巖溶地層中的盾構(gòu)隧道施工

 

研究 方法 :采用多種勘查手段 分析 巖溶地層,充分注重盾構(gòu)機(jī)及盾構(gòu)施工的特點(diǎn),比選、優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方案。

 

研究結(jié)果:順利完成巖溶段盾構(gòu)隧道施工,驗(yàn)證了勘查及加固方案,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白。

 

研究結(jié)論:綜合運(yùn)用多種探測(cè)方法對(duì)探明溶洞的分布很有成效;根據(jù)盾構(gòu)施工特點(diǎn)制定地層加固方案并有效實(shí)施以及對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)并采取相應(yīng)的掘進(jìn)技術(shù)措施都是適宜的。關(guān)鍵詞:廣州地鐵;巖溶地層;盾構(gòu)施工

 

 廣州軌道 交通 5號(hào)線草暖公園—小北站區(qū)間,在F1、F2兩斷裂帶間地石炭系灰?guī)r地層149.105m(YCK7+903.505-YCK8+052.610)范圍內(nèi),詳勘階段有7個(gè)鉆孔揭示存在溶洞。

 

 但由于鉆探孔間距(約20~40m)過大,未能完整揭示溶洞的大小、分布及充填物的物理力學(xué)性質(zhì)。

 

 經(jīng)對(duì)草暖公園—小北站區(qū)間整體地質(zhì)與環(huán)境的綜合分析,確定其區(qū)間隧道(埋深22.86~24.30m)采用土壓平衡盾構(gòu)施工,而在巖溶地層中采用盾構(gòu)法施工在國(guó)內(nèi)外尚屬首次。盾構(gòu)掘進(jìn)中可能發(fā)生盾構(gòu)機(jī)栽頭、陷落,地層大量失水、坍塌,嚴(yán)重差異沉降而致隧道結(jié)構(gòu)破壞等事故。

 

 為確保施工及運(yùn)營(yíng)安全,對(duì)溶洞的空間分布、大小及充填情況,溶洞處理,盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)措施3個(gè)方面進(jìn)行深入研究,并組織精心設(shè)計(jì)、精心施工。

 

1 運(yùn)用多種勘查方法,探明溶洞情況

 

 根據(jù) 目前 可行的勘測(cè)手段,為切實(shí)探明溶洞的分布與填充狀況,擬定以鉆探為主、多種方法綜合運(yùn)用的探測(cè)方案。即:高密度電阻率法地面物探(總體探查溶洞分布情況)加密鉆孔(直觀掌握溶洞及充填物狀況)電磁波深孔CT(在鉆孔間加密剖切面勘查,判斷邊界)綜合判斷后結(jié)合注漿孔布置補(bǔ)孔探測(cè)。

 

1.1 高密度電阻率法物探

 

 對(duì)YCK7+880~YCK8+035范圍內(nèi)縱向進(jìn)行探測(cè),共設(shè)計(jì)物探剖面6條,剖面長(zhǎng)均為177m(詳見

 

圖2)。每條剖面均有2個(gè)基點(diǎn)控制。勘察的結(jié)果表明,本區(qū)地下有4處巖溶發(fā)育區(qū)(見圖1)。據(jù)其成果將勘察范圍劃分為5個(gè)區(qū)域單元進(jìn)一步深入勘察。1.2 補(bǔ)充鉆孔勘探

 

 在勘察區(qū)域內(nèi),分別在距離左右線隧道外側(cè)3m處、區(qū)間隧道中線上和左右兩隧道中間位置布置5列、25排鉆孔。每一排鉆孔的間距約為5m,布孔124個(gè)(其中技術(shù)孔37個(gè)),共計(jì)鉆孔長(zhǎng)度4109m。因隧道底板埋深22.86~24.30m,位于左右線區(qū)間隧道中心線位置的2列鉆孔設(shè)計(jì)深度原則為35m,另外3列鉆孔設(shè)計(jì)深度原則為30m,有溶洞的鉆孔要鉆至溶洞底下2~3m。

