盾構(gòu)穿越溶腔施工技術(shù)

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盾構(gòu)穿越溶腔施工技術(shù)

張?jiān)?br/>（粵水電軌道交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州510610）

以穗莞深城際鐵路施工過程中盾構(gòu)突遇溶腔處理為案例，總結(jié)了盾構(gòu)突遇溶腔的施工技術(shù)。首先采用超前探孔結(jié)合數(shù)據(jù)影像采集處理，探明了盾構(gòu)前方異常段落的地質(zhì)情況；然后根據(jù)已探明的溶腔體的分布、穩(wěn)定狀況和內(nèi)環(huán)境條件，分別采取直接通過、填倉(cāng)填腔、砂漿填充等方法；最后將盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行預(yù)抬頭處理，小扭距、小推力掘進(jìn)，同時(shí)進(jìn)行三次注漿及地面監(jiān)控量測(cè)，使地面沉降量可控，對(duì)地表建（構(gòu)）筑物影響小。該施工技術(shù)適用于城際軌道交通隧道上方建筑密集環(huán)境下的盾構(gòu)隧道工程。

盾構(gòu)隧道；溶腔；探測(cè)；處理；施工技術(shù)

在軌道交通建設(shè)過程中，因?yàn)槌擎?zhèn)發(fā)展水平較高，軌道交通隧道工程經(jīng)常下穿重要交通、工業(yè)、民用建筑物；同時(shí)，受地質(zhì)勘探深度影響，地質(zhì)勘查無法做到全覆蓋，只能通過隧道兩側(cè)加密地質(zhì)探孔的方法來定向反映盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)情況。隧道在掘進(jìn)過程中容易遇到一些未探明的溶洞、溶腔；盾構(gòu)施工時(shí)，一旦頂穿溶洞、溶腔，有可能造成突水、突泥及盾構(gòu)陷落等工程事故，同時(shí)對(duì)地面建筑物造成一定破壞，產(chǎn)生較大的不良社會(huì)影響。

現(xiàn)有的溶洞、溶腔一般采用地質(zhì)垂直鉆探、紅外探測(cè)、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、超前水平地質(zhì)鉆孔等探測(cè)技術(shù)，探明溶洞、溶腔邊界及填充物質(zhì)等。地面一般采用注漿超前預(yù)處理。如桂林［1］采用了高密度電阻率法、電磁波CT物探法、加密鉆孔等綜合探測(cè)方法，探明了溶洞的分布與填充情況。宋明福等［2］則利用高密度電阻率法、高頻大地電磁法、瞬變電磁法和地震反射波法4種方法，對(duì)巖溶、斷裂構(gòu)造或破碎帶等不良地質(zhì)情況進(jìn)行了勘探判識(shí)。

本文根據(jù)穗莞深城際軌道交通太平隧道虎虎盾構(gòu)區(qū)間施工情況，介紹了在地面不具備作業(yè)條件下，突然遇到溶腔時(shí)，如何采取有效措施探明溶腔，并利用盾構(gòu)機(jī)上的有限作業(yè)空間，采取施工技術(shù)，安全高效地通過溶腔。

1　工程概況

根據(jù)穗莞深城際軌道交通線定測(cè)隧道工程（DK42+16.447—DK41+178.678）巖土工程勘察報(bào)告［3］，本區(qū)段盾構(gòu)隧道穿行的地層為第三系泥質(zhì)砂巖、砂巖、含礫砂巖；地下水主要為孔隙潛水及基巖裂隙水。盾構(gòu)隧道埋深約28 m，地面為交通繁忙的256省道，附近沒有橋樁結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)隧道采用8 800 mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。

2　溶腔發(fā)現(xiàn)與探析

2.1突遇溶腔預(yù)兆

一般而言，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，水文地質(zhì)條件沒有明顯變化、埋深沒有突變，地面監(jiān)測(cè)沒有出現(xiàn)異常情況下，倉(cāng)內(nèi)壓力基本穩(wěn)定；而虎虎區(qū)間從1#盾構(gòu)井往虎門火車站正常推進(jìn)至736環(huán)時(shí)，土倉(cāng)上部土壓由原來正常掘進(jìn)時(shí)的100 kPa急劇下降為50 kPa，刀盤扭矩由2 100 kN·m急劇降低至1 000 kNm，暫停掘進(jìn)后對(duì)地面進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)異常；再次啟動(dòng)掘進(jìn)模式2 min，土壓及刀盤扭矩呈直線下降，土壓驟降至25 kPa，刀盤扭矩驟降至 350 kN·m，立即停機(jī)處置。地面連續(xù)監(jiān)測(cè)未見異常，初步判定盾構(gòu)機(jī)前方異常，可能遇到空腔體。

