响隧道围岩稳定;②隧道底板下岩体破碎或存在溶沟、溶蚀裂隙、溶洞, 同时随着时间推移, 在溶蚀作用下, 它们的规模会进一步扩大, 未能满足构筑物基础稳定要求。

从现场调查情况来看, 在自然状态下, 溶洞能保持稳定, 无塌陷现象。构筑物底板下存在溶洞或溶蚀裂隙, 在一定程度上已经破坏了岩体的完整性, 使其整体力学强度降低。此外, 流动的地下水在溶洞、溶蚀裂隙中产生溶蚀作用, 使得溶洞、裂隙规模不断增大。根据溶洞位置及其与隧道的关系, 石建区间溶洞对构筑物的稳定性评价如下。

1) 在隧道洞身开挖范围内 揭示溶洞孔为SD-89, SD-W06, SD-W59, 共3个溶洞, 洞高0.40～5.10m, 一般充填软塑状黏性土类, 因其在隧道开挖范围内, 在隧道盾构施工过程中, 由于地层的软硬不均, 易造成盾构推进偏心, 对盾构掘进方向的控制、盾构姿态、掘进速度及盾构刀具的合理配置产生较大难度。

2) 隧道底板下0～5m范围 揭示溶洞孔为SD-W01, W07, SD-W24, SD-W25, SZT-W32, 共5个溶洞。根据溶洞发育规模以及充填物性质, 建议开挖时对直接揭露的部位进行换填法处理, 离隧道底板较近部位可进行注浆充填处理, 离构筑物底板较深部位可一起做钻孔内灌浆处理。

3) 隧道底板5～10m范围 揭示溶洞孔为MBZ2-D64, SD-W14, SD-W19, SD-W21, SD-W23, SD-W25, SD-W26, SZT-W33, 共8个溶洞, 洞内充填软塑～可塑状黏性土混少量碎石、角砾, SD-W14充填流塑状黏性土, 建议采取同隧道底板下0～5m范围的处理方式。

4) 隧道底板10～15m范围 揭示溶洞孔为D63, SD-W21, SD-W22 (2个溶洞) , SD-W65共5个溶洞, 洞高1.50～6.50m, 一般充填软塑～可塑状黏性土类。溶洞发育位置已超过隧道底板下10m范围, 对构筑物影响较小, 但仍须进一步对构筑物稳定性进行验算, 如需处理, 建议采用钻孔内灌浆法。

5) 隧道底板>15m范围 揭示溶洞孔为SD-W20, SD-W25, SZT-W34共3个溶洞, 洞高0.90～2.70m, 一般充填软塑～可塑状黏性土混碎石。溶洞发育位置已超过隧道底板下10m范围, 对构筑物影响较小, 可不做处理。

盾构隧道的岩溶处理应遵循预先处理的原则, 主要充分考虑地面上与盾构机内相应的措施, 同时在洞内预留处理措施作为辅助手段, 防止盾构施工过程中发生栽头、陷落、地表沉降异常甚至坍塌等安全事故, 减少使用期的不均匀沉降, 满足运营安全的要求。

溶 (土) 洞的处理首先要满足地基承载力要求, 保证列车能在高速条件下运行, 处理范围应综合考虑土层性质、岩体特性、溶洞填充情况等内容, 一般要达到以下要求^[6]。

1) 当地铁工程处在岩溶区段时, 为了保证盾构施工的安全和运营期列车的正常运行, 必须处理勘察揭示的所有对工程有影响的土洞。

2) 当隧道底部岩层为灰岩时, 水平处理范围从结构轮廓外放2m, 纵向处理范围为隧道底板以下5m内, 范围内的溶洞必须进行处理。

3) 当隧道位于黏土、粉质黏土层时, 从隧道外轮廓起延伸3m, 隧道底板以下5m深度内, 所有的溶洞必须进行处理。

1) 半填充、未填充溶 (土) 洞应先采用水泥砂浆进行填充, 再采用水泥浆进行压力注浆填充;全填充溶 (土) 洞是否需要处理还应根据填充物的具体情况确定, 如填充物为流塑～软塑状黏性土时, 则需要注水泥浆充填处理。

2) 在充填注浆过程中, 应及时排查溶 (土) 洞的边界范围, 并加强观测注浆后的变化情况。根据岩溶勘察报告及现场注浆的实际情况, 对溶 (土) 洞的边界范围进行初步推断, 然后在周边布设一定数量的检查孔。当检查孔发现注浆不够时, 应利用检查孔充当注浆孔进行补浆处理。检查孔布置间距应≤2m×2m。对于半填充、未填充溶 (土) 洞可采用ϕ200PVC管探查边界并兼作注浆孔和检查孔。

3) 当地铁隧道结构的安全范围尚处于溶洞的边界范围内, 对整个溶洞进行充填注浆不经济。此时, 应先在安全范围内钻孔注入速凝浆 (双液浆) 以形成控制边界, 切断溶洞的内外联系, 从而减少注浆范围, 节省注浆用量。