 

 1.2.1 在鉆探施工過程中[1],準(zhǔn)確、詳細(xì)記錄異�，F(xiàn)象(如縮孔、坍孔、漏水、冒水、掉鉆及遇到洞穴等)及 其發(fā)生的位置和嚴(yán)重程度,描述溶洞空間大小、分布等。

 

 1.2.2 把探到有溶洞的鉆孔作為技術(shù)孔,采取土樣37件、巖樣22件、水樣2件、標(biāo)貫試驗(yàn)111次、測(cè)量地下水位248次,并抽水實(shí)驗(yàn)估算溶洞水流量。

 

 1.2.3 編制了詳細(xì)的勘察報(bào)告,作縱剖面圖5個(gè)、橫剖面圖24個(gè)、投影圖2個(gè)(隧道頂3m至隧道頂,隧道底至隧道底5m),并作平切面圖7個(gè)(分別為隧道上3m,隧道頂、中、底,隧道下1m、3m、5m)。

 

1.3 電磁波深孔CT物探

 

 CT相鄰孔對(duì)間距5m,共27對(duì),孔深35m,各C鉆孔的終孔高程一般應(yīng)基本一致,若在預(yù)定終孔深度處為溶洞時(shí),鉆孔深入溶洞地板3m,孔徑不小于75mm。

 

 CT剖面與地鐵隧道中心線呈約70°斜交,使隧道的勘察剖面間距加密為2.5m左右。實(shí)測(cè)工作中在巖溶發(fā)育異常復(fù)雜地段另增加了5條CT剖面,故實(shí)際共完成CT剖面27條,發(fā)射孔與接收孔的間距26.1m定點(diǎn)發(fā)射點(diǎn)數(shù)5個(gè),各探孔內(nèi)的動(dòng)點(diǎn)觀測(cè)間距為1.0m,出現(xiàn)的異常特征加密定點(diǎn)發(fā)射點(diǎn)距與點(diǎn)數(shù),實(shí)測(cè)探測(cè)點(diǎn)11137個(gè)。

 

為盡可能利用鉆探孔,在每個(gè)區(qū)域單元內(nèi)應(yīng)先鉆外側(cè)2列的孔,并進(jìn)行孔間跨孔CT物探,而后按一般鉆孔的順序進(jìn)行。

 

 采用跨孔電磁波透視對(duì)隱伏巖溶進(jìn)行探測(cè),彌補(bǔ)了勘探鉆孔網(wǎng)點(diǎn)稀少的不足,通過CT資料分析,即自上而下可分為土層軟土CT異常帶、淺部巖溶CT異常帶和較深部巖溶CT異常,巖溶發(fā)育具有豎向分帶差異。較深部巖溶異常帶具有異常強(qiáng)、規(guī)模大、呈“串珠狀”豎向分布等特點(diǎn)。1.4 探測(cè)成果綜合分析判斷

 

 通過對(duì)鉆探、高密度電阻率、深孔CT物探勘察成果的綜合研究分析,較深入地掌握了溶洞及充填情況。

 

 1.4.1 溶洞分布

 

 探明的溶洞分布在左線(ZCK7+928-ZCK8+019)91m、右線(YCK7+920-YCK8+025)105m的區(qū)間內(nèi)。溶洞分布主要特點(diǎn)如下:

 

1.4.1.1 溶洞規(guī)模大但分布較集中。124個(gè)鉆孔中有70個(gè)鉆孔揭示有溶洞,大小總計(jì)167個(gè),其中大于3.50m的27個(gè),占總數(shù)量的16%;探到溶洞最大高度18.30m(D02),最深溶洞底標(biāo)高為-31.44m;溶洞多呈串珠狀,層數(shù)為1~12層,以2~4層為最多。平面上主要分布于二、三、四區(qū),占揭露到溶洞鉆孔的95.7%;在剖面上溶洞分布在標(biāo)高為5.35~-31.44m范圍內(nèi),位于隧道結(jié)構(gòu)頂板以上3m及隧道結(jié)構(gòu)底板以下3m范圍內(nèi)揭露到有溶洞的鉆孔有56個(gè),占80%。

