地铁盾构区间穿越溶、土洞区加固处理设计

1 地铁盾构区间穿越溶 土 洞区加固处理设计 摘 要 对广州地铁二号线三远盾构区间长距离穿越岩 溶地质区域时 首次提出以结构底板下 10m 深度内是否出现 洞穴或岩土交界面作为划分岩溶处理高 低风险区的依据 并提出 充填处理 和 岩面注浆 及 道床预留注浆管 的点面结合 治理与预防兼施的溶 土洞综合处理方案 为该 工程的顺利实施提供 理论 依据和指导作用 并为后继地铁 工程的设计提供 参考 关键词 盾构区间 土洞 溶洞 风险 区划分 处理方案 前 言 根据 广州市轨道 交通 线网规划 地铁二号线接已建 三元里站向北延伸 穿过规划白云新城至嘉禾 全长 9 35km 全部为地下线 计划 2009 年底建成通车 二号线北 延线线路在广花凹陷冲积盆地内的岩溶盆地内穿行 该区域 溶 土洞强烈发育 对地铁的施工 运营均存在较大风险 本 2 文针对三远盾构区间国内首次盾构施工长距离穿越岩溶 土 洞区 地质条件差 施工难度大 风险高 处理范围广等情况 参考国内同类地质工程施工经验 结合理论 分析 提出对 区间全线进行风险区域划分 确定一个合理的处理范围 再 根据具体情况采取针对性的措施进行处理 1 工程概况 三远区间起点为已运营三元里地铁站 穿越环城高速公 路之后进入旧白云机场 到达远景站 区间单线长约 1124m 隧道洞顶覆土埋深 6 12m 采用盾构法施工 本区间位于白云山西侧前缘的广花凹陷冲积盆地 地势 平坦 上覆第四系地层以冲洪积砂层 土层及残积土层为主 厚度为 10 30m 下覆基岩为石炭系中上统壶天群石灰岩和二 迭系下统栖霞组炭质灰岩地层沉积地层 岩面高低起伏 埋 深 10 30m 区间隧道主要在上更新统冲洪积层和残积层中穿 行 区间勘察钻孔 175 个 钻探揭露的溶洞有 311 个 见 洞率为 55 03 溶洞最大高度 9 7m 全充填的占 51 5 充 填物多为流塑 软塑状粘土 钻探揭露土洞共 44 个 最大高 3 度 7 93m 以全填充为主 填充物多为流塑 软塑状粉质粘土 第四系砂层孔隙潜水与下伏岩溶水构成双层含水结构 两含水层之间普遍分布有厚几米至十余米以上的残积粉质粘 土层 成为相对隔水层 但由于基岩面起伏其厚度变化大和 残积土层中含有数量不等的灰岩碎屑物质 而使上下两层水 连通的方式多呈点 片状或条带状分布 本区土洞的发育与 其密切相关 2 高 低风险区的划分 在区间结构底板下 10m 范围内 若未发现溶洞和土洞 在深度 10m 范围内没有或很少岩土界面 即岩面基本在底 板 10m 以下 符合上述条件 将其定为溶 土 洞对结构 影 响 低风险区段 否则 定为高风险区段 将安全厚度分界线 定为底板下 10m 是基于下述考虑 1 根据 目前 老白云机场地铁沿线地质钻孔 岩土界 面基本都在机场跑道下 10m 以下 界面上附近存在大量的 溶 土 洞 旧白云机场运营 70 多年均未见因溶 土 洞塌陷 而影响机场使用的事例 说明溶 土 洞的覆盖顶板大于 4 10m 塌陷的风险是很小的 2 根据铁道 科学 研究 院对线路列车运行的冲击振 动影响的实地检测 对混凝土轨枕碎石道床线路 在轨面下 2 5m 的路基内土体的振动加速度 均已衰减至地面值的 0 10 埋置式地铁在轨面下有一个体积和刚度很大的箱型 结构 结构本身可分散列车的部分冲击振动力 地铁列车的重 量和冲击振动也较地面铁路的重量和冲击振动小 因此 列 车运行对结构底板下土体的影响深度会比地面铁路的 2 5m 更浅 底板 10m 以下的溶 土 洞 不会因列车的运行而加速 其复活 发展 3 按现在通用的隧道设计概念 在一般的砂 粉 质粘 土 甚至较松散的砂层或碎石层 拱顶的上覆土层厚度大于 洞室开挖跨度的 2 5 倍 即可形成土拱 可使用承压拱理论 对结构进行设计 也就是说 只要洞室上覆土层厚度大于洞 室跨径的 2 5 倍 地面普通应力的作用对洞室结构无影响 我们将分界线定在底板下 10m 即认为在 10m 分界线的基面 下 若土洞的跨径小于 4 0m 略去水文地质的影响 对于静 止土压力和隧道的运营影响而言是安全的 而根据已探明的 土洞 直径大于 4 0m 是很少的 因此 我们认为在底板下 10m 以下的溶 土 洞 对地下铁道结构的安全影响不大 5 综上所述 与旧白云机场运营 70 多年的工程类比 以 铁道科学研究院道床下路基的动态影响测试为依据 从目前 公认的半理论半经验的压力土拱理论分析 说明在底板下 10m 土层外 且岩土界面不多时 只要处理好已探明表层的 溶 土 洞 这时即使有漏探的土洞 其塌陷成漏斗状洞穴的 