基于地质预报的地铁车站岩溶预注浆处理技术

杨 新

武汉城建集团 湖北 武汉 430022

1 工程概况

凤凰山位于武汉市蔡甸区，处于三级阶地上，其主要地层上部为⑩2层粉质黏土，其下为三叠系灰岩。在施工详勘及补充勘察中，岩溶评定为中-强发育，见洞率达到90%，线岩溶率约4%，溶洞大小不一，且多呈串珠状分布。大部分岩溶溶洞为半填充-填充状态，内填充物为软塑-硬塑状黏性土夹碎石，部分为空洞，场区内溶洞的洞径为0.5～7.2 m，平均洞径1.9 m。该车站项目围护结构采用钻孔灌注桩，车站主体结构为双跨双层地下结构，钻孔期间均有掉钻及漏水现象。

为避免地铁车站围护结构及主体施工过程中因遇到溶洞发生埋钻、掉钻、钻机倾覆、混凝土超灌、基底坍塌等工程事故，特采用地质雷达法[1-2]和表面波法[3]等探测手段对岩溶溶洞进行超前预测和预报，然后通过地质钻探确定岩溶溶洞埋深和大小，最后对其进行注浆处理，使施工过程中不发生掉钻、埋钻现象[4-6]。

2 地质预报和预注浆处理技术的原理及适用范围

2.1 技术原理

通过地质钻探、地质雷达、表面波法和加密地质钻探勘测，预先探测确定围护结构底部和车站结构底板下岩溶溶洞埋深和大小，并将地质钻孔作为注浆孔，采用袖阀管注浆对下覆溶洞进行注浆充填预处理。

2.2 技术特点

1）可较全面、准确地探测溶洞分布位置，确定溶洞大小。

2）岩溶注浆处理施工工艺可控性强，能够较好地填充溶洞空隙，有效处理岩溶溶洞，避免围护桩、主体结构底板施工过程中机械设备和工程质量问题。

3）施工方法简单，操作简便，施工速度快，成本低。

2.3 技术适用范围

本工艺适用于岩溶地区地铁车站、综合管廊始发井、停车场等地下空间工程围护结构及主体结构施工场地内下覆地层存在岩溶或土洞，且需要进行探测和处理的工程施工（图1）。

图1 岩溶溶洞探测和处理原理

3 施工工艺流程

3.1 施工工艺流程

其主要施工包括地质雷达探测溶洞发现异常，随后采用地质钻探判定岩溶埋深和洞径，接着进行注浆处理，最后进行处理效果检查，如图2所示。

图2 施工工艺流程

3.2 地质雷达法探测岩溶

地质雷达法探测岩溶是一种采用超高频窄脉冲电磁波探测地层中各介质分布的物探方法，其使用方法是利用发射天线向车站底面以下发射电磁波（中心频率为10～2 500 MHz），电磁波在下方地层传播的过程中，当经过电性差异不同的地层介质（如地下水、裂缝、溶洞等）时，会产生反射波信号，反射波由接收天线接收，地质雷达法探测原理如图3所示。在对所探测数据进行处理和分析后，根据波形、场强、振幅和电磁波双程走时等参数，便可得到布线剖面下方的相关地质信息和地层目标体内部结构特征等信息。

