地鐵盾構區間穿越溶、土洞區加固處理設計

陸靈威

(廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣東 廣州 510000)

引言：該地鐵隧道工程直接在巖溶盆地當中穿行，溶洞與土洞均較發育，無論是對施工還是運營都有較大影響。本區段采用盾構施工，所穿溶洞與土洞區長度較大，地質條件復雜，施工困難，安全風險高，現結合廣東地區類似項目經驗進行分析，先進行風險區合理劃分，再確定科學的處置范圍，最后采取有效措施及時處理，以保證施工和運營安全。

1 工程概況

該區間總長約1.5km，洞頂覆土深度約8-17m，采用盾構法進行施工。區間處在海陸交互相沉積平原地貌，基巖為石炭系地層，本段地形較平坦，相對高差較小，地面高程5.70-8.55m。該區間主要穿行于殘積層及沖洪積層[1]。

區間內共布置175個勘察孔，從鉆探揭露結果看，共分布311個溶洞，見洞率在55%左右，高度最大可達9.7m，充填溶洞約占總數51.5%，主要充填物為粘土；共分布44個土洞，高度最大約7.93m，多為全充填形式，主要充填物為粉質粘土。覆蓋層砂層內的孔隙潛水和巖溶水共同組成了含水結構，在含水層的中間，存在厚度從幾米到十幾米不等的粉質粘土，形成隔水層。

盾構區間通過該巖溶地層，主要的工程風險有盾構機在掘進過程中的栽頭、地表沉降過大或坍塌、影響周邊建筑等。

2 風險區劃分

根據相近地段項目經驗，區間隧道底部5m范圍內，如果沒有溶洞與土洞，也沒有明顯的巖土界面或其他軟弱地層、不良地質，則可將該區域視為低風險段，即溶洞與土洞不會造成太大的影響；而這一區域內存在溶洞與土洞，或5m內還有明顯巖土界面或其他不良地質，則視為高風險區，即溶洞與土洞會造成較大影響。將分界線確定為隧道底下5m的原因有：

（1）從既有線路地質鉆孔結果看，巖土界面均處于地表下方10m以上，在界面周圍分布多處溶洞與土洞。線路周圍既有村房使用已有60余年，期間未發生由于溶洞與土洞塌陷造成的安全事件。村房的基礎深度約5～8m，距離巖土界面的豎向凈距約 5m，這在很大程度上說明，溶土洞上方覆蓋土層超過 5m，在一般荷載作用下產生塌陷現象的幾率很小[2]。

（2）結合某研究院對地鐵列車實際運營的沖擊振動作出的檢測，對于采用混凝土軌枕的道床，其軌面下方2.5m范圍內路基土實際振動加速度，只有地面的十分之一以內。此外，盾構隧道采用C50盾構管片拼接而成，剛度較大，截面為圓形，無棱角，能有效分散列車運行產生的沖擊力，地鐵列車自重與運行產生的沖擊振動也比地面列車小。基于此，底板下方土體受地鐵列車運行的影響，深度不會超過2.5m，底板下方5m范圍內的溶洞與土洞，基本不會由于列車運行而產生不利影響。

（3）根據巖體力學，在地下空間埋深達到一定數值后開挖隧道，圍巖應力轉移，會在一定范圍內產生集中現象，形成有規律的壓力區域“壓力拱”。盾構隧道上跨其他隧道或地下空間的工程實例很多，采取一定的保障措施，即使豎向凈距小于5m，也能夠保證安全。從已探明溶土洞看，相關地區跨徑在4.0m以上的土洞很罕見，且其斷面也通常類似拱形。鑒于此，可認為隧道外側 1倍跨度，即4m范圍之外的溶洞與土洞，只要與地鐵隧道間有穩定隔水層，或采取一定措施形成穩定隔水層，溶、土洞就不會對盾構隧道造成太大影響[3]。

綜合上述分析，在隧道底下5m的范圍內，只要對所用已探明溶、土洞及其他不良地質進行有效處理，就能對工程風險進行有效控制。

需要注意，以上提出的分界線實際上是地區經驗界線，將該地區的粉質粘土作為標準層，如果隧道埋深較大、進入中微風化巖層、或者下方土層具有很高的強度、良好的粘性，則可對分界線進行適當的縮??；相反，如果底板下方存在不良地層，則需擴大分界線，取較大的安全厚度。

3 區間溶洞與土洞處理

3.1 處理基本原則

（1）盾構隧道巖溶處理應遵循以地面、機（盾構機）內預處理相結合為主，洞內預留措施處理為輔的原則，溶洞與土洞的處理應先于盾構掘進進行。

（2）線路進行風險區合理劃分，根據風險程度采取不同的措施進行處理；對于高風險區，應重點處理隧道兩側及底板5m范圍內存在的巖土和溶洞交界層；對于低風險區，可只處理兩側5m范圍內存在的土洞，處理方法為充填法。

（3）溶洞與土洞多采用填充法或壓密法進行處理，按其填充情況采取相應的處理方法，以保證最終的處理效果[4]。

3.2 處理方案

充填處理前，需要先進行溶洞平面范圍的試探測，以揭示到溶洞的鉆孔為基準點，加密鉆孔向四周擴散，孔間隔2.0m。隧道結構輪廓外5m線以內為溶洞的平面處理范圍，同時也是溶洞大小試探測的外邊界，處理時應先找邊界再進行注漿處理。鉆孔兼做注漿孔，并選擇數個洞頂處鉆孔兼做排氣孔。排氣孔每洞至少一個，間距超過4m加設排氣孔。

