砂土覆蓋型巖溶地層盾構隧道施工地面注漿加固實例分析

錢　莊， 許燁霜,2， 沈水龍,2， 崔慶龍

(1. 上海交通大學土木工程系, 上海　200240; 2. 海洋工程國家重點實驗室， 上海　200240)

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砂土覆蓋型巖溶地層盾構隧道施工地面注漿加固實例分析

錢莊1， 許燁霜1,2， 沈水龍1,2， 崔慶龍1

(1. 上海交通大學土木工程系, 上海200240; 2. 海洋工程國家重點實驗室， 上海200240)

摘要：隧道沿線溶洞的加固處理是巖溶地層中盾構隧道施工的關鍵。以廣州地鐵某區(qū)間盾構隧道施工為背景，論述砂土覆蓋型巖溶地層中盾構隧道施工面臨的主要工程地質(zhì)風險；由溶洞處理流程入手，從溶洞處理判斷標準、注漿填充方案、注漿材料選擇以及注漿加固效果檢驗等方面詳細介紹盾構隧道施工中通過地面注漿加固進行溶洞處理。同時，對監(jiān)測區(qū)間內(nèi)溶洞注漿加固效果以及隧道掘進引起的地面、房屋沉降情況進行監(jiān)測分析。研究結果表明： 溶洞注漿加固效果良好，隧道掘進造成的地面房屋沉降變化平穩(wěn)，地面注漿加固處理在砂土覆蓋型巖溶地層盾構隧道施工中具備一定的工程適用性。

關鍵詞：盾構隧道； 砂土覆蓋型巖溶地層； 注漿加固； 沉降監(jiān)測

0引言

巖溶是因地表水和地下水對可溶性巖層不斷產(chǎn)生侵蝕、溶蝕、遷移、堆積等作用而形成的，會導致巖石發(fā)生溶蝕的現(xiàn)象[1]。我國華南、西南地區(qū)在巖溶地層上部存在第四紀沉積層，形成上覆軟弱地層、下臥含巖溶地層的覆蓋型巖溶地層[2]。上覆軟弱地層由于土性和沉積年代的不同，分別有砂土、黏土等，厚薄也因地而異，從數(shù)米到數(shù)十米不等。在廣州地區(qū)分布有典型的覆蓋型巖溶地層，其上覆軟土主要由砂土和粉質(zhì)黏土構成。在廣州地鐵建設中，地鐵隧道的建設難以避開這種復合地層，有些隧道段在巖溶中施工，部分隧道段在軟弱地層中施工，有些地段受坡度和埋深的影響只能在軟弱地層與巖溶地層交界面處施工。在這種情況下，盾構法施工會面臨諸多施工難題與突發(fā)地質(zhì)災害、災變[3-4]。

目前，巖溶的整治工作主要有2方面。一方面針對巖溶水“以疏為主，堵排結合”；另一方面針對巖溶溶腔用“堵填跨繞”等方式整治[5-6]。毛賢等[7]針對廣深港高鐵提出利用盾構配置的超前鉆探系統(tǒng)在洞內(nèi)進行溶洞鉆探及注漿加固；黎新亮[8]介紹了盾構隧道穿越湘江溶洞區(qū)江面處理方案；崔大龍等[9]論述了廣州地鐵5號線巖溶地層盾構技術特殊處理措施。以上文獻主要對巖溶的鉆探、注漿加固和治理措施進行了研究，但針對溶洞處理后效果檢驗及盾構隧道施工環(huán)境效應影響，目前還沒有相關的研究和論述。

本文就廣州地鐵某砂土覆蓋型巖溶地層交界面處盾構隧道施工采用地面注漿填充的處理方式，通過對其中一段監(jiān)測區(qū)間內(nèi)的溶洞處理效果檢測試驗以及地面、房屋沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，證明了溶洞注漿加固處理在巖溶地層隧道界面施工中的工程適用性。

