地鐵隧道穿越巖溶地區(qū)處理方案及控制措施研究

廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510670

隨著軌道交通的快速發(fā)展，在巖溶地區(qū)修建地鐵區(qū)間隧道已經(jīng)成必然趨勢(shì)，專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究，如卓旭煬[1]分析了巖溶上覆地層塌陷機(jī)理以及軟塑紅黏土層及硬塑紅黏土層中盾構(gòu)隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)，并提出了相應(yīng)的處理措施。

趙勇等[2]以衡陽合江套湘江隧道為背景，對(duì)隧道穿越巖溶區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行了量化分析，提出了完善的巖溶風(fēng)險(xiǎn)處理措施。陸平等[3]結(jié)合武漢地鐵6號(hào)線，在分析溶洞塌陷機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)不同地質(zhì)巖溶發(fā)育類別應(yīng)采取相應(yīng)的處理方法。一般巖溶地層土層之間的力學(xué)差異性大，抗剪強(qiáng)度較低，后期沉降較大。對(duì)于巖溶地區(qū)施工城市的地鐵區(qū)間隧道，在盾構(gòu)的掘進(jìn)過程中更容易引起地面的不均勻沉降和盾構(gòu)機(jī)的掉鉆、栽頭等嚴(yán)重事故，從而影響地基的穩(wěn)定性。為此，在巖溶地層中采取有效措施對(duì)保證盾構(gòu)隧道的安全通過具有重大意義。

文章依托廣州市軌道交通8號(hào)線的兩個(gè)區(qū)間段（分別為出入段線區(qū)間及亭崗站—白云湖區(qū)間），基于隧道的設(shè)計(jì)與施工，提出開展地鐵區(qū)間隧道如何順利通過此類存在巖溶情況的復(fù)雜地層條件以及現(xiàn)場(chǎng)如何保證施工質(zhì)量和加固措施，然后介紹了巖溶地區(qū)地鐵區(qū)間隧道運(yùn)營(yíng)期間的一些主要風(fēng)險(xiǎn)和保護(hù)措施，為復(fù)雜巖溶地區(qū)的地鐵盾構(gòu)設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況及處理方案比選

1.1 工程概況

文章以廣州地鐵8號(hào)線北延段工程的亭崗站—白云湖區(qū)間及出入段線區(qū)間隧道為工程依托，根據(jù)亭崗站—白云湖區(qū)間的勘探結(jié)果，一共勘探了87個(gè)孔，其中14個(gè)鉆孔出現(xiàn)溶洞，其見洞率達(dá)16.1%；根據(jù)出入段線區(qū)間隧道勘探的25個(gè)孔中有9個(gè)鉆孔出現(xiàn)溶洞，其見洞率達(dá)36%，由此可知兩個(gè)區(qū)間均屬于巖溶發(fā)育區(qū)間。區(qū)間隧道范圍內(nèi)溶（土）洞發(fā)育，對(duì)地下水位變化均較為敏感，地下水水位變化易導(dǎo)致巖溶塌陷。

1.2 處理方案比選

（1）巖溶區(qū)處理方案對(duì)比。對(duì)于巖溶風(fēng)險(xiǎn)區(qū)工程處理方法主要如表1所示。

表1 巖溶風(fēng)險(xiǎn)區(qū)工程處理方法表

該項(xiàng)目的巖溶地層主要存在于區(qū)間隧道，為防止盾構(gòu)出現(xiàn)栽頭掉鉆等風(fēng)險(xiǎn)，給行車安全及路面塌陷造成無法估量的后果，該工程主要采用注漿方式對(duì)巖溶區(qū)進(jìn)行預(yù)處理，區(qū)間隧道溶洞處理遵循溶洞探邊及注漿同步進(jìn)行的原則。

對(duì)于注漿材料的選擇，開展了兩個(gè)方案進(jìn)行比較：一是水泥漿液摻入粉煤灰；二是砂子里注入注漿液。

注漿的水泥漿液均有加入水玻璃速凝劑，根據(jù)室內(nèi)外試樣對(duì)比，如表2所示。

表2 注漿材料方案試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

通過研究可知，雖然方案一造價(jià)約為404元/m3，方案二造價(jià)約為326元/m3，但是方案一擴(kuò)散半徑為2.6m，方案二擴(kuò)散半徑為0.8m。故文章注漿材料選用水泥漿液摻入粉煤灰，其中粉煤灰、水泥、水質(zhì)量比為0.32∶0.56∶1，水玻璃速凝劑的體積比約為0.08∶0.2∶1。

