盾构穿越岩溶地区技术的若干思考

盾构穿越岩溶地区技术的若干思考
引言
当前我国多个城市掀起城轨交通投资热潮，2015年-2017年全国将有68个拟新开工建设的城市轨道交通重大项目。

预计到2020年，符合国家建设地铁标准的城市也将从已经批准的39个增加到50个左右。

石灰岩地质在我国各地广泛分布，在石灰岩地区的工程建设中，经常会遇到已发育形成或正在发育中的土、溶洞等不良地质体，给石灰岩地区地铁施工带来极大困难。

地铁区间多采用盾构技术开挖，由于溶（土）洞常处于无填充、半填充状态或富含泥水混合物，地铁隧道工程在穿越岩溶地层时，为降低盾构施工的“栽头”、“陷落”、地表沉降过大或坍塌的风险，预防溶（土）洞的坍塌，减小后期运营风险，必须采取科学有效的方法对其进行及时必要的超前处理。

一.岩溶处理的目的
1.降低盾构施工的“栽头”、“陷落”、地表沉降过大和坍塌的风险
在地铁区间盾构施工中，掘进前、下方遇到溶洞，极易发生盾构“栽头”、“陷落”等事故发生。

盾构施工对溶（土）洞周围土体产生扰动，溶洞内承压水的降低，都有可能造成地表沉降过大或地面坍塌事故。

在盾构通过溶（土）洞区域前通过地面和盾构机内对洞体填充物进行加固处理，增强其自身强度，从而可提高洞体的稳定性，进而降低盾构施工的“栽头”、“陷落”、地表沉降过大或坍塌的风险。

2.预防溶（土）洞的坍塌，减小后期运营风险
在灰岩地区，当土层具备一定条件时土洞将很快产生，这对使用中的隧道将产生不利影响。

通过对隧道下地层及土洞的充填加固处理，防止土洞发育过快过大，并对目前勘查发现的顶板较薄、有漏洞，规模较大、有可能促成新生土洞发展的浅层溶洞及距离区间隧道较近的溶洞的处理，从而达到预防溶（土）洞的坍塌，降低地铁区间后期运营风险的目的。

二.盾构隧道溶（土）洞处理原则
盾构隧道岩溶处理应遵循“以地面、机（盾构机）内预处理相结合为主，洞内预留措施处理为辅”的原则，防止盾构施工“栽头”、“陷落”、地表沉降过大或塌落的施工发生，降低工后差异沉降，确保运营安全。

三.盾构隧道溶（土）洞处理范围
溶（土）洞的处理范围应根据岩面以上土层性质、岩体的特征、溶洞的特性、溶洞的填充情况等综合判断，一般情况下可按照以下要求执行：
1.影响范围内的土洞
当地铁工程处于岩溶区段时，为了保证施工期间的安全和使用期间的正常运营，所有勘察资料揭露的工程影响范围内的非全填充土洞必须处理。

对于全填充土洞应根据填充物性质、地基承载力、周边环境等情况确定处理方案。

工程影响范围根据施工环境具体确定，一般取自线路中线外两倍洞深且不少于20米范围。

2.隧道底为灰岩时
结构轮廓外放1米后，隧道底板以下2米内溶洞必须处理。

3.隧道底为较稳定的隔水层（例如黏土、粉质粘土）时
（1）若隔水层厚度≥2米，则隧道底下的岩溶一般不作处理。

（2）若隔水层厚度<2米，且最上层溶洞顶板厚度（溶洞顶至岩面厚度）<2米或厚跨比<1，则隧道结构轮廓外放3米后，岩面以下2米内溶洞必须处理。

4.隧道底至岩面为砂层或无较稳定隔水层时
（3）若最上层溶洞顶板厚度≥2米，则隧道底下的溶洞一般不作处理。

（4）若最上层溶洞顶板厚度<2米或厚跨比<1，则隧道结构轮廓外放3米后，岩面以下2米内溶洞必须处理。

5.盾构隧道洞身范围内的溶洞
盾构隧道洞身范围内的溶洞宜进行处理。

四.盾构隧道溶（土）洞处理措施
1.地面溶（土）洞处理
（1）地面溶（土）洞采用充填注浆的方法进行处理：
1）充填压力需根据溶（土）洞的充填情况进行调整：未填充溶（土）洞采用水泥砂浆进行注浆填充；对于全填充溶（土）洞应根据充填物的情况确定是否处理，填充物采用标贯进行检验，标贯击数大于10击的可不用处理。

2）充填砂浆需边注浆边摸查溶（土）洞的规模及处理后的状态。

摸查方法：根据注浆量及注浆孔所检测到的溶（土）洞洞径、初步估算溶（土）洞的规模后再向周边布设检查孔。

检查孔需注意检查溶洞的延展状况外，尚需检查注浆充填状况，发现注浆不饱满的需利用检查孔继续注浆。

3）规模较大的溶洞，其范围已超出地铁结构设定的安全限界时，可先在安全限界钻孔，采用速凝浆控制边界、减少注浆的范围及注浆量。

4）充填注浆需根据溶（土）洞所处的深度、地层条件分布采用振动沉管及钻孔埋管进行注浆。

A. 埋深较浅、围岩为砂土层的土洞可采用振动沉管方式进行充填注浆；
B. 小于3米全填充溶、土洞，无充填溶、土洞和半填充溶、土洞
采用先成孔、后埋入注漿管、并注意封闭溶洞顶板及注浆管与孔壁间的间隙后才能注浆。

注浆加固处理的方法为采用Φ48的PVC袖阀管注浆，注浆管应进入溶（土）洞底板以下不小于0.5米；注浆压力从低到高，间歇反复注浆，盾构隧道地层加固示意图见图1
C. 对于大于3米无填充溶、土洞和半填充溶、土洞（含特大溶洞）
采用Φ200的PVC套管注水泥砂浆。

