盾構(gòu)下穿湖區(qū)巖溶地層施工技術(shù)*

魯文博，梅耀輝，賈瑞華，劉其成

(1.中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430073；2.湖北省建設(shè)工程標(biāo)準(zhǔn)定額管理總站，湖北 武漢 430071)

0 引言

隨著城市深層地下空間開發(fā)利用，盾構(gòu)法作為一種隧道施工方法逐漸被廣泛應(yīng)用，其中巖溶為常見的一種地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)盾構(gòu)施工影響大，而水下深埋巖溶處理受制于作業(yè)面，通常采取搭設(shè)浮臺(tái)進(jìn)行傳統(tǒng)巖溶勘察及加固作業(yè)，工效低，安全風(fēng)險(xiǎn)高，在實(shí)施巖溶加固處理過(guò)程中，難度大，處理質(zhì)量較差，采用土圍堰易造成水體環(huán)境污染。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿550m長(zhǎng)湖面，內(nèi)徑3.8m，外徑4.3m，底板標(biāo)高約為-18.000m，上覆土層厚度34～36m，下穿湖底區(qū)段巖溶強(qiáng)發(fā)育。

1.2 地質(zhì)條件

巖溶勘察揭露盾構(gòu)下穿湖區(qū)段鉆孔見洞率53%，線巖溶率16%，總計(jì)72個(gè)溶洞，其中27個(gè)溶洞高度>1倍洞徑，溶洞垂直高度最大達(dá)15m，橫向和豎向型溶洞均有發(fā)育，溶洞頂板埋深30～45m。隧道主要穿越地層有中風(fēng)化細(xì)砂巖、碎石土、中風(fēng)化灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖、溶洞。

1.3 水文條件

巖溶發(fā)育區(qū)位于長(zhǎng)江三級(jí)階地，湖面常水位為19.130m，規(guī)劃最高控制水位為20.130m，地下水主要為上層滯水、弱孔隙承壓水、碎屑巖裂隙水和巖溶水。其中，埋藏于第四系黏性土隔水層之下的巖溶水對(duì)隧道區(qū)間巖溶處理影響最大，大部分具有承壓性，單位涌水量5.3m3/(d·m)，滲透系數(shù)0.3m/d，抽水試驗(yàn)期間水位標(biāo)高為14.810～20.400m，差異較大；巖溶水水力聯(lián)系較弱，未能形成統(tǒng)一地下水位，與地表水體(長(zhǎng)江、湖水)無(wú)明顯的水力聯(lián)系。

2 巖溶加固處理分析

2.1 鋼圍堰平臺(tái)設(shè)計(jì)

區(qū)間隧道外徑4.3m，巖溶處理范圍水平方向?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)線兩側(cè)各3m，采用雙邊鋼圍堰作為施工平臺(tái)，考慮邊緣位置設(shè)備成孔站位，鋼圍堰外輪廓線間距為15.68m；根據(jù)水文地質(zhì)情況，全線采用拉森IV型鋼板樁，長(zhǎng)度分別為12，15，18m，圍堰堰芯采用黏性土及級(jí)配碎石填筑，圍堰堰芯填筑標(biāo)高設(shè)計(jì)值為21.630m，鋼板樁樁頂標(biāo)高為22.130m，兩側(cè)拉森鋼板樁之間上部設(shè)置1道拉桿(32@1 600)進(jìn)行橫向拉結(jié)，拉桿鋼筋高程為20.130m。外側(cè)采用[28a腰梁，拉桿處鋼板樁和腰梁需打孔，拉桿與腰梁端頭采用鋼墊片加螺母的連接方式；為保證鋼圍堰兩側(cè)湖水連通，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)影響，同時(shí)確保兩側(cè)水壓保持平衡，作業(yè)平臺(tái)受力更加安全合理，在適當(dāng)位置設(shè)置1條30m長(zhǎng)水系聯(lián)絡(luò)通道，通道上設(shè)置9m寬鋼棧橋，以滿足鋼圍堰頂部通行要求。鋼圍堰斷面如圖1所示。

圖1 鋼圍堰橫斷面

2.2 鋼圍堰搭設(shè)

