城市隧道岩溶地质风险控制：武汉东湖案例研究

城市隧道岩溶地质风险控制：武汉东湖案例研究

王瀚

上海隧道工程有限公司 上海市 200232

摘 要：随着城市化进程的加速，城市轨道交通和市政隧道工程的建设日益频繁，岩溶地质问题成为其中的一项重大挑战。岩溶地质的不稳定性常常导致隧道施工中出现塌方、涌水等风险，严重时甚至会引发隧道损毁或崩塌。面对这些潜在威胁，深入研究地质条件，采取有效的预防和处理措施，运用先进技术解决实际问题，显得尤为迫切。以武汉两湖隧道东湖段为例，该区域岩溶发育强烈，对隧道施工构成了严峻考验。本文通过研究岩溶处理的原则、溶洞处理技术、钻孔布局、注浆工艺以及材料配比，提出了一套行之有效的岩溶处理方案。实践证明，该方案在确保施工安全和工程质量方面取得了显著成效，为类似工程提供了宝贵的经验和建议。这不仅体现了科学规划和技术创新在解决岩溶地质问题中的重要性，也强调了在城市基础设施建设中，对地质环境的深入理解和尊重的必要性。

关键词：岩溶地质；环境保护；注浆加固；钻孔技术；溶洞处理；处理效果

1 工程概况

两湖隧道工程，作为城市交通网络的关键部分，通过地下隧道连接东湖与南湖，采用明挖法和盾构法相结合的施工技术。工程地质勘察揭示，东湖段基岩以C-T灰岩为主，岩溶现象极为显著，全长约2.1公里，这对隧道施工构成了显著的安全挑战。因此，必须对东湖段进行细致的岩溶专项处理，以确保工程的顺利进行和长期稳定性。这不仅考验了工程团队对复杂地质条件的应对能力，也突显了在城市基础设施建设中，对地质环境进行深入分析和科学管理的重要性。

图1本工程东湖岩溶位置平面图

1.1岩溶发育情况

在对两湖隧道东湖段进行岩溶专项勘察时，通过钻探和物探技术，共发现大小不一的溶洞739个，显示出较高的钻孔见洞隙率和线岩溶率。这些溶洞的垂直高度变化较大，从0.50米到21.60米不等，以溶隙型溶洞为主，其中全充填和半充填溶洞占比较高，反映出岩溶发育的复杂性。此外，物探手段还揭示了1020个异常点，进一步证实了岩溶的广泛发育。这些数据不仅为隧道施工提供了重要的地质信息，也强调了在设计和施工过程中必须采取有效的岩溶处理措施，以确保工程的安全性和稳定性。这一发现凸显了在城市基础设施建设中，对地质条件进行详尽勘察和科学评估的重要性。

2 工程地质、水文条件

2.1 工程地质条件

在进行岩溶处理施工时，场地的地质条件至关重要。两湖隧道东湖段的施工区域位于长江三级阶地的湖泊地貌上，这里的地表被东湖水系覆盖，水深大约在1至3米之间，而表层则覆盖着0.5至1.0米厚的淤泥层。这种地质环境对施工提出了特别的挑战，因为水下作业和淤泥处理都会增加工程的复杂性和风险。

2.2 工程水文条件

（1）地表水

在两湖隧道东湖段的工程地质条件分析中，地表水和地下水的分布与特性对隧道施工具有显著影响。地表水主要集中于东湖，其水位和水量受气候和人为因素的显著影响，平均水深约3米，最深处可达5米。这些地表水通过基岩裂隙补给地下水，可能对隧道施工造成影响，尤其是如果隧道钻孔的回填不够密实，地表水有可能通过钻孔渗透到地下水中。

（2）地下水

至于地下水，其类型包括上层滞水、基岩裂隙水和岩溶裂隙水，其中基岩裂隙水因上覆泥质土层的充填而水量较少，而岩溶水主要存在于可溶岩的溶洞及裂隙中。这些水文地质条件的复杂性要求施工前进行详尽的勘察，并在施工过程中采取适当的措施来应对可能出现的水文问题，确保工程的顺利进行和长期稳定性。

3 岩溶处理技术

东湖，作为一处5A级景区，其环境保护标准极为严格。为了确保两湖隧道东湖段的岩溶处理工作能够顺利且环保地进行，项目团队在施工前采取了全面的准备工作。这包括完成必要的行政手续和备案，以及组织专家咨询和论证会议，确保施工方案的科学性和可行性。此外，还编制了详细的环境影响评价报告和应急预案，以评估和预防施工过程中可能对东湖水环境造成的影响。

