地铁盾构区间岩溶处理.doc

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摘 要：广州地铁隧道以盾构施工为主，在岩溶发育地段施工存在较大的安全隐患，容易使盾构机下部土体不稳定而塌陷，导致突水、突泥和盾构机具陷落等事故，从而引发严重的安全事故，后续处理非常困难。在岩溶地区兴建地铁隧道工程尤其应进行专门的基础处理，文中介绍广州地铁五号线草暖公园至小北站盾构隧道溶洞处理实例并进行分析研究。
关键词：地铁；岩溶处理；盾构隧道
1工程概况
广州地铁五号线草暖公园至小北站区间在里程YDK7+903.505～YDK8+052.610范围内，隧道穿越石炭系灰岩地层，穿越区内存在较多溶洞，地质剖面如图1所示。由于该地段周边环境复杂，无高架法实施条件，而矿山法施工过程容易导致岩溶裂隙水突然涌出，施工安全存在极大隐患，严重时会出现灾难事故。如采用明挖法或浅埋地下桥，由于沿线地下水较丰富，在溶洞浅埋地段当上部土层挖除后，岩溶水具有一定的水头压力，会顶穿覆盖层，导致基坑大量涌水，施工安全存在极大隐患，且现状地面交通情况复杂，施工场地狭小，明挖实施条件困难。盾构施工既能适应松散软弱地层或其它含水土层，又比矿山法安全，且施工环境条件好，机械化程度高、进度快，盾构隧道衬砌采用预制管片现场拼装，防水效果好、质量可靠，随着地铁盾构施工技术的普及，其工程造价也逐步降低，具有较大的优势。因此经综合比选，该段工法采用盾构法，但须对溶洞进行处理。
2溶洞处理目的
2.1确保盾构掘进期间的盾构机安全。
位于隧道底的部分溶洞，其填充物为淤泥和松散细砂，承载力很低（40～80kPa），通过溶洞处理可确保盾构机安全、顺利通过溶洞区，避免盾构机突陷等意外事故。

2.2防止地表塌陷和过大沉降。
位于隧道顶的部分溶洞，其填充物为淤泥、砂层和粘土，而隧道底为中、微风化石灰岩，是典型的上软下硬地层。不少溶洞呈串珠状分布于隧道工作面范围，由于溶洞夹板为岩层，难以形成土压平衡掘进模式。通过处理，使隧道顶的地层和工作面土体能保持稳定，防止拱顶坍塌和工作面土体流失，减少地表沉降。
2.3满足永久隧道结构的承载力、变形、防水要求
溶洞填充物和灰岩地层承载力有很大的差别，通过地层处理可提高该处地层的承载力，减小不同地层之间的差异沉降，减少管片渗漏，以满足地铁正常运营要求。
3溶洞处理方法
通过比较，对不同的溶洞采取不同的处理方法。
3.1无填充溶洞和半填充溶洞
对大于2m的无填充或半填充溶洞，先采用高压风投砂充填空洞，再采用注浆加固。投砂时，将原探测到空洞的钻孔作为出气孔，投砂后再利用此孔进行注浆。投砂处理方法是在原钻孔附近（约0.6m）补钻2个Ф127 投砂孔， 孔心与原钻孔中心需成一直线，投砂后的注浆加固方法见3.2节。本工程共有7个大于2m的无填充溶洞需要处理；对小于2m的无填充或半填充溶洞，则采用注浆填充。
3.2全填充溶洞
采用压力注浆法填充加固，压力逐渐增大，间歇并反复压浆。①所有新增注浆孔以及线路中线上已探明溶洞的钻孔均采用袖阀管注浆，其它钻孔采用花管注浆；②注浆材料：周边孔为纯水泥浆+速凝剂，中央孔为纯水泥浆；③注浆压力和注浆量：周边孔以相对小压力（0.2～1.0MPa）、多次数（3～4次）、较大量控制，中央孔压力按0.8～2.0MPa控制，注浆3次；④注浆扩散半径：填充物为粘土、粉质粘土和泥炭质土的为1.5m，填充物为砂、碎块的为2～2.5m；⑤注浆间歇6～10h。

