盾構(gòu)隧道穿越江底溶洞發(fā)育區(qū)若干關(guān)鍵技術(shù)探析

馬福東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

盾構(gòu)隧道穿越江底溶洞發(fā)育區(qū)若干關(guān)鍵技術(shù)探析

馬福東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越江底巖溶發(fā)育區(qū)在全國尚屬首例,難度極大。以長沙地鐵3號線為工程依托,總結(jié)盾構(gòu)區(qū)間穿越湘江下方溶洞群的關(guān)鍵技術(shù)。湘江西河汊320m范圍內(nèi)串珠狀溶洞集中發(fā)育,巖溶水與湘江存在水力聯(lián)系,盾構(gòu)施工易引起溶洞坍塌、涌水、機器陷落等突發(fā)狀況,風險較大,通過工程分析、類比和歸納等方法,提出江底巖溶區(qū)盾構(gòu)工程的風險和重難點,并對溶洞專項勘查、加固方案、注漿參數(shù),特別是串珠狀溶洞加固措施以及加固檢測標準等進行詳細闡述,并結(jié)合類似工程實踐經(jīng)驗對以上關(guān)鍵技術(shù)提出設計施工原則和相關(guān)建議。

地鐵；盾構(gòu)隧道；溶洞發(fā)育；串珠狀；高壓脈沖注漿； 多層套管

據(jù)統(tǒng)計，2016年年底全國已經(jīng)有48個城市在建城市軌道交通線路總規(guī)模達5 636 km，共有58個城市線網(wǎng)規(guī)劃獲批，規(guī)劃線路總長達7 305 km[1]。軌道交通建設規(guī)模空前龐大，諸多技術(shù)難題也隨之出現(xiàn)，巖溶發(fā)育不良地質(zhì)逐漸成為困擾軌道交通建設的突出難題之一。廣州、深圳、佛山、南寧、武漢、徐州、南京等地軌道交通建設過程中都遇到區(qū)間穿越地下巖溶的情況，并積累了一定的經(jīng)驗。

長沙地鐵3號線阜靈區(qū)間穿越江底巖溶發(fā)育區(qū)在全國尚屬首例，沿線路方向約320 m范圍內(nèi)湘江江底溶洞密布，見洞率約為78%，串珠狀層數(shù)高達12層，最高溶洞22.46 m，工程建設難度極大。建設方多次邀請國內(nèi)專家學者對本工程實施風險和處理措施進行研究探討，結(jié)合工程設計和施工過程，總結(jié)盾構(gòu)區(qū)間穿越江底巖溶發(fā)育區(qū)的關(guān)鍵技術(shù)，可以給類似工程提供可靠的設計思路和參考價值。

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

長沙市軌道交通3號線阜埠河站—靈官渡站區(qū)間全長2 659.5 m，區(qū)間下穿瀟湘中路東側(cè)河堤后，依次下穿湘江西河汊、橘子洲島及湘江東河汊，到達湘江中路，越江段長約1 400 m，越江隧道平面示意如圖1所示。下穿溶洞段隧道頂高程6.78 m，覆土最淺為14.88 m，采用泥水加壓式盾構(gòu)機施工，盾構(gòu)隧道斷面內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，管片厚350 mm。

1.2 工程水文地質(zhì)

(1)地貌及地層巖性

越江段溶洞發(fā)育區(qū)主要位于湘江西河汊河床底，河床底高程21.66～22.62 m。根據(jù)詳勘資料顯示，下穿巖溶發(fā)育段區(qū)間勘查出露的地層主要有第四系(Q)覆蓋層和下伏基巖。第四系覆蓋層主要包括砂、礫、卵石及殘積層；下伏基巖為白堊系戴家坪組(Kd2)砂巖、礫巖，泥盆系跳馬間組(Dt)砂巖、泥巖、灰?guī)r、碎裂巖及泥灰?guī)r等，左右線地質(zhì)縱斷面詳見圖2、圖3。

