地铁工程中沙漏型岩溶注浆技术研究

谭云龙

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

基于当前国家轨道工程的不断推进，很多城市在规划设计中推进了地铁的建设进程，以此为城市交通建设提供便捷。地铁工程推进过程中可能遇到岩溶问题，为了进一步保证地铁工程的运营安全，应当增强岩溶处理效果，沙漏型岩溶注浆技术的运用在这一过程中发挥了重要的作用。当前，针对地铁施工中沙漏型岩溶地质结构的研究不断深入，包括岩溶地质勘察、岩溶塌陷机理、岩溶发育规律等，本文以北京地铁M17 号线为例进行分析，探讨沙漏型岩溶注浆技术的运用情况。

1 北京地铁M17 号线工程概况

北京地铁M17 号线是贯穿南北方向的轨道交通干线，全线设车站21 座，其中地下站17 座，高架站4 座。该地铁工程线路总长49.7km，其中地下线35.97km，高架线11.57 km，过渡段2.16 km，其中U 型槽1.1 km，路基段1.06 km。全线换乘站11 座，平均站间距2.44 km。共5 站6 区间1 停车场，线路里程为右K33+916.435～K50+252.08，线路长度约17.6 km[1]。

北京地铁M17 号线位于北京平原地区，地下水为基岩裂隙水，在砂层孔隙中包括潜水、上层滞水、承压水。该工程地处平原地区，潮白河、大石河、永定河等河流在长期冲刷作用之下形成了地下水，河流流动过程中具有一定的搬运能力，对富水层的分布情况与范围具有一定的影响作用，并在时间的长期积累之下，形成了一定的水文地质表现，对含水层的分布范围具有一定的影响。北京地铁M17 号线施工过程中，对施工起到一定影响的因素主要为上层滞水、潜水与承压水。粉土填土、粉土、粉细砂地质环境下主要分析上层滞水，主要的水源来源为灌溉水、大气降水、雨水和污水等。含水层渗透系数受到雨水补给量、补给方式等相关要素的影响，因此参数呈现出一定的变动性。上层滞水分布往往不均匀，水位高低有所变化，并非一成不变[2]。土层岩土施工工程分级，见表1。北京市各月平均降水量如图1 所示。

图1 北京市各月平均降水量图

表1 岩土施工工程分级

2 北京地铁M17 号线主要岩土工程问题

2.1 土与水源情况

本段线路浅部普遍分布有人工填土，土质不均，厚度变化大，可能赋存上层滞水，对地面建筑基础形式及埋深影响较大，对覆土薄的暗挖车站、区间和浅埋暗挖的长出入口等安全影响较大。对车辆段地面建筑及路基工程基底稳定不利，影响地面建筑基础选型及埋深。地下结构多位于地下水位下，含水层主要为砂土、粉土层，渗透性强，含水量大，地下水控制困难，局部稳定的粉质黏土层可能造成局部有承压水和饱水透镜体，对施工的安全影响较大，地表水可能对地下水有补给作用，给施工带来较大困难。地下水埋深较浅，各类地下工程均需进行抗浮设计[3]。

地下水位浅，砂土层普遍较厚，饱和的砂土易引起盾构开挖面失稳，从而产生较大的地面变形，影响既有各类建构筑物的安全。沿线的地面环境复杂，线路距离两侧建筑物较近，地下管线密集，且多处下穿和邻近建筑物，在次渠站下穿既有亦庄线次渠站，地下工程的施工可能影响既有地铁线路、邻近的建构筑物、市政道路和管线的安全。因此，沙漏型岩溶注浆技术施工过程中考虑周边建筑物的建设情况，充分保证周边建筑的安全。

根据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》按各岩土层统计，物理力学指标提供了样本个数、最大值、最小值、平均值和变异系数，剪切指标除提供以上数据外，还提供了标准值。当样本数少于6 个时，一般物理力学指标不计算变异系数，剪切指标不计算变异系数和标准值。有关参数的计算公式如下。

1）平均值公式

2）标准差公式

3）变异系数公式

4）标准值公式

其中

式中：ϕi为岩土参数测试值；n为参加统计的子样数；γs为统计修正系数，式中正负号按不利组合考虑。

根据测试和试验成果数据，综合统计得出的各土层物理力学性质参数。

2.2 明挖车站及区间

线路结构多位于地下水位下，明挖车站及区间需采取地下水控制措施。线路车站开挖深度内上部多为填土、粉土、砂土，部分地段砂土层较厚，地层的自稳性差，饱和的砂土、粉土易产生流土和管涌，影响基坑侧壁和坑底安全。结构底板下地基土岩性变化大，土质不均，可能产生不均匀沉降。部分地段分布有承压水，可能造成基坑突涌[4]。

2.3 盾构区间

矿山法区间洞顶饱和的粉土、砂土层较多，稳定性差，支护困难，易坍塌，施工风险大。跨街的长出入口和风亭预计采用矿山法施工，埋深浅，覆土薄，施工风险大，且填土中可能赋存有上层滞水，对施工安全影响大。砂质黏性土互层的地层结构可能形成局部的地下饱水体，影响施工安全。地层以粉土、黏性土和砂土互层为主，下部的砂层可以作为良好的桩端持力层，但厚度埋深变化较大。饱和的砂土层及局部的承压水可能影响桩基施工质量。

