某城際鐵路巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進關鍵施工技術研究

摘要 盾構(gòu)施工是地鐵建設中一項關鍵技術，但巖溶地質(zhì)條件增加了盾構(gòu)施工的難度。文章以某城際鐵路盾構(gòu)掘進施工為例，首先對不良地質(zhì)進行處理，然后通過盾構(gòu)機掘進參數(shù)設置、姿態(tài)控制、管片背后注漿及渣土改良等要點，對盾構(gòu)掘進關鍵施工技術進行了研究，最后根據(jù)地表沉降監(jiān)測結(jié)果分析可知，在盾構(gòu)掘進施工中地表處于穩(wěn)定狀態(tài)。研究表明，在巖溶區(qū)通過采取溶洞處理和溶槽加固措施，以及控制關鍵施工技術要點，可保證盾構(gòu)施工質(zhì)量。

關鍵詞 城際鐵路；巖溶區(qū)；盾構(gòu)掘進；同步注漿；二次注漿；徑向注漿；監(jiān)測

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0164-03

0 引言

巖溶區(qū)是一種比較特殊的地質(zhì)環(huán)境，存在大量的溶洞和溶蝕構(gòu)造。盾構(gòu)機在巖溶區(qū)施工容易出現(xiàn)地面塌陷、房屋擾動及失穩(wěn)等風險，不利于盾構(gòu)施工的順利開展[1]。因此，對巖溶區(qū)地鐵盾構(gòu)掘進關鍵施工技術進行研究具有重要意義。為此，該文依托某城際鐵路盾構(gòu)掘進施工進行如下研究。

1 工程概況

1.1 概況

擬建項目為某城際鐵路的區(qū)間盾構(gòu)隧道，里程為DK51+121～DK51+735。盾構(gòu)隧道側(cè)穿過12棟房屋（原計劃拆除未拆）、S住宅樓、14棟民房（原計劃拆除未拆）、W住宅樓等建筑物，與隧道水平間距如表1所示。其中，12棟房屋（原計劃拆除未拆）及S住宅樓（Ⅰ段）盾構(gòu)掘進環(huán)號為2 310～2 450環(huán)，掘進長度為252 m，隧道埋深15.7～20.5 m；14棟民房及W住宅樓段（Ⅱ段）盾構(gòu)掘進環(huán)號為2 450～2 640環(huán)，掘進長度為342 m，隧道埋深10.5～15.7m。隧道襯砌采用鋼筋混凝土管片，外徑為8.8 m，內(nèi)徑為8 m。

1.2 工程地質(zhì)水文條件

根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，Ⅰ段擬建場地土層自上而下為素填土、粉質(zhì)黏土、砂層、微風化灰?guī)r等，其中有4處溶槽發(fā)育，砂層侵入隧道，巖溶見洞隙率為68.8%，總線巖溶率為13.9%，盾構(gòu)處于上軟下硬斷面掘進；Ⅱ段擬建場地土層組成自上而下為素填土、粉質(zhì)黏土、砂層、微風化灰?guī)r等，其中灰?guī)r內(nèi)部溶洞、溶溝、溶槽發(fā)育強烈，有5處溶槽，砂層侵入隧道結(jié)構(gòu)，地下水豐富，見洞隙率70.09%，總線巖溶率為16.75%。巖溶區(qū)主要分布在DK51+121～DK51+735里程段內(nèi)。

1.3 盾構(gòu)設備選型及配置

根據(jù)上述工程地質(zhì)水文條件可知，該盾構(gòu)區(qū)間穿越巖溶強發(fā)育區(qū)。結(jié)合盾構(gòu)機選型原則及選型依據(jù)，配置2臺EPB/TBM雙模盾構(gòu)機，技術參數(shù)如表2所示：

2 巖溶區(qū)不良地質(zhì)處理

在盾構(gòu)施工前，結(jié)合工程地質(zhì)情況，對不良地質(zhì)進行處理，以確保盾構(gòu)掘進施工安全[2]。針對溶洞、溶槽等不良地質(zhì)，需要進行溶洞處理和溶槽加固措施。