圖1 阜埠河站—靈官渡站區(qū)間平面

圖2 右線區(qū)間隧道穿越溶洞發(fā)育區(qū)地質(zhì)縱斷面

圖3 左線區(qū)間隧道穿越溶洞發(fā)育區(qū)地質(zhì)縱斷面

(2)溶洞發(fā)育

區(qū)間巖溶發(fā)育分布里程主要為DK15+800～DK16+120，集中在湘江西河汊及橘子洲西側(cè)，沿線路方向約320 m范圍內(nèi)。隧道洞身、隧道頂板之上，隧道底板之下均有分布，見洞率約為78%，平均線巖溶率約為20.6%。

在泥盆系石灰?guī)r和白堊系砂礫巖中均揭露有溶洞和溶蝕空洞，溶洞及溶蝕空洞分布位置及深度無規(guī)律，且大都為多層溶洞或多層溶蝕空洞，呈串珠狀，層數(shù)高達12層(JZ1-Ⅲ12-FS97孔)，洞高最高為22.46 m(JJZ1-Ⅲ12-FS97孔)，洞高大于3 m的溶洞約占35%。大部分溶洞及溶蝕空洞內(nèi)有充填物，具有充填物的溶洞及溶蝕空洞所占全部溶洞及溶蝕空洞的比例約為72.2%，充填物大部分為卵石或黏性土夾砂、卵石，飽和，松散～稍密狀。

(3)湘江水文

每年4月至7月為湘江豐水期，湘江最高洪水位39.18 m(1998-06-28，吳淞高程)，最低水位25.16 m(2007-12-14，吳淞高程)，年平均水位29.48 m。

(4)地下水類型及富水性

地下水按賦存方式分為第四系松散層孔隙水，層狀基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。

碳酸鹽類裂隙溶洞水主要賦存在泥盆系石灰?guī)r中，從鉆探揭示的巖溶發(fā)育特點和鉆探過程中鉆孔進水量分析，溶洞充填物以強透水性的砂、礫、卵石層為主，局部無充填，巖溶充填物透水性較好，富水性較好，連通性好，一般具強透水性，涌水量大，可見巖溶水與上部潛水及湘江河水有較為密切的水力聯(lián)系。

2 工程風險及難點

2.1 工程風險

湘江溶洞發(fā)育區(qū)所有鉆孔揭露的溶洞均為串珠狀，相鄰溶洞頂板厚0.1～2.7 m，頂板厚度小于0.5 m的溶洞約占35%，頂板厚度小于1.0 m的溶洞約占63%，巖溶發(fā)育強烈，頂板承載力較差。溶洞填充物以強透水性的砂、礫、卵石層為主，局部半填充，并且?guī)r溶水與湘江水利存在密切聯(lián)系。

綜合考慮以上種種不利的地質(zhì)因素，結(jié)合類似工程對比和數(shù)值分析，可以預見穿越湘江隧道最大風險集中于盾構(gòu)機穿越串珠狀溶洞群地段施工，關(guān)鍵是存在未探明或探明未填充處理好的溶洞，風險表現(xiàn)為如下兩方面：一方面，盾構(gòu)開挖引起原有地層應力和水壓力的失衡，在湘江動水壓力的作用下造成溶洞坍塌，容易引發(fā)河床塌陷、江水倒灌隧道、刀盤前方突水等重大事故;另一方面，對于溶洞位于隧道底部的情況，特別是半填充、無填充的溶洞或加固填充不完全的溶洞，盾構(gòu)機通過可能造成溶洞坍塌，引發(fā)笨重的盾構(gòu)機體卡機栽頭的巨大風險。一旦發(fā)生此類事故，造成的損失將不可估量和挽回。

