軟土地層盾構(gòu)區(qū)段空洞處理技術(shù)研究

羅明亮 楊松波 吳文棟 徐紅日 黃 華

(1.深圳市土地投資開發(fā)中心，廣東深圳 518034； 2.上海寶冶集團有限公司，上海 200941)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，城市地鐵隧道越來越多。對于緊鄰城市地鐵隧道的施工地段，為了保證城市地鐵隧道的安全運營，施工過程中常需考慮因施工而引起的地面沉降及變形，尤其是在臨海區(qū)吹填軟土地層中，盾構(gòu)后的區(qū)段襯砌與地層間常常黏結(jié)不緊密，甚至出現(xiàn)空洞，對地鐵的運營及鄰近地段的施工帶來嚴重的安全隱患[1]。

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，建筑場地內(nèi)產(chǎn)生的空洞，包括巖溶、土洞等，采用傳統(tǒng)的鉆探方式往往無法精準地測量洞體的整體規(guī)模及形態(tài)特征。自20世紀80年代，物探技術(shù)迅速發(fā)展，工程物探技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到巖土工程勘察中[2]。目前，常用的工程物探包括地質(zhì)雷達、高密度電法等[3]。高密度電法是是一種陣列式勘探方法，數(shù)據(jù)采集方式是分布式的，野外測量時只需將全部電極置于測點上、然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集，適用于埋深較淺時的空洞探測[4-7]。鄭智杰等[8]運用高密度電法探測了巖溶裂隙的發(fā)育范圍；馬伏生等[9]布置了較高密度的測點，較為準確地測量了硐室的規(guī)模大小；郭鐵柱[10]用高密度電法對大壩滲漏處進行勘察并成功找到滲漏處。地質(zhì)雷達是利用探測目標體與其周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性、介電性的差異，通過高頻脈沖電磁波在電性界面上的反射來探測有關(guān)的目的物[11]。舒志樂[12]對隧道襯砌內(nèi)空洞進行了研究，探討了空洞的圖譜物征，并以此建立了探地雷達介電常數(shù)非線性反演的數(shù)學(xué)物理模型，結(jié)合實際工程提出了二、三維聯(lián)合檢測隧道襯砌的方法；王春和等[13]提出了一種利用探地雷達建立車載式道路災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的新模式。地質(zhì)雷達的探測深度一般在20 m以內(nèi)，在現(xiàn)場干擾因素較少、場地條件良好的情況下，地質(zhì)雷達具有較好的精度。在巖土工程中，地質(zhì)雷達常用于巖溶區(qū)城市軌道交通工程的溶、土洞勘察中，能有效得到大范圍分布巖溶的形態(tài)特征。因此，本次工程采用地質(zhì)雷達法對隧道襯砌內(nèi)的空洞進行探測。

本文依托深圳寶安國際機場擴建的T4航站樓地基處理工程，介紹盾構(gòu)區(qū)段空洞探測方法及處理方案，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對該地基處理方案的安全性、可靠性進行驗證，為沿海地區(qū)類似的工程提供相應(yīng)的經(jīng)驗參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

深圳機場擴建工程T4航站區(qū)軟基處理工程項目場地位于深圳市寶安區(qū)，位于珠江口伶仃洋東側(cè)，深圳機場T3 航站樓北側(cè)、一跑道西側(cè)、二跑道東側(cè)；包括運營地鐵 11 號線、在建穗莞深城軌、在建地鐵20號線的軟基處理工程。其中穗莞深(見圖1藍色線路)盾構(gòu)施工導(dǎo)致部分地段隧道上方土層存在復(fù)雜性質(zhì)的空洞、裂縫等，盾構(gòu)機運行路線的地面，多次不同時間段、不同地段出現(xiàn)過冒汽泡、冒漿液和大面積地陷，并造成T4航站樓中已施工的工程內(nèi)容如砂樁、攪拌樁損壞。針對上述情況，對場地內(nèi)已施工穗莞深鐵路隧道上方土層進行地質(zhì)雷達掃描，探明存在地下空洞、裂縫的區(qū)域。

圖1 地基處理區(qū)域示意圖

1.2 地層概況

場地原始地貌屬于海積沖積平原，后經(jīng)人工堆填，填海造陸形成陸域，地表堆積厚度較大的人工填土(砂)層，地勢開闊平坦。根據(jù)場地勘察資料，場地內(nèi)分布的地層主要有人工填土層、第四系海積層、沖洪積層及殘積層，下伏基巖為長城系混合花崗巖。其中人工填土層厚度較大，為項目主要的地基處理對象，待處理場區(qū)人工填土層的物理力學(xué)參數(shù)指標見表1。

