武汉轨道交通6号线工程岩溶发育特征及处理措施

刘建芳

(武汉地铁集团有限公司，430074，武汉//高级工程师)

武汉市全境面积约8 494 km2，存在石灰岩面积约1 080 km2，石灰岩面积占全市面积约12.8%[6]。武汉市地貌形态由剥蚀堆积垄岗区(长江Ⅲ级阶地)逐渐过渡为冲洪积区(长江Ⅰ级阶地)。武汉历史上出现了十多次岩溶塌陷，给工程建设带来重大影响，且造成巨大的经济损失。岩溶地质灾害防治引起许多专家、学者及工程技术人员的重视。文献[1-9]对武汉地区岩溶发育历史、发育规律、成因机制及塌陷灾害防治等问题进行了研究，并把武汉地区岩溶划分为宽1.2～6.0 km的几条地质条带。武汉轨道交通2号线、3号线、4号线、6号线、11号线等工程均遇到了岩溶问题。本文以风险较大的武汉轨道交通6号线岩溶专项勘察、设计和施工为参考，分析了武汉砂层覆盖型岩溶的发育特征、溶洞规模及溶洞充填特征等特点，总结了城市轨道交通车站区间设计施工的处理措施。其结论可为后期同类地铁工程建设提供参考。

1 武汉岩溶发育特点

根据武汉轨道交通工程岩溶专项勘察资料及周边的民建基坑地质勘察情况，对武汉地区岩溶地质结构进行分类，主要分为以下3种地质结构类型[4]。

(1) Ⅰ类地质：主要为长江一级阶地砂、卵砾石覆盖层。上部土层为填土层和少量黏性土层,下部土层为砂层或卵砾石层。地下水主要为孔隙承压水和岩溶裂隙水，有承压性。砂及卵砾石可直接通过溶沟、溶槽流失，如覆盖层出现坍塌，直接会引起地面塌陷。

(2) Ⅱ类地质：主要为长江一级阶地砂、砾石层加几米厚的黏土覆盖层。该地层分布中，上部为砂层，下部为覆盖于岩面上的约几米厚的黏性土层。这种地层组合将砂砾石中的地下水与石灰岩中岩溶水隔断，发生塌陷的可能性小。

(3) Ⅲ类地质：主要为长江三级阶地，上覆土层为老黏土层。这类地层极少发生地面塌陷。

2 岩溶塌陷机理分析及岩溶风险分类

岩溶塌陷是指在自然或人为原因作用下，覆盖层沿岩溶孔隙通道进入岩溶空洞中，引起覆盖土体的漏失，导致地面出现塌陷的现象[5]。

当覆盖层为砂、砾石层直接盖在岩面上时，砂、砾石层中的孔隙水与岩溶裂隙水存在水力联系。当地下水位发生升降变化，岩溶水位低于孔隙水位时，岩溶水垂直向下渗流，逐渐形成“漏斗状疏松体”，砂、砾石土漏入岩溶孔洞或沟槽中，地面出现塌陷坑，该现象主要发生在Ⅰ类地质结构地层中。

当岩溶水位降至岩面以下，地下水位以上存在饱气带，即岩面附近有地下水的垂直循环带，便产生潜蚀[5]。岩面的高低变化使岩面附近形成小径流，长期的潜蚀将土颗粒带入溶洞中，并在上覆地层中形成土洞，若洞顶冒落则会发生地面塌陷。武汉地区Ⅲ类地质结构地层的岩溶水位多高于岩面且岩面高差变化不大，此类地质结构不会产生土洞，发生岩溶地面塌陷的可能性也很小。

真空吸蚀的产生主要有2个条件：一是大量抽排岩溶地下水，水位在短时间内急剧下降；二是覆盖层对地下溶洞有良好的封闭作用，能在水位下降的过程中形成负压或真空[5]。覆盖土层的薄弱位置可能会瞬间产生陷坑，在短时间内可产生很多个塌陷坑，危害严重。Ⅱ类地质结构地层也有较大可能发生岩溶地面塌陷。

根据以上3种塌陷机理、岩溶地质结构类型和发育规律，将武汉岩溶区划分为高风险区、中风险区和低风险区。Ⅰ类岩溶地质结构为高风险区，约占石灰岩总分布面积的4.9%。武汉地区十余次岩溶塌陷地质灾害都发生在Ⅰ类地质结构地层。Ⅱ类岩溶地质结构为中风险区，约占石灰岩总分布面积的5.8%。Ⅲ类岩溶地质结构为低风险区，基本不发生岩溶地面塌陷，约占石灰岩总分布面积的89.3%。

