地鐵盾構區間穿越溶、土洞區加固處理設計論文

地鐵盾構區間穿越溶、土洞區加固處理設計論文

　　【摘 要】 對廣州地鐵二號線(xiàn)三遠盾構區間長(cháng)距離穿越巖溶地質(zhì)區域時(shí)，首次提出以結構底板下10m深度內是否出現洞穴或巖土交界面作為劃分巖溶處理高、低風(fēng)險區的依據，并提出“充填處理”和“巖面注漿”及“道床預留注漿管”的點(diǎn)面結合、治理與預防兼施的溶、土洞綜合處理方案，為該工程的順利實(shí)施提供理論依據和指導作用，并為后繼地鐵工程的設計提供參考。

　　【關(guān)鍵詞】 盾構區間 土洞 溶洞 風(fēng)險區劃分 處理方案

　　前 言

　　根據《廣州市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)規劃》，地鐵二號線(xiàn)接已建三元里站向北延伸，穿過(guò)規劃白云新城至嘉禾，全長(cháng) 9.35km，全部為地下線(xiàn)，計劃 2009 年底建成通車(chē)。二號線(xiàn)北延線(xiàn)線(xiàn)路在廣花凹陷沖積盆地內的巖溶盆地內穿行，該區域溶、土洞強烈發(fā)育，對地鐵的施工、運營(yíng)均存在較大風(fēng)險。本文針對三遠盾構區間國內首次盾構施工長(cháng)距離穿越巖溶、土洞區，地質(zhì)條件差、施工難度大、風(fēng)險高、處理范圍廣等情況，參考國內同類(lèi)地質(zhì)工程施工經(jīng)驗，結合理論分析，提出對區間全線(xiàn)進(jìn)行風(fēng)險區域劃分，確定一個(gè)合理的處理范圍，再根據具體情況采取針對性的措施進(jìn)行處理。

　　1 工程概況

　　三遠區間起點(diǎn)為已運營(yíng)三元里地鐵站，穿越環(huán)城高速公路之后進(jìn)入舊白云機場(chǎng)，到達遠景站，區間單線(xiàn)長(cháng)約 1124m，隧道洞頂覆土埋深 6 12m，采用盾構法施工。

　　本區間位于白云山西側前緣的廣花凹陷沖積盆地，地勢平坦，上覆第四系地層以沖洪積砂層、土層及殘積土層為主，厚度為10 30m；下覆基巖為石炭系中上統壺天群石灰巖和二迭系下統棲霞組炭質(zhì)灰巖地層沉積地層，巖面高低起伏，埋深10-30m。區間隧道主要在上更新統沖洪積層和殘積層中穿行。

　　區間勘察鉆孔 175 個(gè)，鉆探揭露的溶洞有 311個(gè)，見(jiàn)洞率為 55.03%，溶洞最大高度 9.7m，全充填的占 51.5%，充填物多為流塑、軟塑狀粘土；鉆探揭露土洞共44 個(gè)，最大高度7.93m，以全填充為主，填充物多為流塑~軟塑狀粉質(zhì)粘土。

　　第四系砂層孔隙潛水與下伏巖溶水構成雙層含水結構，兩含水層之間普遍分布有厚幾米至十余米以上的殘積粉質(zhì)粘土層，成為相對隔水層，但由于基巖面起伏其厚度變化大和殘積土層中含有數量不等的灰巖碎屑物質(zhì)，而使上下兩層水連通的方式多呈點(diǎn)、片狀或條帶狀分布，本區土洞的發(fā)育與其密切相關(guān)。

　　2 高、低風(fēng)險區的劃分

　　在區間結構底板下10m范圍內，若未發(fā)現溶洞和土洞，在深度 10m 范圍內沒(méi)有或很少巖土界面（即巖面基本在底板 10m 以下），符合上述條件，將其定為溶（土）洞對結構影響低風(fēng)險區段，否則，定為高風(fēng)險區段。將安全厚度分界線(xiàn)定為底板下 10m是基于下述考慮：

　�。�1）根據目前老白云機場(chǎng)地鐵沿線(xiàn)地質(zhì)鉆孔，巖土界面基本都在機場(chǎng)跑道下 10m 以下，界面上附近存在大量的溶（土）洞。舊白云機場(chǎng)運營(yíng) 70 多年均未見(jiàn)因溶（土）洞塌陷而影響機場(chǎng)使用的事例，說(shuō)明溶（土）洞的覆蓋頂板大于 10m，塌陷的風(fēng)險是很小的。

