地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越溶、土洞區(qū)加固處理設(shè)計

陸靈威

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 510000)

引言：該地鐵隧道工程直接在巖溶盆地當(dāng)中穿行，溶洞與土洞均較發(fā)育，無論是對施工還是運(yùn)營都有較大影響。本區(qū)段采用盾構(gòu)施工，所穿溶洞與土洞區(qū)長度較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工困難，安全風(fēng)險高，現(xiàn)結(jié)合廣東地區(qū)類似項目經(jīng)驗進(jìn)行分析，先進(jìn)行風(fēng)險區(qū)合理劃分，再確定科學(xué)的處置范圍，最后采取有效措施及時處理，以保證施工和運(yùn)營安全。

1 工程概況

該區(qū)間總長約1.5km，洞頂覆土深度約8-17m，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工。區(qū)間處在海陸交互相沉積平原地貌，基巖為石炭系地層，本段地形較平坦，相對高差較小，地面高程5.70-8.55m。該區(qū)間主要穿行于殘積層及沖洪積層[1]。

區(qū)間內(nèi)共布置175個勘察孔，從鉆探揭露結(jié)果看，共分布311個溶洞，見洞率在55%左右，高度最大可達(dá)9.7m，充填溶洞約占總數(shù)51.5%，主要充填物為粘土；共分布44個土洞，高度最大約7.93m，多為全充填形式，主要充填物為粉質(zhì)粘土。覆蓋層砂層內(nèi)的孔隙潛水和巖溶水共同組成了含水結(jié)構(gòu)，在含水層的中間，存在厚度從幾米到十幾米不等的粉質(zhì)粘土，形成隔水層。

盾構(gòu)區(qū)間通過該巖溶地層，主要的工程風(fēng)險有盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的栽頭、地表沉降過大或坍塌、影響周邊建筑等。

2 風(fēng)險區(qū)劃分

根據(jù)相近地段項目經(jīng)驗，區(qū)間隧道底部5m范圍內(nèi)，如果沒有溶洞與土洞，也沒有明顯的巖土界面或其他軟弱地層、不良地質(zhì)，則可將該區(qū)域視為低風(fēng)險段，即溶洞與土洞不會造成太大的影響；而這一區(qū)域內(nèi)存在溶洞與土洞，或5m內(nèi)還有明顯巖土界面或其他不良地質(zhì)，則視為高風(fēng)險區(qū)，即溶洞與土洞會造成較大影響。將分界線確定為隧道底下5m的原因有：

（1）從既有線路地質(zhì)鉆孔結(jié)果看，巖土界面均處于地表下方10m以上，在界面周圍分布多處溶洞與土洞。線路周圍既有村房使用已有60余年，期間未發(fā)生由于溶洞與土洞塌陷造成的安全事件。村房的基礎(chǔ)深度約5～8m，距離巖土界面的豎向凈距約 5m，這在很大程度上說明，溶土洞上方覆蓋土層超過 5m，在一般荷載作用下產(chǎn)生塌陷現(xiàn)象的幾率很小[2]。

（2）結(jié)合某研究院對地鐵列車實際運(yùn)營的沖擊振動作出的檢測，對于采用混凝土軌枕的道床，其軌面下方2.5m范圍內(nèi)路基土實際振動加速度，只有地面的十分之一以內(nèi)。此外，盾構(gòu)隧道采用C50盾構(gòu)管片拼接而成，剛度較大，截面為圓形，無棱角，能有效分散列車運(yùn)行產(chǎn)生的沖擊力，地鐵列車自重與運(yùn)行產(chǎn)生的沖擊振動也比地面列車小。基于此，底板下方土體受地鐵列車運(yùn)行的影響，深度不會超過2.5m，底板下方5m范圍內(nèi)的溶洞與土洞，基本不會由于列車運(yùn)行而產(chǎn)生不利影響。

（3）根據(jù)巖體力學(xué)，在地下空間埋深達(dá)到一定數(shù)值后開挖隧道，圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移，會在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生集中現(xiàn)象，形成有規(guī)律的壓力區(qū)域“壓力拱”。盾構(gòu)隧道上跨其他隧道或地下空間的工程實例很多，采取一定的保障措施，即使豎向凈距小于5m，也能夠保證安全。從已探明溶土洞看，相關(guān)地區(qū)跨徑在4.0m以上的土洞很罕見，且其斷面也通常類似拱形。鑒于此，可認(rèn)為隧道外側(cè) 1倍跨度，即4m范圍之外的溶洞與土洞，只要與地鐵隧道間有穩(wěn)定隔水層，或采取一定措施形成穩(wěn)定隔水層，溶、土洞就不會對盾構(gòu)隧道造成太大影響[3]。

