劉 恒

(中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引 言

隨著我國(guó)城市地鐵隧道交通的迅速的發(fā)展，地鐵隧道建設(shè)遇到密集、大型巖溶的情況越來(lái)越頻繁。在復(fù)雜巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的區(qū)域的進(jìn)行隧道建設(shè)施工，會(huì)因巖溶表面參差不齊，溶洞外形形狀多種多樣，以及溶洞內(nèi)部的填充物具有流塑性、軟塑性或空洞的情況不可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的地質(zhì)因素多，因而增添隧道施工難度，容易造成巖溶周圍塌孔、漿液流失、盾構(gòu)掘進(jìn)卡鉆及地面構(gòu)筑物塌陷等問(wèn)題，成為影響工程質(zhì)量、威脅施工安全、延遲施工工期等工程難題。因此，為了保證隧道安全施工和鐵路長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，對(duì)巖溶進(jìn)行注漿加固等手段成為堅(jiān)決問(wèn)題的主要方法。白明洲等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬注漿試驗(yàn)并結(jié)合理論分析對(duì)典型巖溶進(jìn)行了研究，并對(duì)比分析了注漿前典型巖溶雷達(dá)圖像特征與其注漿后的圖像特征，基于此對(duì)注漿效果進(jìn)行討論。楊新安等通過(guò)對(duì)運(yùn)營(yíng)中的高速鐵路進(jìn)行軟土地基注漿試驗(yàn)，提出了對(duì)注漿順序和注漿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制的有控注漿施工技術(shù)。張民慶等在渝懷鐵路梁山隧道開挖工程中對(duì)開挖面注漿過(guò)程進(jìn)行研究，對(duì)注漿空間及漿液擴(kuò)散的分布特征及規(guī)律進(jìn)行分析，認(rèn)為注漿量與巖溶巖層空隙、巖溶底層擾動(dòng)等因素有較大的關(guān)系。王德明等在永蓮隧道開挖斷面斷層破裂帶巖性變化對(duì)注漿量的影響進(jìn)行研究，指出斷層破碎帶的巖性無(wú)規(guī)律變化會(huì)導(dǎo)致注漿量在空間不均勻性分布。Chai J C、Bhandari A、Nonveiller E、王乾等采用分序注漿或跳孔注漿時(shí)，均認(rèn)為，注漿量的大小與注漿的先后順序具有關(guān)聯(lián)性，其前者注漿量往往多于后者注漿量，隨時(shí)間呈現(xiàn)遞減，且達(dá)到設(shè)計(jì)要求注漿壓力值所需的注漿時(shí)間也會(huì)相應(yīng)減小。朱明聽等通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)注漿擠密進(jìn)行研究，認(rèn)為注漿模式是由擠密注漿向劈裂注漿進(jìn)行轉(zhuǎn)化過(guò)程中導(dǎo)致圍巖孔隙擠密。

深圳軌道交通14#線大運(yùn)站～寶荷站區(qū)間具有大量巖溶集中分布，盾構(gòu)隧道開挖過(guò)程中會(huì)對(duì)巖溶周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)、易引起巖溶區(qū)土體坍塌失穩(wěn)，誘發(fā)地表沉降塌陷，對(duì)盾構(gòu)順利掘進(jìn)帶來(lái)極大不便，基于此，提出適于深圳軌道交通14#線坳背站～大運(yùn)站區(qū)間巖溶處理優(yōu)化施工方案顯得十分必要。

2 工程概況

深圳地鐵14#線大運(yùn)站至寶荷站巖溶段鉆孔共完成81個(gè)鉆孔，其中揭示溶洞鉆孔共36孔，溶洞洞頂埋深11.50～69.20 m，對(duì)應(yīng)高程10.60～49.90 m，溶洞洞底埋深13.50～70.50 m，對(duì)應(yīng)高程7.30～48.30 m，溶洞洞高0.20～9.60(MNZ3-TAD-YR-042)m，頂板厚度0.10～29.70 m，所揭示溶洞可分為全充填、半充填、無(wú)充填，充填物主要以軟～可塑狀粉質(zhì)黏土為主，夾風(fēng)化碎塊。本工點(diǎn)見洞隙率44.4%，線巖溶率0.72%～43.20%，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)，確定巖溶發(fā)育等級(jí)為強(qiáng)發(fā)育。

