全斷面巖溶裂隙富水地層土壓平衡盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：以廣州地鐵八號線北延段某盾構(gòu)區(qū)間全斷面巖溶裂隙富水地層中土壓平衡盾構(gòu)施工為背景，通過對土壓平衡盾構(gòu)在巖溶裂隙富水地層施工導(dǎo)致地層失水、溶洞失穩(wěn)、地面沉降或塌陷，所采取的一系列施工技術(shù)進(jìn)行研究，并對全程進(jìn)行技術(shù)總結(jié)。研究表明，通過采用提前對巖溶裂隙注漿封堵處理和盾構(gòu)保壓掘進(jìn)技術(shù)，成功的解決了在周邊環(huán)境復(fù)雜的巖溶裂隙富水地層盾構(gòu)掘進(jìn)中地層失水導(dǎo)致地面塌陷的難題，確保了周邊環(huán)境安全，為盾構(gòu)機(jī)順利完成本工程施工任務(wù)提供了有力支持，可為相似地層盾構(gòu)施工提供了寶貴的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：巖溶區(qū)；裂隙水；注漿；土壓平衡；地層失水

1 引言

廣州市地鐵八號線北延段線路主要位于瘦狗嶺斷裂以南構(gòu)造區(qū)。根據(jù)地質(zhì)資料揭示，該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)溶土洞異常發(fā)育，且該區(qū)域灰?guī)r上部直接覆蓋富水砂層，地下水位高，工程條件異常復(fù)雜，在此地層中地下隧道施工風(fēng)險極大。

本線路位于廣州城市城鄉(xiāng)結(jié)合部，隧道城市發(fā)展，地鐵線路建設(shè)向更深更艱難區(qū)域推進(jìn)，工程建設(shè)范圍內(nèi)房屋密集、交通繁忙、地下管線錯綜復(fù)雜，按照線路規(guī)劃，本工程有八成隧道位于巖溶區(qū)，其中局部隧道穿越全斷面灰?guī)r，在此地層中盾構(gòu)隧道的可借鑒施工成功經(jīng)驗有限。同時由于地下條件的復(fù)雜性，在現(xiàn)技術(shù)條件下無法完全探明地層中的裂隙（溶洞），并提前完成注漿處理，為控制盾構(gòu)在全段面灰?guī)r且裂隙發(fā)育地下水豐富地層中掘進(jìn)對周邊環(huán)境的破壞，降低施工風(fēng)險，需采取一定措施將隧道開挖范圍與外部環(huán)境水系通道進(jìn)行隔離，同時采取氣壓輔助盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)，防止原地層中水土流失，降低盾構(gòu)隧道施工對周邊環(huán)境的影響，確保施工安全。

2 工程基本情況

本工程區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間隧道長約為1550m，埋深8-16m，主要穿越地層有富水砂層、鈣質(zhì)灰?guī)r（強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化）及上軟下硬（砂/灰?guī)r），地下水位為地表以下1.5-2m，其中隧道60%位于全斷面巖溶裂隙富水地層中，周邊建構(gòu)筑物密集、地下管線復(fù)雜、地面交通繁忙、施工風(fēng)險高，此區(qū)間采用海瑞克雙螺旋土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工。

3 施工中存在的問題

在全斷面灰?guī)r地層中盾構(gòu)掘進(jìn)可能存在的問題如下：

（1）盾構(gòu)外出渣土量超出理論渣土量。渣土稀且噴涌。

（2）地面沉降值超標(biāo)。

（3）地面沉降位置距離作業(yè)范圍遠(yuǎn)。

（4）地面塌陷位置異常，超出正常盾構(gòu)施工影響范圍。

4 巖溶裂隙富水地層失水導(dǎo)致地層失穩(wěn)原因分析

4.1 地層原因分析

根據(jù)灰?guī)r地層特性[1]，地層中溶洞發(fā)育不規(guī)律，發(fā)育程度不一致，地層中裂隙更是無法完全預(yù)判和勘探清楚，且溶洞與溶洞之間、溶洞與上部地層之間以及隧道與溶洞之間可能存在自然水流通道如圖1所示，固此地層中無法完全提前對裂隙及溶洞進(jìn)行注漿或封堵處理。