（2）注漿方案對(duì)比。目前地面的加固注漿方案主要有袖閥管地面注雙液漿與雙管旋噴樁，采用的布置方案均可為2000mm×2000mm梅花形，深度到巖面，與地面成90°直角。考慮到方案的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)兩種方案的設(shè)計(jì)概算進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表3、表4所示。

表3 袖閥管地面注雙液漿造價(jià)變化表

表4 雙管旋噴樁地面加固造價(jià)變化表

由表3、表4可知，在同樣的注漿間距和深度的情況下，由于采用袖閥管對(duì)地面注雙液漿液的方法造價(jià)更低，因此該項(xiàng)目采用這一方法。

2 巖溶地區(qū)處理方案

2.1 巖溶地區(qū)處理目的

（1）減小在區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中產(chǎn)生坍塌和盾構(gòu)機(jī)頭的掉鉆、栽頭風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免對(duì)周邊管線和建筑物造成影響。

（2）滿足盾構(gòu)區(qū)間隧道底部的承載力和變形條件。

（3）防止溶（土）洞的發(fā)育程度加深，降低地鐵通車后的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 巖溶地區(qū)處理原則

（1）區(qū)間隧道底施工應(yīng)遵循巖溶處理、施工期突涌水、基底處理以及通車期間風(fēng)險(xiǎn)防治措施等多方面統(tǒng)一考慮的原則。

（2）對(duì)工程安全有影響的溶洞和土洞全部需要進(jìn)行處理。

（3）如果在工程影響范圍內(nèi)存在非完全填充的土洞，需要全部進(jìn)行處理；如果在工程影響范圍內(nèi)存在完全填充的土洞，則根據(jù)周圍環(huán)境及填充物的性質(zhì)來確定是否需要進(jìn)行處理[4]。

2.3 巖溶地區(qū)處理范圍

根據(jù)巖溶地區(qū)的處理原則，為了能夠確保在地鐵施工過程中和施工完成后運(yùn)營(yíng)階段的安全，地質(zhì)勘察單位探明的所有關(guān)于工程影響范圍的巖溶地層均需要進(jìn)行處理。

當(dāng)區(qū)間隧道底部的地質(zhì)情況為灰?guī)r時(shí)，需要對(duì)隧道結(jié)構(gòu)輪廓外1m后的巖溶地層作為處理的范圍，且應(yīng)處理存在于隧道底板下2m內(nèi)任意大小的溶洞[5]。當(dāng)區(qū)間隧道底部的地質(zhì)情況為砂土層時(shí)，如果隧道底部仰拱的土層為黏土或粉質(zhì)黏土等不透水的隔水層，且厚度超過2m時(shí)，對(duì)于隔水層下方的巖溶地層可以不進(jìn)行處理；如果隧道底部為砂層，且不存在穩(wěn)定的隔水層，隧道外輪廓外偏3m及底板下2m范圍內(nèi)的巖溶地層，都應(yīng)該進(jìn)行處理。

2.4 巖溶區(qū)處理流程

（1）布置鉆孔。需要同步進(jìn)行鉆孔布置及溶洞探邊，將存在溶洞的鉆孔作為基準(zhǔn)點(diǎn)，先從隧道邊線對(duì)鉆孔進(jìn)行加密施工，若在隧道內(nèi)進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔間隔應(yīng)該為2m，并將其作為注漿孔。選擇在數(shù)個(gè)洞頂處鉆孔，將其作為排氣孔，鉆孔的間距如果超過4m，則需要進(jìn)行加設(shè)，其布置圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)3米線鉆孔平面布置圖（單位：m）

圖2 隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)1米線鉆孔平面布置圖（單位：m）

（2）溶洞探邊。對(duì)于溶洞的探邊鉆孔，一般采用的是91mm的直徑，在鉆孔的過程中要采用泥漿護(hù)壁，并施作套管跟進(jìn)，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)停止鉆孔，拔出套管并插入注漿管，對(duì)注漿管周邊進(jìn)行水泥漿充填。

關(guān)于溶洞邊界的探明，如果外圍的鉆孔出現(xiàn)溶（土）洞（或所揭示的溶土洞不符合處理原則），則采用封孔處理。如果在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)符合處理原則的溶（土）洞，則需要在鉆孔過程中做好記錄并下注漿管。

