朱育宏
广州地铁集团有限公司广东广州510000
摘要：随着城市轨道交通地下线路网络的蓬勃发展，盾构区间隧道不可避免地需要穿越灰岩区，面临着溶土洞处突水、突泥和塌方等工程事故的危害。本文介绍了溶土洞引起地面塌陷的三种类型，即“流土漏失型塌陷”、“土洞冒落型塌陷”和“真空吸蚀型塌陷”，结合广州地铁某盾构区间工程，针对不同类型的地面塌陷，详细阐述了其发生机理和勘察、设计和施工阶段需要注意的问题。在传统的溶土洞处理措施的基础上，针对灰岩区裂隙发育程度较高的特点，为了切断盾构区间隧道与溶土洞之间的水力联系，提出了隧道自身周边采用水泥浆+水玻璃浆液封堵的处理措施，较好地预防了灰岩裂隙发育区盾构施工引起的地面塌陷。
关键词：盾构隧道；灰岩；裂隙发育；危害
1工程概况
广州地铁某盾构区间工程，隧道单线长度约1543m。区间隧道沿双向四车道下方敷设，路面狭窄，交通繁忙，道路两侧民房密集，区间纵断面线路呈“V”字坡，最大坡度为20‰，隧道结构顶埋深约10~30m。本区间为全线典型岩溶裂隙发育区，共146个钻孔，平均间距15~25m；揭露灰岩的钻孔共110个，其中揭露到溶洞的钻孔有17个，见洞率约15.5%。区间盾构主要穿越的地层：<3-1>粉细砂、<3-2>中粗砂、<3-3>砾砂、<7-2>灰岩强风化层、<9C-2>灰岩微风化层（壶天、测水、石磴子），局部为<4>淤泥质土、<7>炭质灰岩强风化层、少量分布<8>灰岩中风化层。
对于区间所揭露的溶土洞已按下述常规原则进行处理：1）当隧道底为灰岩：隧道结构外轮廓平面外1m，隧道底板下2m内溶洞必须处理；2）隧道位于砂土层：隧道仰拱底有较稳定的隔水层（粘土、粉质粘土），其厚度大于2m时，隔水层以下的岩溶可不作处理；隧道仰拱底下均为砂层及无稳定隔水层时，隧道结构外轮廓平面外3m，隧道底板以下2m内的溶（土）洞必须处理。溶土洞注浆材料采用水泥浆液，如在岩溶处理范围边界仍揭露溶土洞，则采用双液浆进行封边处理，并对溶土洞注浆效果进行检验，对每个溶洞均采取随机原位标贯试验，标贯击数应不小于10击。本区间工程在盾构掘进前均已完成溶土洞注浆处理及注浆效果检测工作，检验结果为合格。
区间采用双螺旋土压平衡式盾构由亭岗站往石井站掘进，左线掘进历时491天，平均指标约2环/天；右线掘进历时486天，平均指标约2环/天。盾构在始发端穿越<3-1>粉细砂、<3-2>中粗砂、<3-3>砾砂地层时，周边建（构）筑物、管线及地表变形无异常变化。但自进入全断面岩层后，盾构掘进过程中不断发生路面坍塌事件，左线自650环至778环共发生约8次路面坍塌。
图1塌陷区及现场处理照片
2石灰岩裂隙发育诱发地面塌陷理论分析
岩溶是指碳酸盐类可溶岩石（石灰岩、白云岩、大理岩、碳酸盐质砂岩或砾岩等）在地表水、地下水的作用下，在漫长的地质活动（例如CaCO3溶解及冲蚀）中形成各种形态的沟槽、溶隙、空洞、管道等的地质现象。
2.1岩溶地面塌陷机理、类型及其发生规律
近年在广州、武汉、深圳等城市的隐伏岩溶分布区，岩溶地面塌陷时有发生，使建筑工程受损或停滞，对附近居民生命财产安全造成严重威胁。本区间隧道位于广花盆地地区，地面塌陷分布广泛，灾害严重，据不完全统计，截止2009年底，岩溶地面塌陷灾害315起，直接经济损失超过1.3亿元。
所谓“岩溶地面塌陷”，是指隐伏在第四纪覆盖层下的可溶岩中存在空洞，且存在与覆盖层相连的通道。在某些自然因素或人为因素作用下，覆盖层物质沿着岩溶通道进入到岩溶空洞中，引起覆盖土体发生漏失，导致地面出现塌陷的现象。
