地鐵盾構區間穿越溶、土洞區加固處理設計論文

　【摘 要】 對廣州地鐵二號線三遠盾構區間長距離穿越岩溶地質區域時，首次提出以結構底板下10m深度內是否出現洞穴或岩土交界面作爲劃分岩溶處理高、低風險區的依據，並提出“充填處理”和“巖面注漿”及“道牀預留注漿管”的點面結合、治理與預防兼施的溶、土洞綜合處理方案，爲該工程的順利實施提供理論依據和指導作用，併爲後繼地鐵工程的設計提供參考。

　　【關鍵詞】 盾構區間 土洞 溶洞 風險區劃分 處理方案

　　前 言

根據《廣州市軌道交通線網規劃》，地鐵二號線接已建三元里站向北延伸，穿過規劃白雲新城至嘉禾，全長 9.35km，全部爲地下線，計劃 2009 年底建成通車。二號線北延線線路在廣花凹陷沖積盆地內的岩溶盆地內穿行，該區域溶、土洞強烈發育，對地鐵的施工、運營均存在較大風險。本文針對三遠盾構區間國內首次盾構施工長距離穿越岩溶、土洞區，地質條件差、施工難度大、風險高、處理範圍廣等情況，參考國內同類地質工程施工經驗，結合理論分析，提出對區間全線進行風險區域劃分，確定一個合理的處理範圍，再根據具體情況採取針對性的措施進行處理。

　　1 工程概況

三遠區間起點爲已運營三元里地鐵站，穿越環城高速公路之後進入舊白雲機場，到達遠景站，區間單線長約 1124m，隧道洞頂覆土埋深 6 12m，採用盾構法施工。

本區間位於白雲山西側前緣的廣花凹陷沖積盆地，地勢平坦，上覆第四系地層以衝洪積砂層、土層及殘積土層爲主，厚度爲10 30m；下覆基岩爲石炭系中上統壺天羣石灰岩和二迭系下統棲霞組炭質灰巖地層沉積地層，巖面高低起伏，埋深10-30m。區間隧道主要在上更新統衝洪積層和殘積層中穿行。

區間勘察鑽孔 175 個，鑽探揭露的溶洞有 311個，見洞率爲 55.03%，溶洞最大高度 9.7m，全充填的佔 51.5%，充填物多爲流塑、軟塑狀粘土；鑽探揭露土洞共44 個，最大高度7.93m，以全填充爲主，填充物多爲流塑~軟塑狀粉質粘土。

第四系砂層孔隙潛水與下伏岩溶水構成雙層含水結構，兩含水層之間普遍分佈有厚幾米至十餘米以上的殘積粉質粘土層，成爲相對隔水層，但由於基岩面起伏其厚度變化大和殘積土層中含有數量不等的灰巖碎屑物質，而使上下兩層水連通的方式多呈點、片狀或條帶狀分佈，本區土洞的發育與其密切相關。

　　2 高、低風險區的劃分

在區間結構底板下10m範圍內，若未發現溶洞和土洞，在深度 10m 範圍內沒有或很少岩土界面（即巖面基本在底板 10m 以下），符合上述條件，將其定爲溶（土）洞對結構影響低風險區段，否則，定爲高風險區段。將安全厚度分界線定爲底板下 10m是基於下述考慮：

（1）根據目前老白雲機場地鐵沿線地質鑽孔，岩土界面基本都在機場跑道下 10m 以下，界面上附近存在大量的溶（土）洞。舊白雲機場運營 70 多年均未見因溶（土）洞塌陷而影響機場使用的事例，說明溶（土）洞的覆蓋頂板大於 10m，塌陷的風險是很小的。