綜合上述分析，在隧道底下5m的范圍內(nèi)，只要對所用已探明溶、土洞及其他不良地質(zhì)進(jìn)行有效處理，就能對工程風(fēng)險進(jìn)行有效控制。

需要注意，以上提出的分界線實際上是地區(qū)經(jīng)驗界線，將該地區(qū)的粉質(zhì)粘土作為標(biāo)準(zhǔn)層，如果隧道埋深較大、進(jìn)入中微風(fēng)化巖層、或者下方土層具有很高的強(qiáng)度、良好的粘性，則可對分界線進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s??；相反，如果底板下方存在不良地層，則需擴(kuò)大分界線，取較大的安全厚度。

3 區(qū)間溶洞與土洞處理

3.1 處理基本原則

（1）盾構(gòu)隧道巖溶處理應(yīng)遵循以地面、機(jī)（盾構(gòu)機(jī)）內(nèi)預(yù)處理相結(jié)合為主，洞內(nèi)預(yù)留措施處理為輔的原則，溶洞與土洞的處理應(yīng)先于盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行。

（2）線路進(jìn)行風(fēng)險區(qū)合理劃分，根據(jù)風(fēng)險程度采取不同的措施進(jìn)行處理；對于高風(fēng)險區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)處理隧道兩側(cè)及底板5m范圍內(nèi)存在的巖土和溶洞交界層；對于低風(fēng)險區(qū)，可只處理兩側(cè)5m范圍內(nèi)存在的土洞，處理方法為充填法。

（3）溶洞與土洞多采用填充法或壓密法進(jìn)行處理，按其填充情況采取相應(yīng)的處理方法，以保證最終的處理效果[4]。

3.2 處理方案

充填處理前，需要先進(jìn)行溶洞平面范圍的試探測，以揭示到溶洞的鉆孔為基準(zhǔn)點(diǎn)，加密鉆孔向四周擴(kuò)散，孔間隔2.0m。隧道結(jié)構(gòu)輪廓外5m線以內(nèi)為溶洞的平面處理范圍，同時也是溶洞大小試探測的外邊界，處理時應(yīng)先找邊界再進(jìn)行注漿處理。鉆孔兼做注漿孔，并選擇數(shù)個洞頂處鉆孔兼做排氣孔。排氣孔每洞至少一個，間距超過4m加設(shè)排氣孔。

圖1 加密鉆孔平面布置示意圖

溶洞與土洞的充填，需要結(jié)合洞的體積與實際充填狀況，從先填后灌和全灌兩種方法中選擇一種合適的方法。結(jié)合現(xiàn)有巖溶處理經(jīng)驗，充填注漿依然是有效且常用的方法，通過壓漿孔的密集布置，能直接揭露土洞，消除安全隱患；通過壓漿，能使洞穴得到進(jìn)一步充填，避免土洞發(fā)生坍塌；憑借漿液具有的擴(kuò)散和滲透作用，能擊破或者是消除與之相鄰的土洞，隨即處理已經(jīng)發(fā)生的坍塌。

由于巖溶地區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜、城區(qū)內(nèi)受交通、管線、建構(gòu)筑物的影響，巖溶的發(fā)育狀況仍可能遺漏，不能完全探明，因此參與巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道施工的單位需配置（盾構(gòu)）機(jī)內(nèi)超前探測的儀器與機(jī)械設(shè)備（小鉆機(jī)）。并應(yīng)在地面配備巡查車輛，隨時監(jiān)控盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的對地面、地層的擾動情況。超前探測發(fā)現(xiàn)需處理的溶（土）洞時、可根據(jù)實際施工條件選擇地面或洞（機(jī)）內(nèi)處理方法，在有條件時、優(yōu)先采用地面處理方法。

此外，穿越巖溶地區(qū)的盾構(gòu)隧道，設(shè)計時應(yīng)預(yù)留注漿管，盾構(gòu)隧道施工過程中應(yīng)加強(qiáng)二次注漿，而且從提高管片施工及運(yùn)營階段的安全系數(shù)考慮，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加管片含鋼量。

