地铁隧道穿越溶洞的施工处理技术

2005年

地铁隧道穿越溶洞的施工处理技术

陈　建

(中铁隧道股份有限公司,453000,河南新乡∥高级工程师)

摘　要　以拟建的广州地铁5号线(草暖公园站———小北站)盾构区间工程为例,介绍盾构穿越岩溶段时的施工工序流程和常用的超前地质预报手段。鉴于目前各种地质预报手段的局限性,应在设计阶段加强地质调查和勘察工作,施工前还应有针对性的详细补充勘察,以求地质预报资料的准确性。探讨了穿越岩溶的施工预处理技术以及盾构在穿越溶洞段时的相应措施。

关键词　盾构,　溶洞,　地质预报,　施工技术中图分类号　U455.49

ConstructionTreatmentTechnologyforMetroTunnelinKarstSectionChenJian

Abstract　BasedontheproposedshieldtunnelingsectionbetweenCaonuanParkStationandXiaobeiStationofGuangzhouMetroLine5,thispaperintroducestheconstructionprocessandthemethodofgeologyforecast,whichiscommonlyadoptedinmetroconstructionwhenshieldmachineisdrivinginthekarstsection,anddiscussesthepretreatmentmethodsandcorrespondingmeasuresinsuchcases.Keywords　shieldmachine,karstsection,geologyforecast,con2structtechnology

Author′saddress　ChinaRailwayTunnelJointStockCo.,Ltd.,453000,Xinxiang,Henan,China

粉细砂和灰岩细屑、砂、碎石、灰岩碎块、炭质粘土

等,且溶洞上部与冲击砂层接触,极有可能发生涌水、突泥、地表塌陷及盾构陷落等情况,对盾构施工影响甚大。为确保盾构施工安全,必须对溶洞提前预处理。区间隧道溶洞段纵断面图见图1。

图1　区间隧道溶洞段纵断面图

1　工程概况

根据设计阶段的地质勘探资料揭露,即将施工

的广州地铁5号线(草暖公园站———小北站)盾构区间在Z(Y)CK7+939～Z(Y)DK8+014里程,处于广从断裂控制范围的石炭系石灰岩分布地段,岩层主要为石灰岩中风化带(8c-2)、石灰岩微风化带(9c-2)。断裂的两侧岩溶较发育,存在溶洞和碎屑岩溶空洞。溶洞高0.2～12.3m;溶洞数多为2～7层,最多达12层;溶洞顶板标高为5.35m,最深的为-28.6m,最浅的溶洞顶埋深为6.90m。大部分溶洞位于隧道结构底板以下,少部分位于隧道顶板上部,部分侵入隧道范围内。溶洞填充物为粉细砂粘土、・52・

2　溶洞处理的主要施工技术

根据以往的施工经验,对溶洞段需采用物探与钻探相结合的超前地质预报预测。即:用物探大范围探测发现目标、排除疑点,再用钻探验证确认,然后对症采取措施。溶洞处理工序流程如图2。2.1　地质超前预测预报技术

本溶洞段宜采用跨孔CT地层监测、瑞雷波、地质雷达预报系统与地质钻探相互验证的勘察方法,对溶洞的深度、大小与隧道的关系,以及地下水情况进行勘察。

第3期　

案例分析　

洞和溶蚀空洞的地方加密布置地质钻孔(按5m×5m梅花形布孔,直径为110mm,钻孔深度达到隧道底板下约13m),进行地质钻探,直接揭示岩层的地质特征。必要时可取芯检查,做水压和涌水量测试,进一步查清和准确了解溶洞的具体位置、大小、范围、充填物性质及地下水情况。2.1.2　洞内勘探方法进入溶洞段施工前,利用盾构的6个超前钻探孔进行超前钻探,对盾构前方的溶洞状况进行探测。每次钻探20m长,每两次钻探搭接2m。此方法的缺点是作业不方便,速度慢,影响施工进度。2.1.3　地质综合分析技术

组织专家研讨,对各种预测手段收集到的地质信息进行综合分析和判断,选取盾构掘进参数以及制定有针对性的施工前预处理措施。2.2　溶洞的施工处理技术2.2.1　溶洞的分类及其处理措施

图2　溶洞处理工序流程图

2.1.1　地面勘探方法

CT地质预报的基本原理与医学CT技术原理一

样。通过在溶洞段近距离地布置钻孔实现孔间密集对穿,对测试剖面范围内的地质体进行直观的三维

图像描述,准确了解溶洞段地质情况。

瑞雷波监测仪(SM98-12A)是一种利用瑞雷波的运动学特征和动力学特征来进行工程地质勘察的物探方法。针对本工程溶洞段,使用瑞雷波监测仪主要来确定溶洞的位置和大小以及溶洞充填物的性质,为溶洞充填介质的选择提供科学依据。

