地铁盾构隧道岩溶分析及处理

2012-03-23宋书显

城市建设理论研究 2012年4期

关键词：溶洞岩溶电磁波

宋书显

摘要：通过对广州地铁三号线北延段施工中存在的岩溶不良地质进行总结分析，结合以往岩溶处理经验，对需要处理的岩溶进行了分类，并结合实际情况的不同给出不同的处理措施，以期对岩溶的处理形成参考意见。

关键词：地铁岩溶处理措施

P642.25

概述

广州地铁三号线北延段部分地层属于广花冲积盆地，上覆地层成因类型比较复杂，下伏泥灰岩层位不稳定，一部分地层岩溶发育，形成较大面积的溶、土洞群，一部分地层由于处于隧道主体结构较近的区域，形成岩溶发育的高风险区，且岩溶分布规律性差，溶洞个体形态不一，溶土洞的填充物多为流塑或软塑状，稳定性很低，若遇地下水丰富或流动活跃，极易造成地面塌陷，盾构机施工及地铁运营阶段都很容易造成结构的破坏，所以岩溶处理的好坏直接决定地铁盾构施工及地铁运营阶段的安全。

地铁隧道岩溶风险分析及处理目的

2.1 地铁隧道岩溶风险分析

2.1.1 盾构机陷落

盾构机总体重约400余顿，且盾构掘进过程中需要建立一定的土压力（根据埋深和地质状况不同进行设定），同步注浆亦需要很大的压力（一般大于土压力0.1MPa），所以盾构机直接通过较大的溶洞或溶洞距离隧道较近，极易造成盾构机直接陷落，造成不可估量的事故和损失。

2.1.2 盾构机磕头或左右偏离

盾构机在掘进过程中会对穿越地层造成很大的扰动，溶洞区域较弱的地质状态加剧了扰动的程度，盾构机通过时极易造成磕头或左右偏离中线的事故，且重新纠偏的难度很大，最终造成整条隧道的线路超限，无法满足设计的行车运营要求。

2.1.3 盾构隧道突泥涌水

地层中存在丰富的地下水且具有流动性是溶土洞形成的必要条件，薄弱的溶洞区域一旦在盾构掘进时被击穿，无论是螺旋输送机出渣还是刚成型的隧道变形都很可能造成突泥涌水的现象，盾构机存在被淹没的极大风险。

2.1.4 地铁运营隧道变形

地铁运营阶段，未处理的溶土洞或岩溶高风险区新形成的溶土洞极易造成隧道的结构变形，在稳定性要求极高的地铁隧道，行车运营存在很大的风险，无法保证地铁行车运营和乘车旅客的安全。

2.2岩溶处理目的

2.2.1 降低盾构通过溶土洞区域的风险

通过对溶土洞区域地质的加固，可以保证盾构机通过时地层具有足够的承载力，满足盾构施工可以建立足够的土压力和注浆压力，大大降低盾构机陷落、磕头、左右偏离及突泥涌水的风险。

2.2.2 满足永久隧道结构的承载力、变形

溶、土洞填充物性质软弱，随着时间的推移，并受周围环境变化以及地下水活动的影响，很可能出现洞体坍塌现象。通过对洞体填充物的加固处理，提高其自身强度，从而提高洞体的稳定性，降低洞体坍塌引起的地层塌陷，进而减少变形缝处的异常沉降。

2.2.3降低施工期间突水发生的几率

岩溶水属承压水系，随着施工期间隧道的开挖，水头上方土重的不断减小，岩溶承压水可能造成隧道突水事件的发生。通过对浅层、薄板溶洞的充填加固处理，相当于增加溶洞顶板厚度，从而降低出现隧道突水事件的几率。

2.2.4 降低新生土洞对隧道稳定性的不利影响

对溶、土洞的认识，现在普遍的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岩质顶板较薄（一般小于1m）、有漏洞、可能促成新生土洞发展的浅层溶洞；而土洞的发育速度较快，当土层具备一定条件时土洞将很快产生，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，即使发生土洞，也给运营期间的抢险工作赢得充分的时间。

