软土地层盾构区段空洞处理技术研究

2021-04-15罗明亮杨松波吴文栋徐红日

岩土工程技术 2021年2期

罗明亮杨松波吴文栋徐红日黄华

(1.深圳市土地投资开发中心，广东深圳 518034； 2.上海宝冶集团有限公司，上海 200941)

0 引言

随着我国基础建设的快速发展，城市地铁隧道越来越多。对于紧邻城市地铁隧道的施工地段，为了保证城市地铁隧道的安全运营，施工过程中常需考虑因施工而引起的地面沉降及变形，尤其是在临海区吹填软土地层中，盾构后的区段衬砌与地层间常常黏结不紧密，甚至出现空洞，对地铁的运营及邻近地段的施工带来严重的安全隐患[1]。

随着基础设施的不断建设，建筑场地内产生的空洞，包括岩溶、土洞等，采用传统的钻探方式往往无法精准地测量洞体的整体规模及形态特征。自20世纪80年代，物探技术迅速发展，工程物探技术已经逐渐应用到岩土工程勘察中[2]。目前，常用的工程物探包括地质雷达、高密度电法等[3]。高密度电法是是一种阵列式勘探方法，数据采集方式是分布式的，野外测量时只需将全部电极置于测点上、然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集，适用于埋深较浅时的空洞探测[4-7]。郑智杰等[8]运用高密度电法探测了岩溶裂隙的发育范围；马伏生等[9]布置了较高密度的测点，较为准确地测量了硐室的规模大小；郭铁柱[10]用高密度电法对大坝渗漏处进行勘察并成功找到渗漏处。地质雷达是利用探测目标体与其周围介质的导电性、介电性的差异，通过高频脉冲电磁波在电性界面上的反射来探测有关的目的物[11]。舒志乐[12]对隧道衬砌内空洞进行了研究，探讨了空洞的图谱物征，并以此建立了探地雷达介电常数非线性反演的数学物理模型，结合实际工程提出了二、三维联合检测隧道衬砌的方法；王春和等[13]提出了一种利用探地雷达建立车载式道路灾害预警系统的新模式。地质雷达的探测深度一般在20 m以内，在现场干扰因素较少、场地条件良好的情况下，地质雷达具有较好的精度。在岩土工程中，地质雷达常用于岩溶区城市轨道交通工程的溶、土洞勘察中，能有效得到大范围分布岩溶的形态特征。因此，本次工程采用地质雷达法对隧道衬砌内的空洞进行探测。

本文依托深圳宝安国际机场扩建的T4航站楼地基处理工程，介绍盾构区段空洞探测方法及处理方案，结合现场监测数据对该地基处理方案的安全性、可靠性进行验证，为沿海地区类似的工程提供相应的经验参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

深圳机场扩建工程T4航站区软基处理工程项目场地位于深圳市宝安区，位于珠江口伶仃洋东侧，深圳机场T3 航站楼北侧、一跑道西侧、二跑道东侧；包括运营地铁 11 号线、在建穗莞深城轨、在建地铁20号线的软基处理工程。其中穗莞深(见图1蓝色线路)盾构施工导致部分地段隧道上方土层存在复杂性质的空洞、裂缝等，盾构机运行路线的地面，多次不同时间段、不同地段出现过冒汽泡、冒浆液和大面积地陷，并造成T4航站楼中已施工的工程内容如砂桩、搅拌桩损坏。针对上述情况，对场地内已施工穗莞深铁路隧道上方土层进行地质雷达扫描，探明存在地下空洞、裂缝的区域。

图1 地基处理区域示意图

1.2 地层概况

场地原始地貌属于海积冲积平原，后经人工堆填，填海造陆形成陆域，地表堆积厚度较大的人工填土(砂)层，地势开阔平坦。根据场地勘察资料，场地内分布的地层主要有人工填土层、第四系海积层、冲洪积层及残积层，下伏基岩为长城系混合花岗岩。其中人工填土层厚度较大，为项目主要的地基处理对象，待处理场区人工填土层的物理力学参数指标见表1。

表1 人工填土层的物理力学参数指标

1.3 地质探测方法

根据现场试验、实测资料可见，土体松散区、空洞区与周围密实土体之间存在较大的相对介电常数差异，考虑本次探测的工作目的、精度要求及场地条件，采用地质雷达法进行探测[14]。地质雷达仪器为加拿大生产的Pulse EKKO PRO 100地质雷达仪及配套的50 MHz天线。扫描工作剖面布置原则如下：在隧道上方及其边线外扩10～20 m范围内布置测网，采用地质雷达点测模式探测，天线中心频率为50 MHz，点距0.5 m。沿隧道纵向(地质雷达纵向探测)按0.5 m点间距布设，隧道横向按5 m线间距布设；垂直于隧道方向(地质雷达横向探测)按0.5 m点间距布设，沿线路方向范围按5 m线间距布设。根据上述测网布置原则，穗莞深铁路(4标段)盾构隧道上方共完成雷达扫描剖面158条，雷达扫描点测合计为13337点，雷达扫描剖面长度合计为6589.5 m。部分区域因场地未达到扫描条件无法按上述布置原则进行扫描。具体雷达扫描工作布置见图2中蓝色区域。

对本次地质雷达探测结果进行数据处理，对比收集到的钻孔资料，推测扫描区域内存在21处土体相对松散或局部存在空洞异常区，空洞异常体多发生在土体相对松散区域，深度大概在2～6 m范围内，异常体最小长度为4 m，最大长度为10 m，平均尺寸在5～6 m之间，异常区位置及范围见图2红色区域。

