楊 新

武漢城建集團(tuán) 湖北 武漢 430022

1 工程概況

鳳凰山位于武漢市蔡甸區(qū)，處于三級(jí)階地上，其主要地層上部為⑩2層粉質(zhì)黏土，其下為三疊系灰?guī)r。在施工詳勘及補(bǔ)充勘察中，巖溶評(píng)定為中-強(qiáng)發(fā)育，見(jiàn)洞率達(dá)到90%，線巖溶率約4%，溶洞大小不一，且多呈串珠狀分布。大部分巖溶溶洞為半填充-填充狀態(tài)，內(nèi)填充物為軟塑-硬塑狀黏性土夾碎石，部分為空洞，場(chǎng)區(qū)內(nèi)溶洞的洞徑為0.5～7.2 m，平均洞徑1.9 m。該車(chē)站項(xiàng)目圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)為雙跨雙層地下結(jié)構(gòu)，鉆孔期間均有掉鉆及漏水現(xiàn)象。

為避免地鐵車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體施工過(guò)程中因遇到溶洞發(fā)生埋鉆、掉鉆、鉆機(jī)傾覆、混凝土超灌、基底坍塌等工程事故，特采用地質(zhì)雷達(dá)法[1-2]和表面波法[3]等探測(cè)手段對(duì)巖溶溶洞進(jìn)行超前預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，然后通過(guò)地質(zhì)鉆探確定巖溶溶洞埋深和大小，最后對(duì)其進(jìn)行注漿處理，使施工過(guò)程中不發(fā)生掉鉆、埋鉆現(xiàn)象[4-6]。

2 地質(zhì)預(yù)報(bào)和預(yù)注漿處理技術(shù)的原理及適用范圍

2.1 技術(shù)原理

通過(guò)地質(zhì)鉆探、地質(zhì)雷達(dá)、表面波法和加密地質(zhì)鉆探勘測(cè)，預(yù)先探測(cè)確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部和車(chē)站結(jié)構(gòu)底板下巖溶溶洞埋深和大小，并將地質(zhì)鉆孔作為注漿孔，采用袖閥管注漿對(duì)下覆溶洞進(jìn)行注漿充填預(yù)處理。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

1）可較全面、準(zhǔn)確地探測(cè)溶洞分布位置，確定溶洞大小。

2）巖溶注漿處理施工工藝可控性強(qiáng)，能夠較好地填充溶洞空隙，有效處理巖溶溶洞，避免圍護(hù)樁、主體結(jié)構(gòu)底板施工過(guò)程中機(jī)械設(shè)備和工程質(zhì)量問(wèn)題。

3）施工方法簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，施工速度快，成本低。

2.3 技術(shù)適用范圍

本工藝適用于巖溶地區(qū)地鐵車(chē)站、綜合管廊始發(fā)井、停車(chē)場(chǎng)等地下空間工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)施工場(chǎng)地內(nèi)下覆地層存在巖溶或土洞，且需要進(jìn)行探測(cè)和處理的工程施工（圖1）。

圖1 巖溶溶洞探測(cè)和處理原理

3 施工工藝流程

3.1 施工工藝流程

其主要施工包括地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)溶洞發(fā)現(xiàn)異常，隨后采用地質(zhì)鉆探判定巖溶埋深和洞徑，接著進(jìn)行注漿處理，最后進(jìn)行處理效果檢查，如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)巖溶

地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)巖溶是一種采用超高頻窄脈沖電磁波探測(cè)地層中各介質(zhì)分布的物探方法，其使用方法是利用發(fā)射天線向車(chē)站底面以下發(fā)射電磁波（中心頻率為10～2 500 MHz），電磁波在下方地層傳播的過(guò)程中，當(dāng)經(jīng)過(guò)電性差異不同的地層介質(zhì)（如地下水、裂縫、溶洞等）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射波信號(hào)，反射波由接收天線接收，地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)原理如圖3所示。在對(duì)所探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析后，根據(jù)波形、場(chǎng)強(qiáng)、振幅和電磁波雙程走時(shí)等參數(shù)，便可得到布線剖面下方的相關(guān)地質(zhì)信息和地層目標(biāo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征等信息。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)示意

