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砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工地面注浆加固实例分析

作者:钱庄,许烨霜,沈水龙,崔庆龙  发布:2017/5/16  浏览:
单位:上海交通大学土木工程系,海洋工程国家重点实验室

摘 要:隧道沿线溶洞的加固处理是岩溶地层中盾构隧道施工的关键。以广州地铁某区间盾构隧道施工为背景,论述砂土覆盖型岩溶地层中盾构隧道施工面临的主要工程地质风险; 由溶洞处理流程入手,从溶洞处理判断标准、注浆填充方案、注浆材料选择以及注浆加固效果检验等方面详细介绍盾构隧道施工中通过地面注浆加固进行溶洞处理。同时,对监测区间内溶洞注浆加固效果以及隧道掘进引起的地面、房屋沉降情况进行监测分析。研究结果表明: 溶洞注浆加固效果良好,隧道掘进造成的地面房屋沉降变化平稳,地面注浆加固处理在砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工中具备一定的工程适用性。

0 引言

岩溶是因地表水和地下水对可溶性岩层不断产生侵蚀、溶蚀、迁移、堆积等作用而形成的,会导致岩石发生溶蚀的现象[1]。我国华南、西南地区在岩溶地层上部存在第四纪沉积层,形成上覆软弱地层、下卧含岩溶地层的覆盖型岩溶地层[2]。上覆软弱地层由于土性和沉积年代的不同,分别有砂土、黏土等,厚薄也因地而异,从数米到数十米不等。在广州地区分布有典型的覆盖型岩溶地层,其上覆软土主要由砂土和粉质黏土构成。在广州地铁建设中,地铁隧道的建设难以避开这种复合地层,有些隧道段在岩溶中施工,部分隧道段在软弱地层中施工,有些地段受坡度和埋深的影响只能在软弱地层与岩溶地层交界面处施工。在这种情况下,盾构法施工会面临诸多施工难题与突发地质灾害、灾变[3 -4]。

目前,岩溶的整治工作主要有2 方面。一方面针对岩溶水“以疏为主,堵排结合”; 另一方面针对岩溶溶腔用“堵填跨绕”等方式整治[5 - 6]。毛贤等[7]针对广深港高铁提出利用盾构配置的超前钻探系统在洞内进行溶洞钻探及注浆加固; 黎新亮[8]介绍了盾构隧道穿越湘江溶洞区江面处理方案; 崔大龙等[9]论述了广州地铁5 号线岩溶地层盾构技术特殊处理措施。以上文献主要对岩溶的钻探、注浆加固和治理措施进行了研究,但针对溶洞处理后效果检验及盾构隧道施工环境效应影响,目前还没有相关的研究和论述。

本文就广州地铁某砂土覆盖型岩溶地层交界面处盾构隧道施工采用地面注浆填充的处理方式,通过对其中一段监测区间内的溶洞处理效果检测试验以及地面、房屋沉降监测数据进行分析,证明了溶洞注浆加固处理在岩溶地层隧道界面施工中的工程适用性。

1 工程概况

广州地铁某盾构区间长1. 21 km,区间隧道埋深较浅,覆土厚7 ~ 8. 5 m,纵断面为人字坡,最大纵坡9‰,最小纵坡2. 965‰。勘察期间揭露沿线地下水稳定水位埋深2. 70 ~ 4. 60 m,初见水位埋深1. 70 ~ 5. 60m。根据沿线地下水赋存条件、含水介质及水力特征,分析地下水主要有上层滞水、孔隙水、溶洞( 土洞) 水和裂隙水4 种基本类型。

