岩溶地层中的盾构隧道施工(精)

岩溶地层中的盾构隧道施工岩溶地层中的盾构隧道施工 摘要 研究目的 岩溶地层中采用盾构法施工在国内尚属首次 盾构掘进中可能 发生盾构机栽头 陷落 地层大量失水 坍塌 严重差异沉降而致隧道结构破坏 等事故 对溶洞的空间分布 大小及充填情况 溶洞处理 盾构掘进技术措施 3 个方面进行深入研究 并组织精心设计 精心施工 以保证施工及运营安全 研究方法 采用多种勘查手段分析岩溶地层 充分注重盾构机及盾构施工的特点 比选 优化设计施工方案 研究结果 顺利完成岩溶段盾构隧道施工 验证了勘查及加固方案 填补了国内的 空白 研究结论 综合运用多种探测方法对探明溶洞的分布很有成效 根据盾构施工特 点制定地层加固方案并有效实施以及对盾构机设计进行针对性的改进并采取相 应的掘进技术措施都是适宜的 关键词 广州地铁 岩溶地层 盾构施工 广州轨交通 5 号线草暖公园 小北站区间 在 F1 F2 两断裂带间地石炭 系灰岩地层 149 105m YCK7 903 505 YCK8 052 610 范围内 详勘阶段有 7 个钻 孔揭示存在溶洞 但由于钻探孔间距 约 20 40m 过大 未能完整揭示溶洞的大小 分布及 充填物的物理力学性质 经对草暖公园 小北站区间整体地质与环境的综合分析 确定其区间隧道 埋深 22 86 24 30m 采用土压平衡盾构施工 而在岩溶地层中采用盾构法施工 在国内外尚属首次 盾构掘进中可能发生盾构机栽头 陷落 地层大量失水 坍 塌 严重差异沉降而致隧道结构破坏等事故 为确保施工及运营安全 对溶洞的空间分布 大小及充填情况 溶洞处理 盾构掘进技术措施 3 个方面进行深入研究 并组织精心设计 精心施工 1 运用多种勘查方法 探明溶洞情况 根据目前可行的勘测手段 为切实探明溶洞的分布与填充状况 拟定以钻 探为主 多种方法综合运用的探测方案 即 高密度电阻率法地面物探 总体探 查溶洞分布情况 加密钻孔 直观掌握溶洞及充填物状况 电磁波深孔 CT 在钻孔 间加密剖切面勘查 判断边界 综合判断后结合注浆孔布置补孔探测 1 1 高密度电阻率法物探 对 YCK7 880 YCK8 035 范围内纵向进行探测 共设计物探剖面 6 条 剖面 长均为 177m 详见 图 2 每条剖面均有 2 个基点控制 勘察的结果表明 本区地下有 4 处岩溶发育区 见图 1 据其成果将勘察 范围划分为 5 个区域单元进一步深入勘察 1 2 补充钻孔勘探 在勘察区域内 分别在距离左右线隧道外侧 3m 处 区间隧道中线上和左 右两隧道中间位置布置 5 列 25 排钻孔 每一排钻孔的间距约为 5m 布孔 124 个 其中技术孔 37 个 共计钻孔长度 4109m 见图 2 因隧道底板埋深 22 86 24 30m 位于左右线区间隧道中心线位置的 2 列钻孔设计深度原则为 35m 另 外 3 列钻孔设计深度原则为 30m 有溶洞的钻孔要钻至溶洞底下 2 3m 1 2 1 在钻探施工过程中 1 准确 详细记录异常现象 如缩孔 坍孔 漏水 冒水 掉钻及遇到洞穴等 及 其发生的位置和严重程度 描述溶洞空间大 小 分布等 1 2 2 把探到有溶洞的钻孔作为技术孔 采取土样 37 件 岩样 22 件 水 样 2 件 标贯试验 111 次 测量地下水位 248 次 并抽水实验估算溶洞水流量 1 2 3 编制了详细的勘报告 作纵剖面图 5 个 横剖面图 24 个 投影图 2 个 隧道顶 3m 至隧道顶 隧道底至隧道底 5m 并作平切面图 7 个 分别为隧道 上 3m 隧道顶 中 底 隧道下 1m 3m 5m 1 3 电磁波深孔 CT 物探 CT 相邻孔对间距 5m 共 27 对 孔深 35m 各 C 钻孔的终孔高程一般应基本 一致 若在预定终孔深度处为溶洞时 钻孔深入溶洞地板 3m 孔径不小于 75mm CT 剖面与地铁隧道中心线呈约 70 斜交 使隧道的勘察剖面间距加密为 2 5m 左右 实测工作中在岩溶发育异常复杂地段另增加了 5 条 CT 剖面 故实际 共完成 CT 剖面 27 条 发射孔与接收孔的间距 26 1m 定点发射点数 5 个 各探孔 内的动点观测间距为 1 