3 巖溶處治的原則與目的

3.1 巖溶處治原則

盾構(gòu)隧道巖溶處理應(yīng)遵循以“地面預(yù)處理為主，洞內(nèi)預(yù)留措施為輔”的原則，對(duì)已發(fā)現(xiàn)巖溶溶洞應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用地面注漿進(jìn)行預(yù)前處理。如采用洞內(nèi)處理的施工方式，需要進(jìn)行全斷面帷幕超前預(yù)注漿進(jìn)行施工。針對(duì)灰?guī)r地區(qū)盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留注漿孔，以便于對(duì)地面注漿滲透差區(qū)域進(jìn)行二次補(bǔ)漿。注漿孔預(yù)留應(yīng)考慮道床結(jié)構(gòu)、管片拼裝等情況，做好相應(yīng)的預(yù)埋預(yù)留，確保預(yù)留注漿孔的正常使用。對(duì)于區(qū)間盾構(gòu)位于上軟下硬地層且土巖分界面以上土層為碎石、砂等強(qiáng)富水、強(qiáng)透水地層時(shí)，應(yīng)采用全斷面加固。溶洞處理的方法是袖閥管注漿、回填砂及碎石、灌注水泥砂漿等施工方法，可依巖溶情況而定。

3.2 巖溶處治目的

巖溶區(qū)段的容腔、溶洞等地質(zhì)災(zāi)害存在，容易造成地質(zhì)的地基承載力不滿足受力要求，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，容易引起盾構(gòu)載頭，地表沉降過(guò)大或塌陷的事故的發(fā)生。為了防止盾構(gòu)施工的陷落及投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)安全，需要通過(guò)注入膠結(jié)類漿液，使?jié){液滲透層漿液與土體形成隔水層，提高該區(qū)域土體整體性及穩(wěn)定性，進(jìn)而提高地鐵隧道穿越區(qū)地基承載力。

4 巖溶處治方案

4.1 注漿孔平面布置

溶洞外圍布置封邊孔，進(jìn)行水泥漿液封邊，以保證漿液不發(fā)生外流，避免注漿壓力由漏漿造成注漿泄壓；在溶洞中部上方設(shè)置排氣孔，其布置方式為每100 m2設(shè)置兩個(gè)，通過(guò)注漿巖溶中水和填充物體可以通過(guò)排氣孔排出，注漿孔位見圖1。

圖1 注漿孔孔位布置

4.2 注漿工藝

(1)注漿順序

進(jìn)行周邊孔位一次注漿(處理范圍邊界處應(yīng)使用雙液漿)→4 h后，在周邊孔位多次注漿→中央孔位一次注漿→中央孔位多次補(bǔ)漿→排氣孔周圍孔注漿→排氣孔注漿→中央孔及排氣孔補(bǔ)漿→完成注漿。

(2)排氣孔設(shè)置

按照溶洞平面每100 m2不少于2個(gè)排氣孔，在注漿孔完成注漿后，對(duì)排氣孔進(jìn)行注漿填充封閉，排氣孔的填充宜采用配合比1∶1的水泥漿液，注漿壓力控制在1 MPa左右。按照上述設(shè)置排氣孔及排氣孔注漿，經(jīng)所取芯的抗壓時(shí)間檢測(cè)，其結(jié)果根據(jù)本試驗(yàn)段的注漿情況以及抽芯檢測(cè)結(jié)果，表明上述方法可以滿足注漿排氣需求和溶洞注漿強(qiáng)度要求。

