深圳地鐵14號線隧道巖溶處理技術(shù)方案對比及優(yōu)化

劉 恒

(中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

隨著我國城市地鐵隧道交通的迅速的發(fā)展，地鐵隧道建設(shè)遇到密集、大型巖溶的情況越來越頻繁。在復(fù)雜巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的區(qū)域的進(jìn)行隧道建設(shè)施工，會因巖溶表面參差不齊，溶洞外形形狀多種多樣，以及溶洞內(nèi)部的填充物具有流塑性、軟塑性或空洞的情況不可精準(zhǔn)預(yù)測的地質(zhì)因素多，因而增添隧道施工難度，容易造成巖溶周圍塌孔、漿液流失、盾構(gòu)掘進(jìn)卡鉆及地面構(gòu)筑物塌陷等問題，成為影響工程質(zhì)量、威脅施工安全、延遲施工工期等工程難題。因此，為了保證隧道安全施工和鐵路長時間穩(wěn)定性，對巖溶進(jìn)行注漿加固等手段成為堅(jiān)決問題的主要方法。白明洲等通過現(xiàn)場模擬注漿試驗(yàn)并結(jié)合理論分析對典型巖溶進(jìn)行了研究，并對比分析了注漿前典型巖溶雷達(dá)圖像特征與其注漿后的圖像特征，基于此對注漿效果進(jìn)行討論。楊新安等通過對運(yùn)營中的高速鐵路進(jìn)行軟土地基注漿試驗(yàn)，提出了對注漿順序和注漿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制的有控注漿施工技術(shù)。張民慶等在渝懷鐵路梁山隧道開挖工程中對開挖面注漿過程進(jìn)行研究，對注漿空間及漿液擴(kuò)散的分布特征及規(guī)律進(jìn)行分析，認(rèn)為注漿量與巖溶巖層空隙、巖溶底層擾動等因素有較大的關(guān)系。王德明等在永蓮隧道開挖斷面斷層破裂帶巖性變化對注漿量的影響進(jìn)行研究，指出斷層破碎帶的巖性無規(guī)律變化會導(dǎo)致注漿量在空間不均勻性分布。Chai J C、Bhandari A、Nonveiller E、王乾等采用分序注漿或跳孔注漿時，均認(rèn)為，注漿量的大小與注漿的先后順序具有關(guān)聯(lián)性，其前者注漿量往往多于后者注漿量，隨時間呈現(xiàn)遞減，且達(dá)到設(shè)計(jì)要求注漿壓力值所需的注漿時間也會相應(yīng)減小。朱明聽等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對注漿擠密進(jìn)行研究，認(rèn)為注漿模式是由擠密注漿向劈裂注漿進(jìn)行轉(zhuǎn)化過程中導(dǎo)致圍巖孔隙擠密。

深圳軌道交通14#線大運(yùn)站～寶荷站區(qū)間具有大量巖溶集中分布，盾構(gòu)隧道開挖過程中會對巖溶周圍土體產(chǎn)生擾動、易引起巖溶區(qū)土體坍塌失穩(wěn)，誘發(fā)地表沉降塌陷，對盾構(gòu)順利掘進(jìn)帶來極大不便，基于此，提出適于深圳軌道交通14#線坳背站～大運(yùn)站區(qū)間巖溶處理優(yōu)化施工方案顯得十分必要。

2 工程概況

深圳地鐵14#線大運(yùn)站至寶荷站巖溶段鉆孔共完成81個鉆孔，其中揭示溶洞鉆孔共36孔，溶洞洞頂埋深11.50～69.20 m，對應(yīng)高程10.60～49.90 m，溶洞洞底埋深13.50～70.50 m，對應(yīng)高程7.30～48.30 m，溶洞洞高0.20～9.60(MNZ3-TAD-YR-042)m，頂板厚度0.10～29.70 m，所揭示溶洞可分為全充填、半充填、無充填，充填物主要以軟～可塑狀粉質(zhì)黏土為主，夾風(fēng)化碎塊。本工點(diǎn)見洞隙率44.4%，線巖溶率0.72%～43.20%，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)，確定巖溶發(fā)育等級為強(qiáng)發(fā)育。

3 巖溶處治的原則與目的

3.1 巖溶處治原則

盾構(gòu)隧道巖溶處理應(yīng)遵循以“地面預(yù)處理為主，洞內(nèi)預(yù)留措施為輔”的原則，對已發(fā)現(xiàn)巖溶溶洞應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用地面注漿進(jìn)行預(yù)前處理。如采用洞內(nèi)處理的施工方式，需要進(jìn)行全斷面帷幕超前預(yù)注漿進(jìn)行施工。針對灰?guī)r地區(qū)盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留注漿孔，以便于對地面注漿滲透差區(qū)域進(jìn)行二次補(bǔ)漿。注漿孔預(yù)留應(yīng)考慮道床結(jié)構(gòu)、管片拼裝等情況，做好相應(yīng)的預(yù)埋預(yù)留，確保預(yù)留注漿孔的正常使用。對于區(qū)間盾構(gòu)位于上軟下硬地層且土巖分界面以上土層為碎石、砂等強(qiáng)富水、強(qiáng)透水地層時，應(yīng)采用全斷面加固。溶洞處理的方法是袖閥管注漿、回填砂及碎石、灌注水泥砂漿等施工方法，可依巖溶情況而定。

