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地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越溶、土洞區(qū)加固處理設(shè)計(jì)論文
【摘 要】 對(duì)廣州地鐵二號(hào)線三遠(yuǎn)盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)距離穿越巖溶地質(zhì)區(qū)域時(shí)，首次提出以結(jié)構(gòu)底板下10m深度內(nèi)是否出現(xiàn)洞穴或巖土交界面作為劃分巖溶處理高、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的依據(jù)，并提出“充填處理”和“巖面注漿”及“道床預(yù)留注漿管”的點(diǎn)面結(jié)合、治理與預(yù)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(jù)和指導(dǎo)作用，并為后繼地鐵工程的設(shè)計(jì)提供參考。
【關(guān)鍵詞】 盾構(gòu)區(qū)間 土洞 溶洞 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分 處理方案
前 言
根據(jù)《廣州市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃》，地鐵二號(hào)線接已建三元里站向北延伸，穿過(guò)規(guī)劃白云新城至嘉禾，全長(zhǎng) 9.35km，全部為地下線，計(jì)劃 2009 年底建成通車。二號(hào)線北延線線路在廣花凹陷沖積盆地內(nèi)的巖溶盆地內(nèi)穿行，該區(qū)域溶、土洞強(qiáng)烈發(fā)育，對(duì)地鐵的施工、運(yùn)營(yíng)均存在較大風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)三遠(yuǎn)盾構(gòu)區(qū)間國(guó)內(nèi)首次盾構(gòu)施工長(zhǎng)距離穿越巖溶、土洞區(qū)，地質(zhì)條件差、施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、處理范圍廣等情況，參考國(guó)內(nèi)同類地質(zhì)工程施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合理論分析，提出對(duì)區(qū)間全線進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分，確定一個(gè)合理的處理范圍，再根據(jù)具體情況采取針對(duì)性的措施進(jìn)行處理。
1 工程概況
三遠(yuǎn)區(qū)間起點(diǎn)為已運(yùn)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(jī)場(chǎng)，到達(dá)遠(yuǎn)景站，區(qū)間單線長(zhǎng)約 1124m，隧道洞頂覆土埋深 6 12m，采用盾構(gòu)法施工。
本區(qū)間位于白云山西側(cè)前緣的廣花凹陷沖積盆地，地勢(shì)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(tǒng)壺天群石灰?guī)r和二迭系下統(tǒng)棲霞組炭質(zhì)灰?guī)r地層沉積地層，巖面高低起伏，埋深10-30m。區(qū)間隧道主要在上更新統(tǒng)沖洪積層和殘積層中穿行。
區(qū)間勘察鉆孔 175 個(gè)，鉆探揭露的溶洞有 311個(gè)，見洞率為 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(gòu)成雙層含水結(jié)構(gòu)，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(duì)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(shù)量不等的灰?guī)r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(qū)土洞的發(fā)育與其密切相關(guān)。
2 高、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的劃分
在區(qū)間結(jié)構(gòu)底板下10m范圍內(nèi)，若未發(fā)現(xiàn)溶洞和土洞，在深度 10m 范圍內(nèi)沒有或很少巖土界面（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(duì)結(jié)構(gòu)影響低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段，否則，定為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段。將安全厚度分界線定為底板下 10m是基于下述考慮：
（1）根據(jù)目前老白云機(jī)場(chǎng)地鐵沿線地質(zhì)鉆孔，巖土界面基本都在機(jī)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(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng) 70 多年均未見因溶（土）洞塌陷而影響機(jī)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(xiǎn)是很小的。
�。�2）根據(jù)鐵道科學(xué)研究院對(duì)線路列車運(yùn)行的沖擊振動(dòng)影響的實(shí)地檢測(cè)，對(duì)混凝土軌枕碎石道床線路，在軌面下 2.5m的路基內(nèi)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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)本身可分散列車的部分沖擊振動(dòng)力；地鐵列車的重量和沖擊振動(dòng)也較地面鐵路的重量和沖擊振動(dòng)小。因此，列車運(yùn)行對(duì)結(jié)構(gòu)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)因列車的運(yùn)行而加速其復(fù)活、發(fā)展。
�。�3）按現(xiàn)在通用的隧道設(shè)計(jì)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?shù)纳细餐翆雍穸却笥诙词议_挖跨度的 2.5 倍，即可形成土拱，可使用承壓拱理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(yīng)力的作用對(duì)洞室結(jié)構(gòu)無(wú)影響。我們將分界線定在底板下 10m，即認(rèn)為在10m分界線的基面下，若土洞的跨徑小于 4.0m，略去水文地質(zhì)的影響，對(duì)于靜止土壓力和隧道的運(yùn)營(yíng)影響而言是安全的，而根據(jù)已探明的土洞，直徑大于 4.0m是很少的。因此，我們認(rèn)為在底板下 10m 以下的溶（土）洞，對(duì)地下鐵道結(jié)構(gòu)的安全影響不大。
綜上所述，與舊白云機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng) 70 多年的工程類比，以鐵道科學(xué)研究院道床下路基的動(dòng)態(tài)影響測(cè)試為依據(jù)，從目前公認(rèn)的半理論半經(jīng)驗(yàn)的壓力土拱理論分析，說(shuō)明在底板下 10m 土層外，且?guī)r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(xiǎn)也是較低的。