表1 人工填土層的物理力學(xué)參數(shù)指標

1.3 地質(zhì)探測方法

根據(jù)現(xiàn)場試驗、實測資料可見，土體松散區(qū)、空洞區(qū)與周圍密實土體之間存在較大的相對介電常數(shù)差異，考慮本次探測的工作目的、精度要求及場地條件，采用地質(zhì)雷達法進行探測[14]。地質(zhì)雷達儀器為加拿大生產(chǎn)的Pulse EKKO PRO 100地質(zhì)雷達儀及配套的50 MHz天線。掃描工作剖面布置原則如下：在隧道上方及其邊線外擴10～20 m范圍內(nèi)布置測網(wǎng)，采用地質(zhì)雷達點測模式探測，天線中心頻率為50 MHz，點距0.5 m。沿隧道縱向(地質(zhì)雷達縱向探測)按0.5 m點間距布設(shè)，隧道橫向按5 m線間距布設(shè)；垂直于隧道方向(地質(zhì)雷達橫向探測)按0.5 m點間距布設(shè)，沿線路方向范圍按5 m線間距布設(shè)。根據(jù)上述測網(wǎng)布置原則，穗莞深鐵路(4標段)盾構(gòu)隧道上方共完成雷達掃描剖面158條，雷達掃描點測合計為13337點，雷達掃描剖面長度合計為6589.5 m。部分區(qū)域因場地未達到掃描條件無法按上述布置原則進行掃描。具體雷達掃描工作布置見圖2中藍色區(qū)域。

對本次地質(zhì)雷達探測結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，對比收集到的鉆孔資料，推測掃描區(qū)域內(nèi)存在21處土體相對松散或局部存在空洞異常區(qū)，空洞異常體多發(fā)生在土體相對松散區(qū)域，深度大概在2～6 m范圍內(nèi)，異常體最小長度為4 m，最大長度為10 m，平均尺寸在5～6 m之間，異常區(qū)位置及范圍見圖2紅色區(qū)域。

圖2 雷達掃描工作異常范圍示意圖

2 盾構(gòu)區(qū)段空洞產(chǎn)生原因

由于場地土較為松散，且近濱海區(qū)域多為淤泥質(zhì)土，在盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生了空洞異常體通常是盾構(gòu)掘進中多出土使地層土體損失現(xiàn)象嚴重導(dǎo)致的。結(jié)合現(xiàn)場施工條件，綜合已施工的盾構(gòu)隧道，空洞形成的原因主要有三方面：

(1)施工工藝影響：在盾構(gòu)推進中，在盾頂、換刀、車站端頭位置，地層受擾動程度較大，可能未及時科學(xué)地控制掌子面土壓力，合理調(diào)整掘進施工效率，導(dǎo)致出渣量過大，在同步灌漿不足條件下，隧道拱頂出現(xiàn)空洞；在臨海區(qū)域盾構(gòu)施工會引起地下水流失，地下水位下降，松散的富水砂層從而固結(jié)沉降，隧道頂部產(chǎn)生空洞。

(2)混凝土材料影響：施作二次襯砌時，由于泵送混凝土壓力不足而導(dǎo)致混凝土難以填滿模板，尤其是在鋼筋混凝土段施工時，由于鋼筋的阻礙作用，泵送混凝土壓力不足而導(dǎo)致的二次襯砌后背后產(chǎn)生空洞；混凝土材料本身影響產(chǎn)生襯砌背后空洞，如新拌混凝土的和易性不良、骨料級配不良以及混凝土自身的收縮變形等因素均可導(dǎo)致襯砌背后空洞的產(chǎn)生。

(3)盾構(gòu)設(shè)備本身影響：采用的泥水平衡盾構(gòu)機或土壓平衡盾構(gòu)機設(shè)備未能具有較好的土體適應(yīng)性；沒能基于場地條件科學(xué)地設(shè)置盾構(gòu)刀盤開口率和選擇螺旋輸送器材與碎石機，導(dǎo)致土壓的穩(wěn)定性降低，從而引起土體產(chǎn)生擾動；未配置特殊刀具適應(yīng)地層，導(dǎo)致刀具工作時磨損嚴重，引起土體損失形成空洞等。

由于地應(yīng)力從地表向下傳遞，土體損失引起的局部空洞使應(yīng)力的傳遞受到一定的阻礙，因此在空洞附近的土體中會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，當集中的應(yīng)力超過土體自身的強度時，空洞就會被迫垮塌破壞，產(chǎn)生較大幅度的變形，顯然對本次施工是不利的[15-16]。因此，為有效避免這種情況的發(fā)生，本次施工將對此區(qū)段的空洞進行處理。