2.2 工程難點

目前在廣州、深圳、武漢、濟南等城市地鐵工程修建中均揭露到溶洞發(fā)育的情況[2-5]，積累了一定的工程經(jīng)驗，但是溶洞發(fā)育具有隱蔽性、復雜性和無規(guī)律性等特點，導致地鐵工程穿越溶洞發(fā)育區(qū)仍存在較多問題沒有得到有效實用的解決辦法。長沙地鐵3號線阜靈區(qū)間穿越湘江巖溶發(fā)育區(qū)，由于溶洞發(fā)育區(qū)位于湘江西河汊河床底，地處為一級水源保護區(qū)，因此工程修建中許多難點亟待解決，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

(1)勘查探明溶洞平面分布范圍、發(fā)育邊界、空間規(guī)模及特征的手段；

(2)江面上對串珠狀和大尺寸溶洞實施加固處理的方法;

(3)巖溶水與湘江存在密切水利聯(lián)系，保證注漿加固質(zhì)量的措施;

(3)水下溶洞加固效果的檢測方法和標準；

(4)一級水源保護區(qū)內(nèi)注漿施工時，水資源和環(huán)境保護措施。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 溶洞發(fā)育勘察

探明水下溶洞發(fā)育的邊界、分布范圍、規(guī)模及特征是成功有效地進行溶洞加固處理施工的關(guān)鍵前提條件。江底溶洞作為不良地質(zhì)影響工程安全實施，應進行專項勘查工作[6]。

(1)采用“加密鉆探找洞為主，多種物探技術(shù)為輔，物探先行，鉆探驗證，綜合探測分析”的原則進行。

(2)結(jié)合高密度電阻率法、高頻大地電磁法、水域地震反射法3種技術(shù)探測，鉆探驗證。綜合物探在不同物性角度對探測成果均有不同的貢獻，一般高密度電阻率法探測范圍50 m，對異常體靈敏有效；大地電磁法在大于25 m范圍內(nèi)有效，探測效果好；地震反射法分辨率高，劃分地層分界效果顯著。盡管目前物探技術(shù)還不能被多數(shù)工程實踐采用，究其原因主要是探測過程的干擾和結(jié)果解析經(jīng)驗不足。根據(jù)阜靈區(qū)間隧道南側(cè)的穿越湘江南湖路隧道工程[7]修建經(jīng)驗顯示，3種物探手段結(jié)合使用能夠得到可靠的結(jié)果，可為進一步鉆探找孔提供依據(jù)。

(3)湘江巖溶發(fā)育區(qū)按照復雜場地考慮，根據(jù)規(guī)范要求勘探布孔間距10～30 m，顯然不能滿足本工程實際需要。專項勘查的目的是尋到溶洞邊界，鉆孔應沿隧道中心線布置，并且圍繞已探明揭露有溶洞鉆孔為中心向外加密補鉆，尋找揭露溶洞的邊界，加密鉆孔孔距3 m×3 m，直至不見洞時立即停鉆。

(4)湘江巖溶發(fā)育區(qū)所有鉆探孔全部按照控制性孔進行設計，勘探孔進入結(jié)構(gòu)底板以下不應小于3倍隧道直徑，或進入結(jié)構(gòu)底板以下中風化或微風化巖石不應小于5 m。并且鉆孔一旦揭露到溶洞時，應繼續(xù)增加鉆孔深度，直到溶洞底部為止。

另外，湘江巖溶發(fā)育區(qū)作為專項勘探對象，應在詳勘階段就作為重點內(nèi)容由勘查單位開展鉆孔加密尋找溶洞邊界的工作。若將溶洞邊界的查明工作推遲到施工階段由施工方結(jié)合加固處理一起實施，溶洞邊界的確定和前期設計方案均會產(chǎn)生較大誤差，這應該引起工程建設管理方的重視。

3.2 溶洞加固范圍

結(jié)合數(shù)值計算分析及工程實踐，盾構(gòu)隧道上方、側(cè)面、下方一定范圍內(nèi)的溶洞都需要處理。

建議水面對巖溶發(fā)育區(qū)處理范圍：對盾構(gòu)隧道洞身及隧道頂部、隧道側(cè)壁以外3 m及底板以下8 m范圍內(nèi)，所有揭露到的溶洞均進行加固處理。對揭露的串珠狀溶洞，當隧洞底部溶洞之間的豎向巖層厚度小于1 m時，緊鄰的下層溶洞也應進行相應的加固處理。在湘江水面對巖溶發(fā)育區(qū)進行加固處理的范圍如圖4所示。