施工期間在開(kāi)挖后的基底上采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，每開(kāi)挖一段（約20 m），在底板上采用地質(zhì)雷達(dá)法測(cè)試一段。為了探明地鐵站下部灰?guī)r是否存在溶洞，使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)，將雷達(dá)天線貼于車(chē)站地面上并緩慢、連續(xù)地移動(dòng)天線，進(jìn)行發(fā)射和接收電磁波信號(hào)完成數(shù)據(jù)采集。根據(jù)地鐵站的具體情況，在探測(cè)過(guò)程中沿平行地鐵站水平方向布置縱向測(cè)線。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中采樣時(shí)間窗控制為1 000 ns，疊加次數(shù)為32次/道，天線距為1.0～1.5 m，測(cè)點(diǎn)距為0.5 m×0.5 m方格網(wǎng)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)所得到的電磁波數(shù)據(jù)為原始資料，要通過(guò)計(jì)算機(jī)相關(guān)程序進(jìn)行一系列編輯處理（如濾波、振幅調(diào)整和時(shí)間剖面輸出等），再根據(jù)波速進(jìn)行深度（h）-時(shí)間（t）關(guān)系的相關(guān)計(jì)算，得到地質(zhì)信息的相關(guān)解釋，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到雷達(dá)時(shí)間剖面圖像后，即可進(jìn)行雷達(dá)圖像的分析解釋（解釋時(shí)深轉(zhuǎn)換選取黏土的電磁波波速為0.06 m/ns），典型掃描反射信號(hào)解譯如圖4所示。根據(jù)解譯結(jié)果，分析得到波動(dòng)明顯區(qū)域呈線條狀分布為黏土層與灰?guī)r的界面，而散亂集中分布則可能為溶洞，需要通過(guò)鉆探進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。若發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域，應(yīng)采用地質(zhì)鉆探勘察查明異常區(qū)域是否存在溶洞，若有溶洞，應(yīng)根據(jù)溶洞大小采用袖閥管注漿對(duì)溶洞進(jìn)行注漿充填處理。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)掃描反射信號(hào)解譯

3.3 巖溶溶洞地質(zhì)鉆探勘測(cè)

采用地質(zhì)鉆探及取芯法探測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度范圍內(nèi)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)底一定深度范圍內(nèi)的巖溶溶洞埋深及溶洞洞徑。車(chē)站支護(hù)樁部分按進(jìn)入樁底以下完整灰?guī)r3 m控制；車(chē)站立柱樁部分按進(jìn)入樁底以下完整灰?guī)r5 m控制；其他部分按進(jìn)入完整灰?guī)r3 m控制。采用全站儀進(jìn)行測(cè)量放樣，確定鉆探勘測(cè)孔位，孔位偏差不得大于100 mm。為保證勘察數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量，必須按相關(guān)回次進(jìn)尺長(zhǎng)度規(guī)定進(jìn)行鉆進(jìn)、嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定采樣間隔，對(duì)破碎松散地層位采用鉆井液泥漿護(hù)壁、減少回次進(jìn)尺長(zhǎng)度和使用雙管鉆具取心等鉆進(jìn)工藝。為獲取溶洞及其填充物的詳細(xì)地質(zhì)資料，鉆探應(yīng)達(dá)到下列要求：

