巖溶強發(fā)育區(qū)盾構(gòu)隧道施工技術(shù)研究*

崔 明，于洪彪，王 超，石紅偉

(1.中交一公局集團有限公司，北京 100024；2.中交隧道工程局有限公司，北京 100024)

0 引言

我國巖溶地質(zhì)面積排名世界第一，隨著軌道交通工程的迅猛發(fā)展，盾構(gòu)隧道建設(shè)中頻繁遇到巖溶地層，眾多學者對巖溶區(qū)盾構(gòu)施工進行了研究。周華貴等[1]對大連地鐵5號線海底隧道巖溶勘察、隧道設(shè)計、盾構(gòu)機適應(yīng)性進行了闡述，確定了海域巖溶盾構(gòu)隧道的勘察方法、點位布置、加固范圍和檢驗標準，提出了“以洞外處理為主，洞內(nèi)處理為輔”的原則。舒恒等[2]依托武漢超大直徑盾構(gòu)項目，綜合考慮圍巖等級、溶洞尺寸和填充情況等因素，通過數(shù)值計算得到了最小安全距離分段計算準則和加固范圍。張政[3]分析計算溶洞對隧道安全性的影響，提出了針對不同溶洞大小、方位和填充情況的處置措施。徐冠玉等[4]總結(jié)了廣州巖溶強發(fā)育地區(qū)大型工程溶(土)洞處理措施。魯文博等[5]針對水下盾構(gòu)隧道溶洞處理，制作了鋼圍堰作業(yè)平臺，并明確了注漿加固的檢測標準。Cui 等[6]針對巖溶區(qū)盾構(gòu)施工提出了系統(tǒng)的溶洞處理方法，并總結(jié)了盾構(gòu)穿越后地表和建筑物沉降規(guī)律。Wang等[7]通過室內(nèi)試驗和數(shù)值計算，研究了上覆砂層溶洞誘發(fā)坍塌機制。Tao等[8]針對巖溶區(qū)盾構(gòu)下穿火車站工況，提出了超級管棚支護、圍巖加固、仰拱灌漿和襯砌加固等措施，通過數(shù)值分析和后期監(jiān)測驗證了措施的有效性。Yang等[9]依托水下盾構(gòu)隧道工程，研發(fā)了新型注漿材料并提出了有效的注漿方法。葉忠[10]系統(tǒng)分析了串聯(lián)式、并聯(lián)式采石箱的特點，詳細研究了格式滾筒式和重力自落式采石箱在泥漿環(huán)流系統(tǒng)的優(yōu)勢，以解決全斷面卵石滯排問題。賀開偉等[11]更進一步，分析了雙模盾構(gòu)模式對砂卵石地層的適應(yīng)能力，介紹了將螺旋輸送機連接到泥漿環(huán)流系統(tǒng)中出渣排漿情況。

相關(guān)研究多集中在溶洞方位、直徑等幾何空間特征對隧道穩(wěn)定的影響，溶洞強發(fā)育區(qū)處置措施和注漿參數(shù)不夠清晰，而溶洞勘察注漿量計算過程和方法尚不明確。在砂卵石地層，泥水盾構(gòu)設(shè)備選型和泥水環(huán)流系統(tǒng)研究有一定進展。但在巖溶及破碎帶地層設(shè)備適應(yīng)性研究和應(yīng)用尚存在局限。本研究依托廣州地鐵12號線棠溪站—南航新村站區(qū)間工程，系統(tǒng)總結(jié)強巖溶區(qū)勘察、處理措施，通過數(shù)值模擬分析巖溶處置范圍，提出雙模盾構(gòu)設(shè)計以及泥水環(huán)流系統(tǒng)的改進措施，以提升巖溶強發(fā)育區(qū)盾構(gòu)隧道的建設(shè)水平。

1 工程概況

廣州地鐵12號線棠溪站—南航新村站區(qū)間左線長688.67m，右線長688.625m，盾構(gòu)始發(fā)位于大浦南路，周邊建筑物密集，區(qū)間下穿嘉悅物業(yè)廠房、大浦南路臨街廠房、南航新村停車樓、大直徑污水管等。盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)剖面如圖1所示，線路為V字坡，最大坡度25.0‰，隧道頂板埋深18.36～26.61m。盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)占比如圖2所示。地下水主要為基巖裂隙水，穩(wěn)定水位埋深為1.30～9.50m，溶洞見洞率75.2%，溶洞高0.2～6.5m，區(qū)間存在斷裂帶、粉質(zhì)黏土層和砂層，盾構(gòu)姿態(tài)容易失控、栽頭，掌子面壓力難以控制，可能造成地表坍塌和建筑物傾斜等災(zāi)害。

圖1 盾構(gòu)隧道區(qū)間地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of the tunnel line

圖2 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)占比分析Fig.2 Geological proportion of shield tunnel face

