地鐵大盾構下穿海域段巖溶地質注漿加固處理技術

何秀林

摘要：隨著我國各類基礎設施的大力建設，在隧道項目施工中經常會遇到巖溶地質，因其本身的復雜性，給隧道的施工設計帶來了較大的不便。如果對巖溶治理不當，將會給以后隧道運營、管理留下安全隱患。所以，對巖溶隧道的合理處理就顯得尤其重要。本文根據詳勘及專勘資料巖溶地段工程特點，參照了施工的成功案例，對注漿加固施工技術方案進行了選擇，以最優化、最可靠為選擇依據展開了施工，文章中對此進行了相關的論述。

Abstract： With the vigorous construction of various infrastructures in China， karst geology is often encountered in the construction of tunnel projects. Due to its complexity， it brings great inconvenience to the tunnel construction design. If the karst is not properly treated， it will leave a safety hazard for future tunnel operation and management. Therefore， the reasonable treatment of karst tunnels is particularly important. Based on the characteristics of the karst section of the detailed survey and the special survey data， this paper selects the technical solution of the grouting reinforcement construction according to the successful construction case， and carries out the construction based on the optimization and the most reliable basis.

關鍵詞：巖溶隧道;注漿加固技術;大盾構

Key words： karst tunnel;grouting reinforcement technology;large shield

0? 引言

巖溶指的是以碳酸鹽為主的可溶性巖石分布區，這種現象的形成主要是地下水對巖石的溶蝕所造成。我國的經濟發展之迅速，人們生活水平越來越高，對交通的需求也越來越旺盛，交通建設也在短期內飛速發展，在交通基礎設施的建設過程中，勢必會有許多穿越巖溶地層的隧道，而由于巖溶底層的復雜地理環境，給交通行業建設提出了更高的挑戰。鑒于巖溶地層本身容易產生地質災害的特點，會對隧道工程的建設產生一系列的影響，如施工安全得不到保障、施工質量難以提高、施工環境變幻莫測等，這些影響都是非常嚴重的。一般而言，巖溶發育需要的條件有：第一，水，特別是地下水對其的侵蝕;第二;水的流通;第三，巖石的可溶性。巖溶對隧道的危害有以下幾點，第一，洞穴中的堆積物不實，容易松軟和塌陷，洞穴周圍的應力分布被改變，隧道的穩定性很難保證;第二，在隧道中，由于地下水的流失嚴重，導致隧道頂部的巖溶塌陷下沉，則隧道的結構會變形，從而引發各種危險;第三，由于洞穴的存在，建筑物會造成不同程度的懸空，隧道的可靠性得不到保障;第四，巖溶的突水，會對隧道的施工進度產生影響，嚴重時會造成人身傷害。鑒于以上幾種情況，在隧道的施工中要針對不同位置的地理環境，開展相應的施工技術，以最大程度的提高隧道的可靠性和安全性。

1? 巖溶隧道危害性分析

①洞穴內的填充物幾乎沒有，所以隧道中建筑物處于懸空狀態，有的是一份懸空，有的是全部都懸空，這種情況下隧道的承載力降低了，所以隧道的安全性能也相應的降低。②在隧道中，底部和頂部的地下水流失非常嚴重，導致了隧道的頂部坍塌下沉，所以隧道的結構容易變形。③在隧道中，巖溶水的流動條件不達標，對會不同程度的影響隧道的結構，對其產生侵蝕，從而縮短隧道的壽命。④在隧道中，由于洞穴堆積物不實，使得周圍的應力條件下發生改變，會直接影響隧道的安全性能。