盾构隧道穿越的地层主要为砂层〈3 - 2〉、〈3 -3〉,黏土层〈4N - 2〉、〈4N - 3〉,炭质泥岩,灰岩,炭质灰岩残积土层〈5C - 1A〉,部分隧道下部穿越灰岩〈9C - 2〉,各土层物理力学参数如表1 所示。隧道下方基岩是石炭系中上统壶天群灰岩或石炭系下统大塘阶石磴子组灰岩。灰岩中溶洞发育,多处钻孔揭露的溶洞处于盾构隧道结构底板以下5 m 左右,对盾构施工及将来地铁运营安全构成一定威胁,需要对溶洞进行注浆充填处理( 如图1 所示) 。区间2 次勘察共完成钻孔356 个,揭露发育溶洞的钻孔168 个,见洞率为47. 2%。溶洞多呈半充填和无充填状态。勘察揭露充填物质多为可塑、软塑状黏性土,易被水流冲蚀,局部洞体充填砂土和岩块,钻探中表现为漏水,地层软弱。

表1 土层物理力学参数

图1 监测区间内地层剖面图

2 工程地质风险

盾构区间在砂土覆盖型岩溶地层中施工存在以下风险。

1) 岩溶塌陷。岩溶地层中的溶洞和土洞在长期自然侵蚀下处于相对稳定的状态,隧道掘进扰动会产生难以预计的影响[10]。由于岩溶结构物部分或全部悬空,可靠度很低,施工过程造成的结构性破坏可能会引起塌方、冒顶等自然塌落现象,损坏隧道及路面构筑物。

2) 突水涌泥砂。灰岩大多是构造含水层,赋水量相当丰富,多为承压水,盾构掘进时可能会产生突水并伴随大量泥砂涌入,对隧道以及周边建( 构) 筑物造成较大影响[11]。

3) 隧道及盾构受损。当隧道出现较大的溶洞时,盾构会因前方失稳而栽头,甚至被溶洞卡死,无法推进。灰岩具有较高的抗压强度与较强的耐磨性,刀具与刀盘极易被磨损与破坏,若灰岩处于岩溶发育部位,较难对掌子面加固截水后进行刀具和刀盘修复。此外,在高地下水位的岩溶地层中同步注浆,浆液极易流失,损失的土体导致更大的地面沉降。所有上述因素会使隧道轴线偏差加大,土体扰动加剧,地面沉降显著,甚至会造成隧道本身受损。

4) 长期不稳定性。由于岩溶地层的破坏性,隧道在底层塌陷、施工后沉降、周边土工作业、地下水异常活动乃至列车周期性荷载的扰动下,会造成隧道结构变形,给隧道运营带来影响[12]。

3 溶洞处理方案

3. 1 处理流程

本工程中溶洞处理流程如图2 所示。使用地质钻480 隧道建设 第36 卷探或地震波勘探、CT、地质雷达等物探方法进行勘察[13],根据溶洞的数量、位置、填充物等基本情况判断进一步处理的必要性。对溶洞进行注浆填充的处理一般采用袖阀管注浆[14]。采用UCS( 无侧限抗压强度测试) 、SPT( 标准贯入试验) 或者岩芯取样的方式来检验溶洞处理效果。

图2 溶洞处理流程

3. 2 判断标准

溶洞处理需综合考虑溶洞相对距离、充填物、内部水压以及围岩级别、隧道荷载情况等。根据相关规范规定,参考广州地区施工经验,并结合本区间盾构隧道工程实际,制定了以下判断标准: 1) 隧道前方及上方的溶洞减少了上覆土层的厚度,易发生冒顶泄气等事故,需要在盾构掘进前处理; 2) 对于隧道洞顶和两侧的溶洞,距离隧道开挖轮廓线3 m 范围以内的必须全部处理; 3) 对于隧道下方的溶洞,依照距隧道底的距离以及溶洞自身稳定性划分,距离隧道底5 m 以内的溶洞以及5 ~ 10 m 的部分填充溶洞都需要处理( 如图3 所示) 。

