全斷面巖溶裂隙富水地層土壓平衡盾構施工關鍵技術研究

摘 要：以廣州地鐵八號線北延段某盾構區間全斷面巖溶裂隙富水地層中土壓平衡盾構施工為背景，通過對土壓平衡盾構在巖溶裂隙富水地層施工導致地層失水、溶洞失穩、地面沉降或塌陷，所采取的一系列施工技術進行研究，并對全程進行技術總結。研究表明，通過采用提前對巖溶裂隙注漿封堵處理和盾構保壓掘進技術，成功的解決了在周邊環境復雜的巖溶裂隙富水地層盾構掘進中地層失水導致地面塌陷的難題，確保了周邊環境安全，為盾構機順利完成本工程施工任務提供了有力支持，可為相似地層盾構施工提供了寶貴的經驗。

關鍵詞：巖溶區；裂隙水；注漿；土壓平衡；地層失水

1 引言

廣州市地鐵八號線北延段線路主要位于瘦狗嶺斷裂以南構造區。根據地質資料揭示，該區域地質結構溶土洞異常發育，且該區域灰巖上部直接覆蓋富水砂層，地下水位高，工程條件異常復雜，在此地層中地下隧道施工風險極大。

本線路位于廣州城市城鄉結合部，隧道城市發展，地鐵線路建設向更深更艱難區域推進，工程建設范圍內房屋密集、交通繁忙、地下管線錯綜復雜，按照線路規劃，本工程有八成隧道位于巖溶區，其中局部隧道穿越全斷面灰巖，在此地層中盾構隧道的可借鑒施工成功經驗有限。同時由于地下條件的復雜性，在現技術條件下無法完全探明地層中的裂隙（溶洞），并提前完成注漿處理，為控制盾構在全段面灰巖且裂隙發育地下水豐富地層中掘進對周邊環境的破壞，降低施工風險，需采取一定措施將隧道開挖范圍與外部環境水系通道進行隔離，同時采取氣壓輔助盾構掘進技術，防止原地層中水土流失，降低盾構隧道施工對周邊環境的影響，確保施工安全。

2 工程基本情況

本工程區間隧道采用盾構法施工，區間隧道長約為1550m，埋深8-16m，主要穿越地層有富水砂層、鈣質灰巖（強風化、中風化、微風化）及上軟下硬（砂/灰巖），地下水位為地表以下1.5-2m，其中隧道60%位于全斷面巖溶裂隙富水地層中，周邊建構筑物密集、地下管線復雜、地面交通繁忙、施工風險高，此區間采用海瑞克雙螺旋土壓平衡式盾構機施工。

3 施工中存在的問題

在全斷面灰巖地層中盾構掘進可能存在的問題如下：

（1）盾構外出渣土量超出理論渣土量。渣土稀且噴涌。

（2）地面沉降值超標。

（3）地面沉降位置距離作業范圍遠。

（4）地面塌陷位置異常，超出正常盾構施工影響范圍。

4 巖溶裂隙富水地層失水導致地層失穩原因分析

4.1 地層原因分析

根據灰巖地層特性[1]，地層中溶洞發育不規律，發育程度不一致，地層中裂隙更是無法完全預判和勘探清楚，且溶洞與溶洞之間、溶洞與上部地層之間以及隧道與溶洞之間可能存在自然水流通道如圖1所示，固此地層中無法完全提前對裂隙及溶洞進行注漿或封堵處理。

4.2 地層失穩原理

當盾構隧道掘進至上述地段時，地層中水通過裂隙通道隨盾構渣土帶出，引起原處于平衡狀態的溶洞產生負壓，吸引上部地層中砂、水等往溶洞中填充，當失水超過一定數量后，將引起地面沉降，水土流失地層失穩導致地面塌陷，如圖2所示。

5 巖溶裂隙處理技術

5.1 工藝流程

巖溶裂隙處理工藝流程[2]，如圖3所示。

5.2 巖溶裂隙處理施工工藝

5.2.1 施工準備

（1）技術方案準備。根據灰巖地層中巖溶裂隙及溶土洞發育的不規則性[1]，為有效封堵巖溶裂隙通道，經過研究分析，在注漿機壓力作用下將雙液漿（水泥漿+水玻璃）壓入巖層裂隙，封堵透水通道，地面布孔技術參數如下：

①平面布孔原則：沿隧道方向注漿孔間距2m，距離隧道邊線1m，沿隧道中心線方向注漿孔間距5m，單隧道三排注漿孔。

②豎向處理范圍：注漿孔深度至隧道底一下2m。

③注漿封堵范圍：對隧道底2m至隧道結構頂2m范圍內的裂隙進行注漿雙液漿，如圖4所示。

（2）施工人員及機械準備[3]。根據現場作業面大小及施工進度要求配置施工人員及設備，通常11人/班/套，選擇對地層熟悉的技術人員，作業人員需選擇有經驗的熟練人員，注漿設備采用后退試劈裂注漿。

（3）現場調查。因本工程隧道位于城市道路下發，地下管線復雜，根據設計布孔位置，現場摸查地下管線，查明涉及區域的管線類型及埋深做好標記，同時施工前向作業班組交底。同時，實際作業位置位于道路范圍部分提前做好交通疏導工作。

5.2.2 鉆孔取芯

（1）采用地質鉆機鉆孔取芯，通過巖心特點判定探測范圍地層裂隙或溶（土）洞的位置、發育情況、及充填物狀況。并詳細記錄各項技術參數，特別標注掉鉆、漏水、破碎等異常部位，每個鉆孔制作鉆孔柱狀圖。