2.1 溶洞處理

結(jié)合Ⅰ段和Ⅱ段溶洞情況，對溶洞進行加固處理。對于剩余區(qū)段跨3 m邊界的溶洞，打設2 m×2 m探邊孔，利用探邊孔進行填充處理；對于不具備打孔條件的房屋下方溶洞，采用斜孔鉆機鉆孔，然后進行填充處理。

根據(jù)溶洞填充情況處理：（1）對于無填充溶洞和半填充的溶洞：當溶洞高度不大于1 m時，采用純水泥漿靜壓灌漿處理；當溶洞高度1～3 m時，采用水泥砂漿間歇式靜壓灌漿處理，如二次灌漿后仍未起壓，可適當添加速凝劑，當溶洞高度大于3 m時，先進行填投素混凝土，后采用注漿加固處理。（2）對于全填充的溶洞：采用壓注水泥漿進行加固處理。

2.2 溶槽加固

根據(jù)工程地質(zhì)條件，盾構(gòu)施工段均存在溶槽。針對溶槽分布情況，對溶槽進行加固處理。（1）對于Ⅰ段溶槽，該段有砂巖侵入隧道，在土巖結(jié)合面至隧道頂部以上6 m靠房屋側(cè)，采用鉆注一體機進行加固處理，注漿采用雙液漿注漿工藝。（2）對于Ⅱ段溶槽，由于砂層侵入隧道結(jié)構(gòu)，溶槽內(nèi)部充填細砂為主，可通過民房加固和砂層加固措施。例如，采用三管800@600三管旋噴樁加固民房，并在房屋四周預埋袖閥管；采用鉆注一體機，對周邊孔采用雙液漿、內(nèi)部孔采用單液漿進行砂層加固[3]。

待不良地質(zhì)處理后，采用地質(zhì)雷達探測技術對溶洞填充情況進行檢驗，同時采用鉆芯法對加固樁進行抗壓試驗。試驗檢驗結(jié)果顯示，溶洞填充處理及芯樣28 d無側(cè)限抗壓強度均不小于0.2 MPa。經(jīng)處理后，巖溶區(qū)地質(zhì)均滿足盾構(gòu)施工要求。

3 巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進關鍵施工技術要點

3.1 盾構(gòu)機掘進參數(shù)設置

結(jié)合盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)、溶洞及周邊環(huán)境等情況，按風險將區(qū)間劃分為隧道上方存在砂層，且隧道洞身處于土巖結(jié)合面地層或上覆巖層薄的區(qū)域（A區(qū)段）；隧道洞身處于溶溝、溶槽的區(qū)域，同時鄰近房屋等區(qū)域（B區(qū)段）；隧道上覆無砂層、溶洞較多區(qū)域或者隧道上部有砂層但上覆巖層較厚（大于3 m）且溶洞較少較小的區(qū)域（C區(qū)段）；隧道周邊無溶洞或者少量小溶洞，且上覆巖層較厚（大于3 m）的區(qū)域（D區(qū)段）。其中，Ⅰ段盾構(gòu)施工包含B區(qū)段、C區(qū)段、D區(qū)段；Ⅱ段盾構(gòu)施工包含A區(qū)段、C區(qū)段。通過區(qū)間試掘進100 m，對Ⅰ段和Ⅱ段地層的掘進參數(shù)、管片復測等進行統(tǒng)計分析，優(yōu)化盾構(gòu)機掘進參數(shù)，從而設置正常掘進段的掘進參數(shù)，如表3所示：

此外，還應根據(jù)不同高度土壓傳感器反算土壓數(shù)值，以判斷掘進過程中各區(qū)段的倉位。判斷結(jié)果如下：A區(qū)段采用滿倉推進；B區(qū)段采用滿倉土推進；C、D區(qū)段采用2/3倉位推進，氣壓輔助模式。