4溶洞注浆处理施工及要点
4.1注浆范围的确定
⑴隧道顶部：溶洞位于隧道顶部时，为保证盾构机能形成土压平衡掘进模式，防止突涌现象，必须保证隧道洞身有一定的加固体覆盖层，处理范围按盾构隧道注浆加固理论和经验值确定为B 2～5m=3～5m取3m，即上至隧道周围3m，下至溶洞底板以下1m，如图3a。
⑵溶洞位于隧道洞身：处理范围确定为隧道洞身和周边3m，如图3c。
⑶隧道底部：溶洞位于隧道底部时，为防止盾构机突陷、明显上软下硬和永久结构后期沉降过大，处理的重点是隧道下部的溶洞，防止盾构沉陷和差异沉降，根据塌落拱理论分析，处理范围确定为：隧底5m范围内的溶洞，主要针对淤泥、软塑和松散砂层，如图3b；当溶洞顶板与隧道底板距离大于5m时则不需处理。
⑷溶洞无充填或半充填：溶洞需注浆加固处理，其范围确定为：若溶洞顶板与隧道底板距离大于5m时，则不需处理；若小于5m则需注浆加固，上至溶洞顶板以上1m，下至溶洞底板以下1m，如图3d。
⑸溶洞全充填：若溶洞顶板与隧道底板距离大于5m，则溶洞不需处理；若小于5m则需注浆加固处理，其范围确定为上至溶洞顶板以上1m，下至隧道底板以下5m，如图3e。
4.2注浆孔平面布置
根据溶洞处理目的及其确定范围，线路中线结构底板下部溶洞是处理的重点，注浆孔布置主要分布在左右隧道中心线上和较大溶洞分布区域。注浆孔共140个，其中70个是补勘探明有溶洞的钻孔，70个是加密注浆钻孔（其中25个孔兼做勘察钻孔），其分布如图4，钻探孔需提供勘察成果资料，其余注浆孔也应做地层记录。
4.3止水、止浆帷幕
为了控制注浆量，加强注浆效果，防止浆液窜出流失，保护环境，在注浆区域设一道封闭的止浆、止水帷幕。
4.4施工顺序要点
先施做止水、止浆帷幕，将处理范围内溶洞与外界溶洞隔离，再处理中间区域；先加固水源一侧（靠近越秀山一侧），添加速凝剂，以确保注浆效果；中间区域补充孔应跳跃施工，以防止跑浆、窜浆；先对无填充、半填充溶洞填砂处理，再进行其他溶洞注浆填充处理。
4.5盾构掘进溶洞段的相应措施
采用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，注浆堵水未必能完全阻止地下水渗漏，注浆处理完成后盾构在溶洞段掘进仍有可能遇到软硬不均地层，以及硬岩、高压水、开挖面坍塌、刀盘结泥饼、喷涌等情况，为此盾构掘进溶洞段要采取相应措施。
⑴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。
⑵合理选择掘进模式，严格控制掘进参数。采取土压平衡掘进，为保护刀盘和刀具，宜低贯入度破岩，推进速度小于10mm min，刀盘转速1.7～1.9r min，土仓压力拟定为0.1～0.15MPa，并按实际情况适时调整。
a.盾构姿态的控制：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，以防形成偏差，减缓掘进速度，使刀盘上下部位掘进的瞬间受力大致相同减少盾构机仰俯现象。
b.加强土改良与管理：进入溶洞段前，认真检修注泡沫和加泥系统，确保系统正常。根据地层特点，泡沫剂掺量宜为50L环。溶洞段地层自稳性较差，要严格控制出碴量与掘进速度相对平衡，加强对碴土成分和含水量的观察，出现异常及时停机处理。
c.确保铰接密封和盾尾密封的防水效果。进入溶洞段前，对铰接密封和盾尾密封要认真检查、维护和调整，掘进时严格控制各铰接油缸的行程差，确保铰接密封效果。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。
d.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。根据工程地质条件，合理调整与控制注浆压力和注浆量。根据施工监测成果，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。
e.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渗漏，极易发生涌水突泥或地表塌陷等情况，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。
5小结
本文通过草暖公园至小北站盾构隧道溶洞处理工程实例，对溶洞特点、溶洞充填物及围岩承载力、渗透系数，溶洞CT法物探成果进行了分析研究，通过比较，对不同的溶洞采取不同的处理方法；对溶洞处理的范围的确定、溶洞处理注浆孔平面布置、溶洞处理施工顺序要点灌浆加固效果检查、盾构掘进溶洞段的相应措施等进行了研究。
由于地铁隧道工程的埋置深度主要为浅埋敷设形式，地铁工程的岩溶处理主要为浅层岩溶，其处理遵循浅层处理的原则和方法；由于岩溶地区地质情况查明的难度性与岩溶处理的复杂性，如必须采用明挖法或盾构法，须对溶洞进行处理；由于矿山法施工过程容易导致岩溶裂隙水突涌，施工安全存在极大隐患，严重时会出现灾难事故，故岩溶地区一般不能采用矿山法。
地铁线路经过岩溶发育地段，施工时尽量避免大量抽排地下水；在溶土洞发育地段施工前应对溶土洞进行填灌处理，避免施工过程中因加载和振动作用产生地面塌陷；隧道底板下有溶洞分布时，主要采取灌浆和结构措施处理，穿过溶洞地段先进行灌浆止水措施后再开挖和掘进；在工程施工时应同时注意防止对周边建筑物及附近道路设施带来的不利影响；对地铁沿线的其他工程活动应作适当的监控，确保地铁运营的安全；为防止地下水位大幅下降出现的环境地质问题，造成对地铁施工及运营阶段的威胁，建议对岩溶地区的地下水进行长期监测。
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