1工程概況

廣州地鐵某盾構區(qū)間長1.21 km，區(qū)間隧道埋深較淺，覆土厚7～8.5 m，縱斷面為人字坡，最大縱坡9‰，最小縱坡2.965‰。勘察期間揭露沿線地下水穩(wěn)定水位埋深2.70～4.60 m，初見水位埋深1.70～5.60 m。根據(jù)沿線地下水賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征，分析地下水主要有上層滯水、孔隙水、溶洞(土洞)水和裂隙水4種基本類型。

盾構隧道穿越的地層主要為砂層〈3-2〉、〈3-3〉，黏土層〈4N-2〉、〈4N-3〉，炭質(zhì)泥巖，灰?guī)r，炭質(zhì)灰?guī)r殘積土層〈5C-1A〉，部分隧道下部穿越灰?guī)r〈9C-2〉，各土層物理力學參數(shù)如表1所示。隧道下方基巖是石炭系中上統(tǒng)壺天群灰?guī)r或石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子組灰?guī)r。灰?guī)r中溶洞發(fā)育，多處鉆孔揭露的溶洞處于盾構隧道結構底板以下5 m左右，對盾構施工及將來地鐵運營安全構成一定威脅，需要對溶洞進行注漿充填處理(如圖1所示)。區(qū)間2次勘察共完成鉆孔356個，揭露發(fā)育溶洞的鉆孔168個，見洞率為47.2%。溶洞多呈半充填和無充填狀態(tài)。勘察揭露充填物質(zhì)多為可塑、軟塑狀黏性土，易被水流沖蝕，局部洞體充填砂土和巖塊，鉆探中表現(xiàn)為漏水，地層軟弱。

表1　土層物理力學參數(shù)

注： 〈9C-2〉微風化灰?guī)r的天然單軸極限抗壓強度標準值fc為56.6 MPa。

圖1　監(jiān)測區(qū)間內(nèi)地層剖面圖

2工程地質(zhì)風險

盾構區(qū)間在砂土覆蓋型巖溶地層中施工存在以下風險。

1)巖溶塌陷。巖溶地層中的溶洞和土洞在長期自然侵蝕下處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，隧道掘進擾動會產(chǎn)生難以預計的影響[10]。由于巖溶結構物部分或全部懸空，可靠度很低，施工過程造成的結構性破壞可能會引起塌方、冒頂?shù)茸匀凰洮F(xiàn)象，損壞隧道及路面構筑物。

2)突水涌泥砂。灰?guī)r大多是構造含水層，賦水量相當豐富，多為承壓水，盾構掘進時可能會產(chǎn)生突水并伴隨大量泥砂涌入，對隧道以及周邊建(構)筑物造成較大影響[11]。

3)隧道及盾構受損。當隧道出現(xiàn)較大的溶洞時，盾構會因前方失穩(wěn)而栽頭，甚至被溶洞卡死，無法推進。灰?guī)r具有較高的抗壓強度與較強的耐磨性，刀具與刀盤極易被磨損與破壞，若灰?guī)r處于巖溶發(fā)育部位，較難對掌子面加固截水后進行刀具和刀盤修復。此外，在高地下水位的巖溶地層中同步注漿，漿液極易流失，損失的土體導致更大的地面沉降。所有上述因素會使隧道軸線偏差加大，土體擾動加劇，地面沉降顯著，甚至會造成隧道本身受損。

4)長期不穩(wěn)定性。由于巖溶地層的破壞性，隧道在底層塌陷、施工后沉降、周邊土工作業(yè)、地下水異常活動乃至列車周期性荷載的擾動下，會造成隧道結構變形，給隧道運營帶來影響[12]。

3溶洞處理方案

3.1處理流程

本工程中溶洞處理流程如圖2所示。使用地質(zhì)鉆探或地震波勘探、CT、地質(zhì)雷達等物探方法進行勘察[13]，根據(jù)溶洞的數(shù)量、位置、填充物等基本情況判斷進一步處理的必要性。對溶洞進行注漿填充的處理一般采用袖閥管注漿[14]。采用UCS(無側限抗壓強度測試)、SPT(標準貫入試驗)或者巖芯取樣的方式來檢驗溶洞處理效果。

