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
广州轨道 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。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 编制了详细的勘察报告,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进管理,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,有效地实施了地层加固施工。
(3)针对该地层特点,对盾构机设计作了改进,提高了其性能。
(4)制定了必要的盾构掘进技术措施,采用信息化施工,有效实施施工控制。
(5)顺利完成岩溶段盾构隧道施工,验证了加固方案,填补了国内的空白。
参考 文献 :
[1] 赵树德,等.高等工程地质学[M].北京:机械 工业 出版社,2005.
[2] 施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西 科技 出版社,1997.
[3] 梁炯鋆.锚固与注浆技术手册[M].北京: 中国 建筑工业出版社,1999.
[4] GB-50157—2003,地铁设计规范[S].
[5] 张凤祥,等.盾构隧道[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