2? 巖溶處理原則

①安全性：最大程度的保證施工的安全，圍巖可以允許變形，但是變形程度要在一定的標準范圍內，在工程完工后隧道要保證沒有滲透和滴漏。②可操作性強：施工現場中，要保證施工設備的質量和施工人員的技術水平，對施工設備而言，要定期的檢修和維護，要選擇綜合水平較高的施工人員，提供工程的可操作性。③靈活性好：在具體的施工過程中，要根據不同地理位置選擇合適的施工方案，切忌不可千篇一律，不能一種施工方案通用，在確定好施工方案后，也要準備替代的方案，一旦施工效果不盡如人意或者施工效果差時，要盡快的調整和更換方案。④具有可連續性：在溶洞前后的施工方案中，要保證方案的無縫銜接，實現施工技術之間的轉換，保證施工進度的連續性。⑤經濟性強：要在保證質量、保證安全性、對環境沒有破壞的前提下，進行施工。⑥處理施工方案科學：根據不同地質條件、溶洞大小、充填物情況制定針對性的巖溶處理方案，實施前要多次針對性試驗、檢測，得出最好的處理方案及參數。

3? 工程概況

大連市地鐵5號線某標段起止里程為：YK9+616.040～YK12+932.454，長3316.414m，大盾構段2870m，小盾構段446m。其中大盾構海域段長度2310m。本工程為大連市地鐵5號線某標段大直徑盾構海域段溶洞處理注漿，海域段溶洞處理注漿全長1358m。為保證隧道盾構掘進和運營期間的安全，現針對該區段進行巖溶注漿加固處理工作。

3.1 海域段地質資料

根據已有詳勘資料，結合海域段巖溶專項勘察及彈性波CT掃描對海域段地層進行巖溶物探，包括下放PVC套管，海上孔位預留及保護，海上多組彈性波CT掃面，及最終形成成果分析報告（如圖1所示）。考慮大盾構機重心為5m，CT掃描面根據鉆孔孔位布置，按照多孔互相交叉掃描、盡量減少掃描盲區。

3.2 巖溶處理設計

3.2.1 巖溶加固目的

①滿足永久結構的承載力、變形;②降低施工期間突水事件發生的機率;③降低溶（土）洞對區間結構穩定性的不利影響;④防止地表塌陷和過大沉降;⑤確保盾構掘進期間的盾構機安全;⑥確保后期地鐵運營安全。

3.2.2 巖溶處理施工流程

①處理范圍：1）盾構隧道管片上方及側向外輪廓外擴3m、下方外輪廓外擴5m范圍為主影響區，此范圍內所有的溶洞及破碎帶;2）盾構隧道管片上方及側向外輪廓外3～6m、下方外輪廓5～10m范圍為次影響區，此范圍內直徑（長邊或等效長軸）≥3m的溶洞及破碎帶。

②處理方法：以對溶（土）洞注漿填充的方法進行處理。

③注漿孔鉆孔順序：首先找到基準點，是以揭示到溶洞或土洞的鉆孔，在垂直于線路方向，孔與孔的間隔為2m，沿此方向施注漿，并鉆孔，結束點為找到洞體垂直于線路的邊界;在溶洞和土洞超出隧道外輪廓6m的情況下，則要以6m為界，也是根據上述的鉆孔順序，孔間隔為2m進行鉆孔，結束點為找到洞體平行于線路的邊界;之后再根據洞體邊界進行后續鉆孔工作。

④對已探明的溶（土）洞根據其大小，外部注漿孔采用4m×4m間距布置鉆孔，內部注漿孔按2×2m的間距布置鉆孔，由內向外先周邊后中間的順序進行注漿施工，注漿水灰比1：1水泥漿進行溶洞處理。

⑤對于區間灰巖、白云巖以及白云質灰巖發育段而勘察未揭示到巖溶的區域，宜按5×5m的間距布置鉆探孔，盡量利用巖溶專項鉆孔，若發現新溶洞，鉆孔間距加密至2×2m布置，同時鉆探孔兼做注漿孔，后續處理同已探明的溶（土）洞的處理步驟。巖溶探測完成后，應及時對鉆孔進行封孔。如圖2所示。