图3 地质雷达探测示意

施工期间在开挖后的基底上采用地质雷达进行探测，每开挖一段（约20 m），在底板上采用地质雷达法测试一段。为了探明地铁站下部灰岩是否存在溶洞，使用地质雷达探测时，将雷达天线贴于车站地面上并缓慢、连续地移动天线，进行发射和接收电磁波信号完成数据采集。根据地铁站的具体情况，在探测过程中沿平行地铁站水平方向布置纵向测线。数据采集过程中采样时间窗控制为1 000 ns，叠加次数为32次/道，天线距为1.0～1.5 m，测点距为0.5 m×0.5 m方格网。地质雷达探测所得到的电磁波数据为原始资料，要通过计算机相关程序进行一系列编辑处理（如滤波、振幅调整和时间剖面输出等），再根据波速进行深度（h）-时间（t）关系的相关计算，得到地质信息的相关解释，通过数据处理得到雷达时间剖面图像后，即可进行雷达图像的分析解释（解释时深转换选取黏土的电磁波波速为0.06 m/ns），典型扫描反射信号解译如图4所示。根据解译结果，分析得到波动明显区域呈线条状分布为黏土层与灰岩的界面，而散乱集中分布则可能为溶洞，需要通过钻探进行进一步验证。若发现异常区域，应采用地质钻探勘察查明异常区域是否存在溶洞，若有溶洞，应根据溶洞大小采用袖阀管注浆对溶洞进行注浆充填处理。

图4 地质雷达扫描反射信号解译

3.3 岩溶溶洞地质钻探勘测

采用地质钻探及取芯法探测围护结构深度范围内及围护结构底一定深度范围内的岩溶溶洞埋深及溶洞洞径。车站支护桩部分按进入桩底以下完整灰岩3 m控制；车站立柱桩部分按进入桩底以下完整灰岩5 m控制；其他部分按进入完整灰岩3 m控制。采用全站仪进行测量放样，确定钻探勘测孔位，孔位偏差不得大于100 mm。为保证勘察数据数量和质量，必须按相关回次进尺长度规定进行钻进、严格按相关标准制定采样间隔，对破碎松散地层位采用钻井液泥浆护壁、减少回次进尺长度和使用双管钻具取心等钻进工艺。为获取溶洞及其填充物的详细地质资料，钻探应达到下列要求：

1）确保100%取芯，鉴别岩土性质，确定其埋藏深度与厚度。所采取试样需满足各种土工试验质量要求。

2）应采用回转钻进方法取样，如遇到坚硬地层，不适用回转钻进时，可采用冲击回转方式钻进。遇到卵石、漂石、碎石、块石等类地层不适用回转钻进时，可采用振动回转方式钻进。对揭露溶洞的钻孔应注意卡钻、掉钻、漏水等现象，并做好相关记录。采用泥浆进行护壁，泥浆密度控制在1.05～1.20 g/cm3。

3）钻进及灌注过程中应密切注意及记录以下情况：

① 漏浆：孔内水位下降、井口钢丝绳异常松动。

② 捞取渣样分析：根据渣样进行分析，看渣样是否出现异常变化，如入岩后出现黏土等填充物情况。

③钻进进尺速度：钻进过程中，漏浆之前钻进进尺发现异常，进尺较平时正常工作时快。

④ 钻头偏斜：钻进过程中发现钻头、钢丝绳偏离中心位置，初步确定出现斜坡岩、小溶洞或裂隙。

4）通过钻探取出的岩芯样本判别岩溶溶洞埋深及溶洞洞径。取出岩芯后，应按照岩芯埋深由小到大排列，并进行记录，排列完成后根据岩芯长度和钢尺来测量确定岩溶埋深和溶洞洞径高度，如图5所示。

图5 岩溶溶洞取芯及溶洞埋深、洞径确定

3.4 溶洞注浆处理

岩溶溶洞勘察中揭露的所有溶洞均采用袖阀管注浆方法进行处理。溶洞注浆处理基本流程为：根据岩溶专项勘察期间的钻孔资料进行岩溶发育情况统计→统计整理，溶洞分类→根据不同溶洞类型布置注浆孔（图6）→采取相应处理措施。