4.2 地層失穩(wěn)原理

當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至上述地段時，地層中水通過裂隙通道隨盾構(gòu)渣土帶出，引起原處于平衡狀態(tài)的溶洞產(chǎn)生負(fù)壓，吸引上部地層中砂、水等往溶洞中填充，當(dāng)失水超過一定數(shù)量后，將引起地面沉降，水土流失地層失穩(wěn)導(dǎo)致地面塌陷，如圖2所示。

5 巖溶裂隙處理技術(shù)

5.1 工藝流程

巖溶裂隙處理工藝流程[2]，如圖3所示。

5.2 巖溶裂隙處理施工工藝

5.2.1 施工準(zhǔn)備

（1）技術(shù)方案準(zhǔn)備。根據(jù)灰?guī)r地層中巖溶裂隙及溶土洞發(fā)育的不規(guī)則性[1]，為有效封堵巖溶裂隙通道，經(jīng)過研究分析，在注漿機(jī)壓力作用下將雙液漿（水泥漿+水玻璃）壓入巖層裂隙，封堵透水通道，地面布孔技術(shù)參數(shù)如下：

①平面布孔原則：沿隧道方向注漿孔間距2m，距離隧道邊線1m，沿隧道中心線方向注漿孔間距5m，單隧道三排注漿孔。

②豎向處理范圍：注漿孔深度至隧道底一下2m。

③注漿封堵范圍：對隧道底2m至隧道結(jié)構(gòu)頂2m范圍內(nèi)的裂隙進(jìn)行注漿雙液漿，如圖4所示。

（2）施工人員及機(jī)械準(zhǔn)備[3]。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)面大小及施工進(jìn)度要求配置施工人員及設(shè)備，通常11人/班/套，選擇對地層熟悉的技術(shù)人員，作業(yè)人員需選擇有經(jīng)驗的熟練人員，注漿設(shè)備采用后退試劈裂注漿。

（3）現(xiàn)場調(diào)查。因本工程隧道位于城市道路下發(fā)，地下管線復(fù)雜，根據(jù)設(shè)計布孔位置，現(xiàn)場摸查地下管線，查明涉及區(qū)域的管線類型及埋深做好標(biāo)記，同時施工前向作業(yè)班組交底。同時，實(shí)際作業(yè)位置位于道路范圍部分提前做好交通疏導(dǎo)工作。

5.2.2 鉆孔取芯

（1）采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔取芯，通過巖心特點(diǎn)判定探測范圍地層裂隙或溶（土）洞的位置、發(fā)育情況、及充填物狀況。并詳細(xì)記錄各項技術(shù)參數(shù)，特別標(biāo)注掉鉆、漏水、破碎等異常部位，每個鉆孔制作鉆孔柱狀圖。

（2）針對性的分析每個鉆孔資料，擬定注漿方案并進(jìn)行交底。

5.2.3 注漿機(jī)安裝

（1）鉆孔完成后將鉆注一體機(jī)移動至鉆孔位置，安裝注漿管（下鉆），深度至鉆孔底部。（2）利用鉆注一體機(jī)注雙液漿將注漿管和孔壁的間隙填充滿，防止后續(xù)注漿過程中，從孔壁冒漿。

5.2.4 注漿[3]

（1）拌制水泥漿液，水泥漿配比為水泥：水=1：1。（2）配置雙液漿（雙液漿水泥漿：水玻璃=1：1，擬定凝結(jié)時間40s～45s。（3）鉆桿下至巖面位置注雙液漿，封堵巖面口及周邊砂層，防止?jié){液外漏。（4）根據(jù)鉆孔地質(zhì)資料分析結(jié)果，下鉆桿至孔底，在加固范圍內(nèi)，針對鉆孔過程發(fā)現(xiàn)存在漏水、破碎、溶洞部位注雙液漿，充分填充滲水通道。根據(jù)注漿部位深度及裂隙中注漿壓力偏高特點(diǎn)，終孔壓力為1.3MPa～1.5MPa（注漿深度16m～22m），巖面以上小壓力（0.3MPa）注單液漿填充至孔口進(jìn)行封口。（5）注漿完成后進(jìn)行洗管清場。

5.2.5 注漿效果檢查

（1）鉆孔檢查：在已完成注漿處理孔附近鉆孔檢測（已注漿孔之間），觀察檢測鉆孔鉆進(jìn)過程中是否存在漏水現(xiàn)象，同時檢查芯樣中破碎區(qū)水泥漿含量，若未出現(xiàn)漏水或芯樣中含水泥漿，說明漿液已擴(kuò)散至周邊巖層裂隙，達(dá)到預(yù)期封堵效果。