根據(jù)詳細(xì)地質(zhì)勘察報(bào)告，鋼板樁吃水1.3～3m，進(jìn)入淤泥深度1～2.5m，進(jìn)入黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土層等深度為6.7～15.7m，兩側(cè)鋼板樁插入黏土等不透水層一定深度，可確保巖溶專項(xiàng)勘察及巖溶加固處理成孔過(guò)程中的泥漿及注漿過(guò)程中返漿不會(huì)通過(guò)滲流污染湖水，同時(shí)阻斷湖水至隧道由人為成孔而形成的滲流通道；兩側(cè)鋼板樁通過(guò)鋼浮箱作業(yè)平臺(tái)上的履帶式起重機(jī)安裝液壓振動(dòng)錘完成打設(shè)，鋼板樁打設(shè)完成后回填堰芯土，設(shè)置拉桿，最后再鋪設(shè)路面級(jí)配碎石。

2.3 鋼棧橋搭設(shè)

在無(wú)巖溶發(fā)育區(qū)間隧道上方湖面搭設(shè)1座長(zhǎng)約30m鋼棧橋，連通兩側(cè)水系，降低圍堰對(duì)水體環(huán)境影響，同時(shí)使兩側(cè)水體側(cè)壓力保持平衡。

2.4 巖溶專項(xiàng)勘察

鋼圍堰平臺(tái)搭設(shè)完成后，首先進(jìn)行巖溶專項(xiàng)勘察，包括隧道兩側(cè)詳細(xì)鉆孔加密勘察、物探CT掃描及井下電視，通過(guò)多種勘察手段詳細(xì)探明巖溶發(fā)育情況。

2.5 巖溶處理

2.5.1巖溶加固處理原則

1)隧道結(jié)構(gòu)輪廓線左右3m、隧道結(jié)構(gòu)底板以下6m(底板位于土層)或5m(底板位于可溶性巖層)、隧道結(jié)構(gòu)頂板以上6m(底板位于土層)或5m(底板位于可溶性巖層)范圍內(nèi)的溶洞進(jìn)行注漿填充加固，且同時(shí)完成巖面注漿施工。

2)溶洞應(yīng)遵循“先深后淺，先大后小”的順序進(jìn)行處理。

3)對(duì)于多層上下串通溶洞，應(yīng)對(duì)串通溶洞進(jìn)行全壓漿填充處理。

2.5.2巖溶識(shí)別

針對(duì)區(qū)間所有巖溶發(fā)育位置與隧道關(guān)系，確定需處理的巖溶，并在圍堰地面確定其水平投影位置。

2.5.3巖溶加固處理

2.5.3.1巖溶探邊與加固

根據(jù)巖溶發(fā)育高度，從其中心位置向四周按2～3m間距布置探邊孔(見圖2)，詳細(xì)記錄探邊孔取芯情況。完成中心孔第1圈外圍探邊孔施工后，根據(jù)取芯結(jié)果選取揭露溶洞較高的1～2個(gè)孔進(jìn)行注漿(水泥漿，水灰比0.5～1)加固，注漿壓力達(dá)0.8MPa或周邊孔位出現(xiàn)返漿可停止第1輪注漿。

圖2 探邊孔布置

2.5.3.2檢測(cè)與補(bǔ)強(qiáng)

首次加固完成后，根據(jù)上次探邊孔取芯情況，在巖溶發(fā)育位置外圍開始布置第2輪探邊孔，詳細(xì)記錄探邊孔取芯情況，完成第2輪探邊孔施工后，根據(jù)探邊孔揭露巖溶發(fā)育情況及首次注漿擴(kuò)散充填效果，選取其中1～2個(gè)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿加固。

按上述方法依次實(shí)施后續(xù)探邊孔與注漿加固施工，直至完成待處理范圍內(nèi)巖溶加固。

2.5.3.3過(guò)程優(yōu)化

1)巖溶加固注漿孔成孔過(guò)程中，通過(guò)在巖土接合面及袖閥管與鉆孔孔壁之間的環(huán)狀空間進(jìn)行注漿封閉，同時(shí)在注漿頭上部1m處設(shè)置膨脹橡膠密封塞，保證漿液能有效流向需填充加固區(qū)，加固密實(shí)后可迅速起壓，大大提高有效范圍注漿加固工效。

2)注漿時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化 針對(duì)溶洞整體偏大特點(diǎn)，為提升注漿工效，可根據(jù)溶洞高度調(diào)整單次注漿時(shí)長(zhǎng)。對(duì)于特大型溶洞，單次注漿加固時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)至4～6h；對(duì)于中型溶洞，單次加固注漿時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)至2～4h；對(duì)于小型溶洞，單次注漿加固時(shí)長(zhǎng)為0.5～2h。為確保所注漿液達(dá)到初凝，注漿間隔時(shí)間6h。

