強(qiáng)巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道注漿處理方案設(shè)計

代永文，李建強(qiáng)，林 恩，梁 杰*，惠曉彤

（1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610213；2.同濟(jì)大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，上海201804；3.道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

0 引言

巖溶地貌在我國分布廣泛，隨著巖溶地區(qū)地鐵工程的修建，巖溶的存在增加了地鐵隧道施工的難度，影響隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，容易誘發(fā)巖溶塌落進(jìn)而導(dǎo)致地面沉降。為減少巖溶對隧道施工的不利影響，常見的巖溶預(yù)處理措施有注漿充填加固［1］、注漿帷幕［2］、開挖回填［3］和結(jié)構(gòu)跨越等，注漿填充因操作簡便、適用性強(qiáng)且作用效果顯著而在實際施工過程中被廣泛運用。

現(xiàn)階段針對巖溶注漿填充技術(shù)研究，國內(nèi)外工程技術(shù)人員和學(xué)者已取得了一定的成果。楊育僧等［4］以廣州地鐵五號線工程為基礎(chǔ)，根據(jù)溶洞的空間分布、大小、填充情況為分類依據(jù)，給出相應(yīng)的溶洞處理措施。李慎奎等［5］根據(jù)武漢地區(qū)巖溶發(fā)育特征將巖溶劃分為高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)，并給出相應(yīng)的處理方式。黃焰等［6］根據(jù)水文地質(zhì)信息分析了廣州地鐵二號線豎井工程的涌水問題，對巖溶的處理采用注漿填充和旋噴樁加固形成止水帷幕。黃建明［7］建議溶洞處理應(yīng)綜合考慮其位置、跨度、覆土高度、松弛高度、圍巖性質(zhì)等因素，根據(jù)溶洞充填情況給出不同處理措施。傅中文等［8］認(rèn)為隧道巖溶處理中可根據(jù)空穴大小、圍巖穩(wěn)定與否、水量大小和充填狀況等對巖溶分類，對隧道中不同類型的巖溶采取多種方法進(jìn)行綜合治理。

綜上，現(xiàn)有實際工程多依據(jù)過往工程經(jīng)驗，缺乏理論依據(jù)，雖然考慮到巖溶地質(zhì)的地域特性，處理水平仍是參差不齊。本文依托于南京至句容城際軌道交通工程巖溶集中段，將工程中已勘明溶洞根據(jù)分布范圍、大小及填充情況等方面進(jìn)行分類，參考國內(nèi)同類地質(zhì)工程施工經(jīng)驗，結(jié)合數(shù)值模擬，確定巖溶處理范圍，并提出滿足地鐵隧道結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性要求的巖溶充填注漿處理措施。

1 工程概況

南京至句容城際軌道交通工程DS6-TA 01標(biāo)段，區(qū)間地層從上到下分布為：雜填土、粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。麒麟鎮(zhèn)站—白水橋東站區(qū)間長725.721 m，隧道埋深范圍為12.9～23.44 m。根據(jù)勘察資料及設(shè)計圖紙，區(qū)間左、右線隧道穿越地層多為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r。其中里程K2+527～K 3+000范圍內(nèi)為巖溶發(fā)育區(qū)段，區(qū)段內(nèi)鉆孔巖溶遇洞率為93.1%，巖溶線溶率為16.6%，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［9］判定巖溶發(fā)育程度等級為強(qiáng)發(fā)育。巖溶洞隙主要沿巖層層面和節(jié)理面發(fā)育，數(shù)量較多，多呈串珠狀。體積＜50 m3的溶洞比例占已勘明溶洞數(shù)量的76%，溶洞平均充填率達(dá)75%，充填物主要為粘土、粉質(zhì)粘土，局部夾泥質(zhì)灰?guī)r碎塊，碎塊塊徑2～8 cm。單個溶洞主要分布在隧道的上部，占已勘明溶洞的51%，其地質(zhì)剖面如圖1所示，圖中虛線為已勘明溶洞。

圖1 代表性地質(zhì)剖面Fig.1 Repr esentative geological section

根據(jù)勘察揭示的地層結(jié)構(gòu)和地下水的賦存條件，擬建場地地下水類型有孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶溶隙水。各地下水間水力聯(lián)系不密切。但巖溶含水層在一定的動水壓力作用下土層中的細(xì)粒土可能被帶走從而產(chǎn)生流土和管涌現(xiàn)象；盾構(gòu)穿越該層時，可能導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)面失穩(wěn)。因此，需對已勘明溶洞進(jìn)行注漿加固處理，防止盾構(gòu)施工時盾構(gòu)機(jī)栽頭、掌子面突水及坍塌等情況的發(fā)生，保障盾構(gòu)隧道安全施工。