图3 隧道沿线溶洞处理原则

3. 3 注浆方案

溶洞处理前,先进行溶洞平面范围的探测,尽可能摸清溶洞规模,以揭示溶洞的钻孔为基准点加密钻孔,间隔2. 0 m 向四周扩散( 如图4 所示) 。探测孔可兼作注浆孔进行注浆充填,并选择数个洞顶处钻孔兼作排气孔,排气孔每洞至少1 个,间距为4 m。注浆施工时,应先做外排止水、止浆帷幕,将处理范围内的溶( 土) 洞与外界洞体隔离,再处理中间区域。若在周边孔第1 次注浆,注浆量已较多,压力达不到设计要求时,周边孔与中央孔可交替注浆。此外,中央区域注浆应跳跃施工,以防跑浆、窜浆现象。

图4 注浆孔平面分布( 单位: m)

注浆开始后,袖阀管和注浆芯管下到洞底或洞底以下0. 2 ~ 0. 3 m,从洞底往上压注水泥浆,注浆压力控制在0. 3 ~ 0. 4 MPa,注浆速度在30 ~ 70 L /min; 当注浆压力上升到0. 5 MPa 后,将注浆芯管提升0. 4 m,循环往复直至注浆芯管升至洞顶; 升至洞顶后继续注浆,直至注浆压力达到1. 2 MPa,稳压10 min 后可终止注浆。

3. 4 注浆材料选择

注浆材料分为普通水泥砂浆和双液浆2 种。普通水泥砂浆质量配合比为水∶ 水泥∶ 砂= 0. 8∶ 1∶ 1,用于中心孔( 如图4 所示) 注浆。双液浆含水、水泥和水玻璃,质量配合比为( 0. 8 ~ 1) ∶ 1∶ ( 0. 08 ~ 0. 2) ,用于边缘孔( 如图4 所示) 注浆,形成止浆墙。水玻璃的波美度为38 ~ 43 Be',模数为2. 4 ~ 3. 0,水泥则采用42. 5级普通硅酸盐水泥。

4 溶洞处理效果监测

4. 1 溶洞分布情况

区间溶洞分布情况如图5 所示。选取的监测区间内隧道长约312 m,包含338—545 环的管片。图5 中:实心圆圈代表不需要处理的溶洞,总计18 处; 空心圆圈代表经过处理的溶洞,处理过程如第3 节所述,总计17 处,编号K1—K17。监测区间内隧道中心轴线处地层剖面如图1 所示,可以看到盾构隧道有很长的距离处在岩溶发育的岩层和上覆软土层的交界面处。

4. 2 注浆加固效果检测

溶洞注浆加固效果可以通过无侧限抗压强度( UCS) 、标准贯入试验( SPT) 以及岩芯采样率( CR) 3个指标体现。检测采用随机钻孔抽芯法,钻孔抽芯需按1%孔数抽查,且不少于3 点,每个溶洞检测数量不少于1 个检测孔。溶洞注浆加固28 d 以后,进行钻孔采样。样品的无侧限抗压强度应大于0. 2 MPa,原位标贯试验标贯击数应不少于10 击,岩芯采样率应不低于90%。原溶洞位置处应要求填充充盈密实、水泥土固结。

图5 区间内溶洞分布及处理情况

K1—K17 溶洞的检测结果如图6 所示。标贯试验的标贯击数( SPT) 全部在18 击以上; 无侧限抗压强度( UCS) 在1. 1 ~ 1. 5 MPa,远大于设计要求的0. 2MPa,注浆加固后强度可以提供足够的承载力; 岩芯采样率( CR) 都在90%以上。钻孔采样的样本在原溶洞深度处基本上都是固结的水泥土。以上试验结果证明: 注浆加固效果良好,为之后的隧道掘进提供了施工条件。

图6 K1— K17 溶洞注浆加固效果检查结果( 平均值)

4. 3 环境效应监测

4. 3. 1 监测方案

溶洞注浆后,对周边环境的影响进行监测,在监测区间内设置4 个地面沉降监测点( S1—S4) ,9个房屋沉降监测点( A1—A9) ,其分布如图7 所示。图7 中:地面沉降监测点S1、S3 分别位于隧道右线、左线463482 隧道建设 第36 卷环管片位置处线路轴线中心,S2、S4 则位于隧道522 环管片位置处线路轴线中心,地面沉降控制值为-30 mm,隆起控制值为10 mm; 房屋沉降监测点A1—A9 是监测距隧道边线18 m 的建筑沉降,该建筑楼高20 m,采用框架结构,条形基础,基础埋深1. 5 m,建筑允许最大沉降30 mm,差异沉降10 mm,倾斜度控制在4‰以内。监测点的监测频率初期为1 次/d,当盾构到达监测点位置前方30 m 处时,监测频率提高至3 次/d。

