巖溶地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計風(fēng)險控制

李文彪

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

由于巖溶地區(qū)巖溶和溶洞分布具有不確定性，且不易準(zhǔn)確勘察，給結(jié)構(gòu)施工和后期運營安全帶來難以預(yù)見的風(fēng)險，因此加強巖溶發(fā)育地區(qū)城市地鐵隧道設(shè)計風(fēng)險控制，對減小工程實施難度，確保工程安全至關(guān)重要。盾構(gòu)法施工因為施工速度快，對周邊環(huán)境影響小，通常被作為設(shè)計推薦的施工方法。巖溶發(fā)育給地鐵盾構(gòu)隧道帶來較大的工程風(fēng)險與施工難度，本文就城市地鐵隧道如何設(shè)計風(fēng)險控制進行全面分析。

2 巖溶地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)工程風(fēng)險辨識

地鐵盾構(gòu)隧道施工與運營過程中溶(土)洞在附加荷載或振動作用下會引起涌水突泥、地基變形坍塌、地面過大沉降，并造成建(構(gòu))筑物變形倒塌及周邊管線爆裂等，給地鐵盾構(gòu)隧道施工和運營安全帶來安全隱患。巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道建設(shè)除存在很大的工程安全風(fēng)險外，其處理費用往往難以有效控制，存在較大投資預(yù)算風(fēng)險;同時由于巖溶處理效果難以控制，處理措施與技術(shù)參數(shù)需要在實施過程中不斷調(diào)整完善，因此還存在較大工期風(fēng)險。根據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》相關(guān)要求，綜合考慮巖溶對隧道工程的影響，盾構(gòu)法城市地鐵巖溶隧道一般可定為一級風(fēng)險源。

3 巖溶地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計風(fēng)險控制

3.1 盾構(gòu)隧道設(shè)計方案要點

1)巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道建設(shè)一般遵循盡量避讓的原則。2)應(yīng)在滿足地鐵使用功能前提下充分考慮地層特點和巖溶發(fā)育情況對隧道的影響，綜合比較區(qū)間隧道與相鄰車站的使用功能要求、工程風(fēng)險、施工難度、經(jīng)濟性后，確定巖溶地區(qū)線路的平、縱斷面方案。根據(jù)隧道施工方法特點合理確定隧道的埋深，并盡量避免將隧道設(shè)置在巖土分界線附近。3)應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)法和巖溶發(fā)育特點采取有效措施對巖溶進行處理，以降低工程風(fēng)險和施工難度。同時，還應(yīng)綜合考慮巖溶工程風(fēng)險與其他工程風(fēng)險之間的相互關(guān)系與影響。4)巖溶地區(qū)隧道工程設(shè)計方案與巖溶處理方案應(yīng)進行專家咨詢與論證，以盡量減小各項工程風(fēng)險。

3.2 設(shè)計對勘察要求

設(shè)計宜結(jié)合巖溶可能對盾構(gòu)隧道施工與地鐵運營的不利影響，根據(jù)工程特點對地質(zhì)勘察提出采取地質(zhì)調(diào)查、大地鉆探及物探等手段探明巖溶發(fā)育規(guī)律、空間分布、溶洞頂板結(jié)構(gòu)、巖溶連通性、巖溶水與地表(下)水之關(guān)系以及環(huán)境效應(yīng)等問題開展系統(tǒng)研究的相關(guān)要求。設(shè)計應(yīng)認真研讀巖溶地區(qū)勘察報告，提出存在異議的地方供各方討論，勘察單位需對各參建單位提出的疑問進行解釋，以加深設(shè)計單位對于巖溶對工程影響的認識。

3.3 巖溶處理目的

1)確保隧道施工期間隧道結(jié)構(gòu)安全和人員安全;2)防止地面塌陷和過大沉降，影響周邊重要建(構(gòu))筑物安全;3)滿足隧道永久結(jié)構(gòu)的承載力、變形、防水要求，預(yù)防巖溶進一步發(fā)展，減小后期運營風(fēng)險。

