武漢軌道交通6號線工程巖溶發育特征及處理措施

劉建芳

(武漢地鐵集團有限公司，430074，武漢//高級工程師)

武漢市全境面積約8 494 km2，存在石灰巖面積約1 080 km2，石灰巖面積占全市面積約12.8%[6]。武漢市地貌形態由剝蝕堆積壟崗區(長江Ⅲ級階地)逐漸過渡為沖洪積區(長江Ⅰ級階地)。武漢歷史上出現了十多次巖溶塌陷，給工程建設帶來重大影響，且造成巨大的經濟損失。巖溶地質災害防治引起許多專家、學者及工程技術人員的重視。文獻[1-9]對武漢地區巖溶發育歷史、發育規律、成因機制及塌陷災害防治等問題進行了研究，并把武漢地區巖溶劃分為寬1.2～6.0 km的幾條地質條帶。武漢軌道交通2號線、3號線、4號線、6號線、11號線等工程均遇到了巖溶問題。本文以風險較大的武漢軌道交通6號線巖溶專項勘察、設計和施工為參考，分析了武漢砂層覆蓋型巖溶的發育特征、溶洞規模及溶洞充填特征等特點，總結了城市軌道交通車站區間設計施工的處理措施。其結論可為后期同類地鐵工程建設提供參考。

1 武漢巖溶發育特點

根據武漢軌道交通工程巖溶專項勘察資料及周邊的民建基坑地質勘察情況，對武漢地區巖溶地質結構進行分類，主要分為以下3種地質結構類型[4]。

(1) Ⅰ類地質：主要為長江一級階地砂、卵礫石覆蓋層。上部土層為填土層和少量黏性土層,下部土層為砂層或卵礫石層。地下水主要為孔隙承壓水和巖溶裂隙水，有承壓性。砂及卵礫石可直接通過溶溝、溶槽流失，如覆蓋層出現坍塌，直接會引起地面塌陷。

(2) Ⅱ類地質：主要為長江一級階地砂、礫石層加幾米厚的黏土覆蓋層。該地層分布中，上部為砂層，下部為覆蓋于巖面上的約幾米厚的黏性土層。這種地層組合將砂礫石中的地下水與石灰巖中巖溶水隔斷，發生塌陷的可能性小。

(3) Ⅲ類地質：主要為長江三級階地，上覆土層為老黏土層。這類地層極少發生地面塌陷。

2 巖溶塌陷機理分析及巖溶風險分類

巖溶塌陷是指在自然或人為原因作用下，覆蓋層沿巖溶孔隙通道進入巖溶空洞中，引起覆蓋土體的漏失，導致地面出現塌陷的現象[5]。

當覆蓋層為砂、礫石層直接蓋在巖面上時，砂、礫石層中的孔隙水與巖溶裂隙水存在水力聯系。當地下水位發生升降變化，巖溶水位低于孔隙水位時，巖溶水垂直向下滲流，逐漸形成“漏斗狀疏松體”，砂、礫石土漏入巖溶孔洞或溝槽中，地面出現塌陷坑，該現象主要發生在Ⅰ類地質結構地層中。

當巖溶水位降至巖面以下，地下水位以上存在飽氣帶，即巖面附近有地下水的垂直循環帶，便產生潛蝕[5]。巖面的高低變化使巖面附近形成小徑流，長期的潛蝕將土顆粒帶入溶洞中，并在上覆地層中形成土洞，若洞頂冒落則會發生地面塌陷。武漢地區Ⅲ類地質結構地層的巖溶水位多高于巖面且巖面高差變化不大，此類地質結構不會產生土洞，發生巖溶地面塌陷的可能性也很小。

真空吸蝕的產生主要有2個條件：一是大量抽排巖溶地下水，水位在短時間內急劇下降；二是覆蓋層對地下溶洞有良好的封閉作用，能在水位下降的過程中形成負壓或真空[5]。覆蓋土層的薄弱位置可能會瞬間產生陷坑，在短時間內可產生很多個塌陷坑，危害嚴重。Ⅱ類地質結構地層也有較大可能發生巖溶地面塌陷。

根據以上3種塌陷機理、巖溶地質結構類型和發育規律，將武漢巖溶區劃分為高風險區、中風險區和低風險區。Ⅰ類巖溶地質結構為高風險區，約占石灰巖總分布面積的4.9%。武漢地區十余次巖溶塌陷地質災害都發生在Ⅰ類地質結構地層。Ⅱ類巖溶地質結構為中風險區，約占石灰巖總分布面積的5.8%。Ⅲ類巖溶地質結構為低風險區，基本不發生巖溶地面塌陷，約占石灰巖總分布面積的89.3%。

3 武漢軌道交通6號線巖溶發育特征

武漢軌道交通6號線一期前進村站—紅建路站、紅建路站—馬鸚路站兩區間沿鸚鵡大道敷設。紅建路站采用明挖法施工，兩區間采用盾構法施工，總長約2 220.2 m，區間所處地質為Ⅰ類巖溶地質。本文根據此段巖溶專項勘察資料，對溶洞的規模、發育程度及填充情況進行了分析。