3 武汉轨道交通6号线岩溶发育特征

武汉轨道交通6号线一期前进村站—红建路站、红建路站—马鹦路站两区间沿鹦鹉大道敷设。红建路站采用明挖法施工，两区间采用盾构法施工，总长约2 220.2 m，区间所处地质为Ⅰ类岩溶地质。本文根据此段岩溶专项勘察资料，对溶洞的规模、发育程度及填充情况进行了分析。

红建路站顶板覆土厚3.0～4.5 m，区间隧道覆土厚9.2～17.4 m，车站主要位于粉细砂层和中细砂层；隧道底距基岩面约5.9～16.0 m，岩溶主要在岩面以下15 m内发育，发育方向和强度受层面和裂隙控制，多为陡立灰岩层面，垂向呈溶隙，溶槽形态发育[3-5]。

红建路站岩溶区段长2 010 m，岩溶勘察钻孔共277个，揭露溶洞247个，物探异常191处。岩溶钻孔遇洞率为58.5%。溶洞高度以小于3 m为主，溶洞高0．2～1.0 m的为128个，占总溶洞比值为52%；溶洞高1．0～2.0 m的为66个，占总溶洞比值为27%；溶洞高2．0～3.0 m的为24个，占总溶洞比值为9%；其余溶洞高度大于3 m的为29个，占总溶洞比值为12%。

此岩溶段以小规模溶洞为主，主要为浅层岩溶，基岩面以下2～8 m范围发育较强，岩面下10～15 m以下发育逐渐减弱；全填充溶洞埋深较浅，半填充溶洞较深，无填充溶洞埋深最大，说明溶洞填充为自上而下，填充物主要来源于上覆土层。

其中，未充填溶洞为103个，占总溶洞比值为42%；半充填溶洞为67个，占总溶洞比值为28%；全充填溶洞为74个，占总溶洞比值为30%；溶洞内填充物主要为黏土，含少量碎石。

4 武汉轨道交通6号线工程防止岩溶塌陷的措施

地铁是百年工程，要同时考虑施工和运营中的岩溶塌陷风险。处于岩溶高风险区的武汉轨道交通6号线前进村站—红建路站、红建路站—马鹦路站两区间所处地层是长江一级阶地Ⅰ类地质结构类型的典型代表；覆盖层为二元结构冲积层，且冲积层下部饱和砂层直接覆盖于石灰岩之上，极易发生岩溶塌陷。因此,在该线路的车站和区间施工中,主要采取了如下岩溶处理措施。

4.1 红建路站岩溶处理措施

武汉轨道交通6号线红建路站沿鹦鹉大道南北向布置。车站结构型式为双层两跨钢筋混凝土矩形框架结构，车站长228 m，宽21.1 m，高14.94 m；基坑深度为18.3～19.5 m，主体围护结构采用地下连续墙。车站所处位置岩溶分布情况如图1所示。

4.1.1 岩溶处理思路

对地下连续墙成槽位置及临时立柱桩下的岩层裂隙及溶洞进行注浆处理，避免地下连续墙成槽及立柱桩成孔时出现岩溶塌陷。运营期列车振动、周边环境变化及地下水活动作用下可能出现砂层的漏失和坍塌，因此考虑采用地下连续墙入岩、设置牛腿，以及由基坑底旋喷桩格栅式抽条加固形成的支撑体系来支撑车站结构。

a) 岩溶平面分布图

注:图中不规则图形代表岩溶

b) 岩溶剖面分布图

图1 红建路站岩溶分布情况图

4.1.2 岩溶处理方法

(1) 对地下连续墙范围内溶洞的处理：先对地下连续墙位置下的灰岩层以下15 m进行帷幕注浆(见图2)，注浆孔间距为2～3 m,从而形成有效的隔水、隔砂层，尽量阻断车站范围内外岩层的水力联系以形成封闭体系。

图2 红建路站岩溶处理图

(2)对车站立柱桩的处理：对车站内临时立柱桩及中间立柱桩下施做超前钻孔，每桩1孔，孔深至基岩面以下10 m，并对超前钻孔揭露的溶洞进行灌浆处理(见图2)。对于小型溶洞及溶隙，在满足施工要求的前提下，也可适当调整桩位避开溶洞范围，保证桩体受力安全。

(3)对于车站范围内基底进行格构式抽条旋喷加固(见图3)：车站基底旋喷桩格构式土墩柱将基底分割为多块区域，以减少基底砂土层水的流动，从而阻止砂层的流失，以提高基底强度，降低岩溶塌陷的风险。对车站基坑范围内已探明溶洞进行注浆处理，如遇异常点需验证后再进行处理。

a) 旋喷桩布置平面图b) 旋喷桩加固大样图

注:单位mm

图3 红建路站基底格构式旋喷加固图

(4)岩溶水的处理：车站基坑开挖前严禁降岩溶水，只降砂层中的承压水，按需降水，水位在基坑下1～2 m即可，降水时必须防止出现砂层向岩层的竖向流动，避免砂进入岩溶裂隙中而产生漏失引起塌陷。对岩溶水位及承压水位变化需进行严密观测。