2 巖溶注漿加固設(shè)計原則

2.1 巖溶發(fā)育情況分析

根據(jù)溶洞高度（3 m）將已勘明溶洞分為大型溶洞、小型溶洞［10］。如圖2所示：其中小型溶洞有151個，占已勘明溶洞的85%。

圖2 溶洞尺寸統(tǒng)計Fig.2 Statistics of cave sizes

將充填率＞70%的溶洞歸為全填充溶洞，充填率在30%～70%間的溶洞為半填充溶洞，充填率＜30%的溶洞為無填充溶洞。如圖3所示：全填充溶洞占已勘明溶洞的68%，且前文中小于3 m的151個溶洞中有104個為全填充溶洞，占69%，即已勘明溶洞以全填充小型溶洞為主，結(jié)合地勘資料及上述統(tǒng)計結(jié)果，可得其代表性溶洞尺寸為3 m×3 m×6 m，充填率為75%。

2.2 溶洞處理范圍

決定溶洞處理范圍的關(guān)鍵在于隧道開挖與溶洞之間臨界巖層厚度的研究，當(dāng)圍巖應(yīng)力達(dá)到或超過強(qiáng)度臨界值時會形成連續(xù)貫通的塑性區(qū)，產(chǎn)生剪切破壞，引起較大位移，從而導(dǎo)致失穩(wěn)［11］。本文通過折減溶洞與隧道間距，分析圍巖塑性區(qū)變化以得到本工程的巖溶處理范圍。

圖3 溶洞填充率統(tǒng)計Fig.3 Statistics of kar st cave filling r ates

圖4 三維盾構(gòu)隧道開挖模型尺寸示意Fig.4 Dimensional diagram of the three-dimensional shield tunneling model

結(jié)合工程情況建立三維有限元數(shù)值模型，如圖4、圖5所示。模型尺寸為X×Y×Z=40 m×42 m×50 m，地層由上至下依次設(shè)置為雜填土（3.4 m）、粉質(zhì)粘土（7.6 m）和中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r（39 m），且均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，地層及隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。其中，盾構(gòu)隧道埋深為21.9 m，內(nèi)徑為5.5 m，襯砌厚度為0.35 m，注漿層厚度為0.105 m，開挖面直徑為6.41 m，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長度8.4 m，為模擬其自重對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響，采用相同的盾殼質(zhì)量替代盾構(gòu)機(jī)主體質(zhì)量，模型中巖土體、襯砌、等代層及盾殼均采用C3D8R單元類型。由前文可得，本工程中已勘明溶洞的平均充填率為75%，模型中采用“空場力學(xué)模型”簡化溶洞并對填充物密度及彈性模量折減25%的方式模擬充填率影響。

采用等效塑性應(yīng)變（PEEQ）描述塑性區(qū)的產(chǎn)生及發(fā)展，如圖6所示，圖中灰色區(qū)域表明土體已產(chǎn)生塑性變形，并將圍巖塑性區(qū)的發(fā)展范圍定義為S。以隧道底部溶洞為例，當(dāng)溶洞與隧道距離d=2.5 m時，隧道周邊圍巖塑性區(qū)與溶洞貫通（圖6b），影響盾構(gòu)隧道的施工安全；當(dāng)距離d=3 m時，溶洞的存在雖會影響相鄰圍巖塑性區(qū)，但無法貫通（圖6c），可以認(rèn)為是安全狀態(tài)。故溶洞處理范圍為3 m。

圖5 底部溶洞與隧道空間示意Fig.5 Spatial schematics of the kar st cave and the tunnel

表1 各土層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers and str uctur es

圖6 溶洞與隧道間距離對圍巖塑性區(qū)的影響Fig.6 Effect of the distance between the kar st cave and the tunnel on the plastic area of sur rounding rocks.

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及巖體特性、溶洞填充情況，本工程溶洞處理范圍為從結(jié)構(gòu)輪廓外放3 m，統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。

圖7 需處理溶洞與隧道相對位置統(tǒng)計Fig.7 Statistics of the relative positions of caves and tunnels to be treated

2.3 溶洞處理措施

結(jié)合上述研究及相似工程案例，根據(jù)溶洞充填率及高度對處理范圍內(nèi)溶洞采取不同的措施。

（1）半填充、未填充溶洞：針對溶洞高度＜3 m的無填充或半填充型溶洞，可直接采用注漿處理。對于高度＞3 m的溶洞，應(yīng)先去除溶洞內(nèi)的軟弱充填物質(zhì)，在原鉆孔附近補(bǔ)鉆投砂孔，利用高壓投砂把空洞部分填實，然后再進(jìn)行注漿加固處理。