0m 出现的异常特征加密定点发射点距与点数 实测探测 点 11137 个 为尽可能利用钻探孔 在每个区域单元内应先钻外侧 2 列的孔 并进行孔间 跨孔 CT 物探 而后按一般钻孔的顺序进行 采用跨孔电磁波透视对隐伏岩溶进行探测 弥补了勘探钻孔网点稀少的不 足 通过 CT 资料分析 即自上而下可分为土层软土 CT 异常带 浅部岩溶 CT 异常 带和较深部岩溶 CT 异常 岩溶发育具有竖向分带差异 较深部岩溶异常带具有 异常强 规模大 呈 串珠状 竖向分布等特点 1 4 探测成果综合分析判断 通过对钻探 高密度电阻率 深孔 CT 物探勘察成果的综合研究分析 较 深入地掌握了溶洞及充填情况 1 4 1 溶洞分布 探明的溶洞分布在左线 ZCK7 928 ZCK8 019 91m 右线 YCK7 920 YCK8 025 105m 的区间内 溶洞分布主要特点如下 1 4 1 1 溶洞规模大但分布较集中 124 个钻孔中有 70 个钻孔揭 示有溶洞 大小总计 167 个 其中大于 3 50m 的 27 个 占总数量的 16 探到溶洞 最大高度 18 30m D02 最深溶洞底标高为 31 44m 溶洞多呈串珠状 层数为 1 12 层 以 2 4 层为最多 平面上主要分布于二 三 四区 占揭露到溶洞钻孔 的 95 7 在剖面上溶洞分布在标高为 5 35 31 44m 范围内 位于隧道结构顶板 以上 3m 及隧道结构底板以下 3m 范围内揭露到有溶洞的钻孔有 56 个 占 80 1 4 1 2 溶洞层间岩板厚小于 3 00m 为主 约占 2 3 大于 3 00m 约占 1 3 裂隙发育 溶蚀强烈 如图 4 所示 1 4 2 溶洞充填物特征 1 4 2 1 根据钻进过程中钻杆下落 返水情况及芯样特征综合分析判断 溶洞的充填物及空洞 半充填 全充填状况 1 4 2 2 大于等于 3 50m 的 27 个溶洞中 4 个为无充填物 占 15 其余均 为半充填及全充填 小于 3 50m 的 140 个溶洞中有 72 个无充填物 占 51 1 4 2 3 溶洞充填物较为复杂 主要有粘土 中粗砂 灰岩碎块 岩屑等 根据充填物特征及其物理力学性质 围岩的饱和单轴抗压强度 判断充填物及围 岩的承载力特征值 1 4 3 地下水的赋存 本场地地下水的赋存方式及水力特性为孔隙潜水及基岩裂隙水 孔隙潜 水主要赋存在第四系松散冲积层中 基岩裂隙水主要赋存于基岩中的溶洞及裂隙 中 靠大气降水及上层地下水的补给 涌水量大小及径流规律受地质构造及裂隙 以及岩溶洞隙的连通性控制 2 溶洞处理的设计与施工 2 1 溶洞处理的设计原则与重点 2 1 1 尽量避免盾构机突陷等事故及隧道结构后期沉降过大 盾构机本体重 320 t 长 12m 其重心在前 3 2m 处 掘进时隧道底部若突 现大于 3 2m 以上的空洞或极软弱地层可能致使盾构机栽头或陷落 处理的重点 是隧道下部填充物为淤泥 松散砂层 软塑状泥炭质粘土 承载力 40 80kPa 的 溶洞 处理深度为隧底 5m 对隧道中线底部 采用袖阀管水泥浆注浆加固 利用 补充钻探孔并将注浆孔间距加密至 2 5m 2 1 2 防止地表塌陷和过大沉降 隧道洞身周围 3m 范围内的溶洞要密实充填并注浆固结 有利于建立土压 平衡 防止坍塌 要对处理区与外界开放连通的主要地下水裂隙通道进行封闭 防 止大量失水以减少地表沉降 2 1 3 满足永久隧道结构的承载力 变形 防水要求 2 溶洞填充物和灰 岩承载力有很大的差别 通过对地层进行处理 提高填充物的承载力 减小不同 地层之间的差异沉降 减少管片渗漏 以满足地铁正常运营 2 1 4 全填充溶洞注浆扩散半径 3 当填充物为粘土 粉质粘土和泥炭质土时按照 1 1 5m 设计 填充物为砂 碎块时按照 3m 设计 2 1 5 检侧重点 4 结合盾构施工特点 注浆加固效果的检侧重点以加固体强度及地基承载力 控制为主 2 2 溶洞处理施工 2 2 1 溶洞处理施工顺序 1 全区先对周圈开放连通的裂隙通道封闭注浆 然后处理中间区域 以确 保注浆效果 减少注浆损失 2 先加固水源一侧 靠近越秀山一侧 添加速凝剂 以确保注浆效果 3 