3.4 盾構(gòu)隧道巖溶處理方案

3.4.1 巖溶處理范圍

巖溶處理的范圍應(yīng)綜合考慮隧道施工對溶(土)洞的影響和溶(土)洞坍塌后對隧道施工與隧道結(jié)構(gòu)的危害進行確定，受影響因素主要有施工方法、巖溶發(fā)育規(guī)模與大小、洞室穩(wěn)定性、巖溶水情況等。部分城市地鐵在結(jié)合地質(zhì)條件與巖溶發(fā)育特點后，對巖溶處理的范圍進行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化并進行專家論證，無錫地鐵2號線巖溶主要位于隧道下方且溶腔普遍較小，巖溶處理范圍為“隧道向兩側(cè)外放5 m后，隧道底板以下有大于2 m厚的可塑、可塑～硬塑粘土層和粉質(zhì)粘土隔水層，其下方溶洞頂板(中風(fēng)化、微風(fēng)化灰?guī)r)厚度大于1 m的巖溶原則上可不作地面處理，對溶腔較大(洞高較大)的巖溶需要加密鉆孔探測其邊界后再酌情處理”。

3.4.2 巖溶處理原則

1)巖溶處理采取地面超前處理和洞內(nèi)處理相結(jié)合的方法，應(yīng)盡量探明發(fā)育于隧道影響范圍內(nèi)的巖溶并進行地面處理后再進行盾構(gòu)隧道施工通過。2)巖溶處理前應(yīng)進行地質(zhì)補充勘察工作，以進一步探明巖溶發(fā)育情況，巖溶處理注漿應(yīng)盡量利用已有的地質(zhì)鉆孔。3)若填充物為全填充的可塑、硬塑粉質(zhì)粘土，且承載力特征值大于160 kPa或標(biāo)貫大于15擊時可不進行處理。

3.4.3 地面超前處理

1)地面超前處理方案。巖溶地面超前處理以鉆孔注漿填充為主，在地面超前處理前需要根據(jù)已有地質(zhì)資料對鉆孔進行加密，廣州地鐵3號線，5號線及南京地鐵3號線巖溶發(fā)育區(qū)補充鉆孔加密后縱向間距一般為5 m～10 m。若某鉆孔揭示有巖溶且需要進行處理，則以該鉆孔為中心沿垂直隧道方向由內(nèi)至外間隔2 m～3 m施作一排巖溶探查孔，直至基本找到巖溶邊界。然后，沿平行隧道方向間隔2 m～3 m施作巖溶探查孔直至基本找到洞體邊界為止。巖溶地面處理主要采用鉆孔注漿填充，若巖溶為有限邊界則以揭示巖溶的最外排鉆孔作為最外排注漿孔，若垂直于隧道方向在巖溶處理范圍內(nèi)未找到洞體邊界，在安全限界附近鉆孔然后采用速凝型漿液注漿控制注漿處理邊界，以有效控制注漿的范圍與注漿量。2)巖溶注漿處理控制要點。巖溶地面填充注漿可采用花管注漿與袖閥管注漿，采用花管注漿應(yīng)設(shè)置止?jié){塞。注漿施工時應(yīng)采取措施保證漿液在有效的高度范圍內(nèi)進行填充和擴散。一般情況下先注周邊孔再注中間孔，周邊孔采用速凝型漿液，中間孔采用普通水泥漿或水泥砂漿。每處巖溶處理前應(yīng)進行注漿試驗，并及時調(diào)整注漿參數(shù)，注漿效果達到要求后再進行大范圍的使用。注漿采取間歇式注漿，進行多次注漿，每次注漿間隔6 h～10 h。對于周邊孔以相對小壓力、多次數(shù)、較大量控制，注漿壓力0.2 MPa～1.0 MPa，注漿3次 ～5次;中間孔注漿壓力0.5 MPa～2.0 MPa，注漿3 次 ～5次。

