崔 明，于洪彪，王 超，石紅偉

(1.中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024；2.中交隧道工程局有限公司，北京 100024)

0 引言

我國(guó)巖溶地質(zhì)面積排名世界第一，隨著軌道交通工程的迅猛發(fā)展，盾構(gòu)隧道建設(shè)中頻繁遇到巖溶地層，眾多學(xué)者對(duì)巖溶區(qū)盾構(gòu)施工進(jìn)行了研究。周華貴等[1]對(duì)大連地鐵5號(hào)線海底隧道巖溶勘察、隧道設(shè)計(jì)、盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性進(jìn)行了闡述，確定了海域巖溶盾構(gòu)隧道的勘察方法、點(diǎn)位布置、加固范圍和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，提出了“以洞外處理為主，洞內(nèi)處理為輔”的原則。舒恒等[2]依托武漢超大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目，綜合考慮圍巖等級(jí)、溶洞尺寸和填充情況等因素，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了最小安全距離分段計(jì)算準(zhǔn)則和加固范圍。張政[3]分析計(jì)算溶洞對(duì)隧道安全性的影響，提出了針對(duì)不同溶洞大小、方位和填充情況的處置措施。徐冠玉等[4]總結(jié)了廣州巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)大型工程溶(土)洞處理措施。魯文博等[5]針對(duì)水下盾構(gòu)隧道溶洞處理，制作了鋼圍堰作業(yè)平臺(tái)，并明確了注漿加固的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。Cui 等[6]針對(duì)巖溶區(qū)盾構(gòu)施工提出了系統(tǒng)的溶洞處理方法，并總結(jié)了盾構(gòu)穿越后地表和建筑物沉降規(guī)律。Wang等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究了上覆砂層溶洞誘發(fā)坍塌機(jī)制。Tao等[8]針對(duì)巖溶區(qū)盾構(gòu)下穿火車(chē)站工況，提出了超級(jí)管棚支護(hù)、圍巖加固、仰拱灌漿和襯砌加固等措施，通過(guò)數(shù)值分析和后期監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了措施的有效性。Yang等[9]依托水下盾構(gòu)隧道工程，研發(fā)了新型注漿材料并提出了有效的注漿方法。葉忠[10]系統(tǒng)分析了串聯(lián)式、并聯(lián)式采石箱的特點(diǎn)，詳細(xì)研究了格式滾筒式和重力自落式采石箱在泥漿環(huán)流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，以解決全斷面卵石滯排問(wèn)題。賀開(kāi)偉等[11]更進(jìn)一步，分析了雙模盾構(gòu)模式對(duì)砂卵石地層的適應(yīng)能力，介紹了將螺旋輸送機(jī)連接到泥漿環(huán)流系統(tǒng)中出渣排漿情況。

相關(guān)研究多集中在溶洞方位、直徑等幾何空間特征對(duì)隧道穩(wěn)定的影響，溶洞強(qiáng)發(fā)育區(qū)處置措施和注漿參數(shù)不夠清晰，而溶洞勘察注漿量計(jì)算過(guò)程和方法尚不明確。在砂卵石地層，泥水盾構(gòu)設(shè)備選型和泥水環(huán)流系統(tǒng)研究有一定進(jìn)展。但在巖溶及破碎帶地層設(shè)備適應(yīng)性研究和應(yīng)用尚存在局限。本研究依托廣州地鐵12號(hào)線棠溪站—南航新村站區(qū)間工程，系統(tǒng)總結(jié)強(qiáng)巖溶區(qū)勘察、處理措施，通過(guò)數(shù)值模擬分析巖溶處置范圍，提出雙模盾構(gòu)設(shè)計(jì)以及泥水環(huán)流系統(tǒng)的改進(jìn)措施，以提升巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)盾構(gòu)隧道的建設(shè)水平。