3.2 姿態(tài)控制

在盾構(gòu)施工中，為避免隧道出現(xiàn)欠挖或超挖現(xiàn)象，需要通過自動導向系統(tǒng)和人工測量復核手段，以及成形管片復核數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)掘進姿態(tài)進行控制，減小管片上浮對盾構(gòu)施工產(chǎn)生的影響[4]。根據(jù)盾構(gòu)機的姿態(tài)測量，設置自動導向系統(tǒng)的滾動角、俯仰角等參數(shù)，當出現(xiàn)超挖現(xiàn)象時，系統(tǒng)會自動報警并控制刀盤跳停。自動導向系統(tǒng)的后視基準點需隨盾構(gòu)推進進行前移，因此還需通過人工測量校核自動導向系統(tǒng)的基準點。為保證盾構(gòu)機掘進方向的準確可靠，人工測量頻次應為50 m/次。此外，還需通過雙導線閉合測量基準點，確保盾構(gòu)機掘進方向與設計方向保持一致。

3.3 管片背后注漿

根據(jù)工程實際情況，管片背后注漿采用同步注漿、二次注漿和徑向注漿，保證管片背后注漿的填充效果，防止地表沉降。

3.3.1 同步注漿

同步注漿應與盾構(gòu)掘進同時進行，即通過盾構(gòu)機的同步注漿系統(tǒng)及盾尾的內(nèi)置注漿管，利用盾構(gòu)掘進時盾尾形成的空隙，采用壓力與注漿量雙控原則完成同步注漿。根據(jù)該工程溶洞類型和溶洞特征，同步注漿的注漿方量應保證在13～15立方米/環(huán)，注漿壓力控制在3～5 bar。為減少巖溶區(qū)裂隙水對背后注漿的影響，采用AB液雙液漿進行注漿，減少漿液凝固時間，同時避免漿液被水沖散，從而保證填充效果[5]。A液注漿材料配合比如表4所示；B液注漿材料中水與聚丙烯酰胺的質(zhì)量比為200∶1。

根據(jù)實際情況，雙液漿中A液與B液的體積比例為10∶1。將注漿壓力控制在3～5 bar，每環(huán)管片注4～6個孔，同一環(huán)管片嚴格按“先拱頂后兩腰，兩腰對稱”的順序進行注漿，從A、B液罐注入同步漿液A、B液與盾尾進行混合，填充管片的背部空隙。在穿越大型溶洞或推進過程出現(xiàn)異常情況時，應及時在洞內(nèi)進行背后補漿處理，并采用兩套注漿系統(tǒng)同時進行盾尾的同步注漿和管片的二次注漿，以減少后續(xù)沉降。

3.3.2 二次注漿

每環(huán)掘進完成后，在盾尾管片5～8環(huán)后位置采用雙液漿注漿工藝背填二次注漿。同一環(huán)管片應嚴格按照“先拱頂后兩腰，兩腰對稱”的順序注漿。為保證雙液漿的注漿效果，應根據(jù)現(xiàn)場實際情況，合理設計二次注漿的配合比，A液注漿材料中水與水泥的質(zhì)量比為1∶1～1.5，B液注漿材料中水與水玻璃的體積比為1∶1。雙液漿中A液與B液注漿材料的體積比為3∶1，其性能指標如表5所示：

選擇合適的注漿孔位，戴上注漿單向逆止閥后，用電錘鉆穿該孔位后3 cm保護層，接上三通及水泥漿管和水玻璃管。注漿時，在注純水泥漿液1 min后，打開水玻璃閥進行混合注入，終孔時應加大水玻璃濃度。一個孔注漿結(jié)束后，等待5～10 min后將該注漿頭打開疏通，以查看注入效果，如果水很大，應再次注入，直至有較少水流出時即可終孔，最后拆除注漿頭，并用雙快水泥砂漿對注漿孔進行封堵，帶上塑料螺堵并進行下一個孔位的注漿。