（2）根據鐵道科學研究院對線路列車運行的衝擊振動影響的實地檢測，對混凝土軌枕碎石道牀線路，在軌面下 2.5m的路基內土體的振動加速度，均已衰減至地面值的 0 － 10％。埋置式地鐵在軌面下有一個體積和剛度很大的箱型結構，結構本身可分散列車的部分衝擊振動力；地鐵列車的重量和衝擊振動也較地面鐵路的重量和衝擊振動小。因此，列車運行對結構底板下土體的影響深度會比地面鐵路的 2.5m更淺，底板 10m以下的溶（土）洞，不會因列車的運行而加速其復活、發展。

（3）按現在通用的隧道設計概念，在一般的砂（粉）質粘土，甚至較鬆散的砂層或碎石層，拱頂的上覆土層厚度大於洞室開挖跨度的 2.5 倍，即可形成土拱，可使用承壓拱理論對結構進行設計。也就是說，只要洞室上覆土層厚度大於洞室跨徑的 2.5倍，地面普通應力的'作用對洞室結構無影響。我們將分界線定在底板下 10m，即認爲在10m分界線的基面下，若土洞的跨徑小於 4.0m，略去水文地質的影響，對於靜止土壓力和隧道的運營影響而言是安全的，而根據已探明的土洞，直徑大於 4.0m是很少的。因此，我們認爲在底板下 10m 以下的溶（土）洞，對地下鐵道結構的安全影響不大。

綜上所述，與舊白雲機場運營 70 多年的工程類比，以鐵道科學研究院道牀下路基的動態影響測試爲依據，從目前公認的半理論半經驗的壓力土拱理論分析，說明在底板下 10m 土層外，且岩土界面不多時，只要處理好已探明表層的溶（土）洞，這時即使有漏探的土洞，其塌陷成漏斗狀洞穴的風險也是較低的。

上述10m的分界線是一個原則上的分界線，按標貫 8-15 擊的粉質粘土爲分界標準層，若結構底板下土層強度高，屬硬塑以上狀態，或者土層粘性很好，則風險分界線可適當升高；相反，若底板下土層有較厚的淤泥或淤泥質土、膠結很差的砂性土、鬆散砂土等不良地層，則風險分界線可適當降低，安全厚度要再大一些。

　　3 溶、土洞處理

3.1 處理原則

（1）先地面處理，後盾構掘進；

（2）全線劃分高低風險區，分區域處理；重點處理高風險區隧道底板下 10m 和隧道兩側各 5m 範圍內溶洞及岩土交界面層；低風險區僅對隧道兩側各 5m 範圍發現的土洞充填處理；

（3）對需處理的溶、土洞，採取填充、壓密的方法處理，根據填充狀態採取不同的處理工藝；

3.2 處理方案

溶、土洞處理採用“充填處理+巖面注漿”及預留注漿管的綜合處理方案。充填處理主要是根據洞的大小及充填情況採取先充填砂夾石，再靜壓灌漿或直接靜壓灌漿。根據以往在防治岩溶地面塌陷實踐，充填注漿乃是有效的措施，採用密佈的壓漿孔可以揭露土洞，消除隱患；壓漿可以充填洞穴，防止土洞坍塌；漿液擴散滲透，可消除或擊破相鄰土洞使之坍塌隨即處理。巖面注漿是採用袖閥管在岩土界面上進行注漿加固，其目的主要是壓漿封堵基岩和土層的界面，壓漿管只在界面附近開孔，用較高的壓力將界面上的溶槽、溶溝、破碎帶、構造帶、節理、裂隙，全部用漿液固結，將界面周邊的溶洞、土洞填滿，將溶洞和界面連通的通路(洞口)封住，甚至固結，從而阻止已有溶洞、土洞的發生發展，阻止或延緩新土洞的形成。

