论文部分内容阅读
【摘 要】 在城市地铁建设过程中，受城区交通、管线及既有建（构）筑物等场地条件限制，目前我国地铁区间隧道建设优先采用盾构法施工。当拟建地铁隧道场地存在不良地质时，施工及后期运营都存在较大的安全隐患；本文介绍了某穿越岩溶地质的区间隧道的岩溶处理措施，并从岩溶专项勘察、岩溶风险分析及岩溶处理的主要技术措施4个方面详细地介绍盾构法隧道穿岩溶地质的注意事项及处理措施，希望对同类工程的施工有一定的借鉴意义。
【关键词】 盾构隧道；岩溶；处理方案
前言：
我国城市轨道交通建设速度迅猛，建设城市地铁已成为城市政府解决公共交通困顿的优先选项。我国在城市地铁区间隧道的施工中，盾构施工法以其良好的防渗漏水性、施工安全快速、对周围环境的影响极小等优点已成为重要的可选施工方法之一，在许多工程中已成为首选的施工方法。
地铁隧道施工通常是在地下施工，施工进度受地质水文的影响很大。特别是隧道线路沿线存在有岩溶地质时，施工过程中盾构机的扰动及后期运营时地铁车辆的震动极易诱发岩溶塌陷，引发严重事故，因此盾构隧道岩溶处理方案相对于整个盾构隧道的施工及后期运营的安全都有着十分重要的意义。
1 工程概况
1.1区间简介
某市轨道交通6号线某区间隧道采用盾构法施工，线路总长719.8m（右线），水平线间距15.2m。区间底板埋深为15.7～23.0m，共设置有一座联络通道。（见下图）
区间平面图
1.2工程地质
区间沿线上覆土层主要为近代人工填土层（Qml）、第四系全新统河流冲积土层、砂层（Q4al）、中更新统（Q2al+pl）冲积相粘性土、古河道含粘性土粉细砂层及残积粘性土构成，下部基岩为三叠系灰岩、二叠系泥岩及石炭系灰岩，受构造运动挤压作用影响，二叠系泥岩中分布有带状挤压破碎带。
根据详勘结果，本区间局部下伏基岩为灰岩区段，岩面上直接覆盖有第四系全新统砂层，基岩裂隙发育，钻孔有漏浆现象，个别漏浆现象较为严重，勘探孔发现有溶洞存在，溶洞内被可～硬塑粘性土充填。勘察过程中虽未发现空洞，但岩芯上所见溶蚀现象明显，不排除有稳伏的空洞存在的可能性。
2 岩溶专项勘察
2.1溶洞发育情况
对该区间采用工程钻探、地球物理探测等方法进一步补充勘查岩溶发育情况，并补做相关岩土工程试验，得出该区间岩溶发育类型主要有溶隙和溶洞，局部灰岩表面溶沟和溶槽较发育。可见溶洞（隙）是场地区最主要、且最重要的溶蚀现象。本场地岩溶属弱—中等发育。基岩面以下1～10m溶蚀相对较强。岩溶主要发育在灰岩的上部，发育方向和强度受层面和裂隙控制，多沿陡立灰岩层面垂向呈溶隙形态发育，水平向连续性较差。本文选取区间范围内四组钻孔所揭露的溶洞（隙）特征，详见表1。
2.2岩溶发育规模
根据钻孔揭露的溶洞铅直高度统计，溶洞以洞高小于3m（0.5倍隧道洞径）的溶洞占主导，其中洞高≤0.5m的溶洞约占全部溶洞的25%，洞高0.5～1.0m的溶洞约占全部溶洞的30%，洞高1.0～1.5m的溶洞约占全部溶洞的15%，其余洞高1.5～3.0m的溶洞个数渐少，约占全部溶洞的20%，其余洞高>3m的溶洞均为零星分布。
2.3溶洞充填特征
按照溶洞充填情况，将钻孔所揭露的溶洞分为全充填、半充填和无充填进行统计，全充填的占溶洞总数的40.4%；半充填的占29.8%；无充填的占29.8%。
3 岩溶风险分析
3.1场地地质结构分类
根据沿线第四系土层、基岩的岩性不同和组合形式不同，对场地地质结构大致可区分为2种类型，各类型特征见表2。
3.2不同类型地质结构岩溶塌陷分析