岩溶分类

根据不同的地质条件及岩溶发育或危害程度，岩溶主要可以进行以下分类：

3.1 岩溶高低风险区

岩土分界面（主要以强风化岩层为界，强风化层以上为土层）位于结构底板下10m范围内的地质区域为高风险区，高风险区的平面范围一般认为以主体结构边线3米外为界，其余的区域为岩溶低风险区。

3.2 溶洞

溶洞是地下水对于碳酸盐地层的物理冲蚀（岩冲）和化学溶蚀（岩溶）的综合过程和结果。化学溶蚀是物理冲蚀作用的催化剂。

溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果。地表水在运动过程中对所经过的沉积物或岩石有着重要的侵蚀作用，既包括水动力作用下的碎屑物搬运，又包括水对岩石或沉积物的化学溶蚀作用，还包括碎屑物在搬运过程中的磨蚀作用。石灰岩的主要成分是碳酸钙（CaCO3），在有水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙[Ca(HCO3)2]，后者可溶于水，于是有空洞形成并逐步扩大。

3.2.1 水平溶洞

溶洞的平面发育面积较广，且平面尺寸远远超过竖向发育深度，一般只需处理隧道范围或隧道主体结构边线以外一定的范围即可，边界可以通过一定的封闭措施后只处理封闭范围内的溶洞部分。

3.2.2 竖向溶洞

溶洞的竖向发育深度较大，溶洞的边界较易探明，但是处理时溶洞竖向无法封隔，往往需要整体进行处理。

3.2.3 串珠形溶洞

溶洞呈串珠状发育，一般单个溶洞较小，但是由于众多小溶洞相互连通，溶洞平面范围和竖向深度都不易探明，处理较困难。

3.3 土洞

土洞一般处于岩溶地区的土层或岩土分界面上，岩溶水位上升时的冲蚀破坏作用和下降时的真空负压效应造成黏土层逐级向上剥落，在黏土层中形成拱形土洞。经常表现为半填充或全填充状，如遇地下水活跃流动的区域，土洞可以较快的发展，因此土洞的危害较溶洞更大，无论在施工还是运营阶段发现的土洞均必须进行处理。

岩溶探测方法

岩溶处理的好坏首先取决于岩溶发育范围的准确判断，目前岩溶探测有多种方法，城市地铁隧道岩溶地区的探测方法一般采用地质钻孔的方法，一是地质钻孔的方式比较直观，另外地质钻孔的方式可以结合注浆加固处理，无论对于勘测单位还是对于施工单位都比较便于操作，但是地质钻孔往往由于钻孔数量有限，且严重受限于地面条件的配合，难于反映溶洞的分布、形成及连通性，且对钻孔旁侧是否存在溶洞也一无所知，仅能大致了解岩溶发育的平面分布及埋深，难于详细描述岩溶的形态及垂向发育深度。所以还需要地质雷达、高密度电法、CT法等物探方式的补充。

4.1 地质钻探法

地质钻孔的方式一般在地质勘测的基础之上进行，地质勘测的钻孔如果发现溶洞，下一步的工作往往只存在确认溶洞的大小及范围，按比较成熟的经验即以揭示到溶、土洞的钻孔为基准点，沿垂直隧道方向间隔3米施作一排注浆孔，以探测到区间隧道结构外3米为止；沿隧道方向隔3米施作一排注浆孔，以基本找到洞体边界为止；然后从中心向其他方向探孔，沿隧道垂直方向以探测到区间隧道结构外3米为止，在3米处施做止浆墙，即搅拌桩或旋喷桩施工，也可直接在周边孔注双液浆。此种方法受地面条件及钻孔位置和数量的限制较大。

4.2 物探法

物探技術实际是应用测量地质体或探测对象与周围介质的某一物理特征参数（如电阻率、弹性波速、电磁波速、密度、放射性等），按其测试参数的不同，物探技术大致可分为以下几种探测方法：①电法勘探；②地震勘探；③弹性波测试；④物探测井；⑤层析成像；⑥地质雷达技术；⑦放射性勘探；⑧水声勘探；⑨综合测井等。

常用的物探方法有以下几种，其各自特点为：

4.2.1、地质雷达

地质雷达是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术。

地质雷达与探空雷达相似，利用高频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线(T)向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天线(R)接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。其分辨率高、无损伤、探测和数据处理速度快、机动灵活、操作方便、抗干扰能力强，目前矿井地质雷达超前探测距离达60 m以上。

