城市巖溶區(qū)地鐵隧道的溶洞超前探測(cè)及處治技術(shù)

劉瑞琪

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250002)

1 工程概況

大連地鐵一期工程207標(biāo)段包含一站兩區(qū)間，分別為松江路站～東緯路站區(qū)間、東緯路站、東緯路站～春光街站區(qū)間，線路全長2 568 m，全部采用暗挖法施工。設(shè)計(jì)階段地質(zhì)勘察報(bào)告、施工過程中進(jìn)行的地質(zhì)補(bǔ)堪鉆孔資料表明，松江路站～東緯路站區(qū)間段鉆孔遇洞率55%，該區(qū)間巖溶發(fā)育程度為中等發(fā)育。巖溶分布于全線段、發(fā)育數(shù)量多、大小巖溶構(gòu)造形態(tài)均有發(fā)育、垂向分帶規(guī)律不明顯，多數(shù)巖溶呈充填或半充填狀況。巖面起伏變化大，巖層淺部溶溝、溶槽、溶隙及溶洞等發(fā)育強(qiáng)烈，巖層中溶洞存在串珠狀分布的特點(diǎn)。

巖溶主要分布于場區(qū)內(nèi)泥灰?guī)r中。勘察中揭露溶洞(層號(hào)為○141)，揭露洞高0.30～13.50m，揭露洞頂標(biāo)高1.95 ～27.70m，揭露洞底標(biāo)高12.22 ～23.70m，揭露洞頂埋深11.20 ～37.00m。大部分溶洞侵入隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，部分位于結(jié)構(gòu)底板下方及結(jié)構(gòu)頂板上方，溶洞充填物為粘土、紅粘土及灰?guī)r碎屑，溶洞上部與含卵石碎石土、粘土接觸，施工過程中極有可能發(fā)生涌水、突泥、塌方及地表塌陷等情況，對(duì)暗挖施工影響很大。

2 溶洞位置超前探測(cè)

2.1 高密度電法+地質(zhì)雷達(dá)法

高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法均可用于探測(cè)斷層、溶洞和空洞、富水帶等不良地質(zhì)體，藍(lán)色區(qū)域代表低電阻介質(zhì)，紅色區(qū)域代表高阻介質(zhì)，其他區(qū)域?yàn)榻橛诟咦枧c低阻之間介質(zhì)。受接受線體影響，高密度電法適用于人行道處，在跨路段一般采用地質(zhì)雷達(dá)法。主要優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短、速度快。

高密度電法是指通過電極陣列排列方式來觀測(cè)人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)體探測(cè)的一種電阻率法。主要采用國產(chǎn)WDA-1直流電法儀，布點(diǎn)距離4 m，高密度電法探測(cè)成果圖為視電阻率等值線斷面圖。

地質(zhì)雷達(dá)法是利用高頻電磁波束的反射來探測(cè)地質(zhì)目標(biāo)的一種電磁類地球物理方法。地質(zhì)雷達(dá)SIR-3000利用超高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布，根據(jù)介質(zhì)電性差異的反射影像特征即可再現(xiàn)地下介質(zhì)的分布形態(tài)。

圖1 高密度電法成果圖示

圖2 地質(zhì)雷達(dá)法成果圖示

2.2 地質(zhì)鉆孔+地質(zhì)CT

地質(zhì)鉆孔是地質(zhì)補(bǔ)勘手段，鉆探使用XY-100型鉆機(jī)，采用沖擊加回轉(zhuǎn)及套管、泥漿護(hù)壁、合金與金剛石相結(jié)合的鉆進(jìn)方法。巖芯按順序放于巖芯箱內(nèi)，及時(shí)鑒定、記錄，并用數(shù)碼相機(jī)逐孔逐箱拍攝記錄?？碧娇籽貛r溶發(fā)育區(qū)段左右線隧道兩側(cè)，隧道外邊線外側(cè)3～4 m和左右線隧道中間，布置3條勘探線，沿勘探線按縱向間距6 m布置鉆孔，勘探孔深度鉆至地鐵隧道底板下6 m。

地質(zhì)CT是一種超高密度電法，是一種電阻率層析成像技術(shù)，原理同高密度電法，但比常規(guī)高密度電法省時(shí)［1］。采用的儀器是FlashRES 64多通道超高密度地面/井地/井井直流電法勘探系統(tǒng)，測(cè)線方向主要是橫切地鐵走向，利用位于地鐵兩邊的鉆孔開展跨孔電阻率CT探測(cè)，有效寬度為25m?？缈纂娮杪蔆T探測(cè)時(shí)，兩個(gè)鉆孔中分別放入兩根帶有32個(gè)電極的電纜，電極間距為1 m，根據(jù)鉆孔的深度，可選擇參與數(shù)據(jù)采集所需電極的數(shù)量，布設(shè)井下電極陣，進(jìn)而觀測(cè)跨孔間的電流、電壓數(shù)據(jù)，最后反演獲得兩井之間的電阻率分布斷面圖。