1）確保100%取芯，鑒別巖土性質(zhì)，確定其埋藏深度與厚度。所采取試樣需滿足各種土工試驗(yàn)質(zhì)量要求。

2）應(yīng)采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法取樣，如遇到堅(jiān)硬地層，不適用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，可采用沖擊回轉(zhuǎn)方式鉆進(jìn)。遇到卵石、漂石、碎石、塊石等類地層不適用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，可采用振動(dòng)回轉(zhuǎn)方式鉆進(jìn)。對(duì)揭露溶洞的鉆孔應(yīng)注意卡鉆、掉鉆、漏水等現(xiàn)象，并做好相關(guān)記錄。采用泥漿進(jìn)行護(hù)壁，泥漿密度控制在1.05～1.20 g/cm3。

3）鉆進(jìn)及灌注過(guò)程中應(yīng)密切注意及記錄以下情況：

① 漏漿：孔內(nèi)水位下降、井口鋼絲繩異常松動(dòng)。

② 撈取渣樣分析：根據(jù)渣樣進(jìn)行分析，看渣樣是否出現(xiàn)異常變化，如入巖后出現(xiàn)黏土等填充物情況。

③鉆進(jìn)進(jìn)尺速度：鉆進(jìn)過(guò)程中，漏漿之前鉆進(jìn)進(jìn)尺發(fā)現(xiàn)異常，進(jìn)尺較平時(shí)正常工作時(shí)快。

④ 鉆頭偏斜：鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鉆頭、鋼絲繩偏離中心位置，初步確定出現(xiàn)斜坡巖、小溶洞或裂隙。

4）通過(guò)鉆探取出的巖芯樣本判別巖溶溶洞埋深及溶洞洞徑。取出巖芯后，應(yīng)按照巖芯埋深由小到大排列，并進(jìn)行記錄，排列完成后根據(jù)巖芯長(zhǎng)度和鋼尺來(lái)測(cè)量確定巖溶埋深和溶洞洞徑高度，如圖5所示。

圖5 巖溶溶洞取芯及溶洞埋深、洞徑確定

3.4 溶洞注漿處理

巖溶溶洞勘察中揭露的所有溶洞均采用袖閥管注漿方法進(jìn)行處理。溶洞注漿處理基本流程為：根據(jù)巖溶專項(xiàng)勘察期間的鉆孔資料進(jìn)行巖溶發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)→統(tǒng)計(jì)整理，溶洞分類→根據(jù)不同溶洞類型布置注漿孔（圖6）→采取相應(yīng)處理措施。

圖6 鉆孔布置平面

1）對(duì)于鉆孔揭示高度≤1 m的巖溶洞穴，若樁底到巖溶洞穴的距離小于1 m，設(shè)置揭露巖溶洞穴的勘察鉆孔為注漿孔，如圖6（a）所示，不另行增加注漿孔。

2）對(duì)于高度為1～3 m的溶洞，應(yīng)環(huán)繞揭露巖溶洞穴的鉆孔兩側(cè)布置間距約2 m的注漿孔2孔，如圖6（b）所示。注漿孔應(yīng)伸入巖溶洞穴底部以下至少0.5 m，填石孔應(yīng)伸入溶洞穴頂部以下空洞內(nèi)至少1 m。當(dāng)終孔段部分遇性狀較差、規(guī)模較大的巖溶洞穴或裂縫密集發(fā)育帶等地質(zhì)缺陷時(shí)，應(yīng)加深鉆孔深度，進(jìn)入其下部完整巖體內(nèi)0.5 m。

3）對(duì)于巖溶洞穴高度為3～6 m的溶洞，以及巖溶洞穴高度大于6 m的特大型溶洞，應(yīng)環(huán)繞其揭露鉆孔布置注漿孔，間距約2.0 m×2.0 m，呈三角形鉆孔3孔，如圖6（c）所示，注漿孔深度同該鉆孔；若注漿壓力始終達(dá)不到要求，可在外圍適當(dāng)增加鉆孔以進(jìn)一步確定溶洞大小，并進(jìn)行注漿處理。