（2）全填充溶洞：全填充溶洞的處理應(yīng)根據(jù)填充物的具體情況確定，本工程充填物主要為軟塑—可塑狀粘土、粉質(zhì)粘土，可直接采用水泥漿液注漿充填。

3 溶洞充填注漿加固

3.1 注漿鉆孔布設(shè)

巖溶注漿處理前，需先進(jìn)行溶洞平面范圍的試探測：以勘測點DS6Q2Z63為例（圖8），探測孔位間距以2.0 m控制，鉆孔深度以橫斷面上需處理的溶洞底部高程為準(zhǔn)；沿隧道軸線方向以溶洞基準(zhǔn)點為中心前后范圍內(nèi)補(bǔ)充鉆孔（孔位間距按照3.0 m控制），以基本找到溶洞邊界為止。

根據(jù)溶洞處理范圍，注漿孔主要分布在左右隧道中心線上以及大型溶洞分布區(qū)域。鉆孔平面布置由前期勘測鉆孔向外擴(kuò)散，按照間距2 m布置鉆孔，注漿管應(yīng)進(jìn)入溶洞底部以下不小于0.5 m。小溶洞一般鉆2～3個孔，大溶洞根據(jù)現(xiàn)場情況采用四邊形布置鉆孔，孔位間距1 m。

圖8 溶洞處理注漿平面布置Fig.8 Plan layout for karst cave grouting treatment

3.2 注漿施工要點

施工順序按照先試探測處理邊界-注漿填充（高度＞3 m的無填充或半填充型溶洞先進(jìn)行填砂加固處理）-注漿效果檢測。

注漿填充采用?50～60 mm的PVC袖閥管進(jìn)行壓力注漿，注漿壓力從低到高，采取間歇、反復(fù)壓漿，且間歇式注漿每次注漿間隔6～10 h。

為保證注漿效果，注漿施工時應(yīng)先進(jìn)行周邊孔注漿，將處理范圍內(nèi)溶洞與外部溶洞隔開，再處理中間區(qū)域溶洞，以控制注漿量，防止?jié){液流失，注漿孔剖面布置見圖9。周邊孔注漿，以相對小壓力、多次數(shù)、較大量控制，注漿壓力保持在0.6～1.0 MPa，注漿3～5次；中間孔注漿壓力保持在0.8～1.0 MPa，注漿3次。最大注漿壓力不得超過1.5 MPa，終壓控制在1.0 MPa以下。

為防止竄漿、跑漿，中間區(qū)域溶洞補(bǔ)充孔應(yīng)跳躍施工。全孔段注漿完成后，間歇一段時間再進(jìn)行第二次注漿，間歇時間控制在5～30 min。

3.3 注漿材料及注漿方式

常用注漿材料主要分為水泥類注漿材料和化學(xué)類注漿材料。水泥類注漿材料來源廣泛易獲取、污染小、強(qiáng)度高、價格低，但不適用于復(fù)雜巖溶處理，在富水巖溶地區(qū)注漿時漿液易被稀釋、耗漿量大導(dǎo)致成本增加，填充效果不好［12］。

水泥漿防滲性能好但凝結(jié)時間長，可添加速凝劑如水玻璃來調(diào)節(jié)水泥漿液的性能。水泥-水玻璃漿液可以通過配比控制凝結(jié)時間，但雙漿液混合不均勻會降低強(qiáng)度和防滲性能，同時提高了注漿難度，容易造成堵管憋泵現(xiàn)象。根據(jù)不同配比水泥與水玻璃凝膠時間的試驗結(jié)果可知：水玻璃濃度在30～50 Be區(qū)間內(nèi)，凝膠時間隨濃度增長而增長；水玻璃模數(shù)較大時，凝結(jié)時間短，結(jié)石強(qiáng)度高。水玻璃與水泥的體積比在0.8∶1～1∶1范圍內(nèi)，水玻璃摻量較少，凝結(jié)時間較短［13］。

針對國內(nèi)現(xiàn)有溶洞充填注漿工程案例進(jìn)行分析，結(jié)合工程地質(zhì)情況、溶洞分布情況對其采用的注漿方式、注漿材料和配比進(jìn)行總結(jié)，以期為本工程提供相關(guān)參考。查閱類似工程案例［14-18］，總結(jié)各類巖溶注漿方案如表2所示。為此，本工程中溶洞采用袖閥管進(jìn)行注漿填充。

圖9 溶洞處理注漿縱剖面布置Fig.9 Layout of the grouting longitudinal section for karst cave treatment

表2 類似工程各類巖溶注漿方案Table 2 Karst grouting plans for similar projects

（1）周邊孔：采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比0.8～1，水泥漿和水玻璃（體積比）比例1∶0.6～1∶0.8，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水玻璃模數(shù)m=2.3～3.4，Be=30～40，具體配合比應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