圖4 溶洞發(fā)育區(qū)加固處理范圍示意(單位：mm)

3.3 溶洞加固方案

目前，在盾構(gòu)機內(nèi)進行超前加固處理基本很難實現(xiàn)，為規(guī)避盾構(gòu)穿越溶洞區(qū)掘進開挖時的風險，最可靠的辦法就是在盾構(gòu)掘進開挖前預先在湘江江面實施江底溶洞加固處理措施。通過比選湘江搭建固定式平臺、筑堤、筑島、移動船等方案，最終采用江面搭建固定式平臺，預留注漿施工孔，在江面進行江底溶洞加固處理的方案。

湘江巖溶發(fā)育區(qū)內(nèi)分布大量溶洞，溶洞高度0.5～22.5 m，根據(jù)溶洞的填充類型、填充物的特性、溶洞規(guī)模等不同狀況，采用不同處理方案。

(1)高度大于3 m的半充填、無充填溶洞

①首先高壓灌注低強度等級混凝土，然后實施高壓脈沖注漿加固裂隙。

②采用C20細石混凝土，通過試驗確定合理的坍落度，確保混凝土具有較好的流動性，灌注混凝土塌落度建議取15～22 cm。

③灌注混凝土壓力取2.0～3.0 MPa。

④待灌入混凝土量達到理論計算用量且灌注壓力穩(wěn)定時，即可停止灌注作業(yè)。

⑤溶洞規(guī)模較大，尺寸超過15 m時，可以先灌入礫石填充溶洞空腔，再掃孔灌注混凝土。填充的礫石為后續(xù)漿液的灌入起到了骨架作用，既節(jié)省灌漿材料又可使?jié){液有效充填。

另外，長沙地鐵3號線河西段巖溶發(fā)育，曾嘗試地面吹砂填充的處理方法充填大尺寸的溶洞，但由于地下水豐富等原因?qū)е滦Ч焕硐耄虼瞬唤ㄗh在江面采取吹砂的方案填充江底溶洞。

(2)高度大于3 m的全填充溶洞及高度小于3 m的溶洞

①溶洞先采用水下不分散的黏土水泥膏漿進行低壓脈沖封堵注漿，然后采用黏土水泥膏漿進行高壓脈沖擠密注漿。封堵注漿是對溶洞通道、溶蝕空腔采用水下不分散抗沖蝕灌漿材料進行有效的充填，封堵地下水流；高壓擠密是對溶洞內(nèi)充填物進行有效的高壓擠密泌水固結(jié)，提高管道洞穴復合充填物整體力學性能及其抗?jié)B強度。

②高壓脈沖注漿：采用一種由螺旋管或長圓管、單向高壓沖擠接頭、全面鉆頭組成的高壓沖擠注漿鉆具，直接利用注漿液作為鉆孔沖洗液，并通過高壓脈動注漿泵壓送于孔底，在孔底高壓沖擠鉆機具局部封阻作用下，瞬間產(chǎn)生一定的脈沖注漿壓力，隨鉆隨注，注護結(jié)合。鉆注過程中，按照自上而下每間隔鉆0.5～1.0 m后，上提孔內(nèi)高壓沖擠注漿鉆具一個間隔段，進行孔口封閉與回漿壓力控制，在孔口與孔內(nèi)(注漿段上部)雙重封阻條件下，產(chǎn)生一種脈動式瞬間沖擠高壓，達到對地層實施有效可控、高壓沖擠、劈楔壓滲注漿的效果。

