深圳地鐵14號線隧道巖溶處理技術方案對比及優化

劉 恒

(中鐵南方投資集團有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

隨著我國城市地鐵隧道交通的迅速的發展，地鐵隧道建設遇到密集、大型巖溶的情況越來越頻繁。在復雜巖溶強烈發育的區域的進行隧道建設施工，會因巖溶表面參差不齊，溶洞外形形狀多種多樣，以及溶洞內部的填充物具有流塑性、軟塑性或空洞的情況不可精準預測的地質因素多，因而增添隧道施工難度，容易造成巖溶周圍塌孔、漿液流失、盾構掘進卡鉆及地面構筑物塌陷等問題，成為影響工程質量、威脅施工安全、延遲施工工期等工程難題。因此，為了保證隧道安全施工和鐵路長時間穩定性，對巖溶進行注漿加固等手段成為堅決問題的主要方法。白明洲等通過現場模擬注漿試驗并結合理論分析對典型巖溶進行了研究，并對比分析了注漿前典型巖溶雷達圖像特征與其注漿后的圖像特征，基于此對注漿效果進行討論。楊新安等通過對運營中的高速鐵路進行軟土地基注漿試驗，提出了對注漿順序和注漿參數進行優化控制的有控注漿施工技術。張民慶等在渝懷鐵路梁山隧道開挖工程中對開挖面注漿過程進行研究，對注漿空間及漿液擴散的分布特征及規律進行分析，認為注漿量與巖溶巖層空隙、巖溶底層擾動等因素有較大的關系。王德明等在永蓮隧道開挖斷面斷層破裂帶巖性變化對注漿量的影響進行研究，指出斷層破碎帶的巖性無規律變化會導致注漿量在空間不均勻性分布。Chai J C、Bhandari A、Nonveiller E、王乾等采用分序注漿或跳孔注漿時，均認為，注漿量的大小與注漿的先后順序具有關聯性，其前者注漿量往往多于后者注漿量，隨時間呈現遞減，且達到設計要求注漿壓力值所需的注漿時間也會相應減小。朱明聽等通過室內模型試驗對注漿擠密進行研究，認為注漿模式是由擠密注漿向劈裂注漿進行轉化過程中導致圍巖孔隙擠密。

深圳軌道交通14#線大運站～寶荷站區間具有大量巖溶集中分布，盾構隧道開挖過程中會對巖溶周圍土體產生擾動、易引起巖溶區土體坍塌失穩，誘發地表沉降塌陷，對盾構順利掘進帶來極大不便，基于此，提出適于深圳軌道交通14#線坳背站～大運站區間巖溶處理優化施工方案顯得十分必要。

2 工程概況

深圳地鐵14#線大運站至寶荷站巖溶段鉆孔共完成81個鉆孔，其中揭示溶洞鉆孔共36孔，溶洞洞頂埋深11.50～69.20 m，對應高程10.60～49.90 m，溶洞洞底埋深13.50～70.50 m，對應高程7.30～48.30 m，溶洞洞高0.20～9.60(MNZ3-TAD-YR-042)m，頂板厚度0.10～29.70 m，所揭示溶洞可分為全充填、半充填、無充填，充填物主要以軟～可塑狀粉質黏土為主，夾風化碎塊。本工點見洞隙率44.4%，線巖溶率0.72%～43.20%，依據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)，確定巖溶發育等級為強發育。

3 巖溶處治的原則與目的

3.1 巖溶處治原則

盾構隧道巖溶處理應遵循以“地面預處理為主，洞內預留措施為輔”的原則，對已發現巖溶溶洞應當優先采用地面注漿進行預前處理。如采用洞內處理的施工方式，需要進行全斷面帷幕超前預注漿進行施工。針對灰巖地區盾構管片設計應預留注漿孔，以便于對地面注漿滲透差區域進行二次補漿。注漿孔預留應考慮道床結構、管片拼裝等情況，做好相應的預埋預留，確保預留注漿孔的正常使用。對于區間盾構位于上軟下硬地層且土巖分界面以上土層為碎石、砂等強富水、強透水地層時，應采用全斷面加固。溶洞處理的方法是袖閥管注漿、回填砂及碎石、灌注水泥砂漿等施工方法，可依巖溶情況而定。