3.2.3 特殊情況處理

①一般情況而言，灌漿工作是要連續進行的，如果因為某些原因所導致的中途停止，要依據以下幾個方面來處理：要盡快的恢復灌漿，如果有特殊情況不能盡快恢復的，要對袖閥管進行沖洗，如果不能及時進行沖洗的，或者沖洗效果不理想的，要進行掃孔，之后再進行恢復灌漿。在恢復灌漿之后，相較于中斷之前，注入率下降多的，要盡快停止吸漿，同時要采取相應的補救措施。②在灌漿的注入量非常大，而且不容易結束灌漿時，要采取以下兩種方式：第一，可以采取低壓、濃漿、限制流量等間歇的灌漿方式;第二，在漿液中摻入加速凝劑，降低灌漿速度。③在效果不理想的情況下，可以連續加30分鐘，直到效果明顯。④及時采取補救措施，如低壓、濃漿、加注、限制流量等，要根據不同的情況，采取有針對性的補救措施。

3.2.4 風化槽注漿處理

詳堪報告及專堪報告揭露，海域段一處破碎帶，根據相關資料圖紙及設計要求，隧道兩側6m止漿墻按1.5m×1.5m間距布置，內部注漿孔位間距按2m×2m間距梅花形布置，加固范圍隧道頂部以上3m，隧道左右6m范圍。破碎帶風化槽布孔加固如圖3。

3.3 海上鉆機作業流程

3.3.1 鉆探船的選定

根據大連地區水文氣象、地形、地貌、地質、交通、航運、船舶、海事、航道等建設條件的了解，和所掌握的工程場地的施鉆條件和施工方法，以及對前期鄰近勘察成果的分析研究，海域段補勘及袖閥管注漿鉆孔施工平臺擬選用滿足以下指標的工程船舶：①船長約40～50m，寬9～10m，抗風7級，船體質量好;②船舶載重量在100～300總噸范圍內;③救生、通訊、導航信號齊全有效;④起錨船必須具體載客10人，載重50噸，起錨1噸的能力。

3.3.2 鉆探船的設計與拼裝

①鉆船拼裝設計。

鉆機平臺在選好的工程船甲板上焊接側向平臺，針對橋址水域風大浪高的特點，鉆機平臺要有一定高度，這樣有利鉆探施工，在緊急情況下鉆機可以將套管吊出地面，以便鉆船移位。

鉆船拼裝設計工作由鉆探工藝組完成，設計概念如下：1）在工程船甲板上焊接側向平臺（平臺采用16橫向槽鋼）;2）在槽鋼上鋪4cm厚的木板作為施工平臺;3）船舶備用六個錨機六個錨位。

實踐證明，按此方案拼裝成的水上浮動平臺具有很好的穩定性和抗風浪性能，能完全適應比較復雜的水域情況，平臺的使用功能能得到完整實現。如圖4所示。

②鉆船拼裝實施。

鉆探船拼裝由鉆探技術組指導，由鉆探工班實施。鉆探船拼裝工作要點：1）所有電焊工必須持證上崗（高級工及以上水平）確保所有焊點牢固安全;2）所有起骨架作用的工字鋼必須有支撐以增大整個結構的剛度;3）所有錨樁（將軍柱）必須滿足尺寸數量、位置合理，導向通暢;4）所有上船人員必須接受安全培訓;5）鉆船離港前將按照內部質量安全管理條例進行檢查，合格后方可離港。

借鑒類似的海域鉆探資料表明，采用此方案拼裝成的水上浮動平臺具有很好的穩定性和抗風浪性能，作業安全有保障。

3.3.3 鉆探船的錨固定位

①鉆船定位錨具。

錨重一般應在200kg左右，錨型應根據流速及河床底質決定，錨繩采用Ф17mm鋼絲繩，長應大于5倍水深。整個錨系一般呈“*”型，必要時還應增設錨具。如圖5所示。

②鉆探船的錨固。

鉆探船的錨固要點如下：1）鉆船的船頭應迎向逆水方向，前主錨的位置在船的正前方;2）錨繩長度應控制在100～300m之間。

4? 隧道溶洞的處理措施

根據地質詳勘報告及專勘報告揭露，結合CT掃描溶洞剖面圖，海域段溶洞為全充填溶洞和部分破碎帶風化槽。本次施工擬采用袖閥管施工法進行溶洞注漿施工。

在注漿施工中，袖閥管是較為先進的工藝，由于其自身適應性強的特點，加固效果非常明顯，能夠在注漿過程中，進行間隔注漿、分段注漿、定量注漿等，這些都是集合了多種注漿方法的優點，其適用于處理小于0.1m的空隙。