2.2探明前方空腔體方法

采用超前探孔結(jié)合數(shù)據(jù)影像采集處理探明前方異常段落的地質(zhì)情況。

2.2.1超前探孔的設(shè)置

盾構(gòu)土倉(cāng)隔板上有多個(gè)預(yù)留孔，在預(yù)留孔安裝密封裝置后作為超前探孔的孔口，緩慢開啟密封裝置同時(shí)監(jiān)測(cè)孔口情況，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，使刀盤開槽位置中心與密封孔洞中心對(duì)準(zhǔn)。從裝有密封裝置的預(yù)留孔中推出套管，套管推進(jìn)端采取柔性密封處理，將套管推進(jìn)端直抵盾構(gòu)刀盤切削面，可適當(dāng)施加壓力使套管與巖面緊貼。利用無腿手風(fēng)鉆通過接長(zhǎng)套管的方法將刀盤至溶腔之間的巖體鉆通，完成超前探孔的鉆設(shè)。

2.2.2溶腔內(nèi)氣體的采集分析

采用便攜泵吸式綜合氣體檢測(cè)儀對(duì)溶腔內(nèi)氣體進(jìn)行采集分析，見圖1。測(cè)定溶腔內(nèi)氣體是否可燃或有毒。如溶腔內(nèi)氣體有毒或可燃，必須增加防毒、防燃措施后再進(jìn)行后續(xù)施工；如檢測(cè)判定為常規(guī)氣體，則按常規(guī)施工。

圖1　溶腔內(nèi)氣體檢測(cè)示意

2.2.3數(shù)據(jù)影像采集

采用改進(jìn)后的工業(yè)內(nèi)窺鏡對(duì)溶腔體進(jìn)行數(shù)據(jù)影像采集。內(nèi)窺鏡作業(yè)前，通過高壓風(fēng)將套管內(nèi)的水渣清理干凈，內(nèi)窺鏡集光、機(jī)、電等于一身，檢測(cè)儀器由智能旋轉(zhuǎn)鏡頭、智能控制器、彈性 GFRP伸縮線盤等組成，見圖2。

圖2　數(shù)據(jù)影像采集設(shè)備

數(shù)據(jù)影像采集過程如下：將視頻及紅外測(cè)距采集頭放置于套管中，采集頭與外置控制箱（含液晶顯示器）通過柔性檢測(cè)線連接，伸長(zhǎng)可伸縮推進(jìn)桿，將視頻采集頭推進(jìn)至套管外的溶腔中，采用鏡頭的光學(xué)變焦技術(shù)，通過鏡頭軸向360°旋轉(zhuǎn)，徑向220°翻轉(zhuǎn)，使檢測(cè)無死角，細(xì)致精密檢測(cè)溶腔內(nèi)部情況，以獲得較全面的圖像和精準(zhǔn)的紅外測(cè)距數(shù)據(jù)，為后期分析提供良好的數(shù)據(jù)影像資料。通過自帶可調(diào)整亮度的環(huán)境光和輔助后置光源，使檢測(cè)可在黑暗環(huán)境中獲取清晰圖像（見圖3）。

圖3　數(shù)據(jù)影像采集的溶腔照片

2.2.4溶腔體判釋

通過配套的應(yīng)用軟件結(jié)合專門開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件，根據(jù)不同方向（軸向和徑向）、不同光學(xué)焦距獲取的數(shù)據(jù)，分析溶腔空間情況；同時(shí)通過套管采用特殊渣土采集裝置，采集溶腔底部的渣土樣本作試驗(yàn)分析，并提取溶腔體內(nèi)的水深、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)影像分析結(jié)果，確定溶腔空間、溶腔與隧洞的關(guān)系，溶腔的穩(wěn)定狀況等，作為下一步溶腔處理的依據(jù)并指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)施工。

3　溶腔的處理

根據(jù)溶腔體的邊界條件、溶腔體的穩(wěn)定狀況，溶腔體的內(nèi)環(huán)境條件綜合分析，因地制宜確定溶腔處理方案。

3.1直接通過

如圍巖穩(wěn)定，溶腔分布于刀盤正面投影范圍內(nèi)（見圖4（a）），在無水或少水情況下不用充填溶腔，盾構(gòu)快速通過即可；如水量較多，可以在土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土處理。