(3)注漿分段提管

進(jìn)行巖溶注漿時(shí)。將注漿管下放至鉆孔底端，將注漿芯沿著注漿管下放至鉆孔地端，施加注漿壓力，注漿從鉆孔地端向上進(jìn)行分段注漿，待注漿段注漿擠實(shí)后，進(jìn)行提管至上一層，每段注漿層設(shè)置為2 m。每段注漿時(shí)間控制在30 min左右；在后續(xù)進(jìn)行重復(fù)注漿時(shí)，注漿提管長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況部分調(diào)整為4 m。

(4)終孔時(shí)機(jī)

在注漿過(guò)程中，孔位鉆孔注漿的完成，以注漿壓力是否達(dá)到設(shè)計(jì)值作為主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，巖溶容腔體積與注漿量作為輔助評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合排氣孔冒漿情況綜合評(píng)判。具體為，當(dāng)實(shí)際注漿壓力值達(dá)到設(shè)計(jì)要求的注漿壓力值，并且注漿壓力穩(wěn)定10 min后，排氣孔未冒出水泥漿液，可以先進(jìn)行換孔注漿，每間隔4～6 h該孔再進(jìn)行重復(fù)注漿，當(dāng)排氣孔開始冒水泥漿時(shí)，認(rèn)為該注漿孔周圍土體已完全灌滿或滲透擴(kuò)散密實(shí)，對(duì)該注漿孔進(jìn)行終孔。

(5)鉆孔封堵注漿

當(dāng)注漿達(dá)到終孔標(biāo)準(zhǔn)后，采用1∶2的水泥漿液進(jìn)行注漿孔封堵注漿，注漿壓力達(dá)到1.1 MPa且壓力穩(wěn)定10 min后，可認(rèn)為封堵注漿完成。

5 巖溶處治方法對(duì)比及優(yōu)化選擇

(1)鉆孔工法對(duì)比

地質(zhì)鉆孔常用地質(zhì)鉆孔機(jī)與潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，本工段兩種鉆工工藝均得到運(yùn)用，基于此總結(jié)兩種機(jī)械優(yōu)缺點(diǎn)如表1。

表1 鉆孔工法對(duì)比表

(2)取芯方法對(duì)比及優(yōu)化

在前期取芯過(guò)程時(shí)，工程上采用水鉆法取樣工藝，在注漿過(guò)程中注射高壓水，容易把充填物沖散，難以在溶洞中得到完整的原土層芯樣和加固體，往往只能得到水泥凝固漿塊。后續(xù)工程采用干鉆施工工藝，在鉆進(jìn)過(guò)程中不添加水，所取試驗(yàn)得到明顯改善，然而這種工藝對(duì)鉆頭磨損十分嚴(yán)重。因此，本工程在上述施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析的基礎(chǔ)上對(duì)取芯工藝進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的具體措施為，取芯鉆未鉆到溶洞容洞位置前，采用加水鉆芯取樣以減小對(duì)鉆頭的耗損，鉆穿溶洞頂板到達(dá)巖溶溶洞范圍內(nèi)，停止加水，采用干鉆鉆取芯樣。經(jīng)改進(jìn)的方案技能能取出溶洞范圍內(nèi)完整的水泥固結(jié)或原土層芯樣，又能減少鉆筒耗損。

(3)注漿壓力分析

本工程對(duì)注漿壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將注漿壓力控制在1～5 MPa之間，從注漿過(guò)程看，壓力控制2～5 MPa之間容易造成地面涌漿，而溶洞填充物并不能很好地被填充，考慮到溶洞處理主要是為將溶洞填充滲透擠實(shí)，當(dāng)注漿壓力控制在1～2 MPa時(shí)，也可以有效的充盈、混合溶洞填充物，達(dá)到處理目的，因此本工程優(yōu)選注漿壓力1～2 MPa，及能滿足注漿要求，也可避免因注漿壓力過(guò)大對(duì)地表造成破壞。在注漿壓力1～2 MPa范圍內(nèi)，注漿壓力越大，填充物置換的越多，芯樣強(qiáng)度越高?？梢院芎玫闹脫Q溶洞填充物。