（1）Ⅰ类地质结构
上部砂层与下伏可溶岩直接接触，砂层在重力作用、地下水活动产生的潜蚀作用和真空吸蚀作用下，不断进入可溶岩中发育的开口溶洞、溶隙，随着砂层中空洞或疏松体范围逐渐增大，最终产生突发性塌陷，其结果多在地面形成圆锥形塌陷坑，直接或间接影响地铁隧洞安全。
當隧道穿过厚层粉细砂层、且粉细砂层下伏基岩发育溶洞时，岩溶塌陷可直接破坏隧道，如图1。
后期运营过程中，随着时间的推移，由于列车行驶振动，受周边环境的变化以及地下水活动的影响，很可能出现洞体坍塌现象，从而影响地铁正常运营。
（2）Ⅱ类地质结构
基岩面以上稳定分布厚度大于3m的老粘土，可溶岩岩面上部砂层与可溶岩未直接接触，一般不会直接发生因砂层漏失而形成岩溶塌陷。但受钻孔或桩孔施工等人为因素破坏，将上部砂层与下伏可溶中的溶洞连通时，砂层在重力作用及地下水活动产生的潜蚀作用、真空吸蚀等不良作用下，沿钻孔进入可溶岩中溶洞，最终产生突发性岩溶塌陷。
4 岩溶处理的主要技术措施
4.1岩溶处理目的
（1）满足隧道结构的承载力、变形、防水要求
溶洞填充物性质软弱，随着时间的推移，并受周边环境的变化以及地下水活动的影响，很可能出现洞体坍塌现象。通过对洞体充填物的加固处理，提高其自身强度，从而提高洞体的稳定性，降低洞体坍塌而引起的地层塌陷，进而减小管片连接处的差异沉降，减少管片渗漏，以满足地铁正常运营。
（2）确保盾构掘进期间的盾构机安全
位于隧道底的部分溶洞，其填充物为粘土及粘土夹少量碎石，承载力很低，通过对溶洞处理，确保盾构机安全、顺利通过溶洞区，避免盾构机突陷等意外事故的发生。
（3）降低新生溶洞对隧道稳定性的不利影响
对溶洞的认识，现在普遍认为溶洞的发育周期较长，通常以百年计，在地铁运营期间出现新生溶洞的可能性很低，故对溶洞的处理主要针对目前勘察发现的顶板较薄、有漏洞、可能促成新生溶洞发展的浅层溶洞；而溶洞的发展速度较快，当岩层具备一定条件时溶洞将很快产生，这对使用中的区间隧道将产生不利影响。通过对隧道下地层的加固处理，将隧道地层划分为若干单元，防止土洞发育、发展过大，并利用隧道本身的纵向刚度，使隧道变形不至于发展过快，即使发生溶洞，也给运营期间的抢险工作赢得了充分的时间。 4.2岩溶处理方案
（1）盾构井掘进过程应进行全程地质雷达超前预报，以便了解掌子面前方周围范围内溶洞分布情况以及溶洞性质。
（2）溶洞处理范围及具体措施
Ⅰ类结构地质类型：
结构轮廓外5m范围内，土岩结合面以下5米内未填充溶洞及岩面裂隙进行处理；充填溶洞以及岩溶裂隙，避免震动导致后期新生的溶洞及漏沙产生塌陷；
1）与线路专业沟通，尽可能减小隧道埋深，拉大隧道底板与岩土分界面的距离，以减小岩溶地质对隧道的影响。
2）根据勘察单位钻孔揭露的溶洞填充情况（无填充和半填充溶洞填砂处理后），对溶洞进行钻孔注浆处理，主要处理隧道底以下5m，隧道轮廓外5m范围内岩溶裂隙及岩面附近溶洞，直到返浆为止。若相邻溶洞间距小于5m，可增加钻孔密度，按照5m一个进行，如图3、图4。
3）岩土分界面即岩面。岩面注浆处理方法包含隧道洞内岩面注浆、地面岩面注浆。
①隧道洞内岩面注浆：
盾构区间对详勘和补勘未发现土洞和溶洞的地段，鉴于实施条件困难及实施效果难于达到理想要求，其岩面不予事先处理，而是立足于洞内处理，主要是加强施工过程中的超前注浆、盾尾注浆及管片背后注浆等措施，通过管片预留位置处打孔并向管片背后的岩面进行注浆加固（图5），确保隧道在投入运营后仍有条件对下方地层进行加固，并对其加强监测。如遇到盾构推进期间的紧急情况需进行专项讨论，如地面再进行注浆等措施。