1 工程概況

廣州地鐵12號(hào)線棠溪站—南航新村站區(qū)間左線長(zhǎng)688.67m，右線長(zhǎng)688.625m，盾構(gòu)始發(fā)位于大浦南路，周邊建筑物密集，區(qū)間下穿嘉悅物業(yè)廠房、大浦南路臨街廠房、南航新村停車(chē)樓、大直徑污水管等。盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)剖面如圖1所示，線路為V字坡，最大坡度25.0‰，隧道頂板埋深18.36～26.61m。盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)占比如圖2所示。地下水主要為基巖裂隙水，穩(wěn)定水位埋深為1.30～9.50m，溶洞見(jiàn)洞率75.2%，溶洞高0.2～6.5m，區(qū)間存在斷裂帶、粉質(zhì)黏土層和砂層，盾構(gòu)姿態(tài)容易失控、栽頭，掌子面壓力難以控制，可能造成地表坍塌和建筑物傾斜等災(zāi)害。

圖1 盾構(gòu)隧道區(qū)間地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of the tunnel line

圖2 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)占比分析Fig.2 Geological proportion of shield tunnel face

2 溶洞勘測(cè)和處理

2.1 溶洞探邊

溶洞勘測(cè)和處理分階段進(jìn)行，詳勘階段鉆孔間距平均12m，補(bǔ)勘階段間距5m。在詳勘和補(bǔ)勘的基礎(chǔ)上，先進(jìn)行溶(土)洞平面范圍試探測(cè)，以揭出溶(土)洞鉆孔點(diǎn)為中心，向四周布置2m×2m的探邊孔(見(jiàn)圖3)。探邊孔同時(shí)作為注漿孔和排氣孔，排氣孔每洞至少1個(gè)，超過(guò)4m間距時(shí)增加排氣孔。直至鉆孔無(wú)揭露巖溶時(shí)，單個(gè)溶(土)洞探邊結(jié)束。棠南區(qū)間存在大量串珠型溶洞，由溶洞探邊鉆孔芯樣可知，該鉆孔處存在3個(gè)溶洞，如圖4所示。

圖3 巖溶隧道加密探孔示意Fig.3 Schematic diagram of dense exploratory holes in karst tunnel

圖4 溶洞探邊鉆孔芯樣Fig.4 Core sample of exploring borehole for karst cave

2.2 溶洞空間形態(tài)測(cè)繪

在現(xiàn)場(chǎng)探邊鉆芯取樣的基礎(chǔ)上，繪制溶洞形態(tài)包絡(luò)圖，經(jīng)過(guò)業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工方確認(rèn)后，計(jì)算出理論注漿量。以D33號(hào)溶洞為例，介紹溶洞包絡(luò)圖繪制和注漿量計(jì)算，通過(guò)溶洞的平面圖、剖面圖以及三維BIM圖，可以直觀了解溶洞的大小和形態(tài)及與隧道的相對(duì)位置(見(jiàn)圖5～7)。

圖5 D33號(hào)溶洞包絡(luò)圖Fig.5 Envelope diagram of the D33 karst cave

圖6 D33 探孔中溶槽溶洞位置Fig.6 Location of karst cave

圖7 探孔溶槽溶洞和隧道的位置關(guān)系Fig.7 Location relationship between karst cave and tunnel

D33號(hào)溶洞處理總量為753.16m3。通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)注漿量的校核分析，巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)地層注漿擴(kuò)散系數(shù)為2，充填系數(shù)為0.8。

2.3 溶(土)洞處置范圍確定

采用MIDAS/GTS NX有限元軟件，建立二維有限元模型，模型中根據(jù)隧道實(shí)際埋深20m，盾構(gòu)管片外徑為6.4m，厚度為0.3m，環(huán)寬1.5m。按照5倍以上洞徑影響區(qū)建立多工況有限元模型，如圖8～10所示，通過(guò)成型隧道的變形、受力和圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況，分析溶(土)洞的理論處理范圍。

圖8 二維有限元模型Fig.8 Two dimensional finite element model

圖9 圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況Fig.9 Development of surrounding rock plastic zone

圖10 隧道管片軸向應(yīng)力Fig.10 Axial stress distribution of segment structure

通過(guò)數(shù)值計(jì)算和該地層的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，溶(土)洞處理范圍：盾構(gòu)區(qū)間揭露的影響范圍內(nèi)的土洞必須嚴(yán)格處理；隧道結(jié)構(gòu)外3m范圍以內(nèi)，地表到隧底之間的溶洞均需處置；隧底位置為灰?guī)r地層時(shí)，3m范圍以內(nèi)溶洞均需處理，以保證盾構(gòu)區(qū)間施工期和運(yùn)營(yíng)期的安全。