 

 1.4.1.2　溶洞層間巖板厚小于3.00m為主,約占2/3,大于3.00m約占1/3。裂隙發(fā)育,溶蝕強(qiáng)烈,如圖4所示。

 

 1.4.2 溶洞充填物特征

 

 1.4.2.1 根據(jù)鉆進(jìn)過程中鉆桿下落、返水情況及芯樣特征綜合 分析 判斷溶洞的充填物及空洞、半充填、全充填狀況。

 

 1.4.2.2 大于等于3.50m的27個(gè)溶洞中,4個(gè)為無(wú)充填物,占15%,其余均為半充填及全充填;小于3.50m的140個(gè)溶洞中有72個(gè)無(wú)充填物,占51%。

 

 1.4.2.3 溶洞充填物較為復(fù)雜,主要有粘土、中粗砂、灰?guī)r碎塊、巖屑等。根據(jù)充填物特征及其物理力學(xué)性質(zhì)、圍巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度,判斷充填物及圍巖的承載力特征值。1.4.3 地下水的賦存

 

 本場(chǎng)地地下水的賦存方式及水力特性為孔隙潛水及基巖裂隙水�？紫稘撍�主要賦存在第四系松散沖積層中;基巖裂隙水主要賦存于基巖中的溶洞及裂隙中,靠大氣降水及上層地下水的補(bǔ)給,涌水量大小及徑流 規(guī)律 受地質(zhì)構(gòu)造及裂隙以及巖溶洞隙的連通性控制。

 

2 溶洞處理的設(shè)計(jì)與施工

 

 2.1 溶洞處理的設(shè)計(jì)原則與重點(diǎn)

 

 2.1.1盡量避免盾構(gòu)機(jī)突陷等事故及隧道結(jié)構(gòu)后期沉降過大

 

 盾構(gòu)機(jī)本體重320,t長(zhǎng)12m,其重心在前3.2m處。掘進(jìn)時(shí)隧道底部若突現(xiàn)大于3.2m以上的空洞或極軟弱地層可能致使盾構(gòu)機(jī)栽頭或陷落。處理的重點(diǎn)是隧道下部填充物為淤泥、松散砂層、軟塑狀泥炭質(zhì)粘土(承載力40~80kPa)的溶洞,處理深度為隧底5m。對(duì)隧道中線底部,采用袖閥管水泥漿注漿加固。利用補(bǔ)充鉆探孔并將注漿孔間距加密至2.5m。

 

 2.1.2 防止地表塌陷和過大沉降

 

 隧道洞身周圍3m范圍內(nèi)的溶洞要密實(shí)充填并注漿固結(jié),有利于建立土壓平衡,防止坍塌;要對(duì)處理區(qū)與外界開放連通的主要地下水裂隙通道進(jìn)行封閉,防止大量失水以減少地表沉降。

 

 2.1.3 滿足永久隧道結(jié)構(gòu)的承載力、變形、防水要求[2]溶洞填充物和灰?guī)r承載力有很大的差別。通過對(duì)地層進(jìn)行處理,提高填充物的承載力,減小不同地層之間的差異沉降,減少管片滲漏,以滿足地鐵正常運(yùn)營(yíng)。

 

 2.1.4 全填充溶洞注漿擴(kuò)散半徑[3] 

 

 當(dāng)填充物為粘土、粉質(zhì)粘土和泥炭質(zhì)土?xí)r按照1~1.5m設(shè)計(jì),填充物為砂、碎塊時(shí)按照3m設(shè)計(jì)。

 

 2.1.5 檢側(cè)重點(diǎn)[4]

 

 結(jié)合盾構(gòu)施工特點(diǎn),注漿加固效果的檢側(cè)重點(diǎn)以加固體強(qiáng)度及地基承載力控制為主。

 

 2.2 溶洞處理施工

 