3.2 巖溶處治目的

巖溶區段的容腔、溶洞等地質災害存在，容易造成地質的地基承載力不滿足受力要求，在盾構掘進施工時，容易引起盾構載頭，地表沉降過大或塌陷的事故的發生。為了防止盾構施工的陷落及投產運營安全，需要通過注入膠結類漿液，使漿液滲透層漿液與土體形成隔水層，提高該區域土體整體性及穩定性，進而提高地鐵隧道穿越區地基承載力。

4 巖溶處治方案

4.1 注漿孔平面布置

溶洞外圍布置封邊孔，進行水泥漿液封邊，以保證漿液不發生外流，避免注漿壓力由漏漿造成注漿泄壓；在溶洞中部上方設置排氣孔，其布置方式為每100 m2設置兩個，通過注漿巖溶中水和填充物體可以通過排氣孔排出，注漿孔位見圖1。

圖1 注漿孔孔位布置

4.2 注漿工藝

(1)注漿順序

進行周邊孔位一次注漿(處理范圍邊界處應使用雙液漿)→4 h后，在周邊孔位多次注漿→中央孔位一次注漿→中央孔位多次補漿→排氣孔周圍孔注漿→排氣孔注漿→中央孔及排氣孔補漿→完成注漿。

(2)排氣孔設置

按照溶洞平面每100 m2不少于2個排氣孔，在注漿孔完成注漿后，對排氣孔進行注漿填充封閉，排氣孔的填充宜采用配合比1∶1的水泥漿液，注漿壓力控制在1 MPa左右。按照上述設置排氣孔及排氣孔注漿，經所取芯的抗壓時間檢測，其結果根據本試驗段的注漿情況以及抽芯檢測結果，表明上述方法可以滿足注漿排氣需求和溶洞注漿強度要求。

(3)注漿分段提管

進行巖溶注漿時。將注漿管下放至鉆孔底端，將注漿芯沿著注漿管下放至鉆孔地端，施加注漿壓力，注漿從鉆孔地端向上進行分段注漿，待注漿段注漿擠實后，進行提管至上一層，每段注漿層設置為2 m。每段注漿時間控制在30 min左右；在后續進行重復注漿時，注漿提管長度根據實際情況部分調整為4 m。

(4)終孔時機

在注漿過程中，孔位鉆孔注漿的完成，以注漿壓力是否達到設計值作為主要評判標準，巖溶容腔體積與注漿量作為輔助評判標準，并結合排氣孔冒漿情況綜合評判。具體為，當實際注漿壓力值達到設計要求的注漿壓力值，并且注漿壓力穩定10 min后，排氣孔未冒出水泥漿液，可以先進行換孔注漿，每間隔4～6 h該孔再進行重復注漿，當排氣孔開始冒水泥漿時，認為該注漿孔周圍土體已完全灌滿或滲透擴散密實，對該注漿孔進行終孔。

(5)鉆孔封堵注漿

當注漿達到終孔標準后，采用1∶2的水泥漿液進行注漿孔封堵注漿，注漿壓力達到1.1 MPa且壓力穩定10 min后，可認為封堵注漿完成。

5 巖溶處治方法對比及優化選擇

(1)鉆孔工法對比

地質鉆孔常用地質鉆孔機與潛孔鉆機進行鉆孔，本工段兩種鉆工工藝均得到運用，基于此總結兩種機械優缺點如表1。

表1 鉆孔工法對比表

(2)取芯方法對比及優化

在前期取芯過程時，工程上采用水鉆法取樣工藝，在注漿過程中注射高壓水，容易把充填物沖散，難以在溶洞中得到完整的原土層芯樣和加固體，往往只能得到水泥凝固漿塊。后續工程采用干鉆施工工藝，在鉆進過程中不添加水，所取試驗得到明顯改善，然而這種工藝對鉆頭磨損十分嚴重。因此，本工程在上述施工經驗總結分析的基礎上對取芯工藝進行改進。改進的具體措施為，取芯鉆未鉆到溶洞容洞位置前，采用加水鉆芯取樣以減小對鉆頭的耗損，鉆穿溶洞頂板到達巖溶溶洞范圍內，停止加水，采用干鉆鉆取芯樣。經改進的方案技能能取出溶洞范圍內完整的水泥固結或原土層芯樣，又能減少鉆筒耗損。

