盾構穿越溶腔施工技術

張元海（粵水電軌道交通建設有限公司，廣東 廣州　510610）

盾構穿越溶腔施工技術

張元海
（粵水電軌道交通建設有限公司，廣東 廣州510610）

以穗莞深城際鐵路施工過程中盾構突遇溶腔處理為案例，總結了盾構突遇溶腔的施工技術。首先采用超前探孔結合數據影像采集處理，探明了盾構前方異常段落的地質情況；然后根據已探明的溶腔體的分布、穩定狀況和內環境條件，分別采取直接通過、填倉填腔、砂漿填充等方法；最后將盾構機進行預抬頭處理，小扭距、小推力掘進，同時進行三次注漿及地面監控量測，使地面沉降量可控，對地表建（構）筑物影響小。該施工技術適用于城際軌道交通隧道上方建筑密集環境下的盾構隧道工程。

盾構隧道；溶腔；探測；處理；施工技術

在軌道交通建設過程中，因為城鎮發展水平較高，軌道交通隧道工程經常下穿重要交通、工業、民用建筑物；同時，受地質勘探深度影響，地質勘查無法做到全覆蓋，只能通過隧道兩側加密地質探孔的方法來定向反映盾構區間地質情況。隧道在掘進過程中容易遇到一些未探明的溶洞、溶腔；盾構施工時，一旦頂穿溶洞、溶腔，有可能造成突水、突泥及盾構陷落等工程事故，同時對地面建筑物造成一定破壞，產生較大的不良社會影響。

現有的溶洞、溶腔一般采用地質垂直鉆探、紅外探測、TSP、地質雷達、超前水平地質鉆孔等探測技術，探明溶洞、溶腔邊界及填充物質等。地面一般采用注漿超前預處理。如桂林［1］采用了高密度電阻率法、電磁波CT物探法、加密鉆孔等綜合探測方法，探明了溶洞的分布與填充情況。宋明福等［2］則利用高密度電阻率法、高頻大地電磁法、瞬變電磁法和地震反射波法4種方法，對巖溶、斷裂構造或破碎帶等不良地質情況進行了勘探判識。

本文根據穗莞深城際軌道交通太平隧道虎虎盾構區間施工情況，介紹了在地面不具備作業條件下，突然遇到溶腔時，如何采取有效措施探明溶腔，并利用盾構機上的有限作業空間，采取施工技術，安全高效地通過溶腔。

1　工程概況

根據穗莞深城際軌道交通線定測隧道工程（DK42+16.447—DK41+178.678）巖土工程勘察報告［3］，本區段盾構隧道穿行的地層為第三系泥質砂巖、砂巖、含礫砂巖；地下水主要為孔隙潛水及基巖裂隙水。盾構隧道埋深約28 m，地面為交通繁忙的256省道，附近沒有橋樁結構，盾構隧道采用8 800 mm土壓平衡盾構機施工。

2　溶腔發現與探析

2.1突遇溶腔預兆

一般而言，盾構掘進過程中，水文地質條件沒有明顯變化、埋深沒有突變，地面監測沒有出現異常情況下，倉內壓力基本穩定；而虎虎區間從1#盾構井往虎門火車站正常推進至736環時，土倉上部土壓由原來正常掘進時的100 kPa急劇下降為50 kPa，刀盤扭矩由2 100 kN·m急劇降低至1 000 kNm，暫停掘進后對地面進行沉降監測，沒有發現異常；再次啟動掘進模式2 min，土壓及刀盤扭矩呈直線下降，土壓驟降至25 kPa，刀盤扭矩驟降至 350 kN·m，立即停機處置。地面連續監測未見異常，初步判定盾構機前方異常，可能遇到空腔體。

2.2探明前方空腔體方法

采用超前探孔結合數據影像采集處理探明前方異常段落的地質情況。

2.2.1超前探孔的設置

盾構土倉隔板上有多個預留孔，在預留孔安裝密封裝置后作為超前探孔的孔口，緩慢開啟密封裝置同時監測孔口情況，緩慢轉動刀盤，使刀盤開槽位置中心與密封孔洞中心對準。從裝有密封裝置的預留孔中推出套管，套管推進端采取柔性密封處理，將套管推進端直抵盾構刀盤切削面，可適當施加壓力使套管與巖面緊貼。利用無腿手風鉆通過接長套管的方法將刀盤至溶腔之間的巖體鉆通，完成超前探孔的鉆設。

2.2.2溶腔內氣體的采集分析

采用便攜泵吸式綜合氣體檢測儀對溶腔內氣體進行采集分析，見圖1。測定溶腔內氣體是否可燃或有毒。如溶腔內氣體有毒或可燃，必須增加防毒、防燃措施后再進行后續施工；如檢測判定為常規氣體，則按常規施工。

圖1　溶腔內氣體檢測示意

2.2.3數據影像采集

采用改進后的工業內窺鏡對溶腔體進行數據影像采集。內窺鏡作業前，通過高壓風將套管內的水渣清理干凈，內窺鏡集光、機、電等于一身，檢測儀器由智能旋轉鏡頭、智能控制器、彈性 GFRP伸縮線盤等組成，見圖2。