②对于在溶洞处理场区域内需要岩面注浆处理的区段，岩面注浆使用溶洞处理场地采用地面岩面注浆处理，地面岩面注浆方法如下：
a.岩面注浆采用φ48PVC袖阀管，注浆范围为：宽度10m，按岩土分界面处于隧道下10m线范围内的长度来确定加固的纵向长度，压浆土层厚度为岩土分界面以上1m，钻孔进入岩层0.5m；注浆孔间距3m×3m，盾构隧道（单线）横向3排。
b.注浆材料采用水泥浆，水灰重量比1：1～1：1.5，并根据进浆状态适当调整；注浆压力从小到大，终注浆压力为0.8～1.0MPa，上限按地面无变形且能进浆为准；注浆扩散半径：1500mm。施工时应根据实际情况控制注浆压力，防止跑浆、冒浆发生，减少浆液流失。
c.当注浆过程中遇到岩面表层溶洞时，可利用注浆进行填充：若出现串珠状溶洞时应按照溶洞处理办法进行处理及时止浆，防止浆液流失严重。如图6。
③土岩结合面岩面下岩隙处理竖向及平面范围以岩隙实际大小为准。
④盾构施工后需对结构下部溶洞处理情况进行复测，并根据复测结果进行处理。
⑤运营期间，岩溶地段应加强监测，对隧道结构内力及变形、地面沉降、周边水位进行重点监测，并需定期对结构安全进行檢测，建立预警系统，编制应急预案，确保工程安全。如监测结果异常，应组织专项讨论处理。
⑥避免隧道结构基础因不均匀沉降和确保盾构隧道管片结构安全，采取以下两个措施；
a.采用加强的钢筋混凝土管片；
b.采用高强度螺栓。
Ⅱ类地质结构类型：
对本类地质类型范围内溶洞进行单独探边处理。当隧道底粘性土厚度大于6米且隧道底距离土岩结合面距离大于10米时，土岩结合面可不用处理。
4.3溶洞分类填充措施
（1）无填充溶洞和半填充溶洞充填加固方法
对洞径大于2m且无填充溶洞和半填充溶洞，对于边界孔可采用灌注水泥砂浆（或水泥浆）+水玻璃，对于非边界孔直接灌注水泥砂浆。必要时，需上报监理工程师，并经设计单位认可后，可考虑先投碎石（5mm～10mm非岩溶性碎石）或砂，后采用注浆加固的方法。投碎石处理时在原钻孔附近（约0.6m）补钻两个投石孔，两投石孔中心与原钻孔中心需在同一连线上，两投石孔可相互作为出气孔。投石后，再进行灌浆处理。投石管建议采用φ200钢套管，投石孔的大小也可由施工单位根据现场施工情况进行调整，达到填石目的即可。
对小于2m的无填充溶洞和半填充溶洞，可采用注浆填充。
（2）全填充溶洞加固方法
直接采用纯水泥浆静压灌注的方法进行填充加固。注浆压力从低到高，间歇、反复压浆。
5 结语
（1）在比对最新线路与岩溶专项勘察遗留钻杆记录，核实是否存在遗留钻杆与隧道轮廓冲突，盾构掘进前应对其进行拔除处理，同时隧道轮廓内的注浆管也应在盾构穿越前全部拔除。
（2）溶洞岩隙地面处理方式不可避免的会对现状管线、现状交通产生一定的影响，如管线迁改、施工围挡等；需尽早与相关单位进行沟通。
（3）运营期间，应建立长期岩溶观测体系；对车站结构内力及变形、地面沉降、周边水位进行重点监测，并需定期对结构安全进行检测，建立预警系统，编制应急预案，确保工程安全。如监测结果异常，应组织专项讨论处理。
参考文献：
[1]周健，王红卫，吴邵海.盾构法施工风险的多态贝叶斯网络模型分析[J].同济大学学报（自然科学版），2013，02：186-190+202.
[2]李文彪.岩溶地区地铁盾构隧道设计风险控制[J].山西建筑，2013，17：170-172.