地質(zhì)鉆孔及地質(zhì)CT兩種地質(zhì)探測(cè)方法形成的成果互補(bǔ)后見圖3。

圖3 地質(zhì)鉆探+CT成果展示圖

2.3 洞內(nèi)探測(cè)方法

地質(zhì)補(bǔ)勘鉆孔巖芯揭示了隧道埋深范圍內(nèi)巖溶發(fā)育情況，跨孔電阻率CT探測(cè)成像剖面圖可直觀顯示出巖土交接及溶洞發(fā)育位置。地質(zhì)補(bǔ)勘鉆孔間距為6～10m，為準(zhǔn)確探測(cè)隧道開挖范圍內(nèi)溶洞、溶溝(槽)、軟弱夾層、富水帶等強(qiáng)溶蝕帶的分布情況，在地質(zhì)補(bǔ)勘鉆孔間距內(nèi)進(jìn)行洞內(nèi)超前探測(cè)。利用現(xiàn)有施工機(jī)具設(shè)備YT-28風(fēng)槍在洞內(nèi)進(jìn)行超前探孔，在掌子面沿掘進(jìn)方向打設(shè)5個(gè)探孔，探孔深6 m，可跨越地質(zhì)補(bǔ)勘鉆孔間距。探孔打設(shè)過程中詳細(xì)記錄鉆進(jìn)過程中鉆桿進(jìn)度、回漿顏色、突進(jìn)或卡鉆、有無突水等其它情況，以此來判定開挖面前方6 m范圍內(nèi)圍巖詳細(xì)地質(zhì)情況，更好的來指導(dǎo)爆破施工。

3 溶洞的處治技術(shù)

依據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘、高密度電法、洞內(nèi)超前探孔所取得的成果，以巖溶的狀況和性質(zhì)將其分為溶溝、溶槽、溶管和溶洞。根據(jù)巖溶不同的發(fā)育形態(tài)，充填物的形式，富水量的大小，現(xiàn)場施工中分為洞內(nèi)與洞外兩種處治技術(shù)［2-6］。

3.1 洞內(nèi)處治技術(shù)

3.1.1 拱部超前注漿

根據(jù)超前探孔資料，洞內(nèi)可處理發(fā)育體積較小，發(fā)育部位在隧道開挖范圍內(nèi)的半充填和充填型溶洞。富水巖溶區(qū)爆破開挖時(shí)嚴(yán)格遵循:“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、快封閉”的方針，在爆破開挖前先行打設(shè)超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)注漿處理措施，根據(jù)超前探孔探測(cè)到的前方圍巖滲水量情況，現(xiàn)場采取壓注水泥漿液與水泥-水玻璃雙液漿兩種注漿方式，注漿壓力0.3～0.6 MPa。注漿導(dǎo)管沿開挖斷面拱部120°范圍內(nèi)打設(shè)，導(dǎo)管采用Φ42熱軋無縫鋼管，壁厚3.25mm，單根長度3 m，縱向每1 m打設(shè)一循環(huán)并及時(shí)進(jìn)行注漿施工，注漿施工時(shí)噴射混凝土封閉拱部掌子面。利用洞內(nèi)超前小導(dǎo)管注漿可加固隧道開挖范圍內(nèi)軟弱破碎帶，充填溶溝、溶槽，封堵基巖裂隙水，避免開挖過程中突水現(xiàn)象發(fā)生。

3.1.2 全斷面帷幕注漿

變頻器一般依靠控制系統(tǒng)減速和控制負(fù)載突降。因此，利用控制工藝流程可以提前控制變頻器，減小因此造成的電壓波動(dòng)，降低再生能量反饋進(jìn)入中間直流回路。如果生產(chǎn)工藝流程要求負(fù)載規(guī)律性突降，可以依靠SCADA控制系統(tǒng)，適當(dāng)改變變頻器運(yùn)行頻率，減少泵機(jī)側(cè)多余的能量進(jìn)入變頻器中的銅牌母線。

根據(jù)地質(zhì)詳勘成果，結(jié)合超前探孔探明的軟巖地段、斷層破碎帶等巖溶發(fā)育區(qū)，會(huì)發(fā)生突水、涌水的地段，采用全斷面(帷幕)超前預(yù)注漿處理措施進(jìn)行加固處理。全斷面(帷幕)超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

(1)1#循環(huán)超前預(yù)注漿設(shè)置14個(gè)注漿孔，孔深6 m;2#循環(huán)注漿設(shè)置10個(gè)注漿孔，孔深10m;3#循環(huán)注漿設(shè)置5個(gè)注漿孔，孔深15m。

(2)注漿管采用Φ42×3.25mm小導(dǎo)管，小導(dǎo)管間隔15 cm梅花形燒孔，尾部1 m不燒孔，孔口外露200～300mm焊接注漿頭。

(3)注漿孔掌子面以隧道中軸傘狀布置，注漿范圍為隧道開挖線以外5m，漿液擴(kuò)散半徑為2 m。

(4)注漿液采用水泥-水玻璃漿液，漿液配合比應(yīng)在實(shí)際施工中根據(jù)注漿效果調(diào)整。注漿壓力0.5～1.5mPa。

全斷面(帷幕)超前預(yù)注漿施工:

(1)每循環(huán)超前預(yù)注漿前設(shè)置300mm厚導(dǎo)向墻(止?jié){墻)。

(2)采取反復(fù)注入、稀漿與濃漿交替、壓力控制與注入漿量控制相結(jié)合的措施，注漿壓力由低到高逐漸加壓。初始注漿壓力采用1.2倍靜水壓力，注漿時(shí)間根據(jù)漿量的注入速率進(jìn)行靈活調(diào)整。

(3)每循環(huán)注漿完畢開挖施工后，預(yù)留3 m左右作為下階段注漿止?jié){段。

3.1.3 穿越充填型溶洞施工方法

針對(duì)開挖過程中揭示出的拱腰以上存在的充填型溶洞，拱部180°先施作Φ42×3.25mm超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，間距300mm，壓注水泥-水玻璃雙液漿;溶洞范圍內(nèi)加密施作格柵，間距500mm，鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，打設(shè)徑向注漿錨管用以后期注漿加固。拱部溶洞處治支護(hù)參數(shù)示意圖見圖4。

3.2 溶洞洞外處治技術(shù)

針對(duì)地質(zhì)補(bǔ)勘、高密度電法CT探測(cè)已探測(cè)出的較大發(fā)育溶洞，應(yīng)根據(jù)其發(fā)育部位、形態(tài)、大小等采取地面處理的方式以消除溶洞對(duì)暗挖施工風(fēng)險(xiǎn)。

溶洞洞外處治技術(shù)施工步驟為:溶洞處理與否判定→劃定高、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域→溶洞處理→溶洞處理效果檢查。溶洞處理施工工序可分為兩步:先充填、后灌漿壓密。

洞外處治主要針對(duì)容積大于1 m3或直徑大于1 m的溶洞，處治方式采用地表豎向深孔注漿、深孔袖閥管壓密注漿、吹砂固結(jié)充填法、高壓混凝土換填等方式。

圖4 拱部溶洞處治支護(hù)參數(shù)示意圖(單位:mm)

溶洞灌漿采用袖閥管(PVC花管)注漿加固法，袖閥管采用Φ48mm PVC管(管壁厚4mm，耐壓值≥7.5mPa)，袖閥管下到溶洞底面，在溶洞段的管壁上鉆花眼Φ6@300作為出漿孔，外包橡皮箍作為單向閥。對(duì)于高度0～2 m的溶洞，把送漿管直接連通袖閥管，對(duì)溶洞內(nèi)的充填物進(jìn)行壓力注漿;對(duì)于高度2 m以上的溶洞，在袖閥管內(nèi)下入雙塞芯管，對(duì)溶洞內(nèi)的充填物分層進(jìn)行壓力注漿，分層厚度為0.5～1.0m。鉆孔平面及立面布置詳圖分別見圖5和圖6。

圖5 鉆孔平面布置示意圖(單位:mm)

圖6 鉆孔立面布置示意圖

4 現(xiàn)場巖溶處治效果分析

通過地質(zhì)補(bǔ)勘鉆孔、超高密度電法跨孔電阻率CT探測(cè)、洞內(nèi)超前探孔等技術(shù)措施探明了施工區(qū)域內(nèi)較大發(fā)育的溶洞，并采取相應(yīng)的洞內(nèi)及地表處理措施進(jìn)行了處理，消除了施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了已施工段的施工安全。實(shí)踐證明，地質(zhì)預(yù)報(bào)是暗挖隧道施工中不可缺少的重要工作，通過地質(zhì)預(yù)報(bào)可將溶洞的發(fā)育規(guī)模、與洞室的位置關(guān)系，溶洞的充填物與富水量等弄清楚，最后在施工中采取相應(yīng)措施。該工作必須作為一道工序，納入施工管理和控制中。通過以上處理措施的實(shí)施，安全通過了此處溶洞，經(jīng)長時(shí)間不間斷量測(cè)表明，該段圍巖變形已穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)表面無明顯滲漏水現(xiàn)象。

5 結(jié)語

目前所用的各種地質(zhì)預(yù)報(bào)手段都有其局限性，為此，不但需要在設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查和勘察工作，在施工前要有針對(duì)性的詳細(xì)補(bǔ)充勘察和細(xì)致物探，以求地質(zhì)預(yù)報(bào)資料的準(zhǔn)確。若施工環(huán)境條件允許，應(yīng)盡量提前進(jìn)行地表預(yù)處理，以提高施工功效。施工時(shí)必須嚴(yán)格管理溶洞段超前探測(cè)、深孔充填注漿等施工工藝。在溶洞地段，還應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，地表沉降監(jiān)測(cè)，隧道涌水量和地表環(huán)境變化等情況，以確保施工安全。

［1］山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心.大連地鐵跨孔電阻率CT物探報(bào)告［R］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2011.

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