紅建路站頂板覆土厚3.0～4.5 m，區間隧道覆土厚9.2～17.4 m，車站主要位于粉細砂層和中細砂層；隧道底距基巖面約5.9～16.0 m，巖溶主要在巖面以下15 m內發育，發育方向和強度受層面和裂隙控制，多為陡立灰巖層面，垂向呈溶隙，溶槽形態發育[3-5]。

紅建路站巖溶區段長2 010 m，巖溶勘察鉆孔共277個，揭露溶洞247個，物探異常191處。巖溶鉆孔遇洞率為58.5%。溶洞高度以小于3 m為主，溶洞高0．2～1.0 m的為128個，占總溶洞比值為52%；溶洞高1．0～2.0 m的為66個，占總溶洞比值為27%；溶洞高2．0～3.0 m的為24個，占總溶洞比值為9%；其余溶洞高度大于3 m的為29個，占總溶洞比值為12%。

此巖溶段以小規模溶洞為主，主要為淺層巖溶，基巖面以下2～8 m范圍發育較強，巖面下10～15 m以下發育逐漸減弱；全填充溶洞埋深較淺，半填充溶洞較深，無填充溶洞埋深最大，說明溶洞填充為自上而下，填充物主要來源于上覆土層。

其中，未充填溶洞為103個，占總溶洞比值為42%；半充填溶洞為67個，占總溶洞比值為28%；全充填溶洞為74個，占總溶洞比值為30%；溶洞內填充物主要為黏土，含少量碎石。

4 武漢軌道交通6號線工程防止巖溶塌陷的措施

地鐵是百年工程，要同時考慮施工和運營中的巖溶塌陷風險。處于巖溶高風險區的武漢軌道交通6號線前進村站—紅建路站、紅建路站—馬鸚路站兩區間所處地層是長江一級階地Ⅰ類地質結構類型的典型代表；覆蓋層為二元結構沖積層，且沖積層下部飽和砂層直接覆蓋于石灰巖之上，極易發生巖溶塌陷。因此,在該線路的車站和區間施工中,主要采取了如下巖溶處理措施。

4.1 紅建路站巖溶處理措施

武漢軌道交通6號線紅建路站沿鸚鵡大道南北向布置。車站結構型式為雙層兩跨鋼筋混凝土矩形框架結構，車站長228 m，寬21.1 m，高14.94 m；基坑深度為18.3～19.5 m，主體圍護結構采用地下連續墻。車站所處位置巖溶分布情況如圖1所示。

4.1.1 巖溶處理思路

對地下連續墻成槽位置及臨時立柱樁下的巖層裂隙及溶洞進行注漿處理，避免地下連續墻成槽及立柱樁成孔時出現巖溶塌陷。運營期列車振動、周邊環境變化及地下水活動作用下可能出現砂層的漏失和坍塌，因此考慮采用地下連續墻入巖、設置牛腿，以及由基坑底旋噴樁格柵式抽條加固形成的支撐體系來支撐車站結構。

a) 巖溶平面分布圖

注:圖中不規則圖形代表巖溶

b) 巖溶剖面分布圖

圖1 紅建路站巖溶分布情況圖

4.1.2 巖溶處理方法

(1) 對地下連續墻范圍內溶洞的處理：先對地下連續墻位置下的灰巖層以下15 m進行帷幕注漿(見圖2)，注漿孔間距為2～3 m,從而形成有效的隔水、隔砂層，盡量阻斷車站范圍內外巖層的水力聯系以形成封閉體系。

圖2 紅建路站巖溶處理圖

(2)對車站立柱樁的處理：對車站內臨時立柱樁及中間立柱樁下施做超前鉆孔，每樁1孔，孔深至基巖面以下10 m，并對超前鉆孔揭露的溶洞進行灌漿處理(見圖2)。對于小型溶洞及溶隙，在滿足施工要求的前提下，也可適當調整樁位避開溶洞范圍，保證樁體受力安全。

(3)對于車站范圍內基底進行格構式抽條旋噴加固(見圖3)：車站基底旋噴樁格構式土墩柱將基底分割為多塊區域，以減少基底砂土層水的流動，從而阻止砂層的流失，以提高基底強度，降低巖溶塌陷的風險。對車站基坑范圍內已探明溶洞進行注漿處理，如遇異常點需驗證后再進行處理。

a) 旋噴樁布置平面圖b) 旋噴樁加固大樣圖

注:單位mm

圖3 紅建路站基底格構式旋噴加固圖

(4)巖溶水的處理：車站基坑開挖前嚴禁降巖溶水，只降砂層中的承壓水，按需降水，水位在基坑下1～2 m即可，降水時必須防止出現砂層向巖層的豎向流動，避免砂進入巖溶裂隙中而產生漏失引起塌陷。對巖溶水位及承壓水位變化需進行嚴密觀測。