　�。�2）根據鐵道科學(xué)研究院對線(xiàn)路列車(chē)運行的沖擊振動(dòng)影響的實(shí)地檢測，對混凝土軌枕碎石道床線(xiàn)路，在軌面下 2.5m的路基內土體的振動(dòng)加速度，均已衰減至地面值的 0 － 10％。埋置式地鐵在軌面下有一個(gè)體積和剛度很大的箱型結構，結構本身可分散列車(chē)的部分沖擊振動(dòng)力；地鐵列車(chē)的重量和沖擊振動(dòng)也較地面鐵路的重量和沖擊振動(dòng)小。因此，列車(chē)運行對結構底板下土體的影響深度會(huì )比地面鐵路的 2.5m更淺，底板 10m以下的溶（土）洞，不會(huì )因列車(chē)的運行而加速其復活、發(fā)展。

　�。�3）按現在通用的隧道設計概念，在一般的砂（粉）質(zhì)粘土，甚至較松散的砂層或碎石層，拱頂的上覆土層厚度大于洞室開(kāi)挖跨度的 2.5 倍，即可形成土拱，可使用承壓拱理論對結構進(jìn)行設計。也就是說(shuō)，只要洞室上覆土層厚度大于洞室跨徑的 2.5倍，地面普通應力的作用對洞室結構無(wú)影響。我們將分界線(xiàn)定在底板下 10m，即認為在10m分界線(xiàn)的基面下，若土洞的跨徑小于 4.0m，略去水文地質(zhì)的影響，對于靜止土壓力和隧道的運營(yíng)影響而言是安全的，而根據已探明的土洞，直徑大于 4.0m是很少的。因此，我們認為在底板下 10m 以下的溶（土）洞，對地下鐵道結構的安全影響不大。

　　綜上所述，與舊白云機場(chǎng)運營(yíng) 70 多年的工程類(lèi)比，以鐵道科學(xué)研究院道床下路基的動(dòng)態(tài)影響測試為依據，從目前公認的半理論半經(jīng)驗的壓力土拱理論分析，說(shuō)明在底板下 10m 土層外，且巖土界面不多時(shí)，只要處理好已探明表層的溶（土）洞，這時(shí)即使有漏探的土洞，其塌陷成漏斗狀洞穴的風(fēng)險也是較低的。

　　上述10m的分界線(xiàn)是一個(gè)原則上的分界線(xiàn)，按標貫 8-15 擊的粉質(zhì)粘土為分界標準層，若結構底板下土層強度高，屬硬塑以上狀態(tài)，或者土層粘性很好，則風(fēng)險分界線(xiàn)可適當升高；相反，若底板下土層有較厚的淤泥或淤泥質(zhì)土、膠結很差的砂性土、松散砂土等不良地層，則風(fēng)險分界線(xiàn)可適當降低，安全厚度要再大一些。

　　3 溶、土洞處理

　　3.1 處理原則

　�。�1）先地面處理，后盾構掘進(jìn)；

　�。�2）全線(xiàn)劃分高低風(fēng)險區，分區域處理；重點(diǎn)處理高風(fēng)險區隧道底板下 10m 和隧道兩側各 5m 范圍內溶洞及巖土交界面層；低風(fēng)險區僅對隧道兩側各 5m 范圍發(fā)現的土洞充填處理；

　�。�3）對需處理的溶、土洞，采取填充、壓密的方法處理，根據填充狀態(tài)采取不同的處理工藝；

　　3.2 處理方案

　　溶、土洞處理采用“充填處理+巖面注漿”及預留注漿管的綜合處理方案。充填處理主要是根據洞的大小及充填情況采取先充填砂夾石，再靜壓灌漿或直接靜壓灌漿。根據以往在防治巖溶地面塌陷實(shí)踐，充填注漿乃是有效的措施，采用密布的壓漿孔可以揭露土洞，消除隱患；壓漿可以充填洞穴，防止土洞坍塌；漿液擴散滲透，可消除或擊破相鄰土洞使之坍塌隨即處理。巖面注漿是采用袖閥管在巖土界面上進(jìn)行注漿加固，其目的主要是壓漿封堵基巖和土層的界面，壓漿管只在界面附近開(kāi)孔，用較高的壓力將界面上的溶槽、溶溝、破碎帶、構造帶、節理、裂隙，全部用漿液固結，將界面周邊的溶洞、土洞填滿(mǎn)，將溶洞和界面連通的通路(洞口)封住，甚至固結，從而阻止已有溶洞、土洞的發(fā)生發(fā)展，阻止或延緩新土洞的形成。