工程介质既不是理想状态的导体，也不是理想状态的绝缘体，它是具有一定电阻率的电介质。因为有一定的电导率，电磁波在工程介质中传播时，在电磁场的作用下会产生传导电流，发热做功，造成电磁波能的损耗。因而在工程介质中电磁波传播的距离是有限的，介质的电导率越高衰减越大，传播距离越近。

地质雷达探测对于浅距离探测，精度非常高。应用于建筑物浅层探测时可以达到毫米级精度，且拥有很高的分辨率，能准确的探测出建筑物内部的缺陷、钢筋分布等；应用于隧道中可以探测隧道初衬厚度检测(包括喷锚、钢拱架、格栅、超挖回填、欠挖检测等)，隧道二衬厚度及缺陷检测(包括二衬中的钢筋检测)等以及隧道超前实时预报(岩溶、暗河、含水、裂隙、岩性变化、松散破碎等)。

当从地面向下探测时，由于地质雷达发射的高频电磁波穿越地层变化比较大，电导率、磁导率与介电常数差异非常大，尤其是当地下水丰富和遇到粘土后，地磁波的衰减异常大，导致探测深度和精度迅速降低。在广州地层中采用地质雷达探测深度不超过10米。

4.2.2、电测法

电测法是根据岩石与电阻的关系来推断其性质的一种方法，可以分为电位法和电阻率法。电测法简便、成本低，但必须以各层间电阻值有一定的差别为前提。

目前物探较常用的为直流电法和高密度电法，直流电法常用来探测较单一的物体的密实度。高密度电法勘探的前提条件是地下介质间的导电性差异，它集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面测量，提供的数据量大、信息多，并且观测精度高、速度快，是灰岩地区寻找构造破碎带、土洞及溶洞最有效的物探方法之一。

探测深度理论上一般为AB供电极距的1/6～1/3长。具体情况是根据实际钻孔，钻孔与物探资料相对比找出两者相关性。工程上要求上比较精细，比如地铁线路，高密度测量布设测点要密些，应不大于3米为好。

4.2.3、弹性波

也称面波、弹性波频率测深，是一种浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。人们根据激振震源的不同，又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的，只是产生面波的震源不同罢了。面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波（P波）和横波（S波）不同，它是一种地滚波。

目前常用的是稳态瑞利波，其波阵面是圆柱面，相对于体波而言其能量较强速度低，频率较低，容易分辩，因此在揭示地下地质结构的物探方法中具有一定的优越性。常用对岩层的厚度以及岩层的分层定厚及围岩内的断层、空洞、老窑、岩溶等地质小构造进行探测和预报，探测深度较浅，较准确的预报只有十几米。

4.2.4、反射地震法

反射地震法是工程物探中最可靠的方法之一，但由于观测条件的限制以及岩体内不同方向的反射，使之在解释与判别方面遇到了很大的困难。

常用的为TSP(Tunnel Seismic Prediction)系统， TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点）用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSPwin軟件处理，便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。图1为TSP203工作原理。

4.2.5、层析成像技术

层析成像技术通过现场测试取得岩土体某一物性参数的大量信息，经反演处理和计算，可以得到被测区域内岩土体该物性特征参数的分布规律。该技术具有较高的分辨率，更有助于全面细致地对岩土体进行质量评价，圈定地质异常体等，目前实际应用的层析成像技术主要有：①地震波层析技术；②声波层析技术；③电磁波吸收系数层析技术；④电磁波波速层析技术。

常用的层析成象技术有CT法，CT法是以电磁波直线传播理论为基础，在一个钻孔中由电磁波发射天线向岩层幅射固定的高频电磁波，在另一个钻孔中接收此电磁波。当电磁波在地下介质中传播遇到溶洞、破碎岩或裂隙等相对良导体时就会产生电磁波的衰减现象，通过对接收到的经衰减后的剩余信号进行信息处理和综合分析，即可圈定CT钻孔间溶洞、溶隙、破碎岩、断层等不良地质现象的空间展布位置，CT法孔间距一般在15—20米范围内，碳质灰岩相对发育的地区孔间距不大于15米，无碳质灰岩或不发育地区孔间距不大于20米。