3 盾構(gòu)區(qū)段空洞處理方法

3.1 空洞處理方案

現(xiàn)階段巖土施工中空洞的方法主要是采用注漿法，運用壓力注入適合相應(yīng)地層的水泥漿，填滿空洞，同時為了降低填滿后空洞的二次增生，將空洞與周圍相聯(lián)系土層空隙填密實，大大提高場地地基土的密實性[17]。表2對多種注漿方式的可行性分析表明，針對目前場地空洞形成土體較為松散、臨海富水的特點，且表層覆蓋大量軟弱土，大型的機械設(shè)備無法進場，采用表層袖閥管注漿不僅可以滿足場地施工條件的要求，同時滿足松散富水砂層空洞單漿液注漿的填充處理條件。從地質(zhì)雷達勘查結(jié)果來看，大多空洞皆位于盾構(gòu)隧道頂部，靠近隧道區(qū)域且尺寸較大的空洞也可考慮隧道內(nèi)注漿，減少工期。因此，本次空洞處理方案為采用袖閥注漿或隧道內(nèi)注漿對松散土體加固等措施，保證項目的安全進行。

表2 空洞注漿方案可行性分析

3.2 空洞處理方案的實施

隧道上覆處理空洞的方法主要為袖閥管注漿，施工流程圖見圖3。其施工工序為：

(1)鉆孔施工。采用履帶式鉆機帶動力頭式全液壓鉆機，該鉆機具有轉(zhuǎn)速范圍寬、扭矩大、給進行程長等特點，即適用于復(fù)合片鉆進、硬質(zhì)合金鉆進及沖擊回轉(zhuǎn)鉆進。該鉆機為分體式，由主體、液壓油缸、操作臺三部分組成，具有輕便、容易操作等特點。

(2)安設(shè)袖閥管。插入袖閥管時應(yīng)保持袖閥管位于鉆孔的中心，下袖閥管時將同長度的6分塑料管一同下入孔內(nèi)，作為注套殼料的管路。袖閥管下到位后將孔口用保護帽套好。袖閥管和6分塑料管一起下到位后將帶閥門的6分鋼管安裝在孔口，用快硬水泥將孔口封嚴。6分鋼管作為注套殼料時的排氣孔，保證套殼料灌注密實。

(3)下套殼料。套殼料采用水泥和黏土配置，配合質(zhì)量比為水泥∶黏土∶水=1∶1.5∶1.88，水泥采用P·O 32.5R普通硅酸鹽水泥，黏土采用膨潤土。鉆一孔注一孔，防止發(fā)生塌孔和埋管。將配好的套殼料用PW-120泥漿泵壓入6分塑料管，套殼料從孔底向外返漿，達到置換孔內(nèi)泥漿、填滿套殼料的目的。待6分鍍鋅鋼管開始溢漿，說明孔內(nèi)套殼料已經(jīng)注滿，即可關(guān)閉排氣管的閥門。為保證套殼料的密實，當灌注壓力達到0.2 MPa，持壓5～10 s再停止灌漿。

(4)分段注漿作業(yè)。注漿設(shè)備采用雙液注漿泵，此設(shè)備為單缸雙液往復(fù)式注漿泵，該注漿泵壓力、流量是靠調(diào)節(jié)液壓油流量來實現(xiàn)，可以在泵的運轉(zhuǎn)過程中任意調(diào)節(jié)。該泵體積小、重量輕、操作簡單；漿液配置：水泥采用P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰質(zhì)量比1～0.45，每米注漿的水泥用量240 kg，加水泥用量0.3%～0.5%FDN-5復(fù)合型減水早強劑；注漿采用深孔注漿后退式，具體注漿參數(shù)見表3。

(5)封口。在孔口周圍的地面到地面以下1 m的距離范圍內(nèi)采用速凝水泥砂漿封堵，以防止注漿過程中冒漿現(xiàn)象的發(fā)生。

4 盾構(gòu)區(qū)段空洞處理效果檢驗

本次空洞處理后再次使用地質(zhì)雷達對處理后的區(qū)域進行注漿效果檢驗，注漿前后的雷達檢測圖見圖4—圖7，紅框區(qū)域為空洞異常體。對比可見，在處理后的區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)土體松散和空洞異常區(qū)，驗證了本次空洞處理方法的可行性。

圖4 檢測前Z173—Z174剖面地質(zhì)雷達圖像

圖5 檢測后Z173—Z174剖面地質(zhì)雷達圖像

圖6 檢測前H217—H218剖面地質(zhì)雷達圖像

圖7 檢測后H217—H218剖面地質(zhì)雷達圖像

5 結(jié)論

(1)針對該區(qū)段深厚軟土層的工程特性及場地工程條件的限制，采用地質(zhì)雷達探測方法配合鉆孔探清盾構(gòu)區(qū)域上部空洞異常體的位置及大小。

(2)探討了場地空洞形成的原因及相關(guān)的注漿處理方法，采用袖閥管注漿是最適合場地條件的處理方法，可以較好地填充空洞及不同空洞間相互連接的裂隙，提高了地基承載力。

(3)在具有深厚軟土層上軟下硬地區(qū)采用袖閥管注漿法處理空洞可以有效提高場地的地基承載力，可為類似濱海區(qū)域復(fù)合地層的地基處理工程提供參考。