袖閥管注漿法使用工具為“塑料袖閥管”管徑70mm。每隔40cm對開4～8個注漿孔，注漿孔用橡膠密封環封堵。封孔器采用ZF-A38型。注漿泵采用BW150型漿泵，攪拌桶采用LJ300型。如圖6所示。

施工方法與步驟如下：

①鉆孔定位與高程測量。

據已擬定鉆孔布置圖，本次鉆孔注漿擬采用TRIMBLE 5700雙頻 GPS 接收機進行鉆孔定位工作測量。引導、指揮施工船移動，在施工船到達預定位置后即可拋錨;待鉆船穩定后即進行鉆孔的校位，并確保鉆孔平面位置滿足要求（不超過0.25m），然后用鉆機下入外層保護套管（?146mm）。當套管在穩定以后，相關人員對孔口的坐標來測量，對水深進行測量，由此可以計算出鉆孔孔口的高程。

②鉆機施工采用GYQ-300A或重探XY-2B型鉆機，先下入?146mm套管至黏土層，用于隔斷海水，保證鉆孔施工、套殼料、袖閥管投放，以及起拔套管前保證鉆孔的封堵。鉆孔施工時，要求一邊施工，一邊根據專項勘察資料對比地質情況進行判定。

③在施工前，先熟悉專項勘察資料，要全面的了解溶洞的特征，如：鉆孔柱狀圖、洞頂情況、底界的埋深情況、厚度等。在鉆孔的前后，都要做好記錄，將洞孔的情況真實記錄，對洞孔的面積、填充情況做記錄等，為后期的注漿工作打下堅實的基礎。以備相鄰注漿孔注漿時充填，或前期注漿時充填。

④鉆孔鉆至設計深度后，將鉆桿下至孔底，用泥漿泵將配好的套殼料注入孔內，保持套殼料穩定在套管口，無下沉。提拔出鉆桿，下入管徑50～70mm袖閥管。

⑤套殼料采用膨潤土、水泥、水玻璃及速凝劑等配制，配比范圍施工時，應通過多次現場試驗，選取最佳配比，根據工程要求，套殼料要求其脆性較高，收縮性要小，力學強度適宜，既要防止串漿又要兼顧袖閥管打開密封環。

⑥袖閥管的注漿工藝，是注漿管通過袖閥管下入需要注漿的部分，從而能夠保證漿液能夠均勻的進入到溶洞中，以此來完成注漿工作，它是將溶洞填充物膠結為整體的注漿工藝。在進行注漿的過程中，使用帶有封堵裝置的注漿內管，可以很好的控制注漿量，以此來完成注漿工作。

⑦在進行注漿工作之前，要充分做好準備工作，要根據預設的方案來確定水泥的用量，控制注漿的壓力等。

⑧漿液采用水泥漿，采用水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥。水灰比0.8：1.0（稀），0.5：0.6（濃），注漿泵使用BW150型，攪拌桶使用LJ300型，漿液在使用前必須要攪拌均勻，之后倒入泥漿池進行再次攪拌。在注入漿液時，要遵循從下往上的順序，要先對下層溶洞進行注漿，下層溶洞漿液注滿后，要對其進行壓實到一定程度，之后再對上一層溶洞進行注漿，以此類推。在注漿壓注過程中，漿液應連續攪拌，攪拌時間應大于2min。