3)水灰比及注漿壓力優(yōu)化 根據(jù)探邊孔揭露注漿填充效果及巖溶填充情況，適當(dāng)優(yōu)化注漿壓力及水灰比等參數(shù)。填充型溶洞水泥漿濃度適當(dāng)增大，壓力適當(dāng)增大；非填充溶洞，水泥漿濃度適當(dāng)減小，壓力適當(dāng)減小。擴(kuò)散性較好時(shí)可保持注漿濃度不變；擴(kuò)散性較差時(shí)，適當(dāng)減小水泥漿濃度。

4)在注漿管上(注漿孔孔口以上6m內(nèi))增加1個(gè)壓力監(jiān)測(cè)表，與原泵送端頭壓力監(jiān)測(cè)表共同精確控制泵送壓力及注漿壓力。

5)待巖溶加固的隧道區(qū)間總長(zhǎng)550m，注漿后臺(tái)至注漿孔口線路較長(zhǎng)，終端泵送至孔口壓力及水泥漿質(zhì)量均有所下降，在中間位置增設(shè)中轉(zhuǎn)攪拌裝置，通過(guò)攪拌及二次加壓泵送確保注漿壓力滿足要求。

6)對(duì)于巖溶水較發(fā)育的溶洞，可先處理周邊溶洞，適當(dāng)先行采用雙液注漿，確保周邊主要徑流通道基本封堵后再實(shí)施該溶洞的注漿加固，注漿加固過(guò)程中需預(yù)留1～2個(gè)排水孔，作為注漿填充擠壓巖溶水外流的通道。

2.5.3.4質(zhì)量檢測(cè)

探邊孔實(shí)施過(guò)程中即可檢測(cè)前期注漿加固效果，并根據(jù)加固情況適時(shí)補(bǔ)強(qiáng)。完成所有注漿加固28d后，通過(guò)取芯檢測(cè)注漿加固質(zhì)量，注漿加固體28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.15MPa。

2.5.3.5施工監(jiān)測(cè)

圍堰施工過(guò)程中及施工完成后均要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包括水位觀測(cè)、拉桿鋼筋內(nèi)力監(jiān)測(cè)、圍堰結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)(圍堰內(nèi)土方沉降、鋼板樁樁頂沉降及鋼板樁水平位移監(jiān)測(cè))等，前期監(jiān)測(cè)頻率為1次/d，不同階段適當(dāng)調(diào)整，預(yù)警值需滿足規(guī)范要求。

3 巖溶加固效果

巖溶加固完成28d后進(jìn)行取芯檢測(cè)，注漿加固體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均>0.15MPa；該區(qū)間盾構(gòu)機(jī)已于加固完成1個(gè)月后安全順利通過(guò)巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，盾構(gòu)穿越期間無(wú)明顯栽頭，姿態(tài)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，同時(shí)該區(qū)間管片拼接無(wú)超限錯(cuò)臺(tái)，成型管片姿態(tài)好，無(wú)滲漏水情況發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于在大水面上進(jìn)行巖溶處理，優(yōu)先選擇搭設(shè)鋼圍堰+堰芯土為作業(yè)平臺(tái)，安全可靠、操作便利，加固過(guò)程綠色環(huán)保，同時(shí)加固周期短、質(zhì)量好。

2)對(duì)于巖溶強(qiáng)發(fā)育情況，單次注漿加固質(zhì)量可能難以滿足要求，需在實(shí)施過(guò)程中動(dòng)態(tài)檢測(cè)加固薄弱點(diǎn)并補(bǔ)強(qiáng)，使加固質(zhì)量整體滿足要求。

3)預(yù)加固處理過(guò)程中，可采取控制壓力、設(shè)置膨脹橡膠密封塞、調(diào)整注漿時(shí)長(zhǎng)及時(shí)間間隔等措施，確保加固漿液填充在有效的待加固范圍內(nèi)；加固過(guò)程中，適當(dāng)調(diào)整漿液濃度，確保加固效果最佳的同時(shí)優(yōu)化加固總時(shí)長(zhǎng)。

4)巖溶發(fā)育不具有規(guī)律性，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察情況采取針對(duì)性的加固措施。