3.2.1 溶、土洞充填處理方案

①全填充溶洞處理：

採用靜壓灌漿法，在鑽孔中插入袖閥管下到溶洞底面，進行深孔注漿。袖閥管採用φ90PVC 管，注漿擴散半徑設計爲 1.5m，鑽孔間距 2.0m× 2.0m正方形佈置。靜壓灌漿法採用純水泥漿，水灰比=0.5：1 1：1，注漿壓力 0.4 1.0Mpa；對於洞內水有流動性時，周邊孔應在漿液中加入摻加速凝劑，控制漿液凝固時間在 10~20 秒左右。注漿施工時，應採取分序孔的注漿方式，採用先外圍後內部、先下後上的注漿施工方法。爲保證漿液不至於跑得太遠，應採用間歇定量分次，先低壓灌漿後高壓補強注漿的方法，在注漿壓力下，吸漿量 1 2L/min穩壓 15min 終注。

②半填充、未填充溶洞的處理：

當溶、土洞高度大於2m時，地面鑽孔放入鋼套管並固定，將φ200 注砂管放至溶洞上，用高壓風機將幹砂壓入，爲防止洞內高壓阻止灌砂，利用其它灌漿孔作爲減壓孔。吹砂以填充密實，壓力穩定時，即可停止。然後再用其它孔插入袖閥管靜壓灌漿填充密實。當溶、土洞高度小於 2m 時，直接採用袖閥管靜壓灌漿填充密實。

3.2.2 巖面注漿處理方案

巖面注漿採用 φ90 袖閥管注漿。處理寬度爲11m（線路中線左右 5.5m），高度爲巖面上 1m 厚土層。注漿擴散半徑設計爲 1.5m，布孔間距按 3m ×3m 梅花型佈置。首先施工 90mm 130mm 直徑的鑽孔至巖面下 0.5m，然後下袖閥管進行注漿。

3.2.3 加固效果檢查

溶、土洞加固後的土體應該有良好的均勻性、自立性、密閉性。加固效果檢查方法是在固結體內鑽孔取芯，測得其無側限強度和滲透係數 K，需達到以下標準：

換刀盤處：無側限強度≥0.3MPa；滲透係數≤1.0 × 10 － 7cm/sec。

一般地段：無側限強度≥0.15MPa；滲透係數≤1.0 × 10 － 5cm/sec。

3.2.4 道牀預留注漿孔

盾構區間預留注漿孔是對運營期間基底產生塌陷空洞處理的一種預防措施。在道牀施工之前，採用一端帶有法蘭盤的 φ90 鋼管，用膨脹螺栓直接固定在每環管片的正下方，然後澆注道牀，鋼管另一端留在道牀面上，運營期間採用蓋子封堵。同時運營期間隧道縱向每隔 10 20m設置監測點,每 15天監測一次,根據監測情況瞭解隧道下方地層的變化情況，出現異常情況時，從道牀通過預留鋼管鑽穿管片，插入袖閥管注漿進行加固處理。預埋套管設一排，縱向間距 3m，間隔一環管片設置。

　　4 結束語

（1）岩溶地基處理有很大的難度和複雜性，需因地制宜地設計和選擇施工方法，本地鐵盾構區間溶、土洞加固處理方案是經過一段時間的摸索總結出來的，根據目前試驗段施工驗證，也是行之有效的。

（2）本文結合該工程實際情況，類比該地區工程，參照國有地面鐵路研究試驗數據，理論、半理論的各種計算，提出以結構底板以下10m深度內是否出現洞穴和岩土交界面作爲劃分高風險區的依據，已成爲廣州地鐵溶、土洞處理的一個標準。

（3）盾構機應具有超前探測和超前注漿功能，對地表鑽孔注漿處理遺漏地段，在洞內要進行超前探測並補充注漿處理。

（4）岩溶、土洞處理是一項長期工程，應採取預防和治理相結合的防治措施。

　　參考文獻

[1]廣州地鐵二八線聯合總體組.廣州地鐵二號線北延線岩溶、土洞處理方案總結.2006，10

[2]廣東省土木建築學會.廣州地鐵二號線北延線岩溶地質工程風險諮詢.2007，01

[3]地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊.中國建築工業出版社.2000