[3]孙秋元.地铁隧道盾构穿越岩溶施工技术分析[J].江西建材，2013，04：218-219.
[4]邓丽文.穿越岩溶地层盾构电力隧道施工风险及技术控制[J].山西建筑，2013，36：206-208.
【关键词】 盾构隧道；岩溶；处理方案
前言：
我国城市轨道交通建设速度迅猛，建设城市地铁已成为城市政府解决公共交通困顿的优先选项。我国在城市地铁区间隧道的施工中，盾构施工法以其良好的防渗漏水性、施工安全快速、对周围环境的影响极小等优点已成为重要的可选施工方法之一，在许多工程中已成为首选的施工方法。
地铁隧道施工通常是在地下施工，施工进度受地质水文的影响很大。特别是隧道线路沿线存在有岩溶地质时，施工过程中盾构机的扰动及后期运营时地铁车辆的震动极易诱发岩溶塌陷，引发严重事故，因此盾构隧道岩溶处理方案相对于整个盾构隧道的施工及后期运营的安全都有着十分重要的意义。
1 工程概况
1.1区间简介
某市轨道交通6号线某区间隧道采用盾构法施工，线路总长719.8m（右线），水平线间距15.2m。区间底板埋深为15.7～23.0m，共设置有一座联络通道。（见下图）
区间平面图
1.2工程地质
区间沿线上覆土层主要为近代人工填土层（Qml）、第四系全新统河流冲积土层、砂层（Q4al）、中更新统（Q2al+pl）冲积相粘性土、古河道含粘性土粉细砂层及残积粘性土构成，下部基岩为三叠系灰岩、二叠系泥岩及石炭系灰岩，受构造运动挤压作用影响，二叠系泥岩中分布有带状挤压破碎带。
根据详勘结果，本区间局部下伏基岩为灰岩区段，岩面上直接覆盖有第四系全新统砂层，基岩裂隙发育，钻孔有漏浆现象，个别漏浆现象较为严重，勘探孔发现有溶洞存在，溶洞内被可～硬塑粘性土充填。勘察过程中虽未发现空洞，但岩芯上所见溶蚀现象明显，不排除有稳伏的空洞存在的可能性。
2 岩溶专项勘察
2.1溶洞发育情况
对该区间采用工程钻探、地球物理探测等方法进一步补充勘查岩溶发育情况，并补做相关岩土工程试验，得出该区间岩溶发育类型主要有溶隙和溶洞，局部灰岩表面溶沟和溶槽较发育。可见溶洞（隙）是场地区最主要、且最重要的溶蚀现象。本场地岩溶属弱—中等发育。基岩面以下1～10m溶蚀相对较强。岩溶主要发育在灰岩的上部，发育方向和强度受层面和裂隙控制，多沿陡立灰岩层面垂向呈溶隙形态发育，水平向连续性较差。本文选取区间范围内四组钻孔所揭露的溶洞（隙）特征，详见表1。
2.2岩溶发育规模
根据钻孔揭露的溶洞铅直高度统计，溶洞以洞高小于3m（0.5倍隧道洞径）的溶洞占主导，其中洞高≤0.5m的溶洞约占全部溶洞的25%，洞高0.5～1.0m的溶洞约占全部溶洞的30%，洞高1.0～1.5m的溶洞约占全部溶洞的15%，其余洞高1.5～3.0m的溶洞个数渐少，约占全部溶洞的20%，其余洞高>3m的溶洞均为零星分布。
2.3溶洞充填特征
按照溶洞充填情况，将钻孔所揭露的溶洞分为全充填、半充填和无充填进行统计，全充填的占溶洞总数的40.4%；半充填的占29.8%；无充填的占29.8%。
3 岩溶风险分析
3.1场地地质结构分类
根据沿线第四系土层、基岩的岩性不同和组合形式不同，对场地地质结构大致可区分为2种类型，各类型特征见表2。
3.2不同类型地质结构岩溶塌陷分析
（1）Ⅰ类地质结构
上部砂层与下伏可溶岩直接接触，砂层在重力作用、地下水活动产生的潜蚀作用和真空吸蚀作用下，不断进入可溶岩中发育的开口溶洞、溶隙，随着砂层中空洞或疏松体范围逐渐增大，最终产生突发性塌陷，其结果多在地面形成圆锥形塌陷坑，直接或间接影响地铁隧洞安全。