4) 一般采用振动沉管或钻孔埋管的方法充填注浆, 现场需综合考虑溶 (土) 洞位置所在的深度以及周围地层的岩土特性进行选择。

溶 (土) 洞充填处理前, 先进行溶洞平面范围的试探测, 以揭示到溶 (土) 洞的钻孔为基准点, 加密钻孔向四周扩散, 孔间距≤2m。加密钻孔同时兼作注浆孔, 选取部分洞顶处的钻孔留作排气孔, 且每个溶 (土) 洞至少要有1个排气孔, 间距≤4.0m。溶 (土) 洞充填处理外侧2排注浆管注双液浆, 间距需进行加密 (1m×1m) , 内侧注浆管注水泥浆, 间距2m×2m。溶 (土) 洞钻孔布置平面如图2所示。注浆管采用ϕ200PVC套管, 同时进入溶 (土) 洞底部以下≥0.5m, 溶洞填充注浆管布置如图3所示。

采用P·O42.5水泥, 水灰比=0.8∶1～1∶1。

水泥采用P·O42.5水泥, 水玻璃模数m=2.4～3.4, 浓度30～40°Bé, 双液浆混合后, 现场试验失去可泵性的时间约为60s, 需及时使用。

速凝剂掺量宜为胶凝材料质量的2%～10%, 当原材料、环境温度发生变化时, 应根据工程要求, 经试验调整速凝剂掺量。

采用P·O42.5水泥和中砂在现场拌制, 配合比为水泥∶砂∶水=1∶5.7∶1, 流动度为70mm, 灌砂浆可利用两砂浆孔相互作为出气孔, 当砂浆不能继续灌入时停止灌注。

在正式注浆施工前, 须预先进行现场注浆试验。以注浆试验结果为依据, 确定注浆量和注浆范围, 并对注浆参数进行合理调整。石建区间溶 (土) 洞处治的注浆速度为30～70L/min, 每次注浆间隔6～10h。注浆扩散半径根据溶 (土) 洞填充物类型进行相应调整, 填充物为粉质黏土和粉质黏土混风化岩碎屑, 按照1.5m设计;填充物为砂、风化岩碎屑, 按照2～2.5m设计。不同注浆位置的注浆压力设置不同, 对于周边孔、止浆墙, 注浆压力为0.2～1.0MPa, 施作3～4次。遵循相对小压力、多次数、较大量控制的一般原则^[7]。对于中央孔, 注浆压力按0.8～2.0MPa控制, 施作3次。对于岩面注浆, 注浆压力0.1～0.15MPa, 维持压力0.15MPa 10～15min。如果在基本封闭的溶洞中, 压力控制很难保证注浆质量, 应在溶 (土) 洞范围内增设间距≤2m的观察孔。

溶 (土) 洞注浆处理施工顺序:施工准备→先导孔钻进→注浆前注浆试验→注浆→封孔→一般注浆孔钻进→注浆效果检测。注浆施工工艺流程如图4所示。

1) 放线定位 先用全站仪测放每排两边的最外边两点的坐标点, 再通过这些坐标点采用拉线和卷尺量测的方法定出两点中间其他钻孔孔位。定出孔位后, 应进行适当标注, 一般用油漆笔喷写。

2) 钻机就位及钻孔 孔位确定后, 钻机进场就位, 应使钻机底部平整稳固, 在开钻前利用吊锤钻头和钻孔的垂直度进行检测, 并在钻进2m时及以后每加1节钻杆均需调平校正钻机, 要求钻孔的倾斜度≤1%。基坑封底注浆, 厚度需与围护桩底同深。

3) 探边界 操作方法见3.1.2节注浆孔布置。

4) 制备、置换套壳料 套壳料可用膨润土在现场直接配制, 利用钻杆将套壳料与钻孔内的泥浆进行置换。首先加压套壳料, 压力的作用使其顺着钻杆到达钻孔底部, 随着套壳料不断挤压泥浆, 泥浆从地面孔口挤出, 通过提前挖好的泥浆沟流入泥浆循环池中。当泥浆循环池中出现套壳料时, 说明置换基本完成, 可停止。

5) 安装套管 套管分为花管和实管2部分, 全填充的溶 (土) 洞可采用花管注浆, 半填充、未填充溶 (土) 洞注浆管、检查管及排气管均采用ϕ200PVC实管。全填充的溶 (土) 洞采用ϕ48花管, 材质根据现场试验和盾构施工经验选取, 根据注浆高度配备, 下管时管内灌入清水, 使花管下至孔底, 实管的长度高于地面10～20cm。下管时管与管间连接必须牢固, 套管底端套好锥形堵头, 上端盖保护帽。