上述10m的分界線是一個(gè)原則上的分界線，按標(biāo)貫 8-15 擊的粉質(zhì)粘土為分界標(biāo)準(zhǔn)層，若結(jié)構(gòu)底板下土層強(qiáng)度高，屬硬塑以上狀態(tài)，或者土層粘性很好，則風(fēng)險(xiǎn)分界線可適當(dāng)升高；相反，若底板下土層有較厚的淤泥或淤泥質(zhì)土、膠結(jié)很差的砂性土、松散砂土等不良地層，則風(fēng)險(xiǎn)分界線可適當(dāng)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(gòu)掘進(jìn)；
�。�2）全線劃分高低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，分區(qū)域處理；重點(diǎn)處理高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)隧道底板下 10m 和隧道兩側(cè)各 5m 范圍內(nèi)溶洞及巖土交界面層；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)僅對(duì)隧道兩側(cè)各 5m 范圍發(fā)現(xiàn)的土洞充填處理；
�。�3）對(duì)需處理的溶、土洞，采取填充、壓密的方法處理，根據(jù)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(yù)留注漿管的綜合處理方案。充填處理主要是根據(jù)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(jù)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(kuò)散滲透，可消除或擊破相鄰?fù)炼词怪S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孔，用較高的壓力將界面上的溶槽、溶溝、破碎帶、構(gòu)造帶、節(jié)理、裂隙，全部用漿液固結(jié)，將界面周邊的溶洞、土洞填滿，將溶洞和界面連通的通路(洞口)封住，甚至固結(jié)，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
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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(kuò)散半徑設(shè)計(jì)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(duì)于洞內(nèi)水有流動(dòng)性時(shí)，周邊孔應(yīng)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(yīng)采取分序孔的注漿方式，采用先外圍后內(nèi)部、先下后上的注漿施工方法。為保證漿液不至于跑得太遠(yuǎn)，應(yīng)采用間歇定量分次，先低壓灌漿后高壓補(bǔ)強(qiáng)注漿的方法，在注漿壓力下，吸漿量 1 2L/min穩(wěn)壓 15min 終注。
②半填充、未填充溶洞的處理：
當(dāng)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(jī)將干砂壓入，為防止洞內(nèi)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(wěn)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(dāng)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（線路中線左右 5.5m），高度為巖面上 1m 厚土層。注漿擴(kuò)散半徑設(shè)計(jì)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(yīng)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(jié)體內(nèi)鉆孔取芯，測(cè)得其無(wú)側(cè)限強(qiáng)度和滲透系數(shù) K，需達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：
換刀盤處：無(wú)側(cè)限強(qiáng)度≥0.3MPa；滲透系數(shù)≤1.0 × 10 － 7cm/sec。
一般地段：無(wú)側(cè)限強(qiáng)度≥0.15MPa；滲透系數(shù)≤1.0 × 10 － 5cm/sec。
3.2.4 道床預(yù)留注漿孔
盾構(gòu)區(qū)間預(yù)留注漿孔是對(duì)運(yùn)營(yíng)期間基底產(chǎn)生塌陷空洞處理的一種預(yù)防措施。在道床施工之前，采用一端帶有法蘭盤的 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(yùn)營(yíng)期間采用蓋子封堵。同時(shí)運(yùn)營(yíng)期間隧道縱向每隔 10 20m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),每 15天監(jiān)測(cè)一次,根據(jù)監(jiān)測(cè)情況了解隧道下方地層的變化情況，出現(xiàn)異常情況時(shí)，從道床通過(guò)預(yù)留鋼管鉆穿管片，插入袖閥管注漿進(jìn)行加固處理。預(yù)埋套管設(shè)一排，縱向間距 3m，間隔一環(huán)管片設(shè)置。
4 結(jié)束語(yǔ)
�。�1）巖溶地基處理有很大的難度和復(fù)雜性，需因地制宜地設(shè)計(jì)和選擇施工方法，本地鐵盾構(gòu)區(qū)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(jié)出來(lái)的，根據(jù)目前試驗(yàn)段施工驗(yàn)證，也是行之有效的。
�。�2）本文結(jié)合該工程實(shí)際情況，類比該地區(qū)工程，參照國(guó)有地面鐵路研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)，理論、半理論的各種計(jì)算，提出以結(jié)構(gòu)底板以下10m深度內(nèi)是否出現(xiàn)洞穴和巖土交界面作為劃分高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的依據(jù)，已成為廣州地鐵溶、土洞處理的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
�。�3）盾構(gòu)機(jī)應(yīng)具有超前探測(cè)和超前注漿功能，對(duì)地表鉆孔注漿處理遺漏地段，在洞內(nèi)要進(jìn)行超前探測(cè)并補(bǔ)充注漿處理。
（4）巖溶、土洞處理是一項(xiàng)長(zhǎng)期工程，應(yīng)采取預(yù)防和治理相結(jié)合的防治措施。
參考文獻(xiàn)
[1]廣州地鐵二八線聯(lián)合總體組.廣州地鐵二號(hào)線北延線巖溶、土洞處理方案總結(jié).2006，10
[2]廣東省土木建筑學(xué)會(huì).廣州地鐵二號(hào)線北延線巖溶地質(zhì)工程風(fēng)險(xiǎn)咨詢.2007，01
[3]地基處理手冊(cè)編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè).中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2000
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