盾构隧道穿越溶洞的预处理技术

盾构隧道穿越溶洞的预处理技术

郑志波

【摘 要】 本文介绍了盾构法施工地铁隧道时，盾构机穿越溶洞区域超前处理的目的、处理方法以及施工工艺等，并结合工程实例对所述方法的可行性进行探讨。

【关键词】 溶洞 预处理 施工工艺

1 前言

为满足城市越来越大的交通功能需要，目前全国许多大中城市均开始修建地铁。地铁隧道施工常采用的方法为盾构法，当盾构机穿越区域存在溶洞时，为了确保盾构机安全、顺利地通过溶洞区，避免涌水、沉陷等意外事故的发生，也为了保证今后地铁的正常、安全营运，需对此区段内的溶洞进行超前处理。

2 溶洞处理的目的

1）确保盾构机掘进期间的安全：位于隧道底的溶洞，不论有无充填物，其承载力都很低，通过对溶洞处理，确保盾构机安全、顺利通过溶洞区，避免盾构机突陷等意外事故的发生。

2）防止地表塌陷和过大沉降：位于隧道顶的溶洞，其填充物多为淤泥、砂或粘土。不少溶洞呈串珠状分布于隧道工作面范围，由于溶洞隔板为岩层，难以形成土压平衡掘进模式。通过处理，使隧道顶的地层和工作面土体能保持稳定，防止拱顶坍塌、工作面土体流

失，减少地表沉降。

3）满足永久隧道结构的承载力、变形及防水要求：溶洞填充物和灰岩地层承载力有很大的差别。通过对地层处理，提高该处地层的承载力，以满足地铁正常运营。

3 溶洞处理方法

对需要处理的溶（土）洞，按充填情况可分为全充填、半充填及无充填三种类型。根据溶洞的空间分布、溶洞与隧道的位置关系、溶洞充填情况，提出具体的溶洞处理方法：

1）全充填溶洞处理方法:采用压力注浆的方法进行充填加固，注浆压力从低到高，间歇、反复压浆。采用的注浆方式主要有：花管注浆和袖阀管注浆等。

2）无充填溶洞和半充填溶洞处理方法：对大于2m以上的无充填溶洞和半充填溶洞，先采用填砂处理，后采用注浆加固的方法。小于2m的无充填溶洞和半充填溶洞，可直接采用注浆填充。

4 施工工艺流程及其特点

在实际施工中，根据溶洞的类型、大小等情况，选用不同的施工工艺进行处理，常采用的施工工艺主要有下述几种：

4.1 花管注浆施工工艺流程

1）钻孔：在确定要注浆的位置上用工程钻机钻孔至预定深度；

2）制作花管：花管采用Φ25 PVC管制作。在需要注浆的深度范围内，PVC管按间隔约10cm的距离对开两个直径5mm的小孔，上下两排孔的位置相互垂直，钻孔的PVC管外面包上两层防水胶布；

3）下花管：在已完成的钻孔中下入已制作好的花管；

4）封孔：在下好PVC管的钻孔中距孔口2-3m位置用水泥砂浆进行封孔；

5）管线连接：在封孔达到2天龄期后，将注浆压力管与花管进行连接；

6）制浆：按设计规定的水灰比制备水泥浆液；

7）注浆：启动注浆泵，压送清水，在此过程中压力逐步提高，直到冲开封胶压力回落后，泵送水泥浆液，一直注浆到设计所规定的压力并稳定为止。在此过程中可根据实际需要或设计规定进行间歇注浆，直至符合设计要求为止；

8）做好注浆过程中各项记录：注浆时间、注浆压力、水泥用量、水灰比、注浆过程出现的特殊情况等；注浆达到设计要求后，清洗管路及花管，拆除注浆管，进行下一孔的注浆。花管注浆示意图如图1所示：

图1 花管注浆示意图

花管注浆常用于全充填式、半填充式溶洞注浆，其主要特点是：

1）花管注浆适合于厚度较大的松散土层、有充填物或无充填物的溶洞；

2）可灌注的范围较大，适应范围较广，可以成片灌注；

3）没有止浆塞，浆液可以沿孔隙自由扩散不受限制，最终在一定范围内达到压力均衡；

4）工序较简单，可以多次反复灌注；

5）不适合于高压注浆(花管接口在注浆压力高时易冲脱)。

4.2 袖阀管注浆工艺流程

1）钻孔：在确定要注浆的位置上用工程钻机钻孔至预定深度；

2）清孔：在已完成的钻孔中用浓泥浆进行清孔，排除粗颗粒渣土；

3）下套壳料：按设计的配合比配制好套壳料，并从孔底往上灌注套壳料至到孔口；

4）制作袖阀管：袖阀管采用直径50-60mm的PVC管制作。在需要注浆的深度范围内，PVC管按间隔33-50cm钻一组射浆孔，并在外面套上一层约3mm厚的橡胶膨胀圈(即袖阀)，两端用防水胶布密封；