（2）中間孔：水泥漿液采用42.5級普通硅酸鹽水泥配制，水灰比0.8～1，具體應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

3.4 終止注漿指標(biāo)

綜合考慮注漿壓力與注漿量等因素，本工程采用的注漿結(jié)束條件為：

（1）當(dāng)注漿壓力≥0.8 MPa，吸漿量＜2.5 L/min，穩(wěn)定時間5～20 min。表明該處溶洞已灌注飽滿，可換孔注漿。實際施工過程中注漿終止壓力應(yīng)根據(jù)地下水位及壓力作出調(diào)整。

（2）發(fā)現(xiàn)被加固地基有上抬的趨勢時，立即停止注漿。

（3）發(fā)現(xiàn)串漿或漿液流失嚴(yán)重時，立即停止注漿，10～15 min后可再次對該孔灌漿，若串漿現(xiàn)象仍然存在，表明該處溶洞已灌注飽滿，可換孔灌漿。

（4）特殊情況當(dāng)注漿壓力不大基底出現(xiàn)異常上鼓時，應(yīng)終止注漿，可利用附近注漿孔補(bǔ)充注漿。

3.5 注漿效果檢查

對注漿效果進(jìn)行合理評價是保證安全施工，確保注漿質(zhì)量的關(guān)鍵。本工程采用檢查孔法，即在處理后的溶洞注漿固結(jié)體內(nèi)鉆孔取心，以檢查其充填情況及膠結(jié)狀況，再對取心孔進(jìn)行抽水試驗，以檢查處理后溶洞的滲透性。

（1）采用鉆芯法檢測，隨機(jī)在各勘測孔1.5 m范圍內(nèi)布置檢測點，檢查溶洞充填物膠結(jié)情況或裂隙充填情況、鉆孔泥漿是否漏失。

（2）檢測要求：①無充填半充填溶洞，抽芯檢測率應(yīng)達(dá)到90%以上；②全充填溶洞充填物強(qiáng)度標(biāo)貫擊數(shù)≮10擊；③檢測鉆孔泥漿是否漏失。

（3）對加固區(qū)取心土體進(jìn)行強(qiáng)度及滲透性檢測，要求加固土體28 d無側(cè)向抗壓強(qiáng)度≮1 MPa，加固體滲透系數(shù)≯1×10-4cm/s。

（4）對溶洞注漿效果進(jìn)行檢驗，主要是檢查填充率及密實程度，采用二次壓漿的方法檢查填充率并采用標(biāo)貫法測定密實程度，標(biāo)貫值達(dá)到堅硬狀土為優(yōu)，硬塑狀土為合格。

（5）應(yīng)確保加固體的完整連續(xù)、均勻、密實性。

4 工程處理效果

采用上述處理方案進(jìn)行本區(qū)間的溶洞注漿加固工作，總用時79 d，保證了后續(xù)盾構(gòu)推進(jìn)不受溶洞處理工期的影響。施工過程中共使用水泥量1372 t，平均單孔水泥注漿量為4.8 m3，符合施工預(yù)期及理論設(shè)計值。注漿施工結(jié)束后，按相關(guān)規(guī)范要求自檢并提請第三方檢測單位進(jìn)行綜合質(zhì)量檢測與驗證分析評價，結(jié)果顯示：現(xiàn)場鉆孔心樣完整連續(xù)，水泥-土混合物密實，如圖10所示，進(jìn)一步驗證了本方案的可行性。

圖10 現(xiàn)場鉆孔心樣驗證Fig.10 Site ver ification by dr illing core samples

5 結(jié)論

本文對南京至句容城際軌道交通工程中的巖溶處理問題進(jìn)行研究，其主要研究結(jié)論如下：

（1）對溶洞采取袖閥管注漿的處理方式，大型無填充、半填充溶洞先填砂加固再注漿處理，小型無填充、半填充溶洞與全填充溶洞均采用直接注漿加固的方式。

（2）溶洞的處理范圍為隧道外輪廓起延伸3 m。注漿孔按間距2 m布置，小型溶洞鉆2～3個孔，大型溶洞采用四邊形布置鉆孔，孔位間距1 m。

（3）袖閥管注漿材料周邊孔選取水泥-水玻璃雙漿液，中央孔選取純水泥漿。注漿施工時先進(jìn)行周邊孔注漿，再對中央孔注漿，中間孔注漿采用跳躍施工。

（4）注漿壓力≥0.8 MPa，吸漿量＜2.5 L/min，穩(wěn)定時間5～20 min可終止注漿。采用鉆孔取心法對溶洞注漿效果進(jìn)行檢驗，加固土體應(yīng)滿足強(qiáng)度、密實度與滲透性的要求。