3.2.1 溶洞與土洞充填

（1）全填充溶洞

對于全填充溶洞，主要進(jìn)行靜壓灌漿處理，于鉆孔當(dāng)中安裝袖閥管直至溶洞底面，開始深孔注漿作業(yè)。袖閥管為PVC管，設(shè)計漿液有效擴(kuò)散半徑為1.5m，按（2.0×2.0）m的要求控制鉆孔間距。注漿使用純水泥漿，其水灰比為0.5:1.0-0.5:1.1，注漿壓力在0.4-1.0MPa范圍內(nèi)；如果洞內(nèi)存在流動的水，則周邊孔需要在漿液當(dāng)中摻入一定量的速凝劑，將漿液凝固時間嚴(yán)格控制在10-20s范圍內(nèi)。在進(jìn)行注漿時，需要采取分序孔方法，按由下到上先外圍后內(nèi)部的順序進(jìn)行。為避免漿液擴(kuò)散到太遠(yuǎn)的位置，可采用間隔、定量、分次，從低壓開始緩慢加壓的方式，當(dāng)吸漿量在1-2L/min范圍內(nèi)保持15min后停止注漿。

（2）半填充與未填充溶洞

當(dāng)溶洞與土洞的高度在3m以上時，采用壓力注水泥砂漿方法，或設(shè)置注砂管，借助高壓風(fēng)機(jī)不斷壓入干砂，通過吹砂使填充達(dá)到密實，再于其它孔內(nèi)安裝袖閥管進(jìn)行靜壓灌漿，直到填充密實。當(dāng)溶洞與土洞高度在2m以內(nèi)時，可直接進(jìn)行靜壓灌漿，具體方法同上。

圖2 填充方案示意圖

3.2.2 效果檢查

溶洞與土洞在完成加固后，其土體必須具有良好密實性、均勻性及自立性，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行效果檢驗。可采用“二次壓漿”方法進(jìn)行檢查填充率，采用標(biāo)貫法測定檢查密實程度，標(biāo)貫值達(dá)到“堅硬”狀土為優(yōu)，“硬塑”狀土為合格。

對于加固效果，可采用鉆孔取芯的方法進(jìn)行檢查，按1%孔數(shù)抽查，且不小于3點(diǎn)，要求每個溶洞均要檢測一次，做抗壓試驗。測取滲透系數(shù)及無側(cè)限強(qiáng)度，要求達(dá)到下列標(biāo)準(zhǔn)：

（1）換刀地段上的滲透系數(shù)不得超過1.0×10-7cm/sec，無側(cè)限強(qiáng)度不能低于0.3MPa。

（2）一般地段的滲透系數(shù)不得超過 1.0×10-5cm/sec，無側(cè)限強(qiáng)度不得低于0.15MPa。

質(zhì)量檢查孔的壓水檢查工作應(yīng)在單元工程灌漿結(jié)束7天后進(jìn)行。

3.2.3 注漿孔預(yù)留

在區(qū)間內(nèi)預(yù)留一定數(shù)量的注漿孔，能起到防止運(yùn)營過程中基底塌陷的作用。道床開工前，用一端設(shè)有法蘭盤的鋼管，將其固定于管片下方，再對道床進(jìn)行澆注，而鋼管的另外一端則直接留于道床，在運(yùn)營時用蓋子進(jìn)行封堵。與此同時，在隧道運(yùn)營過程中，按10-20m的間隔距離設(shè)置縱向測點(diǎn)，按15d/次的頻率進(jìn)行監(jiān)測，以監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)掌握下方地層實際變化，如果出現(xiàn)異常，則由預(yù)留鋼管直接鉆穿管片，安裝袖閥管實施注漿加固。按照3m的縱向間距設(shè)置一排預(yù)埋套管，間隔一環(huán)管片進(jìn)行設(shè)置。

4 結(jié)語

通過上述分析，可得出以下幾條結(jié)論：

（1）巖溶處理不僅難度較大，而且復(fù)雜多變，必須按照因地制宜的基本原則進(jìn)行設(shè)計，并選擇適宜的施工方法，該區(qū)間所用溶洞與土洞處理方法是通過長時間分析總結(jié)而得到的，從目前項目實際進(jìn)展看，這一方案是合理可行、切實有效的。

（2）根據(jù)本工程具體情況，與地區(qū)內(nèi)其它工程相比較，并參照相關(guān)研究成果，將隧道底部下方5m范圍內(nèi)是否存在溶洞與土洞視作風(fēng)險區(qū)合理劃分依據(jù)，可以成為該地區(qū)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

（3）巖溶地段所用盾構(gòu)機(jī)必須具有超前注漿與探測等功能，對于漏注漿的地段，需要進(jìn)行超前探測，并結(jié)合探測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

實際上，溶洞與土洞的處理是一項系統(tǒng)工程，需要多方人員協(xié)同配合，采用預(yù)防與治理充分結(jié)合的總體方案，只有這樣才能將風(fēng)險降至最低，保證盾構(gòu)施工及后期運(yùn)營安全。