　　3.2.1 溶、土洞充填處理方案

　�、偃�填充溶洞處理：

　　采用靜壓灌漿法，在鉆孔中插入袖閥管下到溶洞底面，進(jìn)行深孔注漿。袖閥管采用φ90PVC 管，注漿擴散半徑設計為 1.5m，鉆孔間距 2.0m× 2.0m正方形布置。靜壓灌漿法采用純水泥漿，水灰比=0.5：1 1：1，注漿壓力 0.4 1.0Mpa；對于洞內水有流動(dòng)性時(shí)，周邊孔應在漿液中加入摻加速凝劑，控制漿液凝固時(shí)間在 10~20 秒左右。注漿施工時(shí)，應采取分序孔的注漿方式，采用先外圍后內部、先下后上的注漿施工方法。為保證漿液不至于跑得太遠，應采用間歇定量分次，先低壓灌漿后高壓補強注漿的方法，在注漿壓力下，吸漿量 1 2L/min穩壓 15min 終注。

　�、诎胩畛�、未填充溶洞的處理：

　　當溶、土洞高度大于2m時(shí)，地面鉆孔放入鋼套管并固定，將φ200 注砂管放至溶洞上，用高壓風(fēng)機將干砂壓入，為防止洞內高壓阻止灌砂，利用其它灌漿孔作為減壓孔。吹砂以填充密實(shí)，壓力穩定時(shí)，即可停止。然后再用其它孔插入袖閥管靜壓灌漿填充密實(shí)。當溶、土洞高度小于 2m 時(shí)，直接采用袖閥管靜壓灌漿填充密實(shí)。

　　3.2.2 巖面注漿處理方案

　　巖面注漿采用 φ90 袖閥管注漿。處理寬度為11m（線(xiàn)路中線(xiàn)左右 5.5m），高度為巖面上 1m 厚土層。注漿擴散半徑設計為 1.5m，布孔間距按 3m ×3m 梅花型布置。首先施工 90mm 130mm 直徑的鉆孔至巖面下 0.5m，然后下袖閥管進(jìn)行注漿。

　　3.2.3 加固效果檢查

　　溶、土洞加固后的土體應該有良好的均勻性、自立性、密閉性。加固效果檢查方法是在固結體內鉆孔取芯，測得其無(wú)側限強度和滲透系數 K，需達到以下標準：

　　換刀盤(pán)處：無(wú)側限強度≥0.3MPa；滲透系數≤1.0 × 10 － 7cm/sec。

　　一般地段：無(wú)側限強度≥0.15MPa；滲透系數≤1.0 × 10 － 5cm/sec。

　　3.2.4 道床預留注漿孔

　　盾構區間預留注漿孔是對運營(yíng)期間基底產(chǎn)生塌陷空洞處理的一種預防措施。在道床施工之前，采用一端帶有法蘭盤(pán)的 φ90 鋼管，用膨脹螺栓直接固定在每環(huán)管片的正下方，然后澆注道床，鋼管另一端留在道床面上，運營(yíng)期間采用蓋子封堵。同時(shí)運營(yíng)期間隧道縱向每隔 10 20m設置監測點(diǎn),每 15天監測一次,根據監測情況了解隧道下方地層的變化情況，出現異常情況時(shí)，從道床通過(guò)預留鋼管鉆穿管片，插入袖閥管注漿進(jìn)行加固處理。預埋套管設一排，縱向間距 3m，間隔一環(huán)管片設置。

　　4 結束語(yǔ)

　�。�1）巖溶地基處理有很大的難度和復雜性，需因地制宜地設計和選擇施工方法，本地鐵盾構區間溶、土洞加固處理方案是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的摸索總結出來(lái)的，根據目前試驗段施工驗證，也是行之有效的。

　�。�2）本文結合該工程實(shí)際情況，類(lèi)比該地區工程，參照國有地面鐵路研究試驗數據，理論、半理論的各種計算，提出以結構底板以下10m深度內是否出現洞穴和巖土交界面作為劃分高風(fēng)險區的依據，已成為廣州地鐵溶、土洞處理的一個(gè)標準。

　�。�3）盾構機應具有超前探測和超前注漿功能，對地表鉆孔注漿處理遺漏地段，在洞內要進(jìn)行超前探測并補充注漿處理。

　�。�4）巖溶、土洞處理是一項長(cháng)期工程，應采取預防和治理相結合的防治措施。

　　參考文獻

　　[1]廣州地鐵二八線(xiàn)聯(lián)合總體組.廣州地鐵二號線(xiàn)北延線(xiàn)巖溶、土洞處理方案總結.2006，10

　　[2]廣東省土木建筑學(xué)會(huì ).廣州地鐵二號線(xiàn)北延線(xiàn)巖溶地質(zhì)工程風(fēng)險咨詢(xún).2007，01

　　[3]地基處理手冊編寫(xiě)委員會(huì ).地基處理手冊.中國建筑工業(yè)出版社.2000

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