3.2 巖溶處治目的

巖溶區(qū)段的容腔、溶洞等地質(zhì)災(zāi)害存在，容易造成地質(zhì)的地基承載力不滿足受力要求，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工時，容易引起盾構(gòu)載頭，地表沉降過大或塌陷的事故的發(fā)生。為了防止盾構(gòu)施工的陷落及投產(chǎn)運(yùn)營安全，需要通過注入膠結(jié)類漿液，使?jié){液滲透層漿液與土體形成隔水層，提高該區(qū)域土體整體性及穩(wěn)定性，進(jìn)而提高地鐵隧道穿越區(qū)地基承載力。

4 巖溶處治方案

4.1 注漿孔平面布置

溶洞外圍布置封邊孔，進(jìn)行水泥漿液封邊，以保證漿液不發(fā)生外流，避免注漿壓力由漏漿造成注漿泄壓；在溶洞中部上方設(shè)置排氣孔，其布置方式為每100 m2設(shè)置兩個，通過注漿巖溶中水和填充物體可以通過排氣孔排出，注漿孔位見圖1。

圖1 注漿孔孔位布置

4.2 注漿工藝

(1)注漿順序

進(jìn)行周邊孔位一次注漿(處理范圍邊界處應(yīng)使用雙液漿)→4 h后，在周邊孔位多次注漿→中央孔位一次注漿→中央孔位多次補(bǔ)漿→排氣孔周圍孔注漿→排氣孔注漿→中央孔及排氣孔補(bǔ)漿→完成注漿。

(2)排氣孔設(shè)置

按照溶洞平面每100 m2不少于2個排氣孔，在注漿孔完成注漿后，對排氣孔進(jìn)行注漿填充封閉，排氣孔的填充宜采用配合比1∶1的水泥漿液，注漿壓力控制在1 MPa左右。按照上述設(shè)置排氣孔及排氣孔注漿，經(jīng)所取芯的抗壓時間檢測，其結(jié)果根據(jù)本試驗(yàn)段的注漿情況以及抽芯檢測結(jié)果，表明上述方法可以滿足注漿排氣需求和溶洞注漿強(qiáng)度要求。

(3)注漿分段提管

進(jìn)行巖溶注漿時。將注漿管下放至鉆孔底端，將注漿芯沿著注漿管下放至鉆孔地端，施加注漿壓力，注漿從鉆孔地端向上進(jìn)行分段注漿，待注漿段注漿擠實(shí)后，進(jìn)行提管至上一層，每段注漿層設(shè)置為2 m。每段注漿時間控制在30 min左右；在后續(xù)進(jìn)行重復(fù)注漿時，注漿提管長度根據(jù)實(shí)際情況部分調(diào)整為4 m。

(4)終孔時機(jī)

在注漿過程中，孔位鉆孔注漿的完成，以注漿壓力是否達(dá)到設(shè)計(jì)值作為主要評判標(biāo)準(zhǔn)，巖溶容腔體積與注漿量作為輔助評判標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合排氣孔冒漿情況綜合評判。具體為，當(dāng)實(shí)際注漿壓力值達(dá)到設(shè)計(jì)要求的注漿壓力值，并且注漿壓力穩(wěn)定10 min后，排氣孔未冒出水泥漿液，可以先進(jìn)行換孔注漿，每間隔4～6 h該孔再進(jìn)行重復(fù)注漿，當(dāng)排氣孔開始冒水泥漿時，認(rèn)為該注漿孔周圍土體已完全灌滿或滲透擴(kuò)散密實(shí)，對該注漿孔進(jìn)行終孔。

(5)鉆孔封堵注漿

當(dāng)注漿達(dá)到終孔標(biāo)準(zhǔn)后，采用1∶2的水泥漿液進(jìn)行注漿孔封堵注漿，注漿壓力達(dá)到1.1 MPa且壓力穩(wěn)定10 min后，可認(rèn)為封堵注漿完成。

5 巖溶處治方法對比及優(yōu)化選擇

(1)鉆孔工法對比

地質(zhì)鉆孔常用地質(zhì)鉆孔機(jī)與潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，本工段兩種鉆工工藝均得到運(yùn)用，基于此總結(jié)兩種機(jī)械優(yōu)缺點(diǎn)如表1。