5）下袖阀管：在下完套壳料的钻孔中下人已制作好的袖阀管；

6）管线连接：在套壳料达到一定龄期后(约3天)，在袖阀管内下入注浆钢管，其上下各带有止浆塞，将注浆压力管与袖阀管内的注浆钢管进行连接；

7）制浆：按设计规定的水灰比制备水泥浆液；

8）开环注浆：将注浆钢管下至需要注浆的孔段，启动注浆泵，压送清水，在此过程中压力逐步提高，直到冲开橡胶袖阀及所对应位置的套壳，压力回落后，泵送水泥浆液，一直注浆到设计所规定的压力并稳定为止。在此过程中可根据实际需要或设计规定进行间歇注浆，直至符合设计要求为止；

9）连续开环注浆：根据设计要求，上下移动注浆管，在需要注浆的各部位依照上述第8点的做法逐步开环注浆，直到完成所有孔段的注浆；

10）做好注浆过程中各项记录：开环位置、注浆时间、注浆压力、水泥用量、水灰比、注浆过程出现的特殊情况等；注浆达到设计要求后，清洗管路及袖阀管，拆除注浆管，进行下一孔的注浆。袖阀管注浆示意图如图2所示：

图2 袖阀管注浆示意图

袖阀管注浆主要用于劈裂注浆，其主要特点是：

1）主要适应充填溶洞及淤泥质土的注浆；

2）具有上下两个止浆塞，能将浆液限定在注浆区段内的任一层进行灌注，以达到分层注浆的效果；

3）注浆器可以上下移动，可根据设计要求及施工情况在注浆区段内某一地层反复注浆；

4）注浆采用较大压力时，发生冒浆、串浆的可能性小(具有连通性的溶洞则不适宜)；

5）注浆工序较复杂，有时注浆器由于正负压而难以上下移动；套壳料厚度不均匀或强度太高而无法开环，达不到局部加固的目的。

4.3 填砂、注浆施工工艺流程

1）选择探到有溶洞的钻孔，放入并固定钢套管，将注砂管（Φ50×3.5钢管）与钢套管（Φ50×3.5钢管）相连接，在注浆前灌砂。用高压风机将干砂压入，待达到计算的填充体积，压力稳定时，即可停止。

2）出气孔的施工：为了确保在压砂过程中不被受压缩的空气形成空气垫层而受阻止，影响处理效果，在投砂灌浆孔的附近必须有出气孔，两孔距离根据溶洞的大小而定。

3）填砂完成后，可选择花管或袖阀管注浆工艺进行注浆加固。

5 工程实例

广州市轨道交通六号线盾构2标大坦沙站-黄沙站盾构区间，初勘、详勘资料显示里程ZDK5＋540～ZDK5＋660段地质条件复杂，存在溶洞。经项目部研究决定，对该段进行补充勘察，补充勘察钻孔沿线路方向间距为3m。 经过补充勘察发现分别在里程ZDK5＋550、ZDK5＋557、ZDK5+560和ZDK5＋562深度18m~21m处有溶洞或岩溶裂隙，由于该段地层岩溶裂隙较发育，需要填充、灌注的范围比较大，因此在补勘钻孔过程中，对这些补勘孔预埋PVC花管以备注浆。

在盾构机穿越该地段前，通过PVC花管注浆，使该地段的岩溶裂隙和小溶洞群得到比较理想的充填加固；在盾构机穿越该地段时，及时进行同步注浆和二次注浆，从而使盾构机安全、顺利的通过该岩溶地段。

6 结语

通过钻孔预注浆，既能达到盾构机安全通过的目的，同时也可加固隧道顶板上的软土和结构底板下溶洞，防止了隧道顶板上因溶洞连通而出现坍塌及地面沉陷的问题，同时对后期地铁营运安全也起到很好的作用。

钻孔预注浆对溶洞充填物主要起到充填和挤密作用，但难以在溶洞段形成连续均匀的加固圈或胶结体，因此处理完成后盾构机在溶洞段掘进时仍有可能遇到软硬不均匀的地层，因此在盾构掘进过程中依然要采取相应措施。

参考文献

陈建.地铁隧道穿越溶洞的施工处理技术.城市轨道交通研究，2005.

罗琼.岩溶隧道施工技术.铁道工程学报，2005.6.

郭银波，黄忆龙.注浆技术在地铁土建工程中的应用.铁道建筑技术，2002(2).