深圳地铁14号线隧道岩溶处理技术方案对比及优化

2021-01-13刘恒

黑龙江交通科技 2020年12期

刘恒

(中铁南方投资集团有限公司，湖南长沙 410000)

0 引言

随着我国城市地铁隧道交通的迅速的发展，地铁隧道建设遇到密集、大型岩溶的情况越来越频繁。在复杂岩溶强烈发育的区域的进行隧道建设施工，会因岩溶表面参差不齐，溶洞外形形状多种多样，以及溶洞内部的填充物具有流塑性、软塑性或空洞的情况不可精准预测的地质因素多，因而增添隧道施工难度，容易造成岩溶周围塌孔、浆液流失、盾构掘进卡钻及地面构筑物塌陷等问题，成为影响工程质量、威胁施工安全、延迟施工工期等工程难题。因此，为了保证隧道安全施工和铁路长时间稳定性，对岩溶进行注浆加固等手段成为坚决问题的主要方法。白明洲等通过现场模拟注浆试验并结合理论分析对典型岩溶进行了研究，并对比分析了注浆前典型岩溶雷达图像特征与其注浆后的图像特征，基于此对注浆效果进行讨论。杨新安等通过对运营中的高速铁路进行软土地基注浆试验，提出了对注浆顺序和注浆参数进行优化控制的有控注浆施工技术。张民庆等在渝怀铁路梁山隧道开挖工程中对开挖面注浆过程进行研究，对注浆空间及浆液扩散的分布特征及规律进行分析，认为注浆量与岩溶岩层空隙、岩溶底层扰动等因素有较大的关系。王德明等在永莲隧道开挖断面断层破裂带岩性变化对注浆量的影响进行研究，指出断层破碎带的岩性无规律变化会导致注浆量在空间不均匀性分布。Chai J C、Bhandari A、Nonveiller E、王乾等采用分序注浆或跳孔注浆时，均认为，注浆量的大小与注浆的先后顺序具有关联性，其前者注浆量往往多于后者注浆量，随时间呈现递减，且达到设计要求注浆压力值所需的注浆时间也会相应减小。朱明听等通过室内模型试验对注浆挤密进行研究，认为注浆模式是由挤密注浆向劈裂注浆进行转化过程中导致围岩孔隙挤密。

深圳轨道交通14#线大运站～宝荷站区间具有大量岩溶集中分布，盾构隧道开挖过程中会对岩溶周围土体产生扰动、易引起岩溶区土体坍塌失稳，诱发地表沉降塌陷，对盾构顺利掘进带来极大不便，基于此，提出适于深圳轨道交通14#线坳背站～大运站区间岩溶处理优化施工方案显得十分必要。

2 工程概况

深圳地铁14#线大运站至宝荷站岩溶段钻孔共完成81个钻孔，其中揭示溶洞钻孔共36孔，溶洞洞顶埋深11.50～69.20 m，对应高程10.60～49.90 m，溶洞洞底埋深13.50～70.50 m，对应高程7.30～48.30 m，溶洞洞高0.20～9.60(MNZ3-TAD-YR-042)m，顶板厚度0.10～29.70 m，所揭示溶洞可分为全充填、半充填、无充填，充填物主要以软～可塑状粉质黏土为主，夹风化碎块。本工点见洞隙率44.4%，线岩溶率0.72%～43.20%，依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)，确定岩溶发育等级为强发育。

3 岩溶处治的原则与目的

3.1 岩溶处治原则

盾构隧道岩溶处理应遵循以“地面预处理为主，洞内预留措施为辅”的原则，对已发现岩溶溶洞应当优先采用地面注浆进行预前处理。如采用洞内处理的施工方式，需要进行全断面帷幕超前预注浆进行施工。针对灰岩地区盾构管片设计应预留注浆孔，以便于对地面注浆渗透差区域进行二次补浆。注浆孔预留应考虑道床结构、管片拼装等情况，做好相应的预埋预留，确保预留注浆孔的正常使用。对于区间盾构位于上软下硬地层且土岩分界面以上土层为碎石、砂等强富水、强透水地层时，应采用全断面加固。溶洞处理的方法是袖阀管注浆、回填砂及碎石、灌注水泥砂浆等施工方法，可依岩溶情况而定。

3.2 岩溶处治目的

岩溶区段的容腔、溶洞等地质灾害存在，容易造成地质的地基承载力不满足受力要求，在盾构掘进施工时，容易引起盾构载头，地表沉降过大或塌陷的事故的发生。为了防止盾构施工的陷落及投产运营安全，需要通过注入胶结类浆液，使浆液渗透层浆液与土体形成隔水层，提高该区域土体整体性及稳定性，进而提高地铁隧道穿越区地基承载力。

4 岩溶处治方案

4.1 注浆孔平面布置

溶洞外围布置封边孔，进行水泥浆液封边，以保证浆液不发生外流，避免注浆压力由漏浆造成注浆泄压；在溶洞中部上方设置排气孔，其布置方式为每100 m2设置两个，通过注浆岩溶中水和填充物体可以通过排气孔排出，注浆孔位见图1。

图1 注浆孔孔位布置

4.2 注浆工艺

(1)注浆顺序

进行周边孔位一次注浆(处理范围边界处应使用双液浆)→4 h后，在周边孔位多次注浆→中央孔位一次注浆→中央孔位多次补浆→排气孔周围孔注浆→排气孔注浆→中央孔及排气孔补浆→完成注浆。