（一）机理
在不同的地质条件下，塌陷机理主要有“潜蚀——土洞冒落”、“渗流破坏——流土——漏失”和“真空吸蚀”三种。
（1）潜蚀——土洞冒落机理
所谓“潜蚀”是泛指流动的地下水不断带走土中物质的机械作用过程。覆盖层为粘性土的岩溶地面塌陷过程中的“潜蚀”一般是发生在土岩接合面。最有利于发生潜蚀的条件是可溶岩表面存在溶沟、溶槽，且岩溶地下水位已脱离基岩顶面降至岩体中而在地下水位以上存在饱气带，即岩面上下地下水的垂直循环带。由于基岩面的高低变化，特别是在溶沟、溶槽中易形成土层底部的小径流，在漫长的潜蚀过程中将土中物质带入溶洞中，在上覆粘性土层中形成“土洞”。当土洞顶板土层承载力不足时，洞顶冒落，发生地面塌陷。
土洞形成要两个重要条件，一是岩溶地下水位低于土岩界面，二是土岩界面高差较大。
（2）渗流破坏——流土——漏失机理
当覆盖层为二元结构冲积层且冲积层下方饱和粉土、砂、砾石层直接覆盖在岩面之上时，在粉土、砂、砾石层中的孔隙水与可溶岩中的岩溶裂隙、管道水发生直接联系，当水位不断升降变化时，尤其是岩溶地下水位或承压水头低于孔隙水压时，发生垂直向下渗流。首先在粉土、砂、砾石层中先发生潜蚀作用，形成“漏斗状疏松体”，进而因垂直渗流加剧，局部水力坡度加大，超过“临界水力坡度”时发生流土，即砂、砾石土呈流动状态漏入岩溶空洞，地面出现塌陷坑。
产生流土——漏失的必要条件：
1）岩溶洞（隙）未充填或半充填，且溶洞（隙）与第四系孔隙含水层有开口通道。
2）第四系含水层中的孔隙水向下渗流，即岩溶水位处于土、岩接合面以下，或岩溶承压水低于孔隙水压。
3）孔隙地下水向下渗流的初始阶段先发生潜蚀，即土中细颗粒被带走，形成“漏斗状疏松体”，进而渗流加剧，局部水力坡度加大，当向下渗流的水力坡度i大于孔隙含水层的流土临界水力坡度icr时发生流土，向溶洞（隙）中漏失。
（3）真空吸蚀机理
所谓“真空吸蚀”是指岩溶地下水在大量抽取或因矿井大量排水后水位在短时间内急剧下降过程中的“活塞”作用下形成负压至真空状态。在这种负压或真空作用下，覆盖土层对应岩溶地下通道的薄弱位置在瞬间产生陷坑或陷洞。这种由负压或真空对覆盖层的抽吸作用称为“真空吸蚀”。这种现象主要发生在矿山地区和集中抽取岩溶地下水的群井水源地，有时也发生在公路、铁路隧道施工的突水地段。这种因“真空吸蚀”产生的塌陷坑往往成群出现，在短时间内可产生几十甚至上百个陷坑或陷洞，其危害相当严重。
发生真空吸蚀需要满足两个条件：其一是大量抽排岩溶地下水，水位在短时间内急剧下降；其二是覆盖层对地下岩溶有良好的封闭作用，能使在水位下降的过程中形成充分的负压或真空。
上述三种机理是指三种不同地质条件下的塌陷过程特点，其共同特点是，必须具备岩溶空洞及水力联系通道。
（二）类型
基于上述三种机理，岩溶地面塌陷有三种类型：
一是饱和松散土层“流土漏失型塌陷”，即饱和松散层在地下水向下渗流过程中发生渗流破坏——流土，直接漏失到岩溶空洞中，造成地面塌陷。此类塌陷规模大，突发性强，危害最大。
二是“土洞冒落型塌陷”，即粘性土在土岩界面上长期受地下水潜蚀而形成土洞。当土洞顶板土层承载力不足时，受某种触发因素（强降雨、抽水或打桩、爆破振动或地震）作用产生塌陷。此种塌陷一般规模不大，地表陷坑直径为几米至十几米，数量取决于土洞数目。