3.1岩溶注浆加固原则

（1）盾构隧道结构轮廓线外0.5倍管片直径和底板以下1.0倍管片直径范围内的溶洞，均从地面进行注浆充填加固，同时完成岩面注浆。

（2）对于可溶岩区域，采用正三角形布孔策略，根据溶洞的存在与否，分别采用水泥浆或双液浆灌浆填充，或压力注浆加固。

（3）溶洞处理遵循“先深后浅、先大后小”的原则，确保处理的有序性。

（4）施工期间，异常现象如掉钻等都必须记录，并对盾构隧道范围内的土洞进行地面充填加固。

（5）对于多层串通的溶洞，实施全压浆充填处理，以增强整体稳定性。

3.2溶洞处理方法

（1）对于高度不超过1米的岩溶洞穴以及全填充的溶洞，直接使用纯水泥浆进行静压式灌浆，

（2）对于高度在1至6米且未填充或半填充的溶洞，则采用更为细致的间歇式静压灌浆技术。初次灌浆使用较稀的水泥浆（水灰比0.8:1），灌浆后暂停2小时以观察压力变化，之后使用更浓的水泥浆（水灰比0.5:1）进行后续灌浆。如果压力持续不上升，再次暂停2小时，然后继续灌浆，直至达到终孔条件。这种分阶段的灌浆方法有助于确保浆液充分填充溶洞。

3.3岩溶处理钻孔布置

在进行岩溶处理的钻孔布置时［1］，采取了间距为3米的正三角形满布策略，以确保可溶岩区域得到全面覆盖。如图2所示，施工过程中，根据钻孔与溶洞的实际边界关系，适时增补钻孔以适应地质变化。钻孔作业深入至基岩下5米处结束，若遇到溶洞，则继续钻至溶洞底板以下2米，确保每个钻孔都详细记录，精确区分岩土界面、岩溶裂隙和溶洞填充情况。

图2正三角形钻孔满布示意图

4 东湖水上作业平台

在东湖进行岩溶处理的施工中，采用了钢栈桥与钢平台的组合方案，以适应水上作业的特殊需求。钢栈桥宽8米，总长1236米，连接两条隧道的中部，而钢平台宽27米，总长1848米，沿栈桥两侧布置，每隔36米设置一个吊装作业平台。这样的布局旨在为材料和设备的运输提供便利，同时钢平台为钻孔注浆作业及材料堆放提供了稳固的工作面。为了减少施工对东湖生态环境的影响，特别关注了钢管桩施工和注浆过程中可能引起的底泥再悬浮问题，以及固废和废气的排放。为此，施工期间采用了高防水性能的尼龙布或双面涂塑PVC布，将施工区域与湖体隔离，有效降低了环境污染的风险。

图3钢栈桥+钢平台平面布置图

5 钻孔工艺

5.1钻进泥浆污染控制工艺

在东湖岩溶处理的钻孔工艺中，为了有效控制钻进泥浆对环境的污染，采用了创新的“凸”型定型槽设计。相较于传统的“7”型或方形定型槽，新设计将钻机支腿直接置于泥浆箱中，使得凸出端能够覆盖整个钻进及钻杆操作过程，显著提高了泥浆收集的效率。此外，周边铺设的吸水毯进一步吸收了钻杆内残余的泥浆，几乎消除了泥浆外溢的可能性。这种改进不仅减少了对东湖水体的污染，也体现了在施工过程中对环境保护的深思熟虑和技术创新。

5.2隔水套管工艺

隔水套管工艺发挥了至关重要的作用。其主要功能是隔离湖水，确保钻孔和注浆过程在封闭且不透水的环境中进行，从而有效防止泥浆与湖水混合，保护水体不受污染。套管选用直径150毫米、壁厚3毫米的钢材制成，且必须至少3米深入不透水的黏土层，以形成稳固的隔水屏障。此外，套管顶部特别设计的T型缓冲头，不仅增强了泥浆的导流效率，还通过缓冲作用减少了因钻机压力波动引起的泥浆外溅，进一步控制了施工过程中的环境污染。

6 注浆工艺

6.1袖阀管

注浆工艺是确保施工质量和安全的关键环节。本工程采用了先进的袖阀管注浆技术，该技术通过在钻孔探边完成后下放袖阀管，依据溶洞的具体特征，如底板和顶板的埋深，以及溶洞的范围，来决定使用带空花管或实管进行注浆。这种区分使用的方法有效降低了浆液泄露的风险。对于不同高度的溶洞，采取了不同的灌浆策略：对于高度超过2米的无填充或半填充溶洞，灌浆管需深入空洞内至少1.0米，无需分段；对于全填充的溶洞，则需进行分段灌浆，每段长度控制在1至2米之间。对于高度小于2米的溶洞，则进行单一段灌浆，灌浆孔需深入溶洞底板以下至少0.5米。在处理多个注浆孔的溶洞时，严禁同时下袖阀管注浆，而是采取分时序注浆，确保注浆效果和施工安全。