3 地铁工程中沙漏型岩溶注浆技术研究

针对以上该工程施工中存在的现实问题，要求不断优化沙漏型岩溶注浆技术的运用，进一步保证工程施工的总体效能。

3.1 浆液配置及终浆标准

本车站主体结构底板埋深约为17 m，主要位于粉质黏土、细砂层，各层土的地基承载力标准值180～220 kPa，为中低～低压缩性土，可考虑作为基础持力层，建议采用天然基础。场地岩土层厚度变化较大，车站主体结构基底基本全部位于为砂土层与粉质黏土层交界变化地段，地层强度和压缩性稍有差异，设计、施工时应进行不均匀沉降分析，采取局部换填措施。在地铁工程施工中，浆液在注浆时，由液相转变为固相，最终成为结石体，具有堵水与加固效果[5]。见表2。

表2 岩土参数

3.2 沙漏型岩溶地质处理

从当地地质上分析，细砂、粉细砂层覆盖于可溶岩之上。处理思路为先填充溶洞再施作围护，溶洞受到地表水、地下水的影响，土洞处理时首先治水，在土洞埋深较浅时，联合运用挖填、梁板跨越的处理方式。针对深埋土洞，施工中可见具有较强的稳定性，为此，在洞顶上部设置梁板跨越作业方式。或者在顶部钻孔灌砂砾，目的在于有效充填空间。在工程围护基底进行加固处理，有效连接车站结构与围护结构，构成一个整体统一的形态。围护落底进入岩层，开展帷幕注浆作业。连接围护结构，开展注浆充填作业[6]。

3.3 车站基坑支护

地铁工程主体结构采用明挖法施工，开挖深度约17 m，开挖范围内的土层以填土、砂土、粉土及粉质黏土为主，结构底板位于地下水位以下5～6 m。北侧多栋多层建筑，南侧也具有建筑工程，施工影响范围内管线密集，环境条件复杂。对该基坑的支护及施工建议分析如下：根据地质条件及环境条件，采用钻孔灌注桩+内支撑支护方案。施工中应坚持分步开挖、及时支护的原则。地下砂层较厚，灌注桩施工时应采取措施避免孔壁坍塌，保证围护结构的施工质量。施工中应采取措施避免对基底土的扰动。对邻近的重要建构筑物、管线应采取保护措施，并加强监测，采取地下水控制措施时，应考虑上层滞水对工程的不利影响，施工中予以注意，并采取必要的规避措施。对多项施工要素进行全面分析，重点考虑建筑物既有荷载、地面荷载等相关要素的影响。尤其是地面载荷，要求在施工过程中，对运土量、施工机械的准备等相关要素进行精准测算与严格把控，以此进一步达到良好的综合施工效果。

3.4 沙漏型岩溶注浆技术流程

沙漏型岩溶注浆技术施工工艺流程如下。第一，钻孔布置，结合地铁工程施工管理现状与相关要求，设计布孔图钻孔，保证符合工程管理的相关要求。第二，结合工程管理现状环与相关要求，开展钢套管施工作业，借助于专业施工操作机械，将φ140 mm 钢套管打至适宜的位置，与地铁工程施工管理的相关要求相结合，保证低于基岩面。第三，PP-R 管施工属于注浆技术中的重要运用流程与环节，要求严格按照相关操作规范与要求，在PP-R 管施工时使得钢套管内φ90 mm PP-R管密贴基岩，符合地铁工程施工管理的实际要求。利用PP-R 管，拔出钢套管进行施工作业。第四，结合北京地铁M17 号线工程施工进度与相关工作具体开展要求，钻杆基岩成孔。运用钻机把φ73 mm 钻杆，增强此次工程施工的精准度，放入注浆管，确保符合相关工序的具体要求。第五，安装止浆塞，把止浆塞埋于PP-R 管之中，按照一定比例制浆注浆，设计水灰比浆液，连接注浆管道与注浆流量仪，溶洞灌浆，全孔一次注浆完成。钻孔平面布置情况如图2 所示。

图2 钻孔平面布置示意图

当一个钻孔出现多个溶洞，同时上下溶洞竖向间距超过2 m，则按照自下而上的原则灌注溶洞。若上下溶洞间岩石厚度不符合止浆塞卡塞厚度的相关要求，则施工作业中2 个溶洞一起灌注。结合具体作业开展情况，对注浆流量进行适当控制与管理，尤其针对注浆量较大的孔，在具体施工时联合采用间歇待凝、低压慢流等相关措施。注浆流量设置为40 L/min，注浆量在1.5 倍溶洞体积以内。对具体注浆效果进行检测，若未达到终浆标准，继续开展下一轮的注浆作业，直至符合终浆标准。间歇待凝时间控制在3～4 h 之间。

注浆时加强对套管内水位情况、回浆管路运行情况的监测，一旦回浆管路无浆液，或者在施工作业中出现气体返回现象，则加快注浆速度，但是整体上保持不超过80 L/min 的速度。注浆时，若发现套管内存在气泡或液体，在施工作业时，适当增加卡塞压力，在卡塞压力超过10 MPa 时，依然可能存在浆液从套管内返回的现象，此时停止注浆作业。在灌浆作业结束之后，按照压力灌浆封孔法的操作要求，水泥浓浆中水灰比设置为0.5∶1，进行封孔。

4 结束语

北京地铁M17 号线施工过程中，应当对工程地质情况进行具体分析，结合实际情况，综合选用适宜的沙漏型岩注浆技术，本次工程施工活动取得了良好的综合效果，地铁工程顺利施工，本次施工成功经验对类似地质结构岩溶处理提供了一定的范例参考。在具体注浆施工中，应当结合溶洞连通性、填充情况、深度和岩溶水等不同的条件，综合采取相应的施工作业方式，对相关施工参数进行适当调整。结合注浆压力、邻孔返浆、注浆量等相关数值，进一步巩固注浆效果。