(4)漿液選擇及優(yōu)化

本工程巖溶處理選用漿液為水泥漿，工程開展前期對(duì)開口溶洞(R149、R123)使用單液漿做注漿帷幕，運(yùn)用少量多次的注漿方式進(jìn)行，雖然達(dá)到注漿設(shè)計(jì)要求的效果，但該類溶洞注漿量為包絡(luò)圖預(yù)估量152%，漿液消耗量較大?；诖耍瑢?duì)注漿工藝進(jìn)行了優(yōu)化，具體為對(duì)開口型溶洞首先用雙液漿對(duì)其進(jìn)行封邊，然后用單液漿進(jìn)行填充的注漿工序，采用改進(jìn)后的工藝對(duì)單個(gè)溶洞(R131)進(jìn)行注漿試驗(yàn)，其注漿總量?jī)H為包絡(luò)圖預(yù)估量94%，相比當(dāng)漿液注漿，注漿總量得到大大縮減，且接近預(yù)估量。上述試驗(yàn)可以表明采用雙液漿封邊，可有效的保證注漿量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

(5)注漿管優(yōu)選

在盾構(gòu)隧道穿越區(qū)，巖溶注漿處理管注漿完成后多留于注漿孔。因此，注漿管的材質(zhì)的選擇會(huì)影響到后期掘進(jìn)效率，當(dāng)采用柔性袖閥管施工，后期盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)難以攪斷，造成袖閥管纏繞刀盤影響施工進(jìn)度，且有卡機(jī)的施工風(fēng)險(xiǎn)。本工程使用的孔徑為48 mm的硬性PVC袖閥管，花管每隔0.5 m布置8個(gè)花孔，花孔外有皮圈，可保證漿液的單向流動(dòng)及后續(xù)掘進(jìn)安全、效率。

(6)非探邊注漿效果

為了探明勘探探測(cè)巖溶邊界后與非探邊巖溶注漿效果，工程對(duì)編號(hào)為R125溶洞的部分孔在未探邊完成的情況下，進(jìn)行了提前注漿，最終注漿完成后，未超過(guò)預(yù)估量，通過(guò)與探邊完成后的溶洞注漿進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明提前注漿對(duì)注漿量影響不大，依然可控。同時(shí)R125溶洞取芯結(jié)果滿足要求，說(shuō)明該施工流程不會(huì)對(duì)施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

根據(jù)本文上述注漿方案進(jìn)行的巖溶注漿，已完成部分施工任務(wù)，并全部進(jìn)行取芯抗壓試驗(yàn)，根據(jù)檢芯樣結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果顯示其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度范圍0.4～3.4 MPa，最小抗壓強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)要求的0.2 MPa，表明上述巖溶注漿處治方案和采用的注漿參數(shù)與工藝均可達(dá)到較好的處理結(jié)果，可確保盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的安全，滿足工程需求。

6.2 建議

(1)采用水灰比為1∶1的單液漿進(jìn)行注漿填充；針對(duì)開口溶洞，應(yīng)先使用配合比為1∶1∶0.2的雙液漿進(jìn)行封邊處理，封邊完成后再進(jìn)行單液漿填充；一次注漿過(guò)程中，分段注漿控制在2 m一段，后續(xù)重復(fù)注漿時(shí)，分段可根據(jù)注漿壓力情況調(diào)整為4 m。

(2)溶洞周邊封孔孔位注漿壓力應(yīng)控制在2 MPa左右，內(nèi)部孔注漿可控制1～1.5 MPa，排氣孔附近注漿壓力可控制在1 MPa左右。

(3)以注漿壓力為主，注漿量為輔，并結(jié)合排氣孔冒漿情況，對(duì)終孔時(shí)機(jī)進(jìn)行控制。將每段的未探明溶洞采用雙液漿進(jìn)行封邊，內(nèi)部注單液漿進(jìn)行處理，以達(dá)到注漿量可控。