③低壓脈沖封堵注漿時，按照“先小后大、先圍后閉”順序進行，漿液流動度結(jié)合膏漿泵輸送能力以不大于100 mm為宜，盡可能采用較大的泵量進行充填堆積與推進擴散，直至截流閉氣封堵整個巖溶空腔。

④注漿壓力：充填封堵灌漿，灌漿壓力以滿足最大泵量注入率為宜；高壓擠密灌漿，采用孔口回漿壓力與孔底進漿壓力復合控制技術(shù)進行，其控制灌漿壓力參照表1。

表1 脈沖注漿間隔分段與壓力控制

注：進漿壓力為減去管路損失后計算壓力，可通過改變孔底高壓沖擠灌漿機具結(jié)構(gòu)尺寸與脈沖漿量進行調(diào)整。

⑤注漿結(jié)束標準

充填封堵注漿：當注漿壓力達到設計充填沖擠灌漿壓力，且注入率≤5 L/min；繼續(xù)灌注30 min，結(jié)束注漿，結(jié)束后待凝24～72 h。

擠密注漿：當沖擠灌漿壓力達到設計擠密灌漿壓力時，且注入率≤1 L/min，繼續(xù)灌注30 min；或當沖擠灌漿壓力達到設計擠密灌漿壓力時，且灌入量達到設計單位灌入量時，結(jié)束本段擠密灌漿，上提下一個間隔灌注，以此類同，直至全灌漿段鉆灌結(jié)束。

3.4 鉆孔及布孔的原則

根據(jù)勘探和注漿加固的需要設置先導孔、止?jié){孔、加密鉆孔兼做注漿孔。

先導孔：區(qū)間隧道輪廓以外3 m處沿區(qū)間隧道縱向設置先導孔，孔間距3 m，用作物探孔兼做止?jié){孔。

注漿孔：在確定的溶洞邊界范圍內(nèi)，利用加密探孔作為注漿孔，注漿孔間距3 m×3 m，呈梅花形布置。

止?jié){孔：設置在溶洞邊界附近，在注漿孔的基礎上加密，止?jié){孔間距1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置。

鉆孔布置如圖5所示。

圖5 溶洞注漿鉆孔布置示意(單位：m)

巖溶注漿施工順序應遵循逐漸加密的原則，先周邊后中間；同一排孔分三序進行。對于溶洞規(guī)模較大，且動水壓力較大的溶洞，實施止?jié){孔注漿時可采用群孔同時灌注水下不分散黏土水泥膏狀漿液的方法，進行類似于“圍堰截流閉氣”高強度充填封堵注漿。

3.5 串珠狀溶洞注漿加固

串珠狀溶洞采用多層套管工藝[8-12]進行注漿，遵循“小口徑鉆孔、孔口封閉、分段搭接、自上而下分段注漿”的原則。

注漿孔結(jié)構(gòu)如圖6所示，多層套管分級不宜超過3層。第一層采用φ1 700 mm鋼護筒從江面插入巖層內(nèi)不小于3 m；第二層注漿鉆孔直徑為φ135 mm，下φ120 mm注漿管，與鋼套筒搭接3 m，搭接段采用C30混凝土封閉；第三層注漿孔鉆孔直徑為φ110 mm，下φ75 mm注漿管，與上一層鉆孔搭接2 m，搭接段采用水泥漿液封閉。

多層套管注漿自上而下逐層注漿加固，搭接段及時封閉，可以避免注漿漿液泄漏到江水中，能夠滿足江面上進行注漿施工時環(huán)境和水源保護的要求。同時可以避免串珠狀溶洞加固施工時上層地層坍塌的風險。

在造孔過程中，如遇到溶槽、溶溝或小溶洞時，可采取投放片石、碎石夾黏土，或投入水泥進行填塞，使其起到護壁作用，確保護壁泥漿不流失。

圖6 多層套管注漿示意

3.6 檢測標準

溶洞注漿加固的檢測標準，現(xiàn)行規(guī)范中未給出明確的要求，參考現(xiàn)在已實施的類似工程[13-17]檢測標準如表2所示。

結(jié)合本工程的特點，綜合考慮加固檢測可操作性和開挖期間風險可控兩方面的要求，提出阜靈區(qū)間下穿湘江巖溶發(fā)育區(qū)溶洞注漿加固的檢測標準如下：