 2.2.1溶洞處理施工順序

 

 (1)全區(qū)先對(duì)周圈開放連通的裂隙通道封閉注漿,然后處理中間區(qū)域,以確保注漿效果,減少注漿損失。

 

 (2)先加固水源一側(cè)(靠近越秀山一側(cè)),添加速凝劑,以確保注漿效果。

 

 (3)中間區(qū)域補(bǔ)充孔跳躍施工,以防止跑漿、竄漿現(xiàn)象。

 

 (4)先對(duì)無(wú)填充、半填充溶洞填砂處理,然后再進(jìn)行其它溶洞注漿填充處理。

 

 2.2.2 施工 方法 及工藝

 

 2.2.2.1 無(wú)填充溶洞和半填充溶洞處理

 

 對(duì)大于2m以上的無(wú)填充溶洞和半填充溶洞,在原鉆孔附近(約0.6m)補(bǔ)鉆一個(gè)��127的投砂孔,填砂處理,后采用注漿加固的方法;對(duì)小于2m的無(wú)填充溶洞和半填充溶洞,直接注漿填充。

 

 2.2.2.2 全填充溶洞處理

 

 采用壓力注漿的方法進(jìn)行填充加固,注漿壓力從低到高,間歇、反復(fù)壓漿。主要采用PVC袖閥管注漿工藝。

 

 2.2.2.3 注漿材料[3]

 

 周邊孔:純水泥漿+速凝劑;中央孔:純水泥漿。

 

 2.2.2.4 注漿終止標(biāo)準(zhǔn)

 

 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求,注漿終止采用了雙重標(biāo)準(zhǔn):注漿終壓達(dá)到設(shè)計(jì)終壓,注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%;或雖未達(dá)到設(shè)計(jì)終壓,但注漿量已達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量,即可結(jié)束本孔注漿。

 

 2.2.3 注漿加固效果檢查

 

 2.2.3.1 檢測(cè)方法

 

 采用鉆孔取芯,作抗壓試驗(yàn)為主,抽水試驗(yàn)為輔(左右線各作1個(gè),盡量設(shè)在換刀位置);溶洞填充物為砂層,作滲透系數(shù)試驗(yàn)。

 

 2.2.3.2 檢測(cè)標(biāo)淮

 

 隧道周邊加固范圍:試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.3MPa;隧道中心加固范圍:試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.5MPa;滲透系數(shù)≤1.0×10-7cm/s。

 

 2.2.3.3 檢測(cè)結(jié)果

 

 共取9個(gè)檢測(cè)孔,試樣指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

 

3 盾構(gòu)機(jī)性能的改進(jìn)與掘進(jìn)技術(shù)措施

 

3.1 對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的重要改進(jìn)

 

 為適應(yīng)本區(qū)間困難的地質(zhì)條件,對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)作了重要改進(jìn),使用 目前 國(guó)內(nèi)性能最好的盾構(gòu)機(jī)施工。

 

 (1)刀盤驅(qū)動(dòng)功率由945kW增至1200kW,并改善了扭矩特性曲線,使盾構(gòu)機(jī)在較高轉(zhuǎn)速下扭矩得到較大提高。

 

 (2)采用重型刀座及刀具,滾刀配置到40刃,減小刀間距增強(qiáng)了破巖能力[5]。

 

 (3)在盾構(gòu)機(jī)正面區(qū)設(shè)置了4個(gè)鉆探注漿孔,配置30m自動(dòng)鉆探鉆機(jī),可對(duì)隧道斷面內(nèi)實(shí)施超前鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)與注漿加固。

 

 (4)螺旋輸送機(jī)設(shè)置雙閘門出土口并預(yù)留接口,在水壓大時(shí)采用保壓泵碴裝置出碴。

 

3.2 主要掘進(jìn)技術(shù)措施

 

 (1)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)

 