（2）針對性的分析每個鉆孔資料，擬定注漿方案并進行交底。

5.2.3 注漿機安裝

（1）鉆孔完成后將鉆注一體機移動至鉆孔位置，安裝注漿管（下鉆），深度至鉆孔底部。（2）利用鉆注一體機注雙液漿將注漿管和孔壁的間隙填充滿，防止后續注漿過程中，從孔壁冒漿。

5.2.4 注漿[3]

（1）拌制水泥漿液，水泥漿配比為水泥：水=1：1。（2）配置雙液漿（雙液漿水泥漿：水玻璃=1：1，擬定凝結時間40s～45s。（3）鉆桿下至巖面位置注雙液漿，封堵巖面口及周邊砂層，防止漿液外漏。（4）根據鉆孔地質資料分析結果，下鉆桿至孔底，在加固范圍內，針對鉆孔過程發現存在漏水、破碎、溶洞部位注雙液漿，充分填充滲水通道。根據注漿部位深度及裂隙中注漿壓力偏高特點，終孔壓力為1.3MPa～1.5MPa（注漿深度16m～22m），巖面以上小壓力（0.3MPa）注單液漿填充至孔口進行封口。（5）注漿完成后進行洗管清場。

5.2.5 注漿效果檢查

（1）鉆孔檢查：在已完成注漿處理孔附近鉆孔檢測（已注漿孔之間），觀察檢測鉆孔鉆進過程中是否存在漏水現象，同時檢查芯樣中破碎區水泥漿含量，若未出現漏水或芯樣中含水泥漿，說明漿液已擴散至周邊巖層裂隙，達到預期封堵效果。

（2）掘進過程檢查，主要通過觀察渣土顏色、統計排渣總量檢查，或者常壓開倉檢查，若出渣較干、掌子面無滲漏，說明隧道開挖周邊密封性能好，地層無水土流失，裂隙通道封堵效果較好。

5.3 巖溶裂隙處理注漿注意事項

（1）注漿過程中需進行實施監測，根據現場監測情況和注漿壓力進行雙控，控制提桿或終孔。

（2）嚴格控制漿液質量，由于地下環境復雜，地下水豐富，為保證效果，雙液漿凝固時間調配時按30s～35s，注入地下后方可達到設定的凝結時間40s～45s，達到預期效果。

（3）詳細記錄現場鉆孔情況，為后續針對巖層破碎、漏水、溶洞部位定點處理。

（4）城市中地面施工，地下建（構）筑物較復雜，開孔前需詳細摸查，避免破壞地下建（構）筑物。

（5）對于嚴重漏水、漏漿鉆孔或者揭示有溶洞發育鉆孔，成孔完成后立即進行注漿封堵，防止鉆孔滲漏導致地面塌陷等風險。

6 全斷面巖溶裂隙富水地層輔助盾構掘進措施

6.1 盾構掘進模式選擇

正常全斷面巖地層采用空倉掘進模式，巖溶裂隙發育地段，為確保周邊環境安全，降低對溶洞的擾動，采取氣壓輔助掘進模式，土倉內渣土與壓縮氣體比例選擇2：1左右，即可保持水土平衡，同時減少刀具磨損。

6.2 盾構掘進參數控制

在全斷面巖層中采取裂隙注漿處理后，盾構掘進主要參數控制如下：

（1）掘進速度8mm/min～15mm/min。

（2）扭矩2300kN·M～2800kN·M。

（3）推力1000T～1500T。

（4）土壓1.2bar～1.5bar（主要為1/3倉氣壓），保持出渣量均勻穩定，倉壓相對穩定。

6.3 掘進效果對比

通過對比相同地層處理和未處理掘進效果，統計分析渣土樣式、渣土量、開倉效果、地面異常次數等方面數據，盾構通過掌子面為全斷面微風化硬巖裂隙發育、地下水較大的處理區段，較未處理的相同地層地段，渣土樣式粘如圖5所示，渣土量少出1.5-1.8方/環，開倉掌子面干燥如圖6所示，地面監測異常情況為零。

實際盾構掘進效果表面，通過裂隙注漿處理后對巖溶地層裂隙水的流失情況基本得到控制，為較好的進行渣土改良，掘進過程需往土倉加水（平均約3.5m3/環），說明開挖掌子面來水較少，達到了預計處理效果。

7 結束語

通過采取提前對巖溶裂隙注漿處理在本項目的成功實施，取得了較好的效果，證明了全斷面巖溶裂隙富水地層中采取裂隙注漿+氣壓輔助掘進技術能有效的控制了此類地層中盾構掘進風險，對周邊環境保護起到了關鍵性作用，為土壓平衡盾構在此類地層中施工提供了寶貴經驗，保證盾構施工安全。

參考文獻：

[1] 錢莊，許燁霜，沈水龍，崔慶龍.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[J].隧道建設，2016（4）：479～484.

[2] 桂林.廣州地鐵五號線巖溶地區盾構隧道工程技術研究[J].桂林工學院學報，2008（8）：324～329.

[3] 萬維燕.巖溶區地鐵基坑涌水治理技術研究[J].鐵道建筑技術，2017（12）：17～19.

作者簡介：

江俊，男，單位：中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，工程師，畢業院校：武漢理工大學，土木工程專業。