此方法测量的精度比较高，但是需要间隔15—20米进行钻孔，钻孔深度根据探测深度调整，受场地等限制的条件较多。

岩溶处理措施

5.1明挖结构岩溶处理措施

5.1.1 位于隧道底板以下10m线以内的溶洞，自地面填充加固即可，工程中通常采用袖阀管注浆。按照一般的理解，填砂可有效填充溶洞，较大的溶洞填砂后再注浆既可以满足溶洞处理的要求，又可以大大降低工程的成本，但是根据工程实践证明，填砂施工往往在工程开始即会造成填砂管路的堵塞，无法达到完全处理的效果，而必须灌注具有流动性很强的填充物质；

5.1.2 由于土洞发育的时间很快，具有很大的危害性，且一般呈填充或半填充状，所以凡是隧道范围内或离隧道很近的、地质勘察已揭示的土洞都需要充分处理，一般可采用袖阀管注浆加固处理；

5.1.3 对高危区段隧道下方的土层可以进行水泥搅拌桩（或旋喷桩）加固，水泥搅拌桩（旋喷桩）与土形成水泥土墩柱，可以大大提高隧道主体结构的承载力，从而可以在施工或运营阶段具有抢险处理的缓冲时间。

5.2盾构隧道岩溶处理措施

由于盾构隧道自始至终处于不可视状态，且盾构施工的安全性要强于明挖施工，所以盾构隧道的溶洞处理较明挖结构有一定的差异。

5.2.1高风险区岩溶注浆

按岩土分界面处于隧道下10m线范围内的长度来确定加固纵向长度，宽度9m，压浆土层厚度为岩土分界面以上1m，钻孔进入岩层0.5m，水泥浆水重量比1：1，并根据进浆状态适当调整，终注压力0.1～0.3Mpa，上限按地面无变形且能进浆为准，注浆孔径90mm～120mm；注浆扩散半径拟定为1500mm。当注浆过程中遇到岩面表层溶土洞时，可利用注浆进行填充；若出现串珠溶洞时应及时止浆，防止浆液流失严重；

高风险区岩溶注浆处理必须进行大范围的处理才能够达到有效处理的目的，否则不能真正阻隔岩面附近地下水的流动，高风险区岩溶注浆也就失去了效果。

5.2.2溶、土洞处理

对于埋深较深的溶洞可以不必处理，一般认为隧道底板下5米外的小溶洞及厚跨比大于0.5的大溶洞都可以不需要处理。

对于埋藏较浅且对施工有影响的溶洞、土洞，可进行挖填、跨盖、灌注，排导等措施进行处理。一般采用￠48的PVC袖阀管注浆，注浆管应进入溶土洞底部以下不小于0.5米。采用先周边再中间的顺序进行处理，对于深度较大的溶洞，周边孔和中央孔要进行间歇、反复注浆，如果溶洞超出隧道范围较大，则隧道边界外较远的地方可不必处理，一般可以首先利用水泥搅拌桩（或旋喷桩）在处理边界处形成止浆帷幕，然后再进行范围内的加固处理，也可以直接在周边孔间歇注双液浆形成止浆墙。

5.3 溶、土洞处理相关技术参数

注浆材料：周边孔：水泥＋水玻璃双液浆，水泥：水：水玻璃＝1：1.38：0.29（质量比），水玻璃模数m=2.4～3.4（浓度B=3e0～40），现场要进行配比试验确定。中央孔：纯水泥浆，水灰比一般取1.0～1.5。

注浆压力：周边孔：以相对小压力、多次数，较大量控制，压力0.6～0.8MPa，分3～4次；中央孔：压力一般按0.8～1.0MPa控制，注浆压力逐步提高，达到注浆终压并继续注浆10min以上即可。

注浆速度：30～70L/min。

注浆扩散半径一般按照1.5米的范围进行控制，所以注浆孔的间隔以3米为宜。

岩溶处理效果检验

6.1 检测方法

①采取钻孔取芯，作抗压试验；

②对加固地层做原位标贯试验；

③检测数量为在基坑内侧注浆加固范围内结构底板下至少取两个孔；

6.2 检测标准

①土洞：采取随机原位标贯试验，28天的标贯击数不小于10击；