4.2 红建路站—马鹦路站区间岩溶处理措施

武汉轨道交通6号线红建路站—马鹦路站区间位于鹦鹉大道下，长1 309 m，覆土厚9.0～17.5 m，采用盾构法施工。区间处于Ⅰ类地质结构类型岩溶区，岩溶较发育，在历史上多次发生岩溶地面塌陷，在此地层中施工及运营风险很大。区间岩溶分布情况如图4所示。

4.2.1 区间岩溶处理思路

砂层在重力及地下水活动作用下产生漏失后，极易形成圆锥形塌陷坑，影响范围广，且处于砂层中的隧道也是有塌陷可能的构筑物。塌陷除直接破坏隧道结构外，还可能造成隧道偏压，影响隧道的稳定和安全。

根据武汉岩溶区塌陷资料可知，岩溶塌陷角φ约为40°[4]。图5为隧道埋深与塌陷漏斗关系图。由图5可知，隧道边线到塌陷漏斗中心的距离b与隧道中心到基岩面的距离h2的关系为b=h2tanφ[4]，因此通过一定的处理措施保证隧道与塌陷漏斗之间的距离大于b即可保证隧道的安全。

a) 岩溶平面分布

b) 岩溶剖面分布

区间岩溶处理的主要思路：首先尽量将隧道高度下压，以降低隧道与基岩面的距离；然后对左、右线隧道两侧一定范围内的灰岩进行注浆处理，在隧道两侧形成一道注浆帷幕以减少帷幕两侧岩溶裂隙及地下水的连通性，帷幕深度为岩面以下15 m；最后对两侧帷幕之间的溶洞进行注浆处理，确保两侧帷幕之间不会发生岩溶塌陷。

注:D代表隧道直径;B代表塌陷漏斗在地表的宽度;h1代表地表至隧道中心的距离;H代表地表至基岩面的距离,H=h1+h2

图5 隧道埋深与塌陷漏斗关系图

4.2.2 区间岩溶处理方法

(1)基岩面以下岩溶处理措施:在隧道内侧轮廓线外一定距离C(根据场地条件)处设1排帷幕注浆孔,并对基岩面以下15 m进行岩层注浆，注浆孔间距为2～3 m。同时,根据岩溶专项勘察资料，有针对性地对注浆帷幕之间的溶洞和物探异常进行注浆处理(见图6)。

(2)基岩面以上岩溶处理措施：当隧道覆土较浅,隧道底至基岩面距离h0和计算出的C较大时,注浆孔因地面交通条件或建构筑物限制等因素无法实施，可考虑缩短C进行帷幕注浆，在土层部分采取隔断的措施减少塌陷漏斗对区间隧道的影响，采用一排φ800 mm@1 000 mm灌注桩+φ800 mm旋喷桩组合，灌注桩适当入岩。详见图7。

图6 溶洞注浆与帷幕注浆处理图

图7 溶洞注浆与土层隔断处理图

5 结论

(1) 武汉轨道交通6号线岩溶区段岩溶在基岩面以下2～8 m范围内发育较强，基岩面以下10～15 m岩溶发育逐渐减弱，全充填溶洞约占30%，半充填溶洞约占28%，未充填溶洞约占42%；溶洞距离土岩分界面越近，溶洞的填充率越高，充填物与覆盖层土层性质相近。

(2) 防止岩溶塌陷的处理措施要考虑施工及运营期间的安全。针对Ⅰ类地质结构类型土层，首先要考虑车站、区间尽量靠近岩面，处理措施考虑车站、区间两侧岩面下15 m的帷幕注浆，盾构区间隧道根据地面情况可考虑设置土层中隔断桩；注浆帷幕之间溶洞进行注浆充填处理，物探异常验证后注浆处理。

(3) Ⅰ类地质结构类型土层塌陷坑一般成片、成群出现，因此需进一步研究此类地质结构土层中承压水和岩溶水的流动规律以评估引起的塌陷区半径，并以此为依据扩大地铁影响控制红线来控制红线范围内的各类工程，尤其是有深层降水及入岩桩基的工程。地铁运营期间，对周边水位、地铁区间隧道变形进行长期监测，以及对周边影响范围内的各类工程施工项目建立预警系统等都需要进一步的研究。

(4) 武汉地区岩溶地质类型多样，岩溶地质条带分布范围广且不均匀。民建、工业、地铁车站隧道、市政道路桥梁隧道等不同的工程建设及结构型式对岩溶地质的要求不同，岩溶处理方式也各异。建议相关部门从勘察、设计及施工等方面对武汉地区的岩溶进行有效归类总结，其结论可为后续涉及岩溶区段的工程提供参考。