2 溶洞勘測和處理

2.1 溶洞探邊

溶洞勘測和處理分階段進行，詳勘階段鉆孔間距平均12m，補勘階段間距5m。在詳勘和補勘的基礎(chǔ)上，先進行溶(土)洞平面范圍試探測，以揭出溶(土)洞鉆孔點為中心，向四周布置2m×2m的探邊孔(見圖3)。探邊孔同時作為注漿孔和排氣孔，排氣孔每洞至少1個，超過4m間距時增加排氣孔。直至鉆孔無揭露巖溶時，單個溶(土)洞探邊結(jié)束。棠南區(qū)間存在大量串珠型溶洞，由溶洞探邊鉆孔芯樣可知，該鉆孔處存在3個溶洞，如圖4所示。

圖3 巖溶隧道加密探孔示意Fig.3 Schematic diagram of dense exploratory holes in karst tunnel

圖4 溶洞探邊鉆孔芯樣Fig.4 Core sample of exploring borehole for karst cave

2.2 溶洞空間形態(tài)測繪

在現(xiàn)場探邊鉆芯取樣的基礎(chǔ)上，繪制溶洞形態(tài)包絡(luò)圖，經(jīng)過業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工方確認后，計算出理論注漿量。以D33號溶洞為例，介紹溶洞包絡(luò)圖繪制和注漿量計算，通過溶洞的平面圖、剖面圖以及三維BIM圖，可以直觀了解溶洞的大小和形態(tài)及與隧道的相對位置(見圖5～7)。

圖5 D33號溶洞包絡(luò)圖Fig.5 Envelope diagram of the D33 karst cave

圖6 D33 探孔中溶槽溶洞位置Fig.6 Location of karst cave

圖7 探孔溶槽溶洞和隧道的位置關(guān)系Fig.7 Location relationship between karst cave and tunnel

D33號溶洞處理總量為753.16m3。通過理論計算和現(xiàn)場注漿量的校核分析，巖溶強發(fā)育區(qū)地層注漿擴散系數(shù)為2，充填系數(shù)為0.8。

2.3 溶(土)洞處置范圍確定

采用MIDAS/GTS NX有限元軟件，建立二維有限元模型，模型中根據(jù)隧道實際埋深20m，盾構(gòu)管片外徑為6.4m，厚度為0.3m，環(huán)寬1.5m。按照5倍以上洞徑影響區(qū)建立多工況有限元模型，如圖8～10所示，通過成型隧道的變形、受力和圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況，分析溶(土)洞的理論處理范圍。

圖8 二維有限元模型Fig.8 Two dimensional finite element model

圖9 圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況Fig.9 Development of surrounding rock plastic zone

圖10 隧道管片軸向應(yīng)力Fig.10 Axial stress distribution of segment structure

通過數(shù)值計算和該地層的工程建設(shè)經(jīng)驗，溶(土)洞處理范圍：盾構(gòu)區(qū)間揭露的影響范圍內(nèi)的土洞必須嚴格處理；隧道結(jié)構(gòu)外3m范圍以內(nèi)，地表到隧底之間的溶洞均需處置；隧底位置為灰?guī)r地層時，3m范圍以內(nèi)溶洞均需處理，以保證盾構(gòu)區(qū)間施工期和運營期的安全。

2.4 溶洞處理工藝流程

根據(jù)注漿漿液性質(zhì)不同，分為水泥砂漿、水泥漿和雙液漿施工工藝，在正式注漿施工之前，進行材料進場檢驗和注漿工藝性試驗，取得合適的注漿參數(shù)后再進行大范圍注漿施工。根據(jù)溶(土)洞位置、大小及填充情況，采取不同注漿措施和配合比。現(xiàn)場溶(土)洞處理流程和注漿參數(shù)如圖11和表1所示。

圖11 現(xiàn)場溶(土)洞處理流程Fig.11 Karst (soil) cave treatment process on site

表1 溶(土)洞處理注漿參數(shù)Table 1 Grouting parameters for karst (soil) cave treatment

2.5 注漿順序

原則上單個溶(土)洞范圍內(nèi)所有鉆孔完成并查明溶(土)洞大小后，再進行壓漿處理，但對于巖面上覆砂層或溶洞洞徑大的情況，應(yīng)邊探邊注漿以防止地表坍塌，如圖12所示。每個鉆孔完成后，根據(jù)溶(土)洞大小選取相應(yīng)型號灌漿管，灌漿順序為從外至內(nèi)，先用雙液漿作止?jié){墻加固范圍線，再逐步加密灌漿孔，周邊孔與中央孔可交替注漿。

圖12 溶(土)洞分塊注漿Fig.12 Stage grouting of karst (soil) cave

2.6 注漿質(zhì)量檢驗

溶(土)洞注漿質(zhì)量檢驗以檢測注漿體的固結(jié)狀態(tài)和強度為主。注漿質(zhì)量檢測標準：要求取芯完整，標貫擊數(shù)應(yīng)≥10擊，抽檢1%孔數(shù)，且≥3點，每個溶(土)洞≥1次，無側(cè)限抗壓強度≥0.2MPa。經(jīng)檢測，現(xiàn)場取芯完整，實測標貫擊數(shù)為15～20擊。