當隧道穿过厚层粉细砂层、且粉细砂层下伏基岩发育溶洞时，岩溶塌陷可直接破坏隧道，如图1。
后期运营过程中，随着时间的推移，由于列车行驶振动，受周边环境的变化以及地下水活动的影响，很可能出现洞体坍塌现象，从而影响地铁正常运营。
（2）Ⅱ类地质结构
基岩面以上稳定分布厚度大于3m的老粘土，可溶岩岩面上部砂层与可溶岩未直接接触，一般不会直接发生因砂层漏失而形成岩溶塌陷。但受钻孔或桩孔施工等人为因素破坏，将上部砂层与下伏可溶中的溶洞连通时，砂层在重力作用及地下水活动产生的潜蚀作用、真空吸蚀等不良作用下，沿钻孔进入可溶岩中溶洞，最终产生突发性岩溶塌陷。
4 岩溶处理的主要技术措施
4.1岩溶处理目的
（1）满足隧道结构的承载力、变形、防水要求
溶洞填充物性质软弱，随着时间的推移，并受周边环境的变化以及地下水活动的影响，很可能出现洞体坍塌现象。通过对洞体充填物的加固处理，提高其自身强度，从而提高洞体的稳定性，降低洞体坍塌而引起的地层塌陷，进而减小管片连接处的差异沉降，减少管片渗漏，以满足地铁正常运营。
（2）确保盾构掘进期间的盾构机安全
位于隧道底的部分溶洞，其填充物为粘土及粘土夹少量碎石，承载力很低，通过对溶洞处理，确保盾构机安全、顺利通过溶洞区，避免盾构机突陷等意外事故的发生。
（3）降低新生溶洞对隧道稳定性的不利影响
对溶洞的认识，现在普遍认为溶洞的发育周期较长，通常以百年计，在地铁运营期间出现新生溶洞的可能性很低，故对溶洞的处理主要针对目前勘察发现的顶板较薄、有漏洞、可能促成新生溶洞发展的浅层溶洞；而溶洞的发展速度较快，当岩层具备一定条件时溶洞将很快产生，这对使用中的区间隧道将产生不利影响。通过对隧道下地层的加固处理，将隧道地层划分为若干单元，防止土洞发育、发展过大，并利用隧道本身的纵向刚度，使隧道变形不至于发展过快，即使发生溶洞，也给运营期间的抢险工作赢得了充分的时间。 4.2岩溶处理方案
（1）盾构井掘进过程应进行全程地质雷达超前预报，以便了解掌子面前方周围范围内溶洞分布情况以及溶洞性质。
（2）溶洞处理范围及具体措施
Ⅰ类结构地质类型：
结构轮廓外5m范围内，土岩结合面以下5米内未填充溶洞及岩面裂隙进行处理；充填溶洞以及岩溶裂隙，避免震动导致后期新生的溶洞及漏沙产生塌陷；
1）与线路专业沟通，尽可能减小隧道埋深，拉大隧道底板与岩土分界面的距离，以减小岩溶地质对隧道的影响。
2）根据勘察单位钻孔揭露的溶洞填充情况（无填充和半填充溶洞填砂处理后），对溶洞进行钻孔注浆处理，主要处理隧道底以下5m，隧道轮廓外5m范围内岩溶裂隙及岩面附近溶洞，直到返浆为止。若相邻溶洞间距小于5m，可增加钻孔密度，按照5m一个进行，如图3、图4。
3）岩土分界面即岩面。岩面注浆处理方法包含隧道洞内岩面注浆、地面岩面注浆。
①隧道洞内岩面注浆：
盾构区间对详勘和补勘未发现土洞和溶洞的地段，鉴于实施条件困难及实施效果难于达到理想要求，其岩面不予事先处理，而是立足于洞内处理，主要是加强施工过程中的超前注浆、盾尾注浆及管片背后注浆等措施，通过管片预留位置处打孔并向管片背后的岩面进行注浆加固（图5），确保隧道在投入运营后仍有条件对下方地层进行加固，并对其加强监测。如遇到盾构推进期间的紧急情况需进行专项讨论，如地面再进行注浆等措施。
②对于在溶洞处理场区域内需要岩面注浆处理的区段，岩面注浆使用溶洞处理场地采用地面岩面注浆处理，地面岩面注浆方法如下：