(2)排气孔设置

按照溶洞平面每100 m2不少于2个排气孔，在注浆孔完成注浆后，对排气孔进行注浆填充封闭，排气孔的填充宜采用配合比1∶1的水泥浆液，注浆压力控制在1 MPa左右。按照上述设置排气孔及排气孔注浆，经所取芯的抗压时间检测，其结果根据本试验段的注浆情况以及抽芯检测结果，表明上述方法可以满足注浆排气需求和溶洞注浆强度要求。

(3)注浆分段提管

进行岩溶注浆时。将注浆管下放至钻孔底端，将注浆芯沿着注浆管下放至钻孔地端，施加注浆压力，注浆从钻孔地端向上进行分段注浆，待注浆段注浆挤实后，进行提管至上一层，每段注浆层设置为2 m。每段注浆时间控制在30 min左右；在后续进行重复注浆时，注浆提管长度根据实际情况部分调整为4 m。

(4)终孔时机

在注浆过程中，孔位钻孔注浆的完成，以注浆压力是否达到设计值作为主要评判标准，岩溶容腔体积与注浆量作为辅助评判标准，并结合排气孔冒浆情况综合评判。具体为，当实际注浆压力值达到设计要求的注浆压力值，并且注浆压力稳定10 min后，排气孔未冒出水泥浆液，可以先进行换孔注浆，每间隔4～6 h该孔再进行重复注浆，当排气孔开始冒水泥浆时，认为该注浆孔周围土体已完全灌满或渗透扩散密实，对该注浆孔进行终孔。

(5)钻孔封堵注浆

当注浆达到终孔标准后，采用1∶2的水泥浆液进行注浆孔封堵注浆，注浆压力达到1.1 MPa且压力稳定10 min后，可认为封堵注浆完成。

5 岩溶处治方法对比及优化选择

(1)钻孔工法对比

地质钻孔常用地质钻孔机与潜孔钻机进行钻孔，本工段两种钻工工艺均得到运用，基于此总结两种机械优缺点如表1。

表1 钻孔工法对比表

(2)取芯方法对比及优化

在前期取芯过程时，工程上采用水钻法取样工艺，在注浆过程中注射高压水，容易把充填物冲散，难以在溶洞中得到完整的原土层芯样和加固体，往往只能得到水泥凝固浆块。后续工程采用干钻施工工艺，在钻进过程中不添加水，所取试验得到明显改善，然而这种工艺对钻头磨损十分严重。因此，本工程在上述施工经验总结分析的基础上对取芯工艺进行改进。改进的具体措施为，取芯钻未钻到溶洞容洞位置前，采用加水钻芯取样以减小对钻头的耗损，钻穿溶洞顶板到达岩溶溶洞范围内，停止加水，采用干钻钻取芯样。经改进的方案技能能取出溶洞范围内完整的水泥固结或原土层芯样，又能减少钻筒耗损。

(3)注浆压力分析

本工程对注浆压力进行现场试验，将注浆压力控制在1～5 MPa之间，从注浆过程看，压力控制2～5 MPa之间容易造成地面涌浆，而溶洞填充物并不能很好地被填充，考虑到溶洞处理主要是为将溶洞填充渗透挤实，当注浆压力控制在1～2 MPa时，也可以有效的充盈、混合溶洞填充物，达到处理目的，因此本工程优选注浆压力1～2 MPa，及能满足注浆要求，也可避免因注浆压力过大对地表造成破坏。在注浆压力1～2 MPa范围内，注浆压力越大，填充物置换的越多，芯样强度越高。可以很好的置换溶洞填充物。

(4)浆液选择及优化

本工程岩溶处理选用浆液为水泥浆，工程开展前期对开口溶洞(R149、R123)使用单液浆做注浆帷幕，运用少量多次的注浆方式进行，虽然达到注浆设计要求的效果，但该类溶洞注浆量为包络图预估量152%，浆液消耗量较大。基于此，对注浆工艺进行了优化，具体为对开口型溶洞首先用双液浆对其进行封边，然后用单液浆进行填充的注浆工序，采用改进后的工艺对单个溶洞(R131)进行注浆试验，其注浆总量仅为包络图预估量94%，相比当浆液注浆，注浆总量得到大大缩减，且接近预估量。上述试验可以表明采用双液浆封边，可有效的保证注浆量计算的准确性。

(5)注浆管优选

在盾构隧道穿越区，岩溶注浆处理管注浆完成后多留于注浆孔。因此，注浆管的材质的选择会影响到后期掘进效率，当采用柔性袖阀管施工，后期盾构掘进时难以搅断，造成袖阀管缠绕刀盘影响施工进度，且有卡机的施工风险。本工程使用的孔径为48 mm的硬性PVC袖阀管，花管每隔0.5 m布置8个花孔，花孔外有皮圈，可保证浆液的单向流动及后续掘进安全、效率。

(6)非探边注浆效果

为了探明勘探探测岩溶边界后与非探边岩溶注浆效果，工程对编号为R125溶洞的部分孔在未探边完成的情况下，进行了提前注浆，最终注浆完成后，未超过预估量，通过与探边完成后的溶洞注浆进行对比，说明提前注浆对注浆量影响不大，依然可控。同时R125溶洞取芯结果满足要求，说明该施工流程不会对施工质量产生影响。

6 结论与建议

6.1 结论

根据本文上述注浆方案进行的岩溶注浆，已完成部分施工任务，并全部进行取芯抗压试验，根据检芯样结果，检测结果显示其无侧限抗压强度范围0.4～3.4 MPa，最小抗压强度大于设计要求的0.2 MPa，表明上述岩溶注浆处治方案和采用的注浆参数与工艺均可达到较好的处理结果，可确保盾构通过时的安全，满足工程需求。