根據(jù)探邊鉆孔原則，當(dāng)隧道底板處于不透水層時(shí)，探邊鉆孔至隧道底2.0m；當(dāng)隧道底板處于砂層時(shí)，探邊鉆孔需要穿透砂層，并進(jìn)入1.0m左右的不透水層；若砂層較厚，探邊鉆孔需要進(jìn)入10.0m的砂層。

（3）下注漿管。根據(jù)由詳勘鉆探和施工探邊了解到的溶洞情況，對(duì)溶洞進(jìn)行注漿處理，注漿管布置方式如下：地面到溶洞頂板的范圍采用實(shí)管；溶洞范圍內(nèi)采用鋼花管，鋼花管底部采用悶蓋進(jìn)行封堵。將實(shí)管和花管焊接為一根管后必須檢測(cè)管的密封性，在管內(nèi)注滿清水后（以重力抵消孔內(nèi)水的浮力），馬上將管插入鉆孔直至巖溶地層的處理標(biāo)高，注漿管頂部露出地面約0～30cm，同時(shí)露出地面的注漿管需要使用悶蓋加以保護(hù)。注漿管插入鉆孔后，對(duì)靠近地面1～2m的注漿管與鉆孔空隙需要使用水泥砂漿進(jìn)行封堵加固[6]。

巖溶區(qū)注漿的具體流程主要分為六個(gè)步驟進(jìn)行：

第一，通過取芯結(jié)果，對(duì)溶洞深度、位置、充填物及大小進(jìn)行判斷，并記錄整個(gè)過程的現(xiàn)場(chǎng)情況，如有無發(fā)生掉鉆、漏水等特殊情況；然后根據(jù)鉆孔結(jié)果制訂合理的溶洞處理方案及相關(guān)的注漿參數(shù)等，具體如圖3所示。

圖3 判斷溶洞深度、位置、充填物及大小

第二，安裝抵達(dá)溶洞底部20～30cm注漿管，具體如圖4所示。

圖4 安裝抵達(dá)溶洞底部20～30cm注漿

第三，在孔壁與套管之間注入套殼料；然后在地平面4m范圍內(nèi)通過止?jié){料進(jìn)行止?jié){（防止?jié){液流進(jìn)管道中），具體如圖5所示。

圖5 注入套殼料于孔壁與套管

第四，在注漿管內(nèi)安裝注漿芯管；然后進(jìn)行水泥漿液的配置，通過壓力注漿形式，對(duì)注漿管內(nèi)進(jìn)行壓力注漿；最后使溶洞內(nèi)充填物發(fā)生滲透固結(jié)并變密實(shí)，具體如圖6所示。

圖6 安裝注漿芯管于注漿管內(nèi)

第五，使用清水對(duì)注漿管進(jìn)行清洗后安裝孔口保護(hù)裝置，同時(shí)檢查溶洞的注漿效果，并對(duì)其是否合格進(jìn)行判斷，若不滿足要求則進(jìn)行二次注漿，具體如圖7所示。

圖7 安裝孔口保護(hù)裝置

第六，對(duì)注漿效果進(jìn)行最后的檢查，若合格則采用M15水泥砂漿進(jìn)行注漿封孔，并恢復(fù)路面，具體如圖8所示。

圖8 檢查注漿效果

3 巖溶區(qū)注漿處理質(zhì)量安全控制

3.1 注漿施工質(zhì)量控制措施

（1）注漿過程中如果發(fā)現(xiàn)大量漿液流失，為了保證注漿的效果，應(yīng)適時(shí)地添加水玻璃等。

（2）對(duì)于注漿孔的注漿應(yīng)采用跳躍方式注漿，防止串漿和跑漿。

（3）注漿方式一般采用重復(fù)注漿，以保證注漿的效果，注漿的間隔時(shí)間一般為6～10h，在進(jìn)行3次注漿后，當(dāng)達(dá)到終孔壓力時(shí)應(yīng)停止注漿并封孔。

（4）需要記錄現(xiàn)場(chǎng)整個(gè)過程，結(jié)合取得的注漿數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)，并記錄孔深、孔位、涌水等情況，如果不符合地質(zhì)報(bào)告，應(yīng)進(jìn)行更改修正。

3.2 巖溶區(qū)注漿處理效果查驗(yàn)