4.2 紅建路站—馬鸚路站區間巖溶處理措施

武漢軌道交通6號線紅建路站—馬鸚路站區間位于鸚鵡大道下，長1 309 m，覆土厚9.0～17.5 m，采用盾構法施工。區間處于Ⅰ類地質結構類型巖溶區，巖溶較發育，在歷史上多次發生巖溶地面塌陷，在此地層中施工及運營風險很大。區間巖溶分布情況如圖4所示。

4.2.1 區間巖溶處理思路

砂層在重力及地下水活動作用下產生漏失后，極易形成圓錐形塌陷坑，影響范圍廣，且處于砂層中的隧道也是有塌陷可能的構筑物。塌陷除直接破壞隧道結構外，還可能造成隧道偏壓，影響隧道的穩定和安全。

根據武漢巖溶區塌陷資料可知，巖溶塌陷角φ約為40°[4]。圖5為隧道埋深與塌陷漏斗關系圖。由圖5可知，隧道邊線到塌陷漏斗中心的距離b與隧道中心到基巖面的距離h2的關系為b=h2tanφ[4]，因此通過一定的處理措施保證隧道與塌陷漏斗之間的距離大于b即可保證隧道的安全。

a) 巖溶平面分布

b) 巖溶剖面分布

區間巖溶處理的主要思路：首先盡量將隧道高度下壓，以降低隧道與基巖面的距離；然后對左、右線隧道兩側一定范圍內的灰巖進行注漿處理，在隧道兩側形成一道注漿帷幕以減少帷幕兩側巖溶裂隙及地下水的連通性，帷幕深度為巖面以下15 m；最后對兩側帷幕之間的溶洞進行注漿處理，確保兩側帷幕之間不會發生巖溶塌陷。

注:D代表隧道直徑;B代表塌陷漏斗在地表的寬度;h1代表地表至隧道中心的距離;H代表地表至基巖面的距離,H=h1+h2

圖5 隧道埋深與塌陷漏斗關系圖

4.2.2 區間巖溶處理方法

(1)基巖面以下巖溶處理措施:在隧道內側輪廓線外一定距離C(根據場地條件)處設1排帷幕注漿孔,并對基巖面以下15 m進行巖層注漿，注漿孔間距為2～3 m。同時,根據巖溶專項勘察資料，有針對性地對注漿帷幕之間的溶洞和物探異常進行注漿處理(見圖6)。

(2)基巖面以上巖溶處理措施：當隧道覆土較淺,隧道底至基巖面距離h0和計算出的C較大時,注漿孔因地面交通條件或建構筑物限制等因素無法實施，可考慮縮短C進行帷幕注漿，在土層部分采取隔斷的措施減少塌陷漏斗對區間隧道的影響，采用一排φ800 mm@1 000 mm灌注樁+φ800 mm旋噴樁組合，灌注樁適當入巖。詳見圖7。

圖6 溶洞注漿與帷幕注漿處理圖

圖7 溶洞注漿與土層隔斷處理圖

5 結論

(1) 武漢軌道交通6號線巖溶區段巖溶在基巖面以下2～8 m范圍內發育較強，基巖面以下10～15 m巖溶發育逐漸減弱，全充填溶洞約占30%，半充填溶洞約占28%，未充填溶洞約占42%；溶洞距離土巖分界面越近，溶洞的填充率越高，充填物與覆蓋層土層性質相近。

(2) 防止巖溶塌陷的處理措施要考慮施工及運營期間的安全。針對Ⅰ類地質結構類型土層，首先要考慮車站、區間盡量靠近巖面，處理措施考慮車站、區間兩側巖面下15 m的帷幕注漿，盾構區間隧道根據地面情況可考慮設置土層中隔斷樁；注漿帷幕之間溶洞進行注漿充填處理，物探異常驗證后注漿處理。

(3) Ⅰ類地質結構類型土層塌陷坑一般成片、成群出現，因此需進一步研究此類地質結構土層中承壓水和巖溶水的流動規律以評估引起的塌陷區半徑，并以此為依據擴大地鐵影響控制紅線來控制紅線范圍內的各類工程，尤其是有深層降水及入巖樁基的工程。地鐵運營期間，對周邊水位、地鐵區間隧道變形進行長期監測，以及對周邊影響范圍內的各類工程施工項目建立預警系統等都需要進一步的研究。

(4) 武漢地區巖溶地質類型多樣，巖溶地質條帶分布范圍廣且不均勻。民建、工業、地鐵車站隧道、市政道路橋梁隧道等不同的工程建設及結構型式對巖溶地質的要求不同，巖溶處理方式也各異。建議相關部門從勘察、設計及施工等方面對武漢地區的巖溶進行有效歸類總結，其結論可為后續涉及巖溶區段的工程提供參考。