圖4　溶腔體與盾構(gòu)刀盤相對(duì)位置示意

3.2填倉(cāng)填腔法

如圍巖不穩(wěn)定，溶腔分布于刀盤正面投影范圍之外（見圖4（b）），有掉塊現(xiàn)象，地下水較多，可采用填倉(cāng)填腔法［4］，利用已經(jīng)鉆通的孔洞通道，注漿填充盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)及溶腔體。注漿材料采用低強(qiáng)度混合填充材料?；旌喜牧腺|(zhì)量比為水泥∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土∶水= 3∶6∶3∶11，其中水泥用量為150 kg。

3.3砂漿填充

如溶腔分布于刀盤正面投影前方和下部（見圖4（c）），采用接管法，由近盾構(gòu)機(jī)側(cè)往遠(yuǎn)盾構(gòu)機(jī)側(cè)根據(jù)溶腔的軸向長(zhǎng)度和深度，分層灌注自流平砂漿，自流平砂漿略高于刀盤下部約5 cm［5］。

4　盾構(gòu)通過溶腔的方法

4.1掘進(jìn)方法

恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)，通過盾構(gòu)機(jī)上的主動(dòng)鉸接裝置和分區(qū)油壓千斤頂，將盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行預(yù)抬頭處理。小扭距、小推力掘進(jìn)，直至通過溶腔段，每掘進(jìn)一環(huán)，即在該環(huán)管片后進(jìn)行低壓第一次注漿，然后對(duì)前面已注漿的管片加壓進(jìn)行第二次注漿。同時(shí)，對(duì)上方建筑物進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并將監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反饋給施工方，指導(dǎo)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整。

4.2多次注漿

通過溶腔段后，適當(dāng)加大推力掘進(jìn)，直至全部刀盤進(jìn)入巖土層10環(huán)位置，對(duì)溶腔范圍的管片進(jìn)行第三次注漿。

5　結(jié)語(yǔ)

1）采用超前探孔結(jié)合數(shù)據(jù)影像采集處理的綜合方法探測(cè)溶腔，掌握溶腔體的分布及腔內(nèi)環(huán)境情況，為后續(xù)施工提供可靠的地質(zhì)資料。

2）根據(jù)已探明的溶腔體的分布、穩(wěn)定狀況和內(nèi)環(huán)境條件，針對(duì)不同情況分別采取直接通過、填倉(cāng)填腔及砂漿填充等方法處理溶腔。

3）對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)措施進(jìn)行改進(jìn)。采用預(yù)抬頭處理，小扭矩、小推力盾構(gòu)掘進(jìn)，減少地層擾動(dòng)；通過三次注漿及地面監(jiān)控量測(cè)，使地面沉降量可控，對(duì)地表建（構(gòu)）筑物影響小。

4）由于溶腔體內(nèi)采取了處理措施，溶腔上方地面免于加固處理，隧道上方的建筑物不需拆遷，減少了對(duì)社會(huì)的不良影響。

［1］桂林.廣州地鐵五號(hào)線巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道工程技術(shù)研究［J］.桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，28（3）：324-329.

［2］宋明福，劉宏岳.大直徑水底盾構(gòu)隧道不良地質(zhì)及疑似溶洞探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2013，33（2）：122-128.

［3］中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.穗莞深城際軌道交通線定測(cè)隧道工程（DK42+16.447～DK41+178.678）巖土工程勘察報(bào)告［R］.武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2009.

［4］徐美華.龍?zhí)端淼来┰教畛浜酝潦惾芏吹奶幚砑夹g(shù)［J］.鐵道建筑，2006（2）：34-37.

［5］汪海波，劉文解，馬成，等.大斷面隧道溶洞處理技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2014（11）：75-77.

（責(zé)任審編葛全紅）

Construction Technology of Shield Tunnel Passing Through Karst Cavity

ZHANG Yuanhai
（YSD Rail Transit Construction Company Limited，Guangzhou Guangdong 510610，China）

T akingkarstcavitytreatmentencounteredinGuangzhou-Dongguan-Shenzhenintercityrailway construction as an example，the construction technology of shield tunnel which encounters karst cavity was concluded in this paper.Geological condition of abnormal section ahead the shield was ascertained by adopting the methods of advanced borehole and data image acquisition and processing，some measures were used such as passing through directly，filling the chamber and cavity，filling with mortar according to karst cavity distribution，stability and internal environment，pre head rising processing and excavation with small torque and small force of the shield machine were conducted and three grouting and ground monitoring measurement were implemented，which could ensure the ground subsidence control and the small influence on the surface building.T he construction technology presented in this paper is applied to the shield tunnel project in the dense building environment above the intercity rail transit tunnel.

Shield tunnel；Karst cavity；Detection；T reatment；Construction technology

張?jiān)＃?974— ），男，高級(jí)工程師。

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.18

1003-1995（2016）07-0074-03

2015-12-10；

2016-04-25