（1）對(duì)于溶（土）洞注漿效果的檢驗(yàn)，一般采用“二次注漿”方法檢查填充率，或通過隨機(jī)原位標(biāo)貫試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)注漿效果。當(dāng)標(biāo)貫值達(dá)到“堅(jiān)硬”時(shí)，注漿效果為優(yōu)；當(dāng)標(biāo)貫值達(dá)到“硬塑”時(shí)，注漿效果為合格[7]。

（2）對(duì)于基底處或基底下淺層溶洞，需要滿足以下任一條件：①隨機(jī)原位標(biāo)貫試驗(yàn)，其標(biāo)貫擊數(shù)大于等于10；②隨機(jī)鉆孔抽芯法抗壓試驗(yàn)，其28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.2MPa。

（3）將固結(jié)狀態(tài)及固結(jié)強(qiáng)度作為砂層等注漿加固效果檢查的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。其中，土層的固結(jié)狀態(tài)，一般通過“土層取樣”的方式檢查。如果試樣為“完整、不破碎”，則表明土層固結(jié)效果較好；如果試樣為“松散、破塊狀”，說明其固結(jié)效果較差。一般采用標(biāo)貫法檢查固結(jié)強(qiáng)度，其標(biāo)貫值達(dá)到“堅(jiān)硬”為優(yōu)，達(dá)到“硬塑”為合格。

4 運(yùn)營(yíng)期主要風(fēng)險(xiǎn)及保護(hù)措施

地鐵運(yùn)營(yíng)期間存在的風(fēng)險(xiǎn)主要有以下三點(diǎn)：

（1）受目前鉆孔和勘察水平的限制，難以探明地下所有溶洞的分布情況，而未探明的溶洞將導(dǎo)致地鐵在運(yùn)營(yíng)期間存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）由于地鐵通車對(duì)周邊經(jīng)濟(jì)的影響，必將導(dǎo)致地鐵周邊大量建筑物的興起，在對(duì)這類建筑物進(jìn)行打樁、抽排地下水和深基坑的開發(fā)時(shí)，容易導(dǎo)致溶洞的塌陷從而引起地面沉降和地下水位的急劇下降，進(jìn)而使地鐵的運(yùn)營(yíng)存在風(fēng)險(xiǎn)。

（3）地鐵運(yùn)營(yíng)期間，地鐵存在震動(dòng)荷載，該震動(dòng)荷載將對(duì)溶洞產(chǎn)生較大影響，對(duì)未探明及未處理的溶洞產(chǎn)生不利影響。

為了避免地鐵運(yùn)營(yíng)期間的這些風(fēng)險(xiǎn)，建議對(duì)地鐵進(jìn)行全方位自動(dòng)化監(jiān)控測(cè)量，同時(shí)在管片拼裝時(shí)預(yù)留注漿孔，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化較大時(shí)進(jìn)行注漿加固。對(duì)于在地鐵周邊開發(fā)和施工的項(xiàng)目，均需要對(duì)其周邊地鐵進(jìn)行安全評(píng)估論證，確保地鐵安全，最后嚴(yán)格控制周邊工程項(xiàng)目對(duì)地下水位的影響，確保地下水位不發(fā)生大幅度升降。

5 結(jié)論

文章基于廣州市地鐵8號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間工程實(shí)例，開展地鐵隧道穿越巖溶地區(qū)處理方案及控制措施的研究，主要工作總結(jié)如下：

（1）通過對(duì)比巖溶風(fēng)險(xiǎn)區(qū)工程處理方法，結(jié)合工程的特點(diǎn)，采用袖閥管注漿方式對(duì)巖溶區(qū)進(jìn)行預(yù)處理，防止盾構(gòu)出現(xiàn)栽頭、掉鉆等風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在明確了巖溶地區(qū)處理的目的、原則及范圍的基礎(chǔ)上，提出了巖溶區(qū)工程處理的具體流程，從而確保地鐵施工和運(yùn)營(yíng)的安全。

（3）建立了巖溶區(qū)注漿處理質(zhì)量安全控制，并對(duì)巖溶區(qū)注漿處理效果進(jìn)行查驗(yàn)。總結(jié)了運(yùn)營(yíng)期的主要風(fēng)險(xiǎn)，并提出相應(yīng)的保護(hù)措施，從而確保地鐵后期運(yùn)營(yíng)的安全。