圖2　溶洞處理流程

3.2判斷標準

溶洞處理需綜合考慮溶洞相對距離、充填物、內(nèi)部水壓以及圍巖級別、隧道荷載情況等。根據(jù)相關規(guī)范規(guī)定，參考廣州地區(qū)施工經(jīng)驗，并結合本區(qū)間盾構隧道工程實際，制定了以下判斷標準： 1)隧道前方及上方的溶洞減少了上覆土層的厚度，易發(fā)生冒頂泄氣等事故，需要在盾構掘進前處理； 2)對于隧道洞頂和兩側的溶洞，距離隧道開挖輪廓線3 m范圍以內(nèi)的必須全部處理； 3)對于隧道下方的溶洞，依照距隧道底的距離以及溶洞自身穩(wěn)定性劃分，距離隧道底5 m以內(nèi)的溶洞以及5～10 m的部分填充溶洞都需要處理(如圖3所示)。

圖3　隧道沿線溶洞處理原則

3.3注漿方案

溶洞處理前，先進行溶洞平面范圍的探測，盡可能摸清溶洞規(guī)模，以揭示溶洞的鉆孔為基準點加密鉆孔，間隔2.0 m向四周擴散(如圖4所示)。探測孔可兼作注漿孔進行注漿充填，并選擇數(shù)個洞頂處鉆孔兼作排氣孔，排氣孔每洞至少1個，間距為4 m。注漿施工時，應先做外排止水、止?jié){帷幕，將處理范圍內(nèi)的溶(土)洞與外界洞體隔離，再處理中間區(qū)域。若在周邊孔第1次注漿，注漿量已較多，壓力達不到設計要求時，周邊孔與中央孔可交替注漿。此外，中央?yún)^(qū)域注漿應跳躍施工，以防跑漿、竄漿現(xiàn)象。

圖4　注漿孔平面分布(單位： m)

注漿開始后，袖閥管和注漿芯管下到洞底或洞底以下0.2～0.3 m，從洞底往上壓注水泥漿，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa，注漿速度在30～70 L/min；當注漿壓力上升到0.5 MPa后，將注漿芯管提升0.4 m，循環(huán)往復直至注漿芯管升至洞頂；升至洞頂后繼續(xù)注漿，直至注漿壓力達到1.2 MPa，穩(wěn)壓10 min后可終止注漿。

3.4注漿材料選擇

注漿材料分為普通水泥砂漿和雙液漿2種。普通水泥砂漿質(zhì)量配合比為水∶水泥∶砂=0.8∶1∶1,用于中心孔(如圖4所示)注漿。雙液漿含水、水泥和水玻璃，質(zhì)量配合比為(0.8～1)∶1∶(0.08～0.2)，用于邊緣孔(如圖4所示)注漿，形成止?jié){墻。水玻璃的波美度為38～43 Be′，模數(shù)為2.4～3.0,水泥則采用42.5級普通硅酸鹽水泥。

4溶洞處理效果監(jiān)測

4.1溶洞分布情況

區(qū)間溶洞分布情況如圖5所示。選取的監(jiān)測區(qū)間內(nèi)隧道長約312 m，包含338—545環(huán)的管片。圖5中： 實心圓圈代表不需要處理的溶洞，總計18處；空心圓圈代表經(jīng)過處理的溶洞，處理過程如第3節(jié)所述，總計17處，編號K1—K17。監(jiān)測區(qū)間內(nèi)隧道中心軸線處地層剖面如圖1所示，可以看到盾構隧道有很長的距離處在巖溶發(fā)育的巖層和上覆軟土層的交界面處。