6) 注浆 按照钻孔完成时间的先后, 待套壳料达到强度要求后, 将单项袖阀管中的注浆钢管 (带双塞) 下放到注浆初始位置, 采用分段注浆的方法, 分段长2.0m, 分段注浆自下而上进行。单项袖阀管注浆如图5所示。

溶 (土) 洞处理在注浆完成前要满足一定的要求。注浆压力控制在0.4～1.0MPa, 注浆速度达30～70L/min。花管和注浆芯管下到洞底以下0.5m, 必须从洞底往上压注水泥浆。每当注浆压力达到0.4～ 0.5MPa, 注浆芯管可提升0.4m, 逐段往上注浆直到洞顶, 最后注浆压力达到1.2MPa并稳压至少10min方可终止注浆。

7) 封孔 终止注浆后应对每个钻孔进行封孔处理, 封孔采用水灰比 (0.5～0.7) ∶1的水泥浆, 分段从下往上灌注, 最后恢复路面。

注浆施工过程中, 成孔中遇到大溶洞塌孔, 注浆管路堵塞、掌子面及已开挖段落跑浆、孔间串浆、注浆过程中注浆压力长时间不上升, 以及注浆引起地表隆起是常出现的问题, 这些问题的出现不仅影响施工进度, 也影响施工人员情绪, 因此, 应尽量避免注浆施工过程中出现这些问题, 如表2所示。

石建区间隧道洞身通过广泛分布的可溶岩地层, 岩溶发育强烈, 水文地质条件复杂。岩溶地段主要可能遇到的工程问题是:岩溶突水、突泥。突水、突泥地段施工可根据围岩实际情况采用高压劈裂注浆、挤压注浆或渗透注浆, 必要时可采取超前抽排水与设止浆墙相结合的施工方法。注浆的目的是固结围岩, 使围岩形成强度较高、渗透系数较低的结石体。当地下水水压较高时, 应进行钻孔卸压操作, 对涌水处钻孔实现分流, 当涌水口被分流且由集中流变为细流时应及时封堵、钻孔数目根据涌水量而定, 钻孔深度根据现场围岩和实际情况而定, 一般为10～15cm。在进行突水口引排、封堵, 钻分流孔后, 突水口水量相对变小, 可以利用一种带开关的大直径钢管引排突水, 同时在其旁边设置带开关的注浆管, 接通注浆泵进行双液注浆封堵钢管周围部分, 使突水只从钢管流出, 最后进行注浆作业, 关闭导水钢管开关, 致使突水全部从分流孔排出, 进一步在突水处压注水泥浆加固, 使突水处趋于安全, 然后由近及远逐次向分流孔内压注水泥单液浆, 逐个封闭分流孔。

岩溶处治方案实施后, 为了检验处治效果是否达到设计方案预期要求, 需要采取一定的技术手段对注浆效果进行检测分析, 检测的内容主要包括溶 (土) 洞注浆加固效果检查、地基承载力检测以及土层的渗透性效果检查等方面。

1) 溶 (土) 洞注浆加固效果检查 溶 (土) 洞注浆加固后应对加固效果进行检查, 建议从“固结状态”与“固结强度”2个方面进行评定。“固结状态”:按土层随机取样的方式进行抽样检查, 若样品“完整、不破碎”表明固结状态较好, 反之样品“松散”或“碎状块”则表明固结状态“差”及“较差”。“固结强度”:采用标贯法测定, 标贯值达到“坚硬”状可判定固结强度为优, “硬塑”状可判定固结强度为合格, 否则不合格。

2) 地基承载力要求 (原隧道中心线底部位于溶 (土) 洞范围) 可按下述检查方法与标准进行检测:①采用钻孔抽芯法做抗压试验, 要求28d无侧限抗压强度≥0.2MPa;②采用随机原位标贯试验, 标贯击数应≥10击^[8]。

3) 渗透性效果检查:可采用野外注水试验和野外抽水试验测定。检测结果显示:①注浆段的芯样较完整连续, 标贯法测定固结强度达到合格以上, 注浆加固效果较好;②芯样的抗压强度均>0.2MPa, 满足地基承载力的设计要求;③注浆段地层加固较密实均匀, 土体渗透性满足要求。此外, 该区间经岩溶处治后, 盾构施工风险降低, 且岩溶突水、突泥发生时, 应急处理得当, 隧道盾构施工顺利通过岩溶地段, 长期监测发现该段围岩稳定, 地层沉降在控制范围内, 盾构隧道衬砌未见明显渗水现象, 各项指标均满足规范要求。

广西属于典型的喀斯特地貌分布区, 岩溶发育较强烈, 岩溶的存在给城市地铁工程的建设造成很大阻碍, 因此地铁盾构隧道施工前必须对岩溶地质进行处治。本文以南宁地铁2号线石建区间盾构隧道为例, 针对盾构施工所遇到的岩溶地质问题, 系统地分析了岩溶处治方案, 并通过处治效果检查及分析验证其可行性。