在二次注漿時，每掘進3環(huán)做一次雙液漿環(huán)向止水封堵，每環(huán)均進行二次注漿補漿。對每環(huán)管片頂部預留注漿孔，以便進行開孔檢查漿液是否飽滿，并進行針對性補漿，以確保管片的背后注漿效果。

3.3.3 徑向注漿

徑向注漿主要用于以堵水為主的隧道盾構(gòu)區(qū)間，通過徑向鉆孔并注入漿料，以增強隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和防水性能。在掘進過程中，通過盾殼徑向孔雙液漿注入膨潤土。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，A液注漿材料中鈉基膨潤土與水的質(zhì)量比為1∶8；B液注漿材料中木質(zhì)素：活堿：水的質(zhì)量比為371∶1 738∶10 600。應急時可同時使用膨潤土及同步注漿管路，向土倉內(nèi)注入膨潤土漿液，以提高隧道的防水性，防止施工區(qū)域地表沉降。

3.4 渣土改良

在盾構(gòu)機后續(xù)掘進過程中，為減少對上部地層的擾動，使用添加劑對渣土進行改良，以改變開挖面土體的各項性能。該工程渣土改良的添加劑主要為泡沫，根據(jù)區(qū)間地質(zhì)情況，泡沫原液比例控制在1.5%～2%，發(fā)泡倍率為10～15。為避免螺旋機涌水，可在泡沫原液中添加5%高分子聚合物。當遇到渣土溫度較高區(qū)間段時，還需要增加膨潤土。膨潤土泥漿配合比為水：膨潤土：外加劑的質(zhì)量比為10∶1∶0.2，其中膨潤土為優(yōu)質(zhì)的鈉基膨潤土，外加劑為堿、CMC及超硫化劑DAV等，泥漿坍落度控制在20 cm以內(nèi)。

4 巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進地表沉降監(jiān)測

為掌握盾構(gòu)施工段周邊環(huán)境的動態(tài)變化，在盾構(gòu)掘進過程中，每5 m一斷面布設1個監(jiān)測點，選用水準測量法進行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為2 h/次，地表沉降報警值為?24～8 mm，控制值為?30～10 mm，速率為3 mm/d，嚴格按照監(jiān)測技術標準對地表累計沉降量進行監(jiān)測。在里程DK51+121～DK51+654右線布置的監(jiān)測點中選取15個監(jiān)測點，繪制地表累計沉降量曲線圖，如圖1所示：

由圖1曲線趨勢可知，在盾構(gòu)掘進過程中，地表沉降總體較為穩(wěn)定，波動較小。尤其是DK51+225-R之后，地表累計沉降量在?1.8～1.9 mm之間變化，波動幅度較小。主要在里程DK51+200-R、DK51+205-R、DK51+210-R三處監(jiān)測點的地表累計沉降量波動稍大，最大可達?11.5 mm，在地表沉降報警值范圍內(nèi)。由此可見，在盾構(gòu)掘進施工過程中地表處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

該文通過對某城際鐵路巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進關鍵施工技術進行總結(jié)分析，得出以下結(jié)論：

（1）在盾構(gòu)掘進施工前，首先對不良地質(zhì)進行處理，比如采用填充處理或采用壓力注漿法對溶洞進行加固處理，采用鉆注一體機和旋噴樁進行溶槽加固處理，有效控制了巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進施工引起的地表沉降。

（2）在巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進施工中，通過盾構(gòu)掘進參數(shù)控制、姿態(tài)控制、渣土改良等，保證盾構(gòu)掘進施工質(zhì)量。同時，管片背后注漿采用AB液雙液漿進行同步注漿、二次注漿及徑向注漿施工，有效控制了巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進引起的地表沉降。

（3）通過地表沉降監(jiān)測結(jié)果顯示，地表沉降累計變化量未超報警值，盾構(gòu)掘進施工效果良好。

參考文獻

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收稿日期：2024-05-15

作者簡介：孫毅（1985—），男，本科，工程師，研究方向：城市軌道交通。