地铁盾构区间穿越溶、土洞区加固处理设计吴晓赞

地铁盾构区间穿越溶、土洞区加固处理设计吴晓赞

吴晓赞

中铁隧道股份有限公司河南郑州

摘要：该地铁隧道工程直接在岩溶盆地当中穿行，溶洞与土洞均较发育，无论是对施工还是运营都有较大影响。本区段采用盾构施工，所穿溶洞与土洞区长度较大，地质条件复杂，施工困难，安全风险高，现结合广东地区类似项目经验进行分析，先进行风险区合理划分，再确定科学的处置范围，最后采取有效措施及时处理，以保证施工和运营安全。

关键词：地铁盾构区间溶、土洞区加固处理

1工程概况

该区间总长约1.5km，洞顶覆土深度约8-17m，采用盾构法进行施工。区间处在海陆交互相沉积平原地貌，基岩为石炭系地层，本段地形较平坦，相对高差较小，地面高程5.70-8.55m。该区间主要穿行于残积层及冲洪积层。

区间内共布置175个勘察孔，从钻探揭露结果看，共分布311个溶洞，见洞率在55%左右，高度最大可达9.7m，充填溶洞约占总数51.5%，主要充填物为粘土；共分布44个土洞，高度最大约7.93m，多为全充填形式，主要充填物为粉质粘土。覆盖层砂层内的孔隙潜水和岩溶水共同组成了含水结构，在含水层的中间，存在厚度从几米到十几米不等的粉质粘土，形成隔水层。盾构区间通过该岩溶地层，主要的工程风险有盾构机在掘进过程中的栽头、地表沉降过大或坍塌、影响周边建筑等。

2风险区划分

（1）从既有线路地质钻孔结果看，岩土界面均处于地表下方10m以上，在界面周围分布多处溶洞与土洞。线路周围既有村房使用已有60余年，期间未发生由于溶洞与土洞塌陷造成的安全事件。村房的基础深度约5~8m，距离岩土界面的竖向净距约5m，这在很大程度上说明，溶土洞上方覆盖土层超过5m，在一般荷载作用下产生塌陷现象的几率很小。

（2）结合某研究院对地铁列车实际运营的冲击振动作出的检测，对于采用混凝土轨枕的道床，其轨面下方2.5m范围内路基土实际振动加速度，只有地面的十分之一以内。此外，盾构隧道采用C50盾构管片拼接而成，刚度较大，截面为圆形，无棱角，能有效分散列车运行产生的冲击力，地铁列车自重与运行产生的冲击振动也比地面列车小。基于此，底板下方土体受地铁列车运行的影响，深度不会超过2.5m，底板下方5m范围内的溶洞与土洞，基本不会由于列车运行而产生不利影响。

（3）根据岩体力学，在地下空间埋深达到一定数值后开挖隧道，围岩应力转移，会在一定范围内产生集中现象，形成有规律的压力区域“压力拱”。盾构隧道上跨其他隧道或地下空间的工程实例很多，采取一定的保障措施，即使竖向净距小于5m，也能够保证安全。从已探明溶土洞看，相关地区跨径在4.0m以上的土洞很罕见，且其断面也通常类似拱形。鉴于此，可认为隧道外侧1倍跨度，即4m范围之外的溶洞与土洞，只要与地铁隧道间有稳定隔水层，或采取一定措施形成稳定隔水层，溶、土洞就不会对盾构隧道造成太大影响。

3区间溶洞与土洞处理

3.1处理基本原则

（1）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，溶洞与土洞的处理应先于盾构掘进进行。

（2）线路进行风险区合理划分，根据风险程度采取不同的措施进行处理；对于高风险区，应重点处理隧道两侧及底板5m范围内存在的岩土和溶洞交界层；对于低风险区，可只处理两侧5m范围内存在的土洞，处理方法为充填法。

（3）溶洞与土洞多采用填充法或压密法进行处理，按其填充情况采取相应的处理方法，以保证最终的处理效果。

3.2处理方案

充填处理前，需要先进行溶洞平面范围的试探测，以揭示到溶洞的钻孔为基准点，加密钻孔向四周扩散，孔间隔2.0m。隧道结构轮廓外5m线以内为溶洞的平面处理范围，同时也是溶洞大小试探测的外边界，处理时应先找边界再进行注浆处理。钻孔兼做注浆孔，并选择数个洞顶处钻孔兼做排气孔。