图2 雷达扫描工作异常范围示意图

2 盾构区段空洞产生原因

由于场地土较为松散，且近滨海区域多为淤泥质土，在盾构施工过程中产生了空洞异常体通常是盾构掘进中多出土使地层土体损失现象严重导致的。结合现场施工条件，综合已施工的盾构隧道，空洞形成的原因主要有三方面：

(1)施工工艺影响：在盾构推进中，在盾顶、换刀、车站端头位置，地层受扰动程度较大，可能未及时科学地控制掌子面土压力，合理调整掘进施工效率，导致出渣量过大，在同步灌浆不足条件下，隧道拱顶出现空洞；在临海区域盾构施工会引起地下水流失，地下水位下降，松散的富水砂层从而固结沉降，隧道顶部产生空洞。

(2)混凝土材料影响：施作二次衬砌时，由于泵送混凝土压力不足而导致混凝土难以填满模板，尤其是在钢筋混凝土段施工时，由于钢筋的阻碍作用，泵送混凝土压力不足而导致的二次衬砌后背后产生空洞；混凝土材料本身影响产生衬砌背后空洞，如新拌混凝土的和易性不良、骨料级配不良以及混凝土自身的收缩变形等因素均可导致衬砌背后空洞的产生。

(3)盾构设备本身影响：采用的泥水平衡盾构机或土压平衡盾构机设备未能具有较好的土体适应性；没能基于场地条件科学地设置盾构刀盘开口率和选择螺旋输送器材与碎石机，导致土压的稳定性降低，从而引起土体产生扰动；未配置特殊刀具适应地层，导致刀具工作时磨损严重，引起土体损失形成空洞等。

由于地应力从地表向下传递，土体损失引起的局部空洞使应力的传递受到一定的阻碍，因此在空洞附近的土体中会出现明显的应力集中现象，当集中的应力超过土体自身的强度时，空洞就会被迫垮塌破坏，产生较大幅度的变形，显然对本次施工是不利的[15-16]。因此，为有效避免这种情况的发生，本次施工将对此区段的空洞进行处理。

3 盾构区段空洞处理方法

3.1 空洞处理方案

现阶段岩土施工中空洞的方法主要是采用注浆法，运用压力注入适合相应地层的水泥浆，填满空洞，同时为了降低填满后空洞的二次增生，将空洞与周围相联系土层空隙填密实，大大提高场地地基土的密实性[17]。表2对多种注浆方式的可行性分析表明，针对目前场地空洞形成土体较为松散、临海富水的特点，且表层覆盖大量软弱土，大型的机械设备无法进场，采用表层袖阀管注浆不仅可以满足场地施工条件的要求，同时满足松散富水砂层空洞单浆液注浆的填充处理条件。从地质雷达勘查结果来看，大多空洞皆位于盾构隧道顶部，靠近隧道区域且尺寸较大的空洞也可考虑隧道内注浆，减少工期。因此，本次空洞处理方案为采用袖阀注浆或隧道内注浆对松散土体加固等措施，保证项目的安全进行。

表2 空洞注浆方案可行性分析

3.2 空洞处理方案的实施

隧道上覆处理空洞的方法主要为袖阀管注浆，施工流程图见图3。其施工工序为：

(1)钻孔施工。采用履带式钻机带动力头式全液压钻机，该钻机具有转速范围宽、扭矩大、给进行程长等特点，即适用于复合片钻进、硬质合金钻进及冲击回转钻进。该钻机为分体式，由主体、液压油缸、操作台三部分组成，具有轻便、容易操作等特点。

(2)安设袖阀管。插入袖阀管时应保持袖阀管位于钻孔的中心，下袖阀管时将同长度的6分塑料管一同下入孔内，作为注套壳料的管路。袖阀管下到位后将孔口用保护帽套好。袖阀管和6分塑料管一起下到位后将带阀门的6分钢管安装在孔口，用快硬水泥将孔口封严。6分钢管作为注套壳料时的排气孔，保证套壳料灌注密实。

(3)下套壳料。套壳料采用水泥和黏土配置，配合质量比为水泥∶黏土∶水=1∶1.5∶1.88，水泥采用P·O 32.5R普通硅酸盐水泥，黏土采用膨润土。钻一孔注一孔，防止发生塌孔和埋管。将配好的套壳料用PW-120泥浆泵压入6分塑料管，套壳料从孔底向外返浆，达到置换孔内泥浆、填满套壳料的目的。待6分镀锌钢管开始溢浆，说明孔内套壳料已经注满，即可关闭排气管的阀门。为保证套壳料的密实，当灌注压力达到0.2 MPa，持压5～10 s再停止灌浆。

(4)分段注浆作业。注浆设备采用双液注浆泵，此设备为单缸双液往复式注浆泵，该注浆泵压力、流量是靠调节液压油流量来实现，可以在泵的运转过程中任意调节。该泵体积小、重量轻、操作简单；浆液配置：水泥采用P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰质量比1～0.45，每米注浆的水泥用量240 kg，加水泥用量0.3%～0.5%FDN-5复合型减水早强剂；注浆采用深孔注浆后退式，具体注浆参数见表3。

(5)封口。在孔口周围的地面到地面以下1 m的距离范围内采用速凝水泥砂浆封堵，以防止注浆过程中冒浆现象的发生。