图7 沉降监测点平面布置

4. 3. 2 监测结果

S1—S4 监测点地面沉降如图8 所示。由图8 可以看到: 在盾构到达S1 所在位置前,S1 点沉降一直保持稳定; 当盾构到达S1 所在位置后,S1 点地面沉降迅速增大,直至在25 mm 左右回归稳定; S2 和S4 监测点的地面沉降变化趋势和S1 类似,2处最大沉降分别为37. 9 mm 和30. 6 mm; S3 监测点在盾构即将抵达时有6 mm 左右的沉降,在盾构远离其位置32 m 之后又产生了20 mm 左右的沉降,最终地面沉降稳定在了29. 6mm 左右,这一部分沉降可能是局部黏性土在盾构远离后排水固结产生的。

图8 S1—S4 监测点地面沉降

隧道沿线某建筑在盾构掘进期间产生的沉降如图9 所示。建筑沉降在隧道右线通过时变化缓慢,但在随后隧道左线通过时变化加剧,并最终在80 d 后趋于稳定。建筑沉降大致在± 5 mm 的范围内波动。隧道右线通过时,建筑沉降在± 3 mm 以内; 当隧道左线到达后,波动范围加大,直到第67 天隧道左线完全通过时到达最大± 8 mm; 隧道完全通过后,建筑沉降逐渐稳定并最终保持在± 5 mm 以内,建筑倾斜由最初的2. 9‰增加到3. 2‰。

图9 A1—A9 监测点建筑沉降

监测结果表明,由于隧道埋深较浅、直径较小,隧道轴线位置处地面沉降主要受盾构掘进影响,受邻近隧道盾构掘进影响较小。邻近建筑物沉降主要是受相距较近的左线盾构掘进影响。区间内隧道工程穿越监测区间造成了35 mm 左右的地面沉降以及± 8 mm 的周边建筑沉降,但区间隧道顺利贯通,其间没有发生岩溶地区常见的工程地质灾害,基本满足了工程设计要求。监测结果也证实了在砂土覆盖型岩溶地层界面处对溶洞进行注浆加固处理是具备工程适用性的。虽然整体地面沉降超过了控制值,但变化过程较稳定,基本符合隧道掘进引起地面沉降变化的一般规律,对附近房屋结构没有造成大的差异沉降,证明掘进过程中没有发生灾害性地层损失以及明显的固结沉降,地面沉降主要由施工引起的地层损失构成。部分区域地面沉降超限是由于盾构推进过程中速度、土舱压力、同步注浆等程序的控制出现疏漏。在今后的盾构隧道掘进过程中,做好盾构掘进参数控制,完善同步注浆、二次注浆的操作,可以有效地减小地面沉降。

5 结论与讨论

1) 为了避免砂土覆盖型岩溶地层中盾构隧道施工可能引发的工程地质灾害,需要结合现场环境、施工条件选择适当的溶洞处理方案。采用袖阀管地面注浆填充的处理方式在本工程条件下具备一定的工程适用性。

2) 区间内盾构隧道掘进环境效应的监测结果表明: 采取标贯试验的标贯击数( SPT) 全部大于18 击、无侧限抗压强度( UCS) 大于0. 2 MPa、岩芯采样率大于90%的标准,对溶洞处理效果进行检验的有效性符合本工程盾构隧道的施工要求。

3) 软弱地层与岩溶地层交界面处盾构隧道掘进的环境影响控制在溶洞处理完善的基础上,还需要综合考虑盾构掘进参数控制的因素,配合完善的同步注浆、二次注浆等工序。

摘自:隧道建设

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