2.4 溶洞處理工藝流程

根據(jù)注漿漿液性質(zhì)不同，分為水泥砂漿、水泥漿和雙液漿施工工藝，在正式注漿施工之前，進(jìn)行材料進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)和注漿工藝性試驗(yàn)，取得合適的注漿參數(shù)后再進(jìn)行大范圍注漿施工。根據(jù)溶(土)洞位置、大小及填充情況，采取不同注漿措施和配合比?，F(xiàn)場(chǎng)溶(土)洞處理流程和注漿參數(shù)如圖11和表1所示。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)溶(土)洞處理流程Fig.11 Karst (soil) cave treatment process on site

表1 溶(土)洞處理注漿參數(shù)Table 1 Grouting parameters for karst (soil) cave treatment

2.5 注漿順序

原則上單個(gè)溶(土)洞范圍內(nèi)所有鉆孔完成并查明溶(土)洞大小后，再進(jìn)行壓漿處理，但對(duì)于巖面上覆砂層或溶洞洞徑大的情況，應(yīng)邊探邊注漿以防止地表坍塌，如圖12所示。每個(gè)鉆孔完成后，根據(jù)溶(土)洞大小選取相應(yīng)型號(hào)灌漿管，灌漿順序?yàn)閺耐庵羶?nèi)，先用雙液漿作止?jié){墻加固范圍線，再逐步加密灌漿孔，周邊孔與中央孔可交替注漿。

圖12 溶(土)洞分塊注漿Fig.12 Stage grouting of karst (soil) cave

2.6 注漿質(zhì)量檢驗(yàn)

溶(土)洞注漿質(zhì)量檢驗(yàn)以檢測(cè)注漿體的固結(jié)狀態(tài)和強(qiáng)度為主。注漿質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：要求取芯完整，標(biāo)貫擊數(shù)應(yīng)≥10擊，抽檢1%孔數(shù)，且≥3點(diǎn)，每個(gè)溶(土)洞≥1次，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.2MPa。經(jīng)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)取芯完整，實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)為15～20擊。

在盾構(gòu)掘進(jìn)穿越巖溶地層時(shí)，切口壓力穩(wěn)定，泥漿池液位與非溶洞區(qū)變化規(guī)律一致，渣土中的注漿水泥塊等也進(jìn)一步驗(yàn)證了溶洞處理效果。統(tǒng)計(jì)了450～452環(huán)上土倉(cāng)壓力的波動(dòng)情況，3環(huán)土壓基本在0.252～0.268MPa，土倉(cāng)壓力波動(dòng)在0.015MPa以內(nèi)，如圖13所示。

圖13 土倉(cāng)壓力的分布特征Fig.13 Distribution characteristics of soil pressure

3 盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

區(qū)間隧道采用2臺(tái)開(kāi)挖直徑為6 700mm的土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行雙線施工。

3.1 螺旋輸送機(jī)串聯(lián)到環(huán)流系統(tǒng)

為了解決破碎帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、上軟下硬地層普遍存在的滯排問(wèn)題，泥水模式下將螺旋輸送機(jī)通過(guò)法蘭連接到土倉(cāng)底部，以解決渣石滯排問(wèn)題。同時(shí)配備輥筒式破碎機(jī)，安裝于螺旋輸送機(jī)出土口，頻率為20次/min，用于將大顆粒塊石破碎，防止泥漿箱與排漿泵堵塞，提升整個(gè)泥水環(huán)流系統(tǒng)的出渣能力，如圖14所示。統(tǒng)計(jì)左線480環(huán)土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)壓力的波動(dòng)情況，螺旋輸送機(jī)壓力和土倉(cāng)上、中、下3個(gè)位置壓力趨勢(shì)一致，螺旋輸送機(jī)壓力與下土倉(cāng)位置的壓力差控制在0.02MPa以內(nèi)(見(jiàn)圖15)。