(3)注漿壓力分析

本工程對注漿壓力進行現場試驗，將注漿壓力控制在1～5 MPa之間，從注漿過程看，壓力控制2～5 MPa之間容易造成地面涌漿，而溶洞填充物并不能很好地被填充，考慮到溶洞處理主要是為將溶洞填充滲透擠實，當注漿壓力控制在1～2 MPa時，也可以有效的充盈、混合溶洞填充物，達到處理目的，因此本工程優選注漿壓力1～2 MPa，及能滿足注漿要求，也可避免因注漿壓力過大對地表造成破壞。在注漿壓力1～2 MPa范圍內，注漿壓力越大，填充物置換的越多，芯樣強度越高。可以很好的置換溶洞填充物。

(4)漿液選擇及優化

本工程巖溶處理選用漿液為水泥漿，工程開展前期對開口溶洞(R149、R123)使用單液漿做注漿帷幕，運用少量多次的注漿方式進行，雖然達到注漿設計要求的效果，但該類溶洞注漿量為包絡圖預估量152%，漿液消耗量較大。基于此，對注漿工藝進行了優化，具體為對開口型溶洞首先用雙液漿對其進行封邊，然后用單液漿進行填充的注漿工序，采用改進后的工藝對單個溶洞(R131)進行注漿試驗，其注漿總量僅為包絡圖預估量94%，相比當漿液注漿，注漿總量得到大大縮減，且接近預估量。上述試驗可以表明采用雙液漿封邊，可有效的保證注漿量計算的準確性。

(5)注漿管優選

在盾構隧道穿越區，巖溶注漿處理管注漿完成后多留于注漿孔。因此，注漿管的材質的選擇會影響到后期掘進效率，當采用柔性袖閥管施工，后期盾構掘進時難以攪斷，造成袖閥管纏繞刀盤影響施工進度，且有卡機的施工風險。本工程使用的孔徑為48 mm的硬性PVC袖閥管，花管每隔0.5 m布置8個花孔，花孔外有皮圈，可保證漿液的單向流動及后續掘進安全、效率。

(6)非探邊注漿效果

為了探明勘探探測巖溶邊界后與非探邊巖溶注漿效果，工程對編號為R125溶洞的部分孔在未探邊完成的情況下，進行了提前注漿，最終注漿完成后，未超過預估量，通過與探邊完成后的溶洞注漿進行對比，說明提前注漿對注漿量影響不大，依然可控。同時R125溶洞取芯結果滿足要求，說明該施工流程不會對施工質量產生影響。

6 結論與建議

6.1 結論

根據本文上述注漿方案進行的巖溶注漿，已完成部分施工任務，并全部進行取芯抗壓試驗，根據檢芯樣結果，檢測結果顯示其無側限抗壓強度范圍0.4～3.4 MPa，最小抗壓強度大于設計要求的0.2 MPa，表明上述巖溶注漿處治方案和采用的注漿參數與工藝均可達到較好的處理結果，可確保盾構通過時的安全，滿足工程需求。

6.2 建議

(1)采用水灰比為1∶1的單液漿進行注漿填充；針對開口溶洞，應先使用配合比為1∶1∶0.2的雙液漿進行封邊處理，封邊完成后再進行單液漿填充；一次注漿過程中，分段注漿控制在2 m一段，后續重復注漿時，分段可根據注漿壓力情況調整為4 m。

(2)溶洞周邊封孔孔位注漿壓力應控制在2 MPa左右，內部孔注漿可控制1～1.5 MPa，排氣孔附近注漿壓力可控制在1 MPa左右。

(3)以注漿壓力為主，注漿量為輔，并結合排氣孔冒漿情況，對終孔時機進行控制。將每段的未探明溶洞采用雙液漿進行封邊，內部注單液漿進行處理，以達到注漿量可控。