在盾構(gòu)掘進穿越巖溶地層時，切口壓力穩(wěn)定，泥漿池液位與非溶洞區(qū)變化規(guī)律一致，渣土中的注漿水泥塊等也進一步驗證了溶洞處理效果。統(tǒng)計了450～452環(huán)上土倉壓力的波動情況，3環(huán)土壓基本在0.252～0.268MPa，土倉壓力波動在0.015MPa以內(nèi)，如圖13所示。

圖13 土倉壓力的分布特征Fig.13 Distribution characteristics of soil pressure

3 盾構(gòu)機適應(yīng)性設(shè)計

區(qū)間隧道采用2臺開挖直徑為6 700mm的土壓/泥水雙模盾構(gòu)機進行雙線施工。

3.1 螺旋輸送機串聯(lián)到環(huán)流系統(tǒng)

為了解決破碎帶、強風化帶、上軟下硬地層普遍存在的滯排問題，泥水模式下將螺旋輸送機通過法蘭連接到土倉底部，以解決渣石滯排問題。同時配備輥筒式破碎機，安裝于螺旋輸送機出土口，頻率為20次/min，用于將大顆粒塊石破碎，防止泥漿箱與排漿泵堵塞，提升整個泥水環(huán)流系統(tǒng)的出渣能力，如圖14所示。統(tǒng)計左線480環(huán)土倉和螺旋輸送機壓力的波動情況，螺旋輸送機壓力和土倉上、中、下3個位置壓力趨勢一致，螺旋輸送機壓力與下土倉位置的壓力差控制在0.02MPa以內(nèi)(見圖15)。

圖14 串聯(lián)螺旋輸送機的泥水盾構(gòu)機Fig.14 Slurry shield machine with series screw conveyor

圖15 泥水倉和螺旋輸送機壓力變化趨勢Fig.15 Pressure of slurry chamber and screw conveyor

3.2 復(fù)合刀盤及鑲齒滾刀的選擇

區(qū)間主要穿越中、微風化灰?guī)r，刀盤開口率35%，采用輻條+面板形式，裝配刀配鑲齒型滾刀，提高刀具承載能力如圖16所示。通過轉(zhuǎn)換座可以實現(xiàn)刀具種類間的互換，需要時可更換為重型撕裂刀等，同時滿足17英寸和18英寸刀具互換(1英寸≈2.54cm)，以適應(yīng)不同地層掘進需要。滾刀高175mm，刮刀高135mm，刀高差40mm，推力和扭矩隨著地層差異基本同步變化，平均值分別為15 864kN和1 136kN·m，貫入度控制在4～10mm，如圖17所示。推進過程中遵循大推力、小貫入度和小扭矩的原則。通過刀盤設(shè)計、刀具選擇及掘進參數(shù)控制等綜合措施，換刀距離可以達到200m以上。

圖16 刀盤結(jié)構(gòu)和鑲齒滾刀Fig.16 Cutter head structure and hobs

圖17 盾構(gòu)推力和扭矩變化趨勢Fig.17 Variation trend of shield thrust and torque

3.3 超前探測和注漿鉆機配置

盾體設(shè)計時配置超前鉆機，并在外周方向預(yù)留了6個超前注漿孔。掘進時遇到溶洞、土洞可連接超前注漿系統(tǒng)對其進行填充，加固前方土體。現(xiàn)場因區(qū)間巖溶處理效果良好，在施工過程中基本未使用超前鉆機。

4 結(jié)語

基于廣州地鐵棠南區(qū)間隧道巖溶發(fā)育、存在多處斷裂帶和黏土層，周邊建筑物林立、城市環(huán)境復(fù)雜，通過溶(土)洞的處理和盾構(gòu)機創(chuàng)新性設(shè)計提升了區(qū)間隧道的施工水平。

1)詳勘階段鉆孔間距平均12m，補勘階段間距5m，溶洞處理階段采用2m×2m探邊鉆孔，有效提升溶洞處理質(zhì)量，降低不確定性，以保證盾構(gòu)隧道施工期和運營期的安全。

2)總結(jié)了溶(土)洞注漿量計算方法，以實例解釋了見洞面積、平均洞高、漿液擴散系數(shù)和注漿填充系數(shù)取值和計算方法。建議溶洞強發(fā)育區(qū)地層注漿擴散系數(shù)取2，充填系數(shù)取0.8。

3)現(xiàn)場經(jīng)驗結(jié)合數(shù)值模擬，分析了溶(土)洞的處理范圍。隧道影響范圍內(nèi)的土洞必須處理，3m范圍內(nèi)的溶洞根據(jù)溶洞直徑和填充情況，進行水泥砂漿或水泥漿加固，當溶洞范圍超出隧道影響范圍時，采用雙液漿做止?jié){墻。給出了注漿配比，現(xiàn)場注漿取芯完整、實測標貫擊數(shù)為15～20擊，固結(jié)狀態(tài)和強度滿足要求。

4)針對在灰?guī)r地層溶洞發(fā)育、存在斷裂帶、地下水豐富等水文地質(zhì)特點，采用了泥水/土壓平衡盾構(gòu)雙模設(shè)計，并將螺旋輸送機和輥筒式破碎機串聯(lián)到泥水環(huán)流系統(tǒng)中，解決了渣土滯排問題，保證了土倉壓力的穩(wěn)定。