4.2注漿加固效果檢測

溶洞注漿加固效果可以通過無側限抗壓強度(UCS)、標準貫入試驗(SPT)以及巖芯采樣率(CR)3個指標體現(xiàn)。檢測采用隨機鉆孔抽芯法，鉆孔抽芯需按1%孔數(shù)抽查，且不少于3點，每個溶洞檢測數(shù)量不少于1個檢測孔。溶洞注漿加固28 d以后，進行鉆孔采樣。樣品的無側限抗壓強度應大于0.2 MPa，原位標貫試驗標貫擊數(shù)應不少于10擊，巖芯采樣率應不低于90%。原溶洞位置處應要求填充充盈密實、水泥土固結。

圖5　區(qū)間內(nèi)溶洞分布及處理情況

K1—K17溶洞的檢測結果如圖6所示。標貫試驗的標貫擊數(shù)(SPT)全部在18擊以上；無側限抗壓強度(UCS)在1.1～1.5 MPa，遠大于設計要求的0.2 MPa，注漿加固后強度可以提供足夠的承載力；巖芯采樣率(CR)都在90%以上。鉆孔采樣的樣本在原溶洞深度處基本上都是固結的水泥土。以上試驗結果證明： 注漿加固效果良好，為之后的隧道掘進提供了施工條件。

(a) 標準貫入施工試驗SPT(b) 無側限抗壓強度UCS(c) 巖芯采樣率度CR

圖6K1— K17溶洞注漿加固效果檢查結果(平均值)

Fig. 6SPT values of karst caves, UCS values of drilling samples and core recovery (Average value of K1-K17)

4.3環(huán)境效應監(jiān)測

4.3.1監(jiān)測方案

溶洞注漿后，對周邊環(huán)境的影響進行監(jiān)測，在監(jiān)測區(qū)間內(nèi)設置4個地面沉降監(jiān)測點(S1—S4)，9個房屋沉降監(jiān)測點(A1—A9)，其分布如圖7所示。圖7中： 地面沉降監(jiān)測點S1、S3分別位于隧道右線、左線463環(huán)管片位置處線路軸線中心，S2、S4則位于隧道522環(huán)管片位置處線路軸線中心，地面沉降控制值為-30 mm，隆起控制值為10 mm；房屋沉降監(jiān)測點A1—A9是監(jiān)測距隧道邊線18 m的建筑沉降，該建筑樓高20 m，采用框架結構，條形基礎，基礎埋深1.5 m，建筑允許最大沉降30 mm，差異沉降10 mm，傾斜度控制在4‰以內(nèi)。監(jiān)測點的監(jiān)測頻率初期為1次/d，當盾構到達監(jiān)測點位置前方30 m處時，監(jiān)測頻率提高至3次/d。

圖7　沉降監(jiān)測點平面布置

4.3.2監(jiān)測結果

S1—S4監(jiān)測點地面沉降如圖8所示。由圖8可以看到： 在盾構到達S1所在位置前，S1點沉降一直保持穩(wěn)定；當盾構到達S1所在位置后，S1點地面沉降迅速增大，直至在25 mm左右回歸穩(wěn)定；S2和S4監(jiān)測點的地面沉降變化趨勢和S1類似，2處最大沉降分別為37.9 mm和30.6 mm；S3監(jiān)測點在盾構即將抵達時有6 mm左右的沉降，在盾構遠離其位置32 m之后又產(chǎn)生了20 mm左右的沉降，最終地面沉降穩(wěn)定在了29.6 mm左右，這一部分沉降可能是局部黏性土在盾構遠離后排水固結產(chǎn)生的。

圖8　S1—S4監(jiān)測點地面沉降

Fig. 8Ground surface seltlements of monitoring points S1, S2, S3 and S4

隧道沿線某建筑在盾構掘進期間產(chǎn)生的沉降如圖9所示。建筑沉降在隧道右線通過時變化緩慢，但在隨后隧道左線通過時變化加劇，并最終在80 d后趨于穩(wěn)定。建筑沉降大致在±5 mm的范圍內(nèi)波動。隧道右線通過時，建筑沉降在±3 mm以內(nèi)；當隧道左線到達后，波動范圍加大，直到第67天隧道左線完全通過時到達最大±8 mm；隧道完全通過后，建筑沉降逐漸穩(wěn)定并最終保持在±5 mm以內(nèi)，建筑傾斜由最初的2.9‰增加到3.2‰。