圖14 串聯(lián)螺旋輸送機(jī)的泥水盾構(gòu)機(jī)Fig.14 Slurry shield machine with series screw conveyor

圖15 泥水倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)壓力變化趨勢(shì)Fig.15 Pressure of slurry chamber and screw conveyor

3.2 復(fù)合刀盤(pán)及鑲齒滾刀的選擇

區(qū)間主要穿越中、微風(fēng)化灰?guī)r，刀盤(pán)開(kāi)口率35%，采用輻條+面板形式，裝配刀配鑲齒型滾刀，提高刀具承載能力如圖16所示。通過(guò)轉(zhuǎn)換座可以實(shí)現(xiàn)刀具種類間的互換，需要時(shí)可更換為重型撕裂刀等，同時(shí)滿足17英寸和18英寸刀具互換(1英寸≈2.54cm)，以適應(yīng)不同地層掘進(jìn)需要。滾刀高175mm，刮刀高135mm，刀高差40mm，推力和扭矩隨著地層差異基本同步變化，平均值分別為15 864kN和1 136kN·m，貫入度控制在4～10mm，如圖17所示。推進(jìn)過(guò)程中遵循大推力、小貫入度和小扭矩的原則。通過(guò)刀盤(pán)設(shè)計(jì)、刀具選擇及掘進(jìn)參數(shù)控制等綜合措施，換刀距離可以達(dá)到200m以上。

圖16 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)和鑲齒滾刀Fig.16 Cutter head structure and hobs

圖17 盾構(gòu)推力和扭矩變化趨勢(shì)Fig.17 Variation trend of shield thrust and torque

3.3 超前探測(cè)和注漿鉆機(jī)配置

盾體設(shè)計(jì)時(shí)配置超前鉆機(jī)，并在外周方向預(yù)留了6個(gè)超前注漿孔。掘進(jìn)時(shí)遇到溶洞、土洞可連接超前注漿系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行填充，加固前方土體?，F(xiàn)場(chǎng)因區(qū)間巖溶處理效果良好，在施工過(guò)程中基本未使用超前鉆機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于廣州地鐵棠南區(qū)間隧道巖溶發(fā)育、存在多處斷裂帶和黏土層，周邊建筑物林立、城市環(huán)境復(fù)雜，通過(guò)溶(土)洞的處理和盾構(gòu)機(jī)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)提升了區(qū)間隧道的施工水平。

1)詳勘階段鉆孔間距平均12m，補(bǔ)勘階段間距5m，溶洞處理階段采用2m×2m探邊鉆孔，有效提升溶洞處理質(zhì)量，降低不確定性，以保證盾構(gòu)隧道施工期和運(yùn)營(yíng)期的安全。

2)總結(jié)了溶(土)洞注漿量計(jì)算方法，以實(shí)例解釋了見(jiàn)洞面積、平均洞高、漿液擴(kuò)散系數(shù)和注漿填充系數(shù)取值和計(jì)算方法。建議溶洞強(qiáng)發(fā)育區(qū)地層注漿擴(kuò)散系數(shù)取2，充填系數(shù)取0.8。

3)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬，分析了溶(土)洞的處理范圍。隧道影響范圍內(nèi)的土洞必須處理，3m范圍內(nèi)的溶洞根據(jù)溶洞直徑和填充情況，進(jìn)行水泥砂漿或水泥漿加固，當(dāng)溶洞范圍超出隧道影響范圍時(shí)，采用雙液漿做止?jié){墻。給出了注漿配比，現(xiàn)場(chǎng)注漿取芯完整、實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)為15～20擊，固結(jié)狀態(tài)和強(qiáng)度滿足要求。

4)針對(duì)在灰?guī)r地層溶洞發(fā)育、存在斷裂帶、地下水豐富等水文地質(zhì)特點(diǎn)，采用了泥水/土壓平衡盾構(gòu)雙模設(shè)計(jì)，并將螺旋輸送機(jī)和輥筒式破碎機(jī)串聯(lián)到泥水環(huán)流系統(tǒng)中，解決了渣土滯排問(wèn)題，保證了土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定。