地质雷达(LTD-10型)勘察特别适用于地质界面以及裂隙和溶洞的形状、大小勘测。针对本工程,用于勘测溶洞形状以及溶洞与隧道的关系。对溶洞嫌疑段用上述3种物理勘探方法进行探测后将探测结果相互验证,初步判断溶洞的位置、范围、大小及充填状况;然后应用红外探水技术探测岩溶区域的含水构造及地下水情况;最后在探测有溶

依据超前地质预报的成果,以岩溶的状况和性质将其分为溶缝、溶槽、溶管和溶洞。大量的施工经验表明,岩溶隧道施工成败的关键是岩溶水的处理。对付岩溶水的方法,无外乎排、堵两种方案或其组合。对于有承压水的溶洞区域,直接封堵会十分困难,应采用“先引后堵,排堵结合”的施工原则。溶洞区域有流动水但水压在1.0MPa以下,可布置降水井减压,同时注意监测周围环境,然后注浆封堵突水通道。如溶洞区域有流动水,且水压超过1.0MPa,则要摸清水流路径流向,利用明挖竖井在隧道范围外适当部位设置过水通道进行引排处理,然后回填注浆固结。当溶洞区域地下水压≤0.5MPa时,应以“封堵加固,综合治理”为施工原则,采用超前帷幕预注浆直接封堵突水通道。溶洞分类施工处理方法见表1。

表1　溶洞施工处理表

序号

12345

溶洞类型及状况

无水和地下水小、充填较密实、小溶洞

有流动水、充填情况不密实的小溶洞无水和地下水小、充填较密实、大溶洞无水和地下水小、充填不密实、大溶洞流水较大、充填物较少的大溶洞或地下暗河

处理措施

利用勘探孔,采用袖阀管注单液水泥浆

利用勘探孔,采用袖阀管注水泥-水玻璃双液浆在勘探孔周边加设1m×1m注浆孔,周边采用注双液浆,中间孔注单液水泥浆在勘探孔周边加设1m×1m注浆孔,利用注浆孔向洞内填砂,然后周边孔采用注双液浆,中间孔注单液水泥浆

在溶洞上面,从地表向下挖竖井,利用竖井充填砼,并进行注浆充填的办法回填

　　注:高度小于2m、范围小于5m的为小溶洞,其它为大溶洞。

2.2.2　溶洞施工处理措施

和岩溶漏斗,地下水主要靠第四系裂隙水的越流补给和大气降水补给;溶洞填充物为粉细砂粘土、粉细

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设计阶段勘察表明,本区间岩溶段地表无河流

城市轨道交通研究　

砂和碎石、灰岩碎块、炭质粘土等。故宜以“封堵加固,综合治理”为施工原则,采用超前帷幕预注浆封堵突水通道和地表深孔预注浆充填与固结的施工方案,先行处理溶洞段,然后盾构掘进通过。

针对溶洞和多层次的溶洞,注浆方式宜采用地表深孔前进式逐段反复预注浆施工工艺,对溶洞进行充填并固结其充填物;对于隧道结构底板以下影响范围的溶洞,则通过注浆加固处理。注浆可选择流动性和灌注性好的细颗粒超细水泥、HSC超细早强水泥、普通水泥及水玻璃等材料配制的单液或双液浆,配合比根据现场试验选定。2.2.3　确保施工安全的措施溶洞段注浆处理范围为隧道开挖轮廓线外1～1.5倍隧道洞径,有时甚至达到2.5倍。其注浆压力大小应随着钻孔深度变化,并要严格控制注浆压力和浆液扩散范围,防止对周围环境的破坏。为保证处理效果,在隧道左右两侧(约10m)布置密排注浆孔(间距0.5m×0.5m,3排),压注双液浆做成止浆墙。当一个溶洞同时侵入上下行两条隧道时,应该在两条隧道之间设计中隔墙,防止隧道施工时相互影响,以及减少后施工隧道的困难。中隔墙为充填注浆完成后施作的高压旋喷咬合桩。溶洞施工处理见图3。

2005年

2)利用检查钻孔,必要时采用CT法对溶洞加固效

果进行确认和验证。

3)注浆回填效果如达不到要求,则利用检查孔,再进行深孔注浆补充加固。2.2.5　洞内处理溶洞措施

当盾构的超前钻探测到溶洞时,即利用探测孔,根据溶洞大小和充填物性质的不同向溶洞内压注不同的浆液进行充填处理;然后再用超前钻检查前方溶洞的处理效果,待密实度和强度达到要求后再掘进。3　盾构掘进溶洞段的相应措施

深孔预注浆对溶洞充填物只能起到充填、挤密、劈裂和置换作用,难以在溶洞段形成连续均匀的加固圈或胶结体,注浆堵水未必能阻止地下水渗漏。因此处理完成后盾构在溶洞段掘进仍有可能遇到软硬不均的地层,以及硬岩、高压水、开挖面坍塌、刀盘结泥饼和喷涌等情况,为此盾构掘进溶洞段要采取相应措施。