圖9　A1—A9監(jiān)測點建筑沉降

監(jiān)測結果表明，由于隧道埋深較淺、直徑較小，隧道軸線位置處地面沉降主要受盾構掘進影響，受鄰近隧道盾構掘進影響較小。鄰近建筑物沉降主要是受相距較近的左線盾構掘進影響。區(qū)間內(nèi)隧道工程穿越監(jiān)測區(qū)間造成了35 mm左右的地面沉降以及±8 mm的周邊建筑沉降，但區(qū)間隧道順利貫通，其間沒有發(fā)生巖溶地區(qū)常見的工程地質(zhì)災害，基本滿足了工程設計要求。監(jiān)測結果也證實了在砂土覆蓋型巖溶地層界面處對溶洞進行注漿加固處理是具備工程適用性的。雖然整體地面沉降超過了控制值，但變化過程較穩(wěn)定，基本符合隧道掘進引起地面沉降變化的一般規(guī)律，對附近房屋結構沒有造成大的差異沉降，證明掘進過程中沒有發(fā)生災害性地層損失以及明顯的固結沉降，地面沉降主要由施工引起的地層損失構成。部分區(qū)域地面沉降超限是由于盾構推進過程中速度、土艙壓力、同步注漿等程序的控制出現(xiàn)疏漏。在今后的盾構隧道掘進過程中，做好盾構掘進參數(shù)控制，完善同步注漿、二次注漿的操作，可以有效地減小地面沉降。

5結論與討論

1)為了避免砂土覆蓋型巖溶地層中盾構隧道施工可能引發(fā)的工程地質(zhì)災害，需要結合現(xiàn)場環(huán)境、施工條件選擇適當?shù)娜芏刺幚矸桨浮２捎眯溟y管地面注漿填充的處理方式在本工程條件下具備一定的工程適用性。

2)區(qū)間內(nèi)盾構隧道掘進環(huán)境效應的監(jiān)測結果表明： 采取標貫試驗的標貫擊數(shù)(SPT)全部大于18擊、無側限抗壓強度(UCS)大于0.2 MPa、巖芯采樣率大于90%的標準，對溶洞處理效果進行檢驗的有效性符合本工程盾構隧道的施工要求。

3)軟弱地層與巖溶地層交界面處盾構隧道掘進的環(huán)境影響控制在溶洞處理完善的基礎上，還需要綜合考慮盾構掘進參數(shù)控制的因素，配合完善的同步注漿、二次注漿等工序。

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A Case Study of Ground Surface Grouting Reinforcement of Shield Tunnel in Karst Strata with Sandy Soil Cover

QIAN Zhuang1, XU Yeshuang1, 2, SHEN Shuilong1, 2, CUI Qinglong1

(1.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;2.StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,Shanghai200240,China)

Abstract:The reinforcement of karst cave is the key to shield tunnelling in karst areas. In this paper, the main geological risks when shield boring in karst strata with sandy soil cover are discussed; and then the ground surface reinforcement technology is introduced in terms of estimation standards of karst treatment, grouting program, grouting materials selection and grouting effect examination. Meanwhile, the grouting effect and the ground surface and building settlement are monitored. The study results show that: 1) The grouting reinforcement has reached good effect.2) The ground surface and building settlement induced by shield boring varies steadily.3) The ground surface grouting reinforcement is suitable for shield tunneling in karst strata with sandy soil cover.

Keywords:shield tunnel; karst strata with sandy soil cover; grouting reinforcement; settlement monitoring

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)04-0479-06

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.017

第一作者簡介：錢莊(1992—)，男，湖北黃梅人，上海交通大學土木工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為盾構隧道掘進環(huán)境效應。E-mail: aichiboluobao@163.com。

收稿日期：2015-09-08； 修回日期： 2015-12-04