溶洞与土洞的充填，需要结合洞的体积与实际充填状况，从先填后灌和全灌两种方法中选择一种合适的方法。结合现有岩溶处理经验，充填注浆依然是有效且常用的方法，通过压浆孔的密集布置，能直接揭露土洞，消除安全隐患；通过压浆，能使洞穴得到进一步充填，避免土洞发生坍塌；凭借浆液具有的扩散和渗透作用，能击破或者是消除与之相邻的土洞，随即处理已经发生的坍塌。

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，岩溶的发育状况仍可能遗漏，不能完全探明，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的对地面、地层的扰动情况。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。

3.2.1溶洞与土洞充填

（1）全填充溶洞

对于全填充溶洞，主要进行静压灌浆处理，于钻孔当中安装袖阀管直至溶洞底面，开始深孔注浆作业。袖阀管为PVC管，设计浆液有效扩散半径为1.5m，按（2.0×2.0）m的要求控制钻孔间距。注浆使用纯水泥浆，其水灰比为0.5：1.0-0.5：1.1，注浆压力在0.4-1.0MPa范围内；如果洞内存在流动的水，则周边孔需要在浆液当中掺入一定量的速凝剂，将浆液凝固时间严格控制在10-20s范围内。

（2）半填充与未填充溶洞

当溶洞与土洞的高度在3m以上时，采用压力注水泥砂浆方法，或设置注砂管，借助高压风机不断压入干砂，通过吹砂使填充达到密实，再于其它孔内安装袖阀管进行静压灌浆，直到填充密实。当溶洞与土洞高度在2m以内时，可直接进行静压灌浆，具体方法同上。

3.2.2效果检查

溶洞与土洞在完成加固后，其土体必须具有良好密实性、均匀性及自立性，应当进行效果检验。可采用“二次压浆”方法进行检查填充率，采用标贯法测定检查密实程度，标贯值达到“坚硬”状土为优，“硬塑”状土为合格。对于加固效果，可采用钻孔取芯的方法进行检查，按1％孔数抽查，且不小于3点，要求每个溶洞均要检测一次，做抗压试验。测取渗透系数及无侧限强度，要求达到下列标准：

（1）换刀地段上的渗透系数不得超过1.0×10-7cm/sec，无侧限强度不能低于0.3MPa。

（2）一般地段的渗透系数不得超过1.0×10-5cm/sec，无侧限强度不得低于0.15MPa。

3.2.3注浆孔预留

在区间内预留一定数量的注浆孔，能起到防止运营过程中基底塌陷的作用。道床开工前，用一端设有法兰盘的钢管，将其固定于管片下方，再对道床进行浇注，而钢管的另外一端则直接留于道床，在运营时用盖子进行封堵。与此同时，在隧道运营过程中，按10-20m的间隔距离设置纵向测点，按15d/次的频率进行监测，以监测结果为依据掌握下方地层实际变化，如果出现异常，则由预留钢管直接钻穿管片，安装袖阀管实施注浆加固。按照3m的纵向间距设置一排预埋套管，间隔一环管片进行设置。

4结语

（1）岩溶处理不仅难度较大，而且复杂多变，必须按照因地制宜的基本原则进行设计，并选择适宜的施工方法，该区间所用溶洞与土洞处理方法是通过长时间分析总结而得到的，从目前项目实际进展看，这一方案是合理可行、切实有效的。

（2）根据本工程具体情况，与地区内其它工程相比较，并参照相关研究成果，将隧道底部下方5m范围内是否存在溶洞与土洞视作风险区合理划分依据，可以成为该地区的参考标准。

（3）岩溶地段所用盾构机必须具有超前注浆与探测等功能，对于漏注浆的地段，需要进行超前探测，并结合探测结果进行补充注浆。实际上，溶洞与土洞的处理是一项系统工程，需要多方人员协同配合，采用预防与治理充分结合的总体方案，只有这样才能将风险降至最低，保证盾构施工及后期运营安全。

参考文献：

[1]刘靖.地铁盾构下穿既有铁路线路地基加固方法研究[J].中国设备工程，2017（18）：127-129.