圖1 加密鉆孔平面布置示意圖

溶洞與土洞的充填，需要結合洞的體積與實際充填狀況，從先填后灌和全灌兩種方法中選擇一種合適的方法。結合現有巖溶處理經驗，充填注漿依然是有效且常用的方法，通過壓漿孔的密集布置，能直接揭露土洞，消除安全隱患；通過壓漿，能使洞穴得到進一步充填，避免土洞發生坍塌；憑借漿液具有的擴散和滲透作用，能擊破或者是消除與之相鄰的土洞，隨即處理已經發生的坍塌。

由于巖溶地區工程地質條件復雜、城區內受交通、管線、建構筑物的影響，巖溶的發育狀況仍可能遺漏，不能完全探明，因此參與巖溶地區盾構隧道施工的單位需配置（盾構）機內超前探測的儀器與機械設備（小鉆機）。并應在地面配備巡查車輛，隨時監控盾構掘進過程中的對地面、地層的擾動情況。超前探測發現需處理的溶（土）洞時、可根據實際施工條件選擇地面或洞（機）內處理方法，在有條件時、優先采用地面處理方法。

此外，穿越巖溶地區的盾構隧道，設計時應預留注漿管，盾構隧道施工過程中應加強二次注漿，而且從提高管片施工及運營階段的安全系數考慮，應當適當增加管片含鋼量。

3.2.1 溶洞與土洞充填

（1）全填充溶洞

對于全填充溶洞，主要進行靜壓灌漿處理，于鉆孔當中安裝袖閥管直至溶洞底面，開始深孔注漿作業。袖閥管為PVC管，設計漿液有效擴散半徑為1.5m，按（2.0×2.0）m的要求控制鉆孔間距。注漿使用純水泥漿，其水灰比為0.5:1.0-0.5:1.1，注漿壓力在0.4-1.0MPa范圍內；如果洞內存在流動的水，則周邊孔需要在漿液當中摻入一定量的速凝劑，將漿液凝固時間嚴格控制在10-20s范圍內。在進行注漿時，需要采取分序孔方法，按由下到上先外圍后內部的順序進行。為避免漿液擴散到太遠的位置，可采用間隔、定量、分次，從低壓開始緩慢加壓的方式，當吸漿量在1-2L/min范圍內保持15min后停止注漿。

（2）半填充與未填充溶洞

當溶洞與土洞的高度在3m以上時，采用壓力注水泥砂漿方法，或設置注砂管，借助高壓風機不斷壓入干砂，通過吹砂使填充達到密實，再于其它孔內安裝袖閥管進行靜壓灌漿，直到填充密實。當溶洞與土洞高度在2m以內時，可直接進行靜壓灌漿，具體方法同上。

圖2 填充方案示意圖

3.2.2 效果檢查

溶洞與土洞在完成加固后，其土體必須具有良好密實性、均勻性及自立性，應當進行效果檢驗?？刹捎谩岸螇簼{”方法進行檢查填充率，采用標貫法測定檢查密實程度，標貫值達到“堅硬”狀土為優，“硬塑”狀土為合格。

對于加固效果，可采用鉆孔取芯的方法進行檢查，按1%孔數抽查，且不小于3點，要求每個溶洞均要檢測一次，做抗壓試驗。測取滲透系數及無側限強度，要求達到下列標準：

（1）換刀地段上的滲透系數不得超過1.0×10-7cm/sec，無側限強度不能低于0.3MPa。

（2）一般地段的滲透系數不得超過 1.0×10-5cm/sec，無側限強度不得低于0.15MPa。

質量檢查孔的壓水檢查工作應在單元工程灌漿結束7天后進行。

3.2.3 注漿孔預留

在區間內預留一定數量的注漿孔，能起到防止運營過程中基底塌陷的作用。道床開工前，用一端設有法蘭盤的鋼管，將其固定于管片下方，再對道床進行澆注，而鋼管的另外一端則直接留于道床，在運營時用蓋子進行封堵。與此同時，在隧道運營過程中，按10-20m的間隔距離設置縱向測點，按15d/次的頻率進行監測，以監測結果為依據掌握下方地層實際變化，如果出現異常，則由預留鋼管直接鉆穿管片，安裝袖閥管實施注漿加固。按照3m的縱向間距設置一排預埋套管，間隔一環管片進行設置。

4 結語

通過上述分析，可得出以下幾條結論：

（1）巖溶處理不僅難度較大，而且復雜多變，必須按照因地制宜的基本原則進行設計，并選擇適宜的施工方法，該區間所用溶洞與土洞處理方法是通過長時間分析總結而得到的，從目前項目實際進展看，這一方案是合理可行、切實有效的。

（2）根據本工程具體情況，與地區內其它工程相比較，并參照相關研究成果，將隧道底部下方5m范圍內是否存在溶洞與土洞視作風險區合理劃分依據，可以成為該地區的參考標準。

（3）巖溶地段所用盾構機必須具有超前注漿與探測等功能，對于漏注漿的地段，需要進行超前探測，并結合探測結果進行補充注漿。

實際上，溶洞與土洞的處理是一項系統工程，需要多方人員協同配合，采用預防與治理充分結合的總體方案，只有這樣才能將風險降至最低，保證盾構施工及后期運營安全。