三是“真空吸蚀型塌陷”，无论是饱和粉土、砂、砾石覆盖层，还是粘性土覆盖层，都可能在岩溶地下水位急剧、大幅度下降过程中由于真空负压作用而发生地面塌陷。在自然条件下很少发生地下水急剧、大幅度下降过程，多半是抽水或矿井排水等人为活动引起的。
（三）分布规律
从上述的三种塌陷机理和相对应的三种塌陷类型可知，不同的地质条件决定了不同的塌陷类型。地质条件最突出的特点是可溶岩之上覆盖层性质——第四纪地层组合特点和地下水埋藏类型及其变动特点，这些条件则决定了塌陷分布规律。众所周知，地貌单元决定其单元内第四纪地层的时代和地层组合特征。其中，地层组合特征决定了土岩界面之上土层性质，如冲积层二元结构（上部为粘性土，下部为粉土、砂及卵砾石）就限定了塌陷类型为“流土漏失”漏失型；地层时代则决定了土层固结密实程度，也就决定了它抵抗漏失的能力，如山前坡地或山间谷地粘性土则不可能因流土而漏失，而只能是在土岩接触面附近，因长期潜蚀而形成土洞。这两种类型实际上受地貌单元的严格控制。
2.2本区间岩溶地面塌陷原因分析
本区间隧道处于岩溶高度发育区，裂隙发育程度高，外部扰动极易破坏溶土洞极限平衡状态，诱发地表发生坍塌沉降，针对本区间所发生的历次塌陷，分析原因有如下几点。
（1）经核查塌陷位置处的地质资料可知，塌陷处岩层极为破碎，岩芯裂面上布满锈迹，岩石近似RQD值小，由此可判断为岩石裂隙发育程度较高。在区间岩溶处理范围以外，仍可能存在多处半填充或无填充土洞，且多个土洞相互串联，延伸面积广，土洞中地下水与隧道开挖范围内的基岩裂隙联通，形成水力联系通道，当土洞内压力差发生变化，土洞顶板土层承载能力不足时，洞顶冒落，发生地面塌陷，属于潜蚀——土洞冒落机理类型。
（2）塌陷地段隧道均位于裂隙发育的全断面岩层中，地层从上至下依次为杂填土、粉细砂或中粗砂、微风化灰岩，岩层上方直接覆盖较厚粉细砂层及中粗砂层。当隧道上方的填土、砂层中的孔隙水与隧道开挖面范围内的岩溶裂隙水发生直接联系，地下水位随着盾构掘进过程不断升降变化，加剧了地下水垂直向下渗流现象，引起岩层上方砂层流失，属于渗流破坏——流土——漏失类型。经现场取渣样冲洗，发现渣样中岩石碎块较大且含砂量占10%左右，进一步证实了岩层裂隙发育以及施工过程中砂层与裂隙的联通性强。
（3）根据盾构在软弱地层与全断面岩层掘进参数对比分析，在裂隙较为发育的全断面岩层中掘进极易引起偏转及出渣超方，同时盾构保压效果差，超方大部分为地层水，且岩溶裂隙水力联通强，地层失水过多导致地下水位在短时间内急剧下降过程中的“活塞”作用下形成负压甚至真空状态，在这种负压或真空作用下，覆盖土层对应岩溶地下通道的薄弱位置在瞬间产生陷坑或陷洞，属于真空吸蚀机理塌陷类型。
3.盾构穿越灰岩裂隙发育区处理措施实施情况
本区间在盾构掘进始发前已对区间全线进行了溶土洞探边以及溶土洞注浆处理工作，且其处理效果满足全线统一规定的检验要求。虽然已对溶土洞进行常规处理，但区间掘进过程中仍发生数次地面塌陷，经分析判断，常规处理措施不能有效阻断岩溶裂隙产生的水力联系。通过对灰岩裂隙发育诱发地面塌陷理论分析以及本区间多次地面塌陷事件总结分析后，为降低盾构在岩溶裂隙地层中掘进对周边环境影响的风险，在盾构掘进前有必要对裂隙发育区域采取预先处理措施以降低施工风险，处理措施主要从两方面考虑，即洞内掘进参数控制和地面处理措施。