6.2双液浆

双液浆注浆工艺是针对溶洞深度和土岩交界面特性而设计的［2］。施工时，在袖阀管上部安装止水环，位置精心选择在溶洞顶板以上1米或土岩交界面处，确保双液水泥浆（按1:1比例混合）能从止水环处顺利灌注至隔水套管底部。止水环的制作采用海带，通过将其缠绕并固定在涤纶袋中，利用袋上的切口让海带在孔内泥浆中吸水膨胀，形成有效的下部分隔。这种创新方法不仅保障了止水环的施工质量，还有效预防了溶洞注浆过程中可能出现的窜浆现象，提高了注浆的安全性和可靠性。

6.3 注浆器

注浆环节中，采用了1米长的橡胶塞式注浆器进行精确控制。这种注浆器在上下两端配备了橡胶密封圈，充当止浆塞，确保水泥浆液仅通过注浆器周围的开口流动，从而将浆液的流动严格限制在注浆器所在高度。通过上下移动注浆器，实现了对注浆过程的精准分段控制，有效约束了注浆范围，提高了注浆的均匀性和密实度。注浆完成后，使用浓水泥浆进行封孔，确保了注浆孔的稳固封闭。

6.4 浆液配比

浆液配比的精确控制是确保注浆效果的关键。工程采用了P42.5普通纯水泥浆液，根据不同的施工需求，设定了1:1、0.8:1、0.5:1三种水灰比（重量比）。开灌时使用1:1的水灰比，以确保浆液的流动性，而封孔则采用更为浓稠的0.5:1水灰比，以增强其密封性。注浆过程中，选用0.8:1的水灰比，旨在平衡流动性和固结速度。对于双液浆系统，即水泥浆与水玻璃的混合物，现场通过调整比例和水玻璃的模数（m=2.4~2.8，浓度Be=30~40），并利用磷酸溶液控制初凝时间，以达到最佳的注浆效果。

6.5注浆压力控制

注浆压力的精确控制对于防止湖底返浆现象至关重要。初步尝试中，当注浆压力设定在0.5至0.8MPa时，观察到湖底出现了返浆现象。为解决这一问题，工程团队调整了注浆压力，将其稳定在0.3至0.5MPa的范围内，并发现在终孔阶段将压力维持在0.5MPa达30分钟效果最佳。通过孔口压力表实时监控注浆压力，同时利用未封孔的相邻孔位进行冒浆现象的验证，确保了注浆的有效半径超过2米。

6.6 分段注浆

采用了后退式分段注浆工艺，这是一种从孔底向上逐段进行的注浆方法。每次注浆的长度控制在0.5米，完成一段后，上提注浆芯管以进行下一段的注浆。这种工艺确保了注浆的连续性和均匀性。在注浆过程中，如需暂停，操作人员会将水泥浆管取出并放入清水中，同时提升注浆芯管0.4米，向孔内注入清水，然后再停止注浆。

6.7 灌浆封孔

封孔处理是确保施工质量的关键步骤。每完成一个钻孔的灌浆作业后，紧接着进行封孔，采用“压力灌浆封孔法”。这一方法涉及从孔底向上部慢速提升，同时注入水灰比为0.5:1的浓水泥浆，以实现填充和置换。待浆液充分填充并终凝后，拔除隔水套管，并在湖床上适当位置截断袖阀管，完成封孔。

7 效果检测

在东湖岩溶处理工程的注浆阶段完成后，进行了严格的效果检测以验证施工质量。通过钻孔验证，确认了岩芯的连续性和饱满度，未发现残留的溶洞，显示出注浆填充效果的优越性。此外，浆液与填充物的混合均匀，进一步确保了注浆区域的稳定性。经过28天的养护，芯样的无侧向抗压强度超过了0.5Mpa，显示出良好的固化效果。通过压水试验对加固体的渗透性进行了检测，要求渗透系数低于1x10-4cm/s，检测结果均符合设计规范。这些严格的检测程序不仅证明了注浆工程的成功，也为工程的长期稳定性和安全性提供了保障。

8 结论

武汉两湖隧道东湖段在面对岩溶强烈发育区域的施工挑战时，采取了一系列技术措施来应对地质不稳定性带来的风险，如掌子面塌方、隧道涌水等问题。通过正三角形钻孔满布策略，确保了隧道影响区域内的溶洞得到全面处理。同时，为了保护东湖水域环境，工程采用了定制的“凸”型定型槽和带缓冲头的隔水套管，有效避免了钻孔泥浆对湖水的污染。此外，采用钢栈桥+钢平台的施工方法，减少了对湖水生态的大面积干扰。施工前的详细勘察和针对性的注浆策略，不仅揭示了岩溶的分布特征，还确保了岩溶处理效果满足设计要求，保障了隧道施工期间的安全和结构稳定性。这些措施的成功实施，展现了在复杂地质条件下进行隧道施工的高超技术和对环境保护的深刻认识。

参考文献：

[1]杨育僧，吴昊，许建飞，等．岩溶地层中的盾构隧道施工［J］.铁道工程学报，2007，24(7): 56．

[2]李慎奎，陶岚．武汉地区岩溶发育特征及地铁工程中岩溶处理［J］.隧道建设，2015，35(5): 449．