圖2　數據影像采集設備

數據影像采集過程如下：將視頻及紅外測距采集頭放置于套管中，采集頭與外置控制箱（含液晶顯示器）通過柔性檢測線連接，伸長可伸縮推進桿，將視頻采集頭推進至套管外的溶腔中，采用鏡頭的光學變焦技術，通過鏡頭軸向360°旋轉，徑向220°翻轉，使檢測無死角，細致精密檢測溶腔內部情況，以獲得較全面的圖像和精準的紅外測距數據，為后期分析提供良好的數據影像資料。通過自帶可調整亮度的環境光和輔助后置光源，使檢測可在黑暗環境中獲取清晰圖像（見圖3）。

圖3　數據影像采集的溶腔照片

2.2.4溶腔體判釋

通過配套的應用軟件結合專門開發的數據分析軟件，根據不同方向（軸向和徑向）、不同光學焦距獲取的數據，分析溶腔空間情況；同時通過套管采用特殊渣土采集裝置，采集溶腔底部的渣土樣本作試驗分析，并提取溶腔體內的水深、水質等數據，結合數據影像分析結果，確定溶腔空間、溶腔與隧洞的關系，溶腔的穩定狀況等，作為下一步溶腔處理的依據并指導盾構掘進施工。

3　溶腔的處理

根據溶腔體的邊界條件、溶腔體的穩定狀況，溶腔體的內環境條件綜合分析，因地制宜確定溶腔處理方案。

3.1直接通過

如圍巖穩定，溶腔分布于刀盤正面投影范圍內（見圖4（a）），在無水或少水情況下不用充填溶腔，盾構快速通過即可；如水量較多，可以在土倉內注入膨潤土處理。

圖4　溶腔體與盾構刀盤相對位置示意

3.2填倉填腔法

如圍巖不穩定，溶腔分布于刀盤正面投影范圍之外（見圖4（b）），有掉塊現象，地下水較多，可采用填倉填腔法［4］，利用已經鉆通的孔洞通道，注漿填充盾構機土倉及溶腔體。注漿材料采用低強度混合填充材料。混合材料質量比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶水= 3∶6∶3∶11，其中水泥用量為150 kg。

3.3砂漿填充

如溶腔分布于刀盤正面投影前方和下部（見圖4（c）），采用接管法，由近盾構機側往遠盾構機側根據溶腔的軸向長度和深度，分層灌注自流平砂漿，自流平砂漿略高于刀盤下部約5 cm［5］。

4　盾構通過溶腔的方法

4.1掘進方法

恢復掘進時，通過盾構機上的主動鉸接裝置和分區油壓千斤頂，將盾構機進行預抬頭處理。小扭距、小推力掘進，直至通過溶腔段，每掘進一環，即在該環管片后進行低壓第一次注漿，然后對前面已注漿的管片加壓進行第二次注漿。同時，對上方建筑物進行監控量測，并將監控量測數據反饋給施工方，指導掘進參數調整。

4.2多次注漿

通過溶腔段后，適當加大推力掘進，直至全部刀盤進入巖土層10環位置，對溶腔范圍的管片進行第三次注漿。

5　結語

1）采用超前探孔結合數據影像采集處理的綜合方法探測溶腔，掌握溶腔體的分布及腔內環境情況，為后續施工提供可靠的地質資料。

2）根據已探明的溶腔體的分布、穩定狀況和內環境條件，針對不同情況分別采取直接通過、填倉填腔及砂漿填充等方法處理溶腔。

3）對盾構掘進措施進行改進。采用預抬頭處理，小扭矩、小推力盾構掘進，減少地層擾動；通過三次注漿及地面監控量測，使地面沉降量可控，對地表建（構）筑物影響小。

4）由于溶腔體內采取了處理措施，溶腔上方地面免于加固處理，隧道上方的建筑物不需拆遷，減少了對社會的不良影響。

［1］桂林.廣州地鐵五號線巖溶地區盾構隧道工程技術研究［J］.桂林工學院學報，2008，28（3）：324-329.

［2］宋明福，劉宏岳.大直徑水底盾構隧道不良地質及疑似溶洞探測技術的應用［J］.隧道建設，2013，33（2）：122-128.

［3］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.穗莞深城際軌道交通線定測隧道工程（DK42+16.447～DK41+178.678）巖土工程勘察報告［R］.武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2009.

［4］徐美華.龍潭隧道穿越填充含水性土石類溶洞的處理技術［J］.鐵道建筑，2006（2）：34-37.

［5］汪海波，劉文解，馬成，等.大斷面隧道溶洞處理技術研究［J］.鐵道建筑，2014（11）：75-77.

（責任審編葛全紅）

Construction Technology of Shield Tunnel Passing Through Karst Cavity

ZHANG Yuanhai
（YSD Rail Transit Construction Company Limited，Guangzhou Guangdong 510610，China）

T akingkarstcavitytreatmentencounteredinGuangzhou-Dongguan-Shenzhenintercityrailway construction as an example，the construction technology of shield tunnel which encounters karst cavity was concluded in this paper.Geological condition of abnormal section ahead the shield was ascertained by adopting the methods of advanced borehole and data image acquisition and processing，some measures were used such as passing through directly，filling the chamber and cavity，filling with mortar according to karst cavity distribution，stability and internal environment，pre head rising processing and excavation with small torque and small force of the shield machine were conducted and three grouting and ground monitoring measurement were implemented，which could ensure the ground subsidence control and the small influence on the surface building.T he construction technology presented in this paper is applied to the shield tunnel project in the dense building environment above the intercity rail transit tunnel.

Shield tunnel；Karst cavity；Detection；T reatment；Construction technology

張元海（1974— ），男，高級工程師。

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.18

1003-1995（2016）07-0074-03

2015-12-10；

2016-04-25