4）巖溶溶洞采用插入袖閥管注漿進(jìn)行處理（圖7）。使用φ50 mm、壁厚4 mm的袖閥管進(jìn)行注漿，耐壓值≥7.5 MPa，在巖溶溶洞段管壁上鉆φ8 mm@ 300 mm花眼，溶洞埋深高度范圍內(nèi)全部打設(shè)花孔，確保溶洞全斷面范圍內(nèi)進(jìn)行注漿處理。使用純水泥漿對(duì)揭露出凈高≤1 m且無(wú)充填或半充填及所有全充填巖溶溶洞進(jìn)行靜壓式灌漿；使用間歇式水泥漿對(duì)揭露凈高大于1 m且無(wú)充填或半充填溶洞進(jìn)行靜壓灌漿，在20 min內(nèi)完成注漿，間歇1 h后進(jìn)行第2次注漿。若在20 min內(nèi)不能滿足終孔標(biāo)準(zhǔn)，停止灌漿，間歇6 h后再進(jìn)行第3次注漿，依次類推，直到達(dá)到終孔標(biāo)準(zhǔn)為止。

5）選用水泥漿作為注漿材料，使用P·O 42.5水泥，水灰比為0.5～1.0。水泥須具備進(jìn)場(chǎng)合格證，由第三方檢驗(yàn)合格后方可投入使用；嚴(yán)格按照配合比配制漿液，攪拌時(shí)間不得少于3 min，注漿過(guò)程中采用電子流量計(jì)來(lái)記錄和控制注漿量，巖溶處理的注漿量應(yīng)確保充填空隙的體積比大于1.2。

6）注漿過(guò)程中采用電子壓力計(jì)來(lái)記錄和控制注漿壓力，在土巖接合面處控制注漿壓力為0.2 MPa，控制巖溶溶洞注漿壓力為0.2～0.5 MPa，吸漿速度不大于40 L/min。注漿效果應(yīng)根據(jù)壓力-注漿量-時(shí)間曲線中注漿壓力和注漿量隨時(shí)間變化趨勢(shì)進(jìn)行判定。實(shí)際灌漿壓力可根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)注漿無(wú)法注入且注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%以上，或注漿壓力超過(guò)設(shè)定值，并急劇增大時(shí)，可停止注漿。

3.5 注漿效果檢測(cè)

溶洞注漿處理漿液達(dá)到齡期后，應(yīng)采用鉆孔取芯法為主，壓水試驗(yàn)為輔的綜合方法進(jìn)行注漿質(zhì)量檢查。鉆孔取芯之后，對(duì)巖樣做抗壓試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)得到注漿固結(jié)體28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.15 MPa。通過(guò)對(duì)巖溶溶洞加固處理后，經(jīng)質(zhì)量檢查，合格率達(dá)85%以上，注漿處理效果合格。

4 效益分析

采用此技術(shù)進(jìn)行巖溶處理，所需的注漿量少，處理巖溶封閉效果好，可減少地鐵車(chē)站維護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中因巖溶溶洞漏漿造成的混凝土超灌現(xiàn)象，減少了混凝土的損失。此外，還避免了施工過(guò)程中發(fā)生掉鉆和壞鉆的現(xiàn)象，避免了工期的延誤和經(jīng)濟(jì)的損失。每注入1 m3水泥漿液可產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為31.3元。

5 結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)可全面、準(zhǔn)確地探測(cè)溶洞分布位置，確定溶洞大小。注漿工藝可控性強(qiáng)，能夠較好地填充溶洞空隙，處理效果好。施工方法簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，施工速度快，成本較低。最終證明該工法能夠有效處理地鐵車(chē)站施工過(guò)程中遇到的巖溶溶洞探測(cè)及處理問(wèn)題，產(chǎn)生較大的直接經(jīng)濟(jì)效益并且避免造成混凝土超方超灌、鉆孔機(jī)械設(shè)備損壞、工程質(zhì)量問(wèn)題及施工工期的延誤。