中间区域补充孔跳跃施工 以防止跑浆 窜浆现象 4 先对无填充 半填充溶洞填砂处理 然后再进行其它溶洞注浆填充处 理 2 2 2 施工方法及工艺 2 2 2 1 无填充溶洞和半填充溶洞处理 对大于 2m 以上的无填充溶洞和半填充溶洞 在原钻孔附近 约 0 6m 补钻 一个 127 的投砂孔 填砂处理 后采用注浆加固的方法 对小于 2m 的无填充溶 洞和半填充溶洞 直接注浆填充 2 2 2 2 全填充溶洞处理 采用压力注浆的方法进行填充加固 注浆压力从低到高 间歇 反复压浆 主要采用 PVC 袖阀管注浆工艺 2 2 2 3 注浆材料 3 周边孔 纯水泥浆 速凝剂 中央孔 纯水泥浆 2 2 2 4 注浆终止标准 根据设计的要求 注浆终止采用了双重标准 注浆终压达到设计终压 注浆 量达到设计注浆量的 80 或虽未达到设计终压 但注浆量已达到设计注浆量 即 可结束本孔注浆 2 2 3 注浆加固效果检查 2 2 3 1 检测方法 采用钻孔取芯 作抗压试验为主 抽水试验为辅 左右线各作 1 个 尽量设 在换刀位置 溶洞填充物为砂层 作渗透系数试验 2 2 3 2 检测标淮 隧道周边加固范围 试块无侧限抗压强度 0 3MPa 隧道中心加固范围 试 块无侧限抗压强度 0 5MPa 渗透系数 1 0 10 7cm s 2 2 3 3 检测结果 共取 9 个检测孔 试样指标均满足设计要求 3 盾构机性能的改进与掘进技术措施 3 1 对盾构机设计的重要改进 为适应本区间困难的地质条件 对盾构机设计作了重要改进 使用目前国 内性能最好的盾构机施工 1 刀盘驱动功率由 945kW 增至 1200kW 并改善了扭矩特性曲线 使盾构 机在较高转速下扭矩得到较大提高 2 采用重型刀座及刀具 滚刀配置到 40 刃 减小刀间距增强了破岩能力 5 3 在盾构机正面区设置了 4 个钻探注浆孔 配置 30m 自动钻探钻机 可对 隧道断面内实施超前钻探地质预报与注浆加固 4 螺旋输送机设置双闸门出土口并预留接口 在水压大时采用保压泵碴 装置出碴 3 2 主要掘进技术措施 1 严格控制盾构机掘进姿态 盾构机刀盘切削面地层软硬不均 方向不容易控制 按照给定的容许偏 差值进行控制 当接近偏差值时及时调整 纠正于微小偏差之时 掘进过程中保 持正确姿态 2 对富水区域进行盾构超前钻探并采用双液浆加固溶洞地层 3 盾构机通过时如果水压大 启动保压泵装置 防止大量失水以保证隧道 上方建筑物的安全 4 掘进判断掌子面的岩层和地下水量情况 当掌子面岩层稳定 地下水量 不大 开仓检查和更换刀具 必要时采用带压作业 5 足量同步注浆 并及时进行二次双液注浆 对地下水通道进行封堵 稳 固管片 4 施工实况简述 4 1 地层加固 2006 年 5 6 月按设计完成地层加固施工 注浆时引起地面个别点上鼓 其余良好 4 2 盾构掘进 4 2 1 工期与进度 左线于 2006 年 7 月 21 日 8 月 8 日共 18d 完成岩溶段 91m 的盾构掘进 平均每天掘进约 5m 右线共用 22 天完成 平均每天掘进 4 8m 4 2 2 掘进描述 总体上顺利通过了岩溶段的掘进 采取控制贯入量 加强同步注浆等的 谨慎掘管理 但总推力仍较大 刀具更换较多 推进过程中揭示总体充填加固效果 良好 未发生盾构机陷落 但隧顶有局部坍塌发生 主要地下水通道得到封堵 部 分段落地下水仍较大 掘进中予以及时注浆充填封堵 4 2 3 主要掘进参数 据盾构机 PLC 的记录 经归纳后可分为以下 2 类 4 2 3 1 硬岩及软硬不均区 土仓压力 0 5 0 8MPa 转速 2 3 2 5rpm 贯入量 10mm r 左右 扭矩 2500 3200kN m 总推力 10000 13000kN 4 2 3 2 较软或全断面为充填物加固区 土仓压力 0 6MPa 转速 2 0rpm 贯入量 25mm r 左右 扭矩 2000kN m 总 推力 7000 9000kN 5 结论 1 应用多种探测方法 对勘测结果进行综合分析 探明了溶洞的分布及填 充物特征 2 确定了合理的加固方案 满足盾构施工安全及隧道结构稳定 控制了加 固范围 避免不必要的过度投入 有效