地铁区间隧道地下空洞的探测及处理

地铁区间隧道地下空洞的探测及处理
【摘要】城市地下由于地质及长期人类活动经常会形成部分地下空洞，地下空洞的存在可能会对地铁施工产生较大的安全隐患。

本文主要介绍了采取地质雷达结合地面钻孔及隧道内超前钻孔进行地质预报对地下空洞进行探测的方法。

并在探明地下空洞的位置、范围及充填状况后，采取对应的注水泥砂浆或回填混凝土处理的施工方法。

有效的解决了地下空洞对工程施工及后期运营的影响。

一、地下空洞的成因及危害
城市地下空洞的形成原因较为复杂，在灰岩地段主要是由于地下水的侵蚀作用形成的岩溶空洞。

在其它围岩地段主要是由于地层起伏较大加上后期的人类工程行为的多次改造处理而产生。

地下工程施工引起的地层失水，在地面硬壳层与以下地层间也易形成地下空洞。

此外，陈旧的地下管井、人防工事等早期废弃构筑物也是形成地下空洞的原因之一。

地铁隧道埋设在地下30m以内的中浅层空间，多属于浅埋，具备浅埋隧道的地质特点。

部分空洞位于隧道的高程位置，与隧道的交叉关系分为与隧道断面交叉，在隧道断面以外（隧道底面以下）两种情况，因地质资料只能反应局部的情况，地下空洞的详细空间形状不详，也可能存在地下洞穴延展到隧道以上的情况。

空洞多半为半填充、无填充状态，充填物为粉质粘土，洞穴周边裂隙发育，地下水活动频繁，是过水通道。

地下空洞的存在对地铁施工的危害巨大，施工中引起的地层损失极易引起地面下沉或坍塌，并容易发生坍塌冒顶现象，易瞬间发生重大事故，近期出现的地铁坍塌事故都或多或少的与地下空洞有关。

现有的地质勘察一般较难发现，只能在工程实施过程中采取补充钻探、超前钻孔及加强工程技术措施，减小其灾害程度。

二、地下空洞的探测
地下空洞根据其充填物的状态分为水囊、气囊、球形风化的削弱带或孤石、杂物等，因其充填状态复杂，其力学性能与土力学的基本原则相去甚远，难以探测。

在部分工程实践中，曾以地质雷达进行探测，但通过钻孔检测与其进行对比，发现地质雷达对5m深度范围内的水囊、气囊可基本探明地下空洞的位置及范围，对5m以下和其它类型的地下空洞基本不具备参考价值。

目前主要的技术手段仍主要是通过地质钻孔，根据探测取出的充填物的性状，根据经验来判断。

为此，在地铁隧道施工前可先利用地质雷达对隧道地表进行探测，探明地表浅层范围内可能存在的水囊、气囊，估计部分可能存在的浅层充填、半充填空洞和深层地下空洞。

再根据地质雷达探测结果、前期详细勘察资料的地质状况，综合分析，进行针对性的地质补勘。

基本探查出施工范围内可能会对工程施工产生危害的大范围地质空洞。

在钻探作业过程中，如没发现有空洞存在，为避免含水层导入隧道，给隧道掘进造成安全隐患。

采用最稠一级水泥砂浆造成安全隐患，采用最稠一级水泥砂浆进行封堵。

在施工过程中也可根据地层的情况选择采用沿开挖面斜向外打探孔的方式进行超前地质预报。

该类探孔分为深孔和中浅孔两类，一般在采用两种钻孔相结合的方法进行钻探。

深孔长距离钻探是在大规模的地质构造空洞段实施，孔深20～100m，孔径大于70mm，数量3孔，终孔位置应在开挖轮廓外1.5m处，原则上应一次穿越，并形成单独报告。