风险也是较低的 上述 10m 的分界线是一个原则上的分界线 按标贯 8 15 击的粉质粘土为分界标准层 若结构底板下土层强度高 属硬塑以上状态 或者土层粘性很好 则风险分界线可适当 升高 相反 若底板下土层有较厚的淤泥或淤泥质土 胶结很 差的砂性土 松散砂土等不良地层 则风险分界线可适当降 低 安全厚度要再大一些 3 溶 土洞处理 3 1 处理原则 1 先地面处理 后盾构掘进 2 全线划分高低风险区 分区域处理 重点处理高风险 6 区隧道底板下 10m 和隧道两侧各 5m 范围内溶洞及岩土交 界面层 低风险区仅对隧道两侧各 5m 范围发现的土洞充填 处理 3 对需处理的溶 土洞 采取填充 压密的 方法 处理 根据填充状态采取不同的处理工艺 3 2 处理方案 溶 土洞处理采用 充填处理 岩面注浆 及预留注浆 管的综合处理方案 充填处理主要是根据洞的大小及充填情 况采取先充填砂夹石 再静压灌浆或直接静压灌浆 根据以 往在防治岩溶地面塌陷实践 充填注浆乃是有效的措施 采 用密布的压浆孔可以揭露土洞 消除隐患 压浆可以充填洞穴 防止土洞坍塌 浆液扩散渗透 可消除或击破相邻土洞使之坍 塌随即处理 岩面注浆是采用袖阀管在岩土界面上进行注浆 加固 其目的主要是压浆封堵基岩和土层的界面 压浆管只 在界面附近开孔 用较高的压力将界面上的溶槽 溶沟 破碎 带 构造带 节理 裂隙 全部用浆液固结 将界面周边的溶 洞 土洞填满 将溶洞和界面连通的通路 洞口 封住 甚至固 结 从而阻止已有溶洞 土洞的发生 发展 阻止或延缓新土 洞的形成 7 3 2 1 溶 土洞充填处理方案 全填充溶洞处理 采用静压灌浆法 在钻孔中插入袖阀管下到溶洞底面 进行深孔注浆 袖阀管采用 90PVC 管 注浆扩散半径设计 为 1 5m 钻孔间距 2 0m 2 0m 正方形布置 静压灌浆 法采用纯水泥浆 水灰比 0 5 1 1 1 注浆压力 0 4 1 0Mpa 对于洞内水有流动性时 周边孔应在浆液中加入掺加速凝剂 控制浆液凝固时间在 10 20 秒左右 注浆施工时 应采取分 序孔的注浆方式 采用先外围后内部 先下后上的注浆施工 方法 为保证浆液不至于跑得太远 应采用间歇定量分次 先 低压灌浆后高压补强注浆的方法 在注浆压力下 吸浆量 1 2L min 稳压 15min 终注 半填充 未填充溶洞的处理 当溶 土洞高度大于 2m 时 地面钻孔放入钢套管并固 定 将 200 注砂管放至溶洞上 用高压风机将干砂压入 为 防止洞内高压阻止灌砂 利用其它灌浆孔作为减压孔 吹砂 以填充密实 压力稳定时 即可停止 然后再用其它孔插入袖 8 阀管静压灌浆填充密实 当溶 土洞高度小于 2m 时 直接 采用袖阀管静压灌浆填充密实 3 2 2 岩面注浆处理方案 岩面注浆采用 90 袖阀管注浆 处理宽度为 11m 线 路中线左右 5 5m 高度为岩面上 1m 厚土层 注浆扩散半 径设计为 1 5m 布孔间距按 3m 3m 梅花型布置 首 先施工 90mm 130mm 直径的钻孔至岩面下 0 5m 然后下袖 阀管进行注浆 3 2 3 加固效果检查 溶 土洞加固后的土体应该有良好的均匀性 自立性 密闭性 加固效果检查方法是在固结体内钻孔取芯 测得其 无侧限强度和渗透系数 K 需达到以下标准 换刀盘处 无侧限强度 0 3MPa 渗透系数 1 0 10 7cm sec 一般地段 无侧限强度 0 15MPa 渗透系数 1 0 10 5cm sec 9 3 2 4 道床预留注浆孔 盾构区间预留注浆孔是对运营期间基底产生塌陷空洞 处理的一种预防措施 在道床施工之前 采用一端带有法兰 盘的 90 钢管 用膨胀螺栓直接固定在每环管片的正下方 然后浇注道床 钢管另一端留在道床面上 运营期间采用盖 子封堵 同时运营期间隧道纵向每隔 10 20m 设置监测点 每 15 天监测一次 根据监测情况了解隧道下方地层的变化情况 出现异常情况时 从道床通过预留钢管钻穿管片 插入袖阀 管注浆进行加固处理 预埋套管设一排 纵向间距 3m 间隔 一环管片设置 4 结束语 1 岩溶地基处理有很大的难度和复杂性 需因地制宜 地设计和选择施工方法 本地铁盾构区间溶 土洞加固处理 方案是经过一段时间的摸索 总结 出来的 根据 目前 试验 段施工验证 也是行之有效的 2 本文结合该工程实际情况 类比该地区工程 参照 国有地面铁路 研究 试验数据 理论 半理论的各种 计算 10 提出以结构底板以下 10m 深度内是否出现洞穴和岩土交界 面作为划分高风险区的依据 已成为广州地铁溶 土洞处理 的一个标准 3 盾构机应具有超前探测和超前注浆功能 对