地面处理主要是结合岩溶地面塌陷发生的机理采取应对措施进行防治。在具体处理措施实施前，施工现场进行了注浆材料、注浆间距、注浆压力、浆液扩散半径等测试，根据现场测试结果，对本区间位于岩溶裂隙发育区未掘进段制定了详细的处理方案，具体措施如下所述：
（1）处理范围
平面处理范围：本区间右线单线未通过区域（区间里程DK27+629.1~DK27+791.6段），在距离区间隧道结构边线外放1m处的位置，沿掘进方向按1孔/2m的间距各布置一排注浆钻孔，共两排；区间双线未通过区域（区间里程DK27+467.3~DK27+629.1），在距离区间双线隧道结构最外侧边线外放1m处的位置，沿掘进方向按1孔/2m的间距各布置一排注浆钻孔，两隧道中心线位置沿掘进方向按1孔/5m的间距布置一排注浆钻孔，共3排；竖向处理范围：注浆钻孔深度为隧道底板下2m，若补勘钻孔发现岩溶发育及漏水现象，采取注浆进行裂隙封堵，注浆范围由隧道底板下2m至岩面顶或隧道顶板上2m。
图3区间裂隙注浆封堵示意图
（2）材料及参数
1）钻孔进入隧道底板以下不小于2m。如遇溶洞，穿越溶洞不少于2m，并对揭露的溶土洞按常规技术原则进行处理；2）注浆材料采用水泥浆+水玻璃浆液，配合比为1：0.5~1：1，其中水泥浆采用强度等级为42.5普通硅酸盐水泥；3）注浆压力取值0.4~1.0MPa，并视现场注浆情况适当调整；4）布孔间距不应大于2.0m；3）采用wss后退式注浆工艺，在进行双液浆注浆时，需先对岩土交界处进行封堵，后再由深至浅依次注浆，其中岩石破碎程度与注浆工程量成正比。以石亭区间为例，根据上述注浆封堵方案，灰岩RQD值在25%～50%之间时，双线隧道平均每延米注浆量约11.56立方。
通过地面注浆封堵处理后，在后续盾构掘进通过时的开仓换刀过程中发现掌子面岩层裂隙水较少，地面亦未发生塌陷及沉降过大现象，且盾构掘进过程中渣土含水量得到较好控制，经与未处理段对比，处理后需往土仓内加水改良渣土，盾构每环出渣量减少约1.7方/环，证实了通过对灰岩裂隙发育段进行裂隙注浆封堵能较好地控制盾构超方，有效阻隔灰岩裂隙水与周边地下水的联系通道，减小地面塌陷风险。
4、建议及总结
1）在岩溶地区进行地质勘察时，应追溯岩溶形成与发展的历史，详查该片区近期曾经发生的岩溶塌陷、地面沉降、建构筑物倾斜等地质事故。不仅要勘探溶土洞位置及尺寸，而且要关注岩溶裂隙的发育情况，同时应预判岩溶裂隙发育对工程建设的风险，方便设计和施工。
2）针对盾构区间穿越岩溶裂隙发育区采取的地面注浆封堵处理措施，其处理实施效果在本区间得到了极好的验证，该实践经验可供同类工程参考。
3）在灰岩地区进行溶土洞探边及溶土洞注浆充填处理时，应先对项目所在地的灰岩地段进行风险等级划分，曾经发生过地质灾害事故、地面累计沉降过大或已探明溶土洞体量较大地段可划分为高风险区，而对于高风险区的溶土洞探边及处理平面范围可适当放大，有助于减小施工风险。
4）在岩溶裂隙发育区域进行盾构掘进施工，若盾构处于上软下硬或全断面岩层中时，建议盾构掘进前在隧道开挖地段内做抽水试验，观察隧道两侧及周边地下水的动态，若测得地下水变化敏感，连通性较好，且基岩面上方又直接覆盖有砂层时，可参考本项目做法在盾构掘进前从地面注浆对岩溶裂隙进行封堵，隔断裂隙水与周边地下水的联系通道，防止地面发生塌陷，以最大程度减小盾构掘进施工过程中的风险。
参考文献
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