3.4.4 盾構(gòu)隧道巖溶洞內(nèi)處理

在管片底部標(biāo)準(zhǔn)塊各增加2個預(yù)留注漿孔，新增預(yù)留注漿孔構(gòu)造同吊裝孔。盾構(gòu)通過后在不影響正常掘進的情況下或監(jiān)測顯示隧道沉降、變形較大時，通過預(yù)埋注漿孔和管片吊裝孔采用風(fēng)鉆鉆孔以進一步探查是否仍然存在發(fā)育于隧道下方的巖溶。洞內(nèi)鉆孔揭示有巖溶時，采用鋼花管注漿對巖溶進行填充處理;對未揭示有巖溶發(fā)育的鉆孔，應(yīng)及時采用水泥漿進行封堵。注漿過程中應(yīng)注意壓力控制，加強監(jiān)測，防止壓力過大造成管片發(fā)生過大變形或開裂。管片預(yù)留注漿孔布置圖見圖1。

圖1 管片預(yù)留注漿孔布置圖

3.4.5 巖溶注漿處理效果判斷

應(yīng)綜合考慮注漿壓力、注漿量與地面反應(yīng)等因素判斷是否需要結(jié)束注漿，注漿施工過程中若地面出現(xiàn)冒漿、冒水與地面隆起等現(xiàn)象，在排除未按照工藝要求進行施工等原因后，也可作為結(jié)束注漿的參考條件。在結(jié)束注漿后，需對巖溶處理效果進行鉆孔取芯驗證，查看注漿體是否連續(xù)，要求洞內(nèi)全填充，在鉆進過程中無明顯掉鉆，鉆進過程中在溶腔填充范圍內(nèi)無明顯的漏水與漏漿，達不到要求應(yīng)補充注漿。同時應(yīng)進行原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，處理后溶(土)洞填充物標(biāo)貫值應(yīng)不小于15擊，其承載力特征值不小于160 kPa。

3.4.6 加強巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道風(fēng)險設(shè)計交底與施工配合

施工前設(shè)計人員應(yīng)就巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道設(shè)計與巖溶處理方案對施工單位進行交底，交底時應(yīng)強調(diào)巖溶工程風(fēng)險及可能引起的環(huán)境風(fēng)險。制定重大風(fēng)險預(yù)警控制指標(biāo)與監(jiān)測要求并進行交底，要求施工過程中加強對周邊重要建(構(gòu))筑物、地下管線、地面的沉降變形監(jiān)測與巡視。

同時還需參與制定巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道施工注意事項及事故應(yīng)急技術(shù)處置方案，配合可能發(fā)生的事故進度進行重大風(fēng)險溝通與交流，參與建設(shè)單位風(fēng)險管理，指導(dǎo)審查事故單位風(fēng)險管理方案、處置措施與應(yīng)急預(yù)案，協(xié)調(diào)實施現(xiàn)場施工風(fēng)險跟蹤管理。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工反饋信息，對盾構(gòu)隧道設(shè)計與巖溶處理方案進行必要的調(diào)整。

4 結(jié)語

我國可溶性巖分布廣、面積大，巖溶將對城市地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)帶來很大的建設(shè)難度與工程風(fēng)險。巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道工程作為重大風(fēng)險源需引起建設(shè)各方的高度重視，在設(shè)計過程中加強風(fēng)險控制可有效降低工程風(fēng)險，同時也需要施工過程加強施工質(zhì)量控制與工程管理。

［1］《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992.

［2］GB 50652-2011，城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范［S］.

［3］江蘇省水文地質(zhì)工程勘察院，江蘇省地質(zhì)工程勘察院.南京地鐵3號線濱江路站——五塘村站沿線巖溶發(fā)育物探成果報告［R］.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，2011.

［4］桂 林.廣州地鐵五號線巖溶盾構(gòu)隧道工程技術(shù)研究［J］.桂林工程學(xué)院學(xué)報，2008(3):24-25.

［5］李廣濤.廣州地鐵三號線北延段巖溶處理設(shè)計［J］.隧道建設(shè)，2009(1):61-63.

［6］曹 越，楊紅軍.盾構(gòu)施工過程風(fēng)險分析與控制［J］.山西建筑，2011，37(9):185-186.