(1)直觀標準,加固區(qū)內(nèi)隨機鉆孔抽芯，芯樣應保持連續(xù)無明顯空洞或蜂窩;

(2)溶洞加固區(qū)進行原位測試結(jié)合檢查取芯孔進行，采用標準貫入試驗，標準貫入度不小于10;

(3)滲透系數(shù)不應大于1×10-5cm/s。

表2 溶洞注漿加固檢測標準統(tǒng)計

4 結(jié)語

國內(nèi)外采用盾構(gòu)法在城市巖溶發(fā)育區(qū)修建地下隧道的工程案例不多，尤其穿越江底溶洞發(fā)育區(qū)的情況尚屬首例，施工風險較大，需要在勘查、設計、施工各階段做好充分的方案論證，采取步步為營的對策。工程設計和施工過程中應在以下方面予以重視。

(1)巖溶發(fā)育區(qū)組織專項勘察，采用“加密鉆探找洞為主，多種物探技術(shù)為輔，物探先行，鉆探驗證，綜合探測分析”的原則進行，查明溶洞邊界范圍。

(2)溶洞處理范圍宜采用：盾構(gòu)隧道洞身及隧道頂部、隧道側(cè)壁以外3 m及底板以下8 m范圍內(nèi)，所有揭露到的溶洞均進行加固處理。

(3)溶洞加固方案應根據(jù)溶洞規(guī)模、填充類型、填充物的特性等不同情況，采用相應的處理方案，溶洞高度3 m宜作為劃分大小規(guī)模的界限。對于半填充或無填充的大溶洞宜先采用高壓灌注低強度等級混凝土的方案。

(4)江底串珠狀溶洞注漿宜采用多層套管工藝進行注漿，遵循“小口徑鉆孔、孔口封閉、分段搭接、自上而下分段注漿”的原則，套管搭接長度不應小于2 m。

建議：目前我國城市地鐵正在大規(guī)模建設中，區(qū)間穿越溶洞的情況將越來越普遍，基于目前盾構(gòu)機構(gòu)造，盾構(gòu)內(nèi)尚很難實現(xiàn)超前注漿加固技術(shù)，該方面的研究開發(fā)具有極大的意義。

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An Approach to Some key Technologies of Shield Tunnel Construction in Karst Development Area under River Bottom

MA Fu-dong

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., BeiJing 100055, China)

As the first engineering project in China, the tunnel of subway passing under karsts region in the bed of river has great difficulties in technology and construction. With reference to Subway Line 3 of Changsha, this article is mainly concentrated on key technologies of tunnel passing karst caves under river. Caves are accumulated west branch of Xiangjiang River and the length of region with caves from east to west is about 320 meters. In the longitudinal direction, there is a series of caves and some of them have connection with the river and collapsing, water gushing, machine falling and other accidents are likely to occur during shield tunneling. The risks and key points of construction are put forward based on engineering analysis, analogical and summary method, and dedicated investigation, reinforcing scheme, grouting parameters, especially reinforcing process and inspection standard are described in detail. Meanwhile, design and construction principles, relevant suggestions associated with above key technologies are provided in accordance with the practices in similar projects.

Subway; Shield tunnel; Cave development; Moniliform; High pressure pulse-grouting; Multilayer casing

1004-2954(2018)01-0093-06

2017-03-18；

2017-05-15

中國中鐵股份公司科技研究計劃項目(2012-引導-76)

馬福東(1971—)，男，高級工程師，1995年畢業(yè)于西南交通大學橋梁與地下工程系，主要從事城市軌道交通工程設計和研究工作，E-mail：ztzxmafd@163.com。

U231+.1；U455.43

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10.13238/j.issn.1004-2954.201703180004