（2）掘進(jìn)過程檢查，主要通過觀察渣土顏色、統(tǒng)計排渣總量檢查，或者常壓開倉檢查，若出渣較干、掌子面無滲漏，說明隧道開挖周邊密封性能好，地層無水土流失，裂隙通道封堵效果較好。

5.3 巖溶裂隙處理注漿注意事項

（1）注漿過程中需進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況和注漿壓力進(jìn)行雙控，控制提桿或終孔。

（2）嚴(yán)格控制漿液質(zhì)量，由于地下環(huán)境復(fù)雜，地下水豐富，為保證效果，雙液漿凝固時間調(diào)配時按30s～35s，注入地下后方可達(dá)到設(shè)定的凝結(jié)時間40s～45s，達(dá)到預(yù)期效果。

（3）詳細(xì)記錄現(xiàn)場鉆孔情況，為后續(xù)針對巖層破碎、漏水、溶洞部位定點(diǎn)處理。

（4）城市中地面施工，地下建（構(gòu)）筑物較復(fù)雜，開孔前需詳細(xì)摸查，避免破壞地下建（構(gòu)）筑物。

（5）對于嚴(yán)重漏水、漏漿鉆孔或者揭示有溶洞發(fā)育鉆孔，成孔完成后立即進(jìn)行注漿封堵，防止鉆孔滲漏導(dǎo)致地面塌陷等風(fēng)險。

6 全斷面巖溶裂隙富水地層輔助盾構(gòu)掘進(jìn)措施

6.1 盾構(gòu)掘進(jìn)模式選擇

正常全斷面巖地層采用空倉掘進(jìn)模式，巖溶裂隙發(fā)育地段，為確保周邊環(huán)境安全，降低對溶洞的擾動，采取氣壓輔助掘進(jìn)模式，土倉內(nèi)渣土與壓縮氣體比例選擇2：1左右，即可保持水土平衡，同時減少刀具磨損。

6.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

在全斷面巖層中采取裂隙注漿處理后，盾構(gòu)掘進(jìn)主要參數(shù)控制如下：

（1）掘進(jìn)速度8mm/min～15mm/min。

（2）扭矩2300kN·M～2800kN·M。

（3）推力1000T～1500T。

（4）土壓1.2bar～1.5bar（主要為1/3倉氣壓），保持出渣量均勻穩(wěn)定，倉壓相對穩(wěn)定。

6.3 掘進(jìn)效果對比

通過對比相同地層處理和未處理掘進(jìn)效果，統(tǒng)計分析渣土樣式、渣土量、開倉效果、地面異常次數(shù)等方面數(shù)據(jù)，盾構(gòu)通過掌子面為全斷面微風(fēng)化硬巖裂隙發(fā)育、地下水較大的處理區(qū)段，較未處理的相同地層地段，渣土樣式粘如圖5所示，渣土量少出1.5-1.8方/環(huán)，開倉掌子面干燥如圖6所示，地面監(jiān)測異常情況為零。

實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)效果表面，通過裂隙注漿處理后對巖溶地層裂隙水的流失情況基本得到控制，為較好的進(jìn)行渣土改良，掘進(jìn)過程需往土倉加水（平均約3.5m3/環(huán)），說明開挖掌子面來水較少，達(dá)到了預(yù)計處理效果。

7 結(jié)束語

通過采取提前對巖溶裂隙注漿處理在本項目的成功實(shí)施，取得了較好的效果，證明了全斷面巖溶裂隙富水地層中采取裂隙注漿+氣壓輔助掘進(jìn)技術(shù)能有效的控制了此類地層中盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險，對周邊環(huán)境保護(hù)起到了關(guān)鍵性作用，為土壓平衡盾構(gòu)在此類地層中施工提供了寶貴經(jīng)驗，保證盾構(gòu)施工安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 錢莊，許燁霜，沈水龍，崔慶龍.砂土覆蓋型巖溶地層盾構(gòu)隧道施工地面注漿加固實(shí)例分析[J].隧道建設(shè)，2016（4）：479～484.

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[3] 萬維燕.巖溶區(qū)地鐵基坑涌水治理技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2017（12）：17～19.

作者簡介：

江俊，男，單位：中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，工程師，畢業(yè)院校：武漢理工大學(xué)，土木工程專業(yè)。