⑨注漿時，在泵壓力表上觀測注漿壓力，開環壓力0.3MPa，終止壓力2.0～3.0MPa，每次注漿完成后應清洗袖閥管并開一次環，以待二次再注。

⑩注漿量：如何控制注漿量，要依據兩個標準：攪拌桶容積和漿液流量，首先要通過攪拌桶的容積來攪拌漿液，之后將漿液注入注漿池，注漿池和泵連接后，通過壓力來控制注漿量的大小。

11在注漿的過程中，要注意孔口和海面的冒漿，根據注漿孔的冒漿情況來控制相應的注漿量。必要時根據溶洞內漿液流失情況采取雙液注漿法對溶洞進行注漿。

12在注漿的過程中，遇到突發問題，如冒漿、漏漿、壓力變換等，應該停止注漿工作，找到發生問題的原因，并采取有效的措施，之后再進行注漿工作。

13在注漿結束后，要使用純水泥漿，應用袖閥管工藝進行補漿，其壓力值要控制在0.5～1.0MPa范圍內。

14封孔：注漿完畢后用?110m鉆具針對套管內套殼料袖閥管進行掃孔，深度至隧道頂黏土層內，深度根據孔內情況確定。掃孔完畢后，下鉆桿至掃孔深度，用泥漿泵注入高濃度水泥漿，水灰比1：2.5。注漿至套管口，并保持漿液穩定不下沉，無滲漏，提出鉆桿，并對提出鉆桿損失漿液進行補注，穩定封孔漿液后，起拔套管。

15在注漿的過程中，要做好每項工作的記錄，如：鉆孔深度、鉆孔免提、注漿的壓力、注漿量、注漿時間等，都要做好相應的記錄。要對記錄的數據進行對比和整合，分析數據之間的而變化，以及注漿的實際效果，對于其中存在的問題，能夠及時的糾正，或者提出相應的解決對策。

16針對較大土（溶）洞、發育溶溝、巖石裂隙較發育、漏水較嚴重現象，我司技術組采用鉆孔套管直接注（壓）漿，目的是對巖溶、裂隙、溶溝的精準充填，也為更好繼續往下鉆探提供有利的條件。

17針對巨大溶洞、空洞，將采取吹砂、或者填石，吹砂石，應注意鉆孔孔徑及排氣口的設計。

18注漿結束的標準要由幾個方面判定：注漿量、注漿壓力、孔口和海面冒漿等，只有這些都符合設計方案要求，才算注漿工作結束。以上標準依據現場溶洞填充及地質情況確定。注意事項：隨時觀測海面有無氣泡、冒漿、相鄰鉆孔是否串漿。

19注漿28天后可對注漿部分進行檢測。

20溶洞處理后質量檢測標準：

1）對于溶洞采用隨機鉆孔取芯，以抗壓試驗為主，抽水試驗為輔，無側限抗壓強度值≥1.0MPa;2）加固體滲透系數要求不大于1×10-4cm/s;3）加固體波速應較加固前原始地層增加10%以上;4）可采用隨機原位標貫試驗，標準貫入度不小于15擊;5）檢測原則和數量：按1%孔數抽查，且不小于3點，要求每個溶洞均要檢測一次;采用隨機鉆孔取芯，做抗壓試驗，要求無側限抗壓強度不小于1MPa。質量檢查孔的壓水檢查工作應在單元工程灌漿結束7d后進行;6）應確保加固體的完整、均勻、密實性;7）巖溶處理完成后，需進行物探檢測;8）如檢測達不到要求，則應對不合格部位布置注漿孔進行補注漿直至全部合格。

5? 結束語

該技術設備簡單，操作方便，而且工效快，為快速、高效、優質地建設穿海地鐵工程提供了保證，有效地保證了隧道基施工質量。要根據地層的實際情況來選擇最優化的施工方案，以使其最經濟、最優化，使資源得到合理的配置，在實際的施工過程中對其展開動態的管理，為最終的目標所努力。

參考文獻：

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