表1 鉆孔工法對比表

(2)取芯方法對比及優(yōu)化

在前期取芯過程時，工程上采用水鉆法取樣工藝，在注漿過程中注射高壓水，容易把充填物沖散，難以在溶洞中得到完整的原土層芯樣和加固體，往往只能得到水泥凝固漿塊。后續(xù)工程采用干鉆施工工藝，在鉆進(jìn)過程中不添加水，所取試驗(yàn)得到明顯改善，然而這種工藝對鉆頭磨損十分嚴(yán)重。因此，本工程在上述施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析的基礎(chǔ)上對取芯工藝進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的具體措施為，取芯鉆未鉆到溶洞容洞位置前，采用加水鉆芯取樣以減小對鉆頭的耗損，鉆穿溶洞頂板到達(dá)巖溶溶洞范圍內(nèi)，停止加水，采用干鉆鉆取芯樣。經(jīng)改進(jìn)的方案技能能取出溶洞范圍內(nèi)完整的水泥固結(jié)或原土層芯樣，又能減少鉆筒耗損。

(3)注漿壓力分析

本工程對注漿壓力進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，將注漿壓力控制在1～5 MPa之間，從注漿過程看，壓力控制2～5 MPa之間容易造成地面涌漿，而溶洞填充物并不能很好地被填充，考慮到溶洞處理主要是為將溶洞填充滲透擠實(shí)，當(dāng)注漿壓力控制在1～2 MPa時，也可以有效的充盈、混合溶洞填充物，達(dá)到處理目的，因此本工程優(yōu)選注漿壓力1～2 MPa，及能滿足注漿要求，也可避免因注漿壓力過大對地表造成破壞。在注漿壓力1～2 MPa范圍內(nèi)，注漿壓力越大，填充物置換的越多，芯樣強(qiáng)度越高?？梢院芎玫闹脫Q溶洞填充物。

(4)漿液選擇及優(yōu)化

本工程巖溶處理選用漿液為水泥漿，工程開展前期對開口溶洞(R149、R123)使用單液漿做注漿帷幕，運(yùn)用少量多次的注漿方式進(jìn)行，雖然達(dá)到注漿設(shè)計(jì)要求的效果，但該類溶洞注漿量為包絡(luò)圖預(yù)估量152%，漿液消耗量較大?；诖?，對注漿工藝進(jìn)行了優(yōu)化，具體為對開口型溶洞首先用雙液漿對其進(jìn)行封邊，然后用單液漿進(jìn)行填充的注漿工序，采用改進(jìn)后的工藝對單個溶洞(R131)進(jìn)行注漿試驗(yàn)，其注漿總量僅為包絡(luò)圖預(yù)估量94%，相比當(dāng)漿液注漿，注漿總量得到大大縮減，且接近預(yù)估量。上述試驗(yàn)可以表明采用雙液漿封邊，可有效的保證注漿量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

(5)注漿管優(yōu)選

在盾構(gòu)隧道穿越區(qū)，巖溶注漿處理管注漿完成后多留于注漿孔。因此，注漿管的材質(zhì)的選擇會影響到后期掘進(jìn)效率，當(dāng)采用柔性袖閥管施工，后期盾構(gòu)掘進(jìn)時難以攪斷，造成袖閥管纏繞刀盤影響施工進(jìn)度，且有卡機(jī)的施工風(fēng)險。本工程使用的孔徑為48 mm的硬性PVC袖閥管，花管每隔0.5 m布置8個花孔，花孔外有皮圈，可保證漿液的單向流動及后續(xù)掘進(jìn)安全、效率。

(6)非探邊注漿效果

為了探明勘探探測巖溶邊界后與非探邊巖溶注漿效果，工程對編號為R125溶洞的部分孔在未探邊完成的情況下，進(jìn)行了提前注漿，最終注漿完成后，未超過預(yù)估量，通過與探邊完成后的溶洞注漿進(jìn)行對比，說明提前注漿對注漿量影響不大，依然可控。同時R125溶洞取芯結(jié)果滿足要求，說明該施工流程不會對施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

根據(jù)本文上述注漿方案進(jìn)行的巖溶注漿，已完成部分施工任務(wù)，并全部進(jìn)行取芯抗壓試驗(yàn)，根據(jù)檢芯樣結(jié)果，檢測結(jié)果顯示其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度范圍0.4～3.4 MPa，最小抗壓強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)要求的0.2 MPa，表明上述巖溶注漿處治方案和采用的注漿參數(shù)與工藝均可達(dá)到較好的處理結(jié)果，可確保盾構(gòu)通過時的安全，滿足工程需求。

6.2 建議

(1)采用水灰比為1∶1的單液漿進(jìn)行注漿填充；針對開口溶洞，應(yīng)先使用配合比為1∶1∶0.2的雙液漿進(jìn)行封邊處理，封邊完成后再進(jìn)行單液漿填充；一次注漿過程中，分段注漿控制在2 m一段，后續(xù)重復(fù)注漿時，分段可根據(jù)注漿壓力情況調(diào)整為4 m。

(2)溶洞周邊封孔孔位注漿壓力應(yīng)控制在2 MPa左右，內(nèi)部孔注漿可控制1～1.5 MPa，排氣孔附近注漿壓力可控制在1 MPa左右。

(3)以注漿壓力為主，注漿量為輔，并結(jié)合排氣孔冒漿情況，對終孔時機(jī)進(jìn)行控制。將每段的未探明溶洞采用雙液漿進(jìn)行封邊，內(nèi)部注單液漿進(jìn)行處理，以達(dá)到注漿量可控。