a.岩面注浆采用φ48PVC袖阀管，注浆范围为：宽度10m，按岩土分界面处于隧道下10m线范围内的长度来确定加固的纵向长度，压浆土层厚度为岩土分界面以上1m，钻孔进入岩层0.5m；注浆孔间距3m×3m，盾构隧道（单线）横向3排。
b.注浆材料采用水泥浆，水灰重量比1：1～1：1.5，并根据进浆状态适当调整；注浆压力从小到大，终注浆压力为0.8～1.0MPa，上限按地面无变形且能进浆为准；注浆扩散半径：1500mm。施工时应根据实际情况控制注浆压力，防止跑浆、冒浆发生，减少浆液流失。
c.当注浆过程中遇到岩面表层溶洞时，可利用注浆进行填充：若出现串珠状溶洞时应按照溶洞处理办法进行处理及时止浆，防止浆液流失严重。如图6。
③土岩结合面岩面下岩隙处理竖向及平面范围以岩隙实际大小为准。
④盾构施工后需对结构下部溶洞处理情况进行复测，并根据复测结果进行处理。
⑤运营期间，岩溶地段应加强监测，对隧道结构内力及变形、地面沉降、周边水位进行重点监测，并需定期对结构安全进行檢测，建立预警系统，编制应急预案，确保工程安全。如监测结果异常，应组织专项讨论处理。
⑥避免隧道结构基础因不均匀沉降和确保盾构隧道管片结构安全，采取以下两个措施；
a.采用加强的钢筋混凝土管片；
b.采用高强度螺栓。
Ⅱ类地质结构类型：
对本类地质类型范围内溶洞进行单独探边处理。当隧道底粘性土厚度大于6米且隧道底距离土岩结合面距离大于10米时，土岩结合面可不用处理。
4.3溶洞分类填充措施
（1）无填充溶洞和半填充溶洞充填加固方法
对洞径大于2m且无填充溶洞和半填充溶洞，对于边界孔可采用灌注水泥砂浆（或水泥浆）+水玻璃，对于非边界孔直接灌注水泥砂浆。必要时，需上报监理工程师，并经设计单位认可后，可考虑先投碎石（5mm～10mm非岩溶性碎石）或砂，后采用注浆加固的方法。投碎石处理时在原钻孔附近（约0.6m）补钻两个投石孔，两投石孔中心与原钻孔中心需在同一连线上，两投石孔可相互作为出气孔。投石后，再进行灌浆处理。投石管建议采用φ200钢套管，投石孔的大小也可由施工单位根据现场施工情况进行调整，达到填石目的即可。
对小于2m的无填充溶洞和半填充溶洞，可采用注浆填充。
（2）全填充溶洞加固方法
直接采用纯水泥浆静压灌注的方法进行填充加固。注浆压力从低到高，间歇、反复压浆。
5 结语
（1）在比对最新线路与岩溶专项勘察遗留钻杆记录，核实是否存在遗留钻杆与隧道轮廓冲突，盾构掘进前应对其进行拔除处理，同时隧道轮廓内的注浆管也应在盾构穿越前全部拔除。
（2）溶洞岩隙地面处理方式不可避免的会对现状管线、现状交通产生一定的影响，如管线迁改、施工围挡等；需尽早与相关单位进行沟通。
（3）运营期间，应建立长期岩溶观测体系；对车站结构内力及变形、地面沉降、周边水位进行重点监测，并需定期对结构安全进行检测，建立预警系统，编制应急预案，确保工程安全。如监测结果异常，应组织专项讨论处理。
参考文献：
[1]周健，王红卫，吴邵海.盾构法施工风险的多态贝叶斯网络模型分析[J].同济大学学报（自然科学版），2013，02：186-190+202.
[2]李文彪.岩溶地区地铁盾构隧道设计风险控制[J].山西建筑，2013，17：170-172.
[3]孙秋元.地铁隧道盾构穿越岩溶施工技术分析[J].江西建材，2013，04：218-219.
[4]邓丽文.穿越岩溶地层盾构电力隧道施工风险及技术控制[J].山西建筑，2013，36：206-208.