 盾構(gòu)機(jī)刀盤切削面地層軟硬不均,方向不容易控制。按照給定的容許偏差值進(jìn)行控制,當(dāng)接近偏差值時(shí)及時(shí)調(diào)整,糾正于微小偏差之時(shí)。掘進(jìn)過程中保持正確姿態(tài)。

 

 (2)對(duì)富水區(qū)域進(jìn)行盾構(gòu)超前鉆探并采用雙液漿加固溶洞地層。

 

 (3)盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)如果水壓大,啟動(dòng)保壓泵裝置,防止大量失水以保證隧道上方建筑物的安全。

 

 (4)掘進(jìn)判斷掌子面的巖層和地下水量情況,當(dāng)掌子面巖層穩(wěn)定,地下水量不大,開倉(cāng)檢查和更換刀具,必要時(shí)采用帶壓作業(yè)。

 

 (5)足量同步注漿,并及時(shí)進(jìn)行二次雙液注漿,對(duì)地下水通道進(jìn)行封堵,穩(wěn)固管片。

 

4 施工實(shí)況簡(jiǎn)述

 

4.1 地層加固

 

 2006年5—6月按設(shè)計(jì)完成地層加固施工,注漿時(shí)引起地面?zhèn)�別點(diǎn)上鼓,其余良好。

 

4.2 盾構(gòu)掘進(jìn)

 

 4.2.1 工期與進(jìn)度

 

 左線于2006年7月21日—8月8日共18d完成巖溶段91m的盾構(gòu)掘進(jìn),平均每天掘進(jìn)約5m;右線共用22天完成,平均每天掘進(jìn)4.8m。

 

 4.2.2 掘進(jìn)描述

 

 總體上順利通過了巖溶段的掘進(jìn)。采取控制貫入量、加強(qiáng)同步注漿等的謹(jǐn)慎掘進(jìn)管理,但總推力仍較大,刀具更換較多;推進(jìn)過程中揭示總體充填加固效果良好,未發(fā)生盾構(gòu)機(jī)陷落,但隧頂有局部坍塌發(fā)生;主要地下水通道得到封堵,部分段落地下水仍較大,掘進(jìn)中予以及時(shí)注漿充填封堵。

 

 4.2.3 主要掘進(jìn)參數(shù)

 

 據(jù)盾構(gòu)機(jī)PLC的記錄,經(jīng)歸納后可分為以下2類:

 

 4.2.3.1 硬巖及軟硬不均區(qū)

 

 土倉(cāng)壓力:0.5~0.8MPa;轉(zhuǎn)速2.3~2.5rpm;貫入量10mm/r左右;扭矩2500~3200kN·m;總推力10000~13000kN。

 

 4.2.3.2 較軟或全斷面為充填物加固區(qū)

 

 土倉(cāng)壓力:0.6MPa;轉(zhuǎn)速2.0rpm;貫入量25mm/r左右;扭矩2000kN·m;總推力7000~9000kN。

 

5 結(jié)論

 

 (1) 應(yīng)用 多種探測(cè)方法,對(duì)勘測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析,探明了溶洞的分布及填充物特征。

 

 (2)確定了合理的加固方案,滿足盾構(gòu)施工安全及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,控制了加固范圍,避免不必要的過度投入,有效地實(shí)施了地層加固施工。

 

 (3)針對(duì)該地層特點(diǎn),對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)作了改進(jìn),提高了其性能。

 

 (4)制定了必要的盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)措施,采用信息化施工,有效實(shí)施施工控制。

 

 (5)順利完成巖溶段盾構(gòu)隧道施工,驗(yàn)證了加固方案,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白。

 參考  文獻(xiàn) :

[1] 趙樹德,等.高等工程地質(zhì)學(xué)[M].北京:機(jī)械 工業(yè) 出版社,2005.

[2] 施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安:陜西 科技 出版社,1997.

[3] 梁炯鋆.錨固與注漿技術(shù)手冊(cè)[M].北京: 中國(guó) 建筑工業(yè)出版社,1999.

[4] GB-50157—2003,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 張鳳祥,等.盾構(gòu)隧道[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.