对于非填充或半填充的较大溶洞，可采用泵送混凝土进行填充。

（2）溶沟、溶槽及破碎带（含岩溶坍塌区）采用固结注浆进行处理：
固结注浆需采用“前进式”或“后退式”分段注浆，注浆深度需从地铁结构底板以上3米至地铁结构底板下不少于5米。

（3）施工前应进行现场注浆试验，注浆参数根据试验情况进行调整，注浆量和注浆有效范围通过现场确定。

2.盾构机内对溶（土）洞的預处理
（1）由于岩溶地区工程地质条件复杂、城区内受交通、管线、建（构）筑物的影响，较难全面探明岩溶的发育状况，因此参与岩溶地区盾构隧道施工的单位需配置（盾构）机内超前探测的仪器与机械设备（小钻机）。

并应在地面配备巡查车辆，随时监控盾构掘进过程中对地面，地层的扰动情况。

（2）机内配置的超前探测仪器或设备、每次探测距离应少于15米、探测范围应不少于隧道结构外3米。

（3）在岩溶地区盾构掘进前需进行超前探测、当掘进到超前探测距离前3～5米需再向前进行超前探测，即超前探测应交叉3～5米。

（4）采用机械（小型钻机）设备进行超前探测时，每个断面需施工不少于6个探测孔，分别向掘进前方及前下方，重点是探测前下方有无导致盾构机掘进时发生“栽头”、“陷落”的溶（土）洞。

（5）超前探测发现需处理的溶（土）洞时、可根据实际施工条件选择地面或洞（机）内处理方法，在有条件时、优先采用地面处理方法。

3.掘进过程中揭示的溶（土）洞及其处理
盾构掘进遇到带填充物的溶（土）洞，宜加大注浆量，快速通过，同时在成型隧道上安排二次补充注浆，防止隧道下沉影响结构质量。

盾构遇到溶（土）洞，不宜长时间停机注浆，以避免浆液固结盾构机。

盾构遇上较大空洞，土仓压力为零时，不宜冒险推进，要立即进行变形监测，当变形较小时，开仓观察溶（土）洞情况。

如果溶（土）洞较小，应快速注浆通过；如果溶（土）洞较大，会危及盾构的安全，则应进行地面钻孔，泵送砂浆把溶（土）洞填充密实后再向前推进。

五.盾构结构设计
在岩溶发育地区盾构结构设计应满足以下要求：
1. 所有灰岩地区，盾构隧道设计时应预先埋设注浆管。

确保隧道在投入运营后仍有条件对地层进行加固。

2. 盾构隧道施工过程中应加强二次注浆。

3. 隧道周边工程活动及施工过程的影响无法准确模拟，根据计算统计与工程类比，从提高管片施工及运营阶段的安全系数考虑，应适当增加管片的含钢量。

六.质量检验
1.检测标准和方法
（1）采用随机钻孔抽芯法，做抗压试验，要求28d无侧限抗压强度>0.2Mpa。

（2）采用随机原位标贯试验，标贯击数应≥10击。

2.检测原则及数量
按1%孔数检查，且不小于3点，要求每个溶洞均要检测一次；采用随机钻孔取芯，做抗压试验。

七.岩溶施工勘探（超前探测）方法与勘探重点
1. 施工勘探（超前探测）可采用钻探、物探及钻探与物探相结合的方法。

物探以探查异常点、带、区为目标，再采用钻探确认与处理。

2. 施工勘探（超前探测）是在详细勘探的基础上根据施工中所需解决的问题作进一步的探查。

3. 岩溶地区可采用的物探方法有跨孔超高密度电法、跨孔地震CT技术、跨孔电磁波透视、地质雷达法和地表高密度电法等。

4. 探测地段的确定原则
（1）钻孔揭示溶（土）洞直径>3米的地段（含多层串珠分布溶洞）。

（2）线路上方有建构筑物阻碍，无法钻孔的地段。

（3）盾构通过时风险较大，出现问题较难处理的地段，需要提前摸清地质条件。

结论
若岩溶处理的难度很大且十分复杂，需要因地制宜的设计和选择合理的施工方法。

根据各地工程施工经验，笔者认为在岩溶地区进行地铁施工和设计，应仔细研究地质情况，了解岩层性质和岩溶发展。

发现岩溶时，应及时进行补勘，了解岩溶范围，根据不同情况采用相应处理措施，盾构隧道岩溶处理应遵循“以地面、机（盾构机）内预处理相结合为主，洞内预留措施处理为辅”的原则，精细化施工，加强质量检测工作，确保地铁施工及运营安全。

参考文献
[1] 中华人民共和国铁道部. 铁路隧道设计规范. 中国铁道出版社，2005.4
[2] 中华人民共和国铁道部. 铁路工程地质勘查规范. 中国铁道出版社，2007.11
[3] 广东省土木建筑学会. 广州轨道交通二、八号线延长线工程二号线北延段岩溶地质工程风险技术咨询，2007.1
[4] 岩土工程界. 浅谈岩溶地段隧道处理措施. 2008.1。