两次循环的超前水平钻探搭接长度不小于3米。

钻进过程中，对空洞充填物应干钻取样，对不同岩层代表性取样，可采用孔内摄像记录，以提高功效。

超前水平钻探资料应现场记录描述。

中距离钻探针对存在富水地段的空洞进行，孔深10～20m，数量2～3孔，直径90mm，终孔位于隧道开挖轮廓线外1.5～3.0m。

根据钻机在钻进过程中推力、扭矩、钻速大小、岩粉成分、成孔难易及钻孔出水情况来判断前方的空洞状况，同时进行涌水量和水压测试，判断开挖工作面前方空洞充填情况。

浅孔短距离钻探是对空洞的补充钻探，在施工中运用开挖用的钻具进行长5米的超前钻孔，对洞身前方进行全方位空间探测，探孔成放射形布设。

在钻孔过程中，若工作面局部出水量较大，则增加探水孔数量，以便准确预测预报并进行应急准备。

钻机钻孔时要固定牢固，并安设孔口管及高压闸阀，确保超前钻孔涌出高压地下水时，能够有效地控制。

三、地下空洞的处理方案
在取得隧道开挖面前方的空洞的基本状况后，即可采取针对性的处理措施对孔洞进行处理。

空洞处理的基本目的是通过外部堵塞或压注水泥浆的方式将空洞填满，把空洞填充物与周围的散岩层或是土层联系孔空隙填密实，增加围岩的稳定性。

处理的方式可采取开孔灌浆、钻孔压浆、回填混凝土、旋喷、深层搅拌、超前注浆、全断面注浆或帷幕注浆的方式进行处理。

一般常规的理想处理方
式是从地表进行处理，但地表处理受地面交通、管线等环境影响，一般实施难度较大。

隧道内处理效果相对较差，但由于对周边环境干扰小，一般在过程中加强施工质量控制，也能达到预期效果。

隧道内一般针对在开挖线3m以内的空洞进行处理。

1、根据探孔取出的空洞内充填物的情况来确定空洞处理方案。

地表处理方式：
(1)如取出孔内充填物为淤泥土样，考虑到淤泥中可灌性小，难以形成强度很高的固结体，加上空洞下部充填物注浆固结体与上部空洞的所形成的纯水泥砂浆固结体界面结合差造成强度不均，沉降量不均，达不到补强加固作用，决定先在空洞范围内按灌浆孔间距1.2m施工钻孔，并用水力切割冲刷淤泥成泥浆并泵入高压泥浆，将空洞充填物所形成的泥浆和沉淀物排上地面，使孔仙形成干净的岩面空洞后进行水泥砂浆高压灌浆，在空洞内形成纯水泥浆固结体并能与空洞岩面良好结合。

该类孔洞也可采用地表旋喷或深层搅拌的方式进行处理。

（2）如取出的孔内充填物为粉砂质土样，考虑到粉砂质土样可灌性较好，方案可优先选用袖阀管注浆或隧道内灌浆，使充填物形成固结体后，再用水泥砂浆对上部空洞进行充填性灌浆。

隧道内处理方式：
充填物为淤泥质土的空洞，隧道内采用超前注浆方式的最佳处理方式为水平旋喷，但一般实施难度也相对较大。

可根据空洞的规模及位置等情况先采用超前大管棚配合超前注浆小导管先通过空洞地段。

在初期支护形成以后再采用径向注浆的方式对隧道开挖线3m范围内进行加固。

2、根据探测出的空洞规模大小情况来确定空洞处理方案。

（1）如果空洞规模较小，一般采取地面或洞内压注水泥浆或水泥砂浆。

（2）如果空洞规模较大，一般采取回填混凝土处理，地表处理也可采取旋喷和深搅；隧道内处理的最佳方案方式是采取帷幕注浆的方式分段通过。

3、根据地质空洞与隧道的位置关系来确定处理方案。

（1）位于隧道拱顶、边墙上部、中部的空洞，空洞的处理的目的是为了提高和保证隧道开挖的安全性，充填的介质主要起稳定围岩的作用，承受的荷载相对来说较小，采用压注浆水泥浆。

（2）位于隧道边墙下部的空洞，其充填物要满足稳定围岩的需要，而且承受的荷载较大，采用压注水泥砂浆或回填素混凝土处理。

（3）位于隧道底部的空洞，其充填物不仅要满足稳定围岩的需要，也要满足隧道基底长期稳定的需要，因而填充物质要整体性好，强度高，变形小，采用回填素混凝土处理。

地质空洞处理效果检查
地下空洞处理完成后28d，应进行钻孔抽芯检测，满足相关的要求（强度、渗透系数等）后才能继续组织隧道内掘进施工，否则应采取加强补注浆的方式处理。

以上所提及的空洞处理方式在多座地铁隧道施工的工程实践中均有采用，均有效的加固了地层，安全地完成了施工，也未给后期运营带来隐患。

由此可见，空洞的处理效果能过到预期的效果。

通过本文论述的工程处理实例表明：在工程中遇到地质空洞时，首先应采取可靠的探测方法弄清空洞的大小、埋深、具体位置以及根据施工准备阶段探孔取出的空洞内充填物的情况来选择处理方案，对不同的空洞情况采取灵活的处理措施，从而达到安全、经济、合理的效果。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。