(1)加强刀具的管理与合理配置

进入溶洞段前,根据预报成果选择开仓换刀作业的里程,按计划开仓检查刀具和更换新刀,刀具配备以滚刀破岩为主。

(2)合理选择掘进模式,严格控制掘进参数采取土压平衡模式掘进,为保护刀盘和刀具,宜低贯入度破岩,推进速度≤10mm/min,刀盘转速1.7～1.9r/min,土仓压力拟定为0.1～0.15MPa,并根

据实际情况适时调整。　　(3)盾构姿态的控制

①密切注意盾构表面与隧道间的不均匀摩擦阻力,以及切口环切削地层时的不同阻力,防止形成偏差。

②减缓掘进速度,使刀盘上下部位掘进的瞬间受力尽量相同,减少盾构机的仰俯现象。

(4)加强土改良与管理①进入溶洞段前,认真检修注泡沫和加泥系统,确保系统正常。根据8c-2、9c-2地层的特点,加入泡沫剂宜为50L/环。

②溶洞段地层自稳性较差,要严格控制出碴量,维持掘进速度与出碴量的相对平衡。

③加强碴土成分和含水量的观察,出现异常,及时停机处理。

图3　溶洞施工处理示意图

2.2.4　加固效果检查及补救措施

加固完成后要进行加固效果的检查,即强度检查和密实度检查。

1)强度、密实度检查采用钻孔取芯的方法,在原有钻孔的基础上,梅花形布置钻孔。如取芯强度达到1.5MPa以上时,即可认为强度达到设计要求。・54・

第3期　

(5)确保铰接密封和盾尾密封的防水效果

案例分析　

4　结语

地质超前预探预报是隧道施工中不可缺少的重要工作。一旦确认溶洞,就要把岩溶的发育规模与洞室之间的关系,溶洞的填充物及地下水等弄清楚,最后对症采取措施。该工作必须作为一道工序,纳入施工管理和控制。

目前所用的各种地质预报手段都有其局限性,为此,不但需要在设计阶段加强地质调查和勘察工作,而且施工前要有针对性的详细补充勘察,以求地质预报资料的准确。

若施工环境条件容许,应尽量采用地面提前进行预处理,以提高施工功效。施工时必须严格管理溶洞段深孔充填注浆、盾构同步注浆和二次补充注浆的施工工艺。

在溶洞地段,除在施工中加强环境监测,还应建立长期监测点,监测管片受力、隧道涌水量和地表环境变化等情况,以确保运营安全。

①进入溶洞段前,对铰接密封和盾尾密封要进行认真的检查、维护和调整。

②掘进时,要严格控制各铰接油缸的行程差,确保铰接密封效果。

③加强对盾尾刷密封油脂的注入检查,确保其密封的防渗漏效果。

(6)管片背衬注浆①过溶洞段管片背衬注浆宜采用同步注浆和二次补充注浆相结合的方式。同步注浆采用水泥砂浆,二次补充注浆采用水泥-水玻璃双液浆。

②根据工程地质条件,合理调整与控制同步注浆压力和注浆量。③根据施工的监测成果,及时进行必要的二次补充注浆,防止管片外形成纵向水路通道。

(7)做好溶洞段施工应急预案本工程处于广从断裂带石灰岩分布地段,岩溶较发育,且溶洞段地下水具有承压性质,含水量丰富,注浆未必能阻止溶洞地下水的渗漏,极易发生涌水突泥、地表塌陷。为此,施工前必须做好应急和处理预案,准备必要的抢险物质和机具。

参考文献

1　罗琼.岩溶隧道施工技术.隧道建设,2004(5):57～60

(收稿日期:2004-08-03)

(上接第51页)

间地表沉降基本相同,影响范围减小,约为40m,未出现两条较明显的沉降槽。注浆加固较不注浆地表沉降减小63%。可见,注浆加固措施能够有效的减小由盾构施工引起的地表沉降。同时说明,隧道以上7m,以下4m,两侧5m的注浆加固范围是可行的、有效的。

综上可知,要控制地表沉降,注浆是关键。有限元计算分析过程中,认为注浆加固效果是均匀的,所以在实际施工过程当中,建议要保证注浆浆液质量,控制浆液范围,尽量均匀密实,减小地层损失,切实保证注浆效果。

2　王敏强,陈胜宏.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真.岩石

力学与工程学报,2002,21(2):228～232

3　ItoT,HistakeK.隧道掘进引起的三维地面沉陷分析.隧道译丛,1985(9):46～55

(收稿日期:2004-12-15)

参考文献

1　张　云,段宗泽,徐水相.盾构法隧道引起的地表变形分析.岩石

力学与工程学报,2002,21(3):388～392

日本京都轨道交通车站

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