图6 钻孔布置平面

1）对于钻孔揭示高度≤1 m的岩溶洞穴，若桩底到岩溶洞穴的距离小于1 m，设置揭露岩溶洞穴的勘察钻孔为注浆孔，如图6（a）所示，不另行增加注浆孔。

2）对于高度为1～3 m的溶洞，应环绕揭露岩溶洞穴的钻孔两侧布置间距约2 m的注浆孔2孔，如图6（b）所示。注浆孔应伸入岩溶洞穴底部以下至少0.5 m，填石孔应伸入溶洞穴顶部以下空洞内至少1 m。当终孔段部分遇性状较差、规模较大的岩溶洞穴或裂缝密集发育带等地质缺陷时，应加深钻孔深度，进入其下部完整岩体内0.5 m。

3）对于岩溶洞穴高度为3～6 m的溶洞，以及岩溶洞穴高度大于6 m的特大型溶洞，应环绕其揭露钻孔布置注浆孔，间距约2.0 m×2.0 m，呈三角形钻孔3孔，如图6（c）所示，注浆孔深度同该钻孔；若注浆压力始终达不到要求，可在外围适当增加钻孔以进一步确定溶洞大小，并进行注浆处理。

4）岩溶溶洞采用插入袖阀管注浆进行处理（图7）。使用φ50 mm、壁厚4 mm的袖阀管进行注浆，耐压值≥7.5 MPa，在岩溶溶洞段管壁上钻φ8 mm@ 300 mm花眼，溶洞埋深高度范围内全部打设花孔，确保溶洞全断面范围内进行注浆处理。使用纯水泥浆对揭露出净高≤1 m且无充填或半充填及所有全充填岩溶溶洞进行静压式灌浆；使用间歇式水泥浆对揭露净高大于1 m且无充填或半充填溶洞进行静压灌浆，在20 min内完成注浆，间歇1 h后进行第2次注浆。若在20 min内不能满足终孔标准，停止灌浆，间歇6 h后再进行第3次注浆，依次类推，直到达到终孔标准为止。

5）选用水泥浆作为注浆材料，使用P·O 42.5水泥，水灰比为0.5～1.0。水泥须具备进场合格证，由第三方检验合格后方可投入使用；严格按照配合比配制浆液，搅拌时间不得少于3 min，注浆过程中采用电子流量计来记录和控制注浆量，岩溶处理的注浆量应确保充填空隙的体积比大于1.2。

6）注浆过程中采用电子压力计来记录和控制注浆压力，在土岩接合面处控制注浆压力为0.2 MPa，控制岩溶溶洞注浆压力为0.2～0.5 MPa，吸浆速度不大于40 L/min。注浆效果应根据压力-注浆量-时间曲线中注浆压力和注浆量随时间变化趋势进行判定。实际灌浆压力可根据生产性试验适当调整，当注浆无法注入且注浆量达到设计值的90%以上，或注浆压力超过设定值，并急剧增大时，可停止注浆。

3.5 注浆效果检测

溶洞注浆处理浆液达到龄期后，应采用钻孔取芯法为主，压水试验为辅的综合方法进行注浆质量检查。钻孔取芯之后，对岩样做抗压试验，经试验得到注浆固结体28 d的无侧限抗压强度≥0.15 MPa。通过对岩溶溶洞加固处理后，经质量检查，合格率达85%以上，注浆处理效果合格。

4 效益分析

采用此技术进行岩溶处理，所需的注浆量少，处理岩溶封闭效果好，可减少地铁车站维护结构施工过程中因岩溶溶洞漏浆造成的混凝土超灌现象，减少了混凝土的损失。此外，还避免了施工过程中发生掉钻和坏钻的现象，避免了工期的延误和经济的损失。每注入1 m3水泥浆液可产生的直接经济效益为31.3元。

5 结语

本技术可全面、准确地探测溶洞分布位置，确定溶洞大小。注浆工艺可控性强，能够较好地填充溶洞空隙，处理效果好。施工方法简单，操作简便，施工速度快，成本较低。最终证明该工法能够有效处理地铁车站施工过程中遇到的岩溶溶洞探测及处理问题，产生较大的直接经济效益并且避免造成混凝土超方超灌、钻孔机械设备损坏、工程质量问题及施工工期的延误。