盾构穿越溶腔施工技术

张元海（粤水电轨道交通建设有限公司，广东 广州　510610）

盾构穿越溶腔施工技术

张元海
（粤水电轨道交通建设有限公司，广东 广州510610）

以穗莞深城际铁路施工过程中盾构突遇溶腔处理为案例，总结了盾构突遇溶腔的施工技术。首先采用超前探孔结合数据影像采集处理，探明了盾构前方异常段落的地质情况；然后根据已探明的溶腔体的分布、稳定状况和内环境条件，分别采取直接通过、填仓填腔、砂浆填充等方法；最后将盾构机进行预抬头处理，小扭距、小推力掘进，同时进行三次注浆及地面监控量测，使地面沉降量可控，对地表建（构）筑物影响小。该施工技术适用于城际轨道交通隧道上方建筑密集环境下的盾构隧道工程。

盾构隧道；溶腔；探测；处理；施工技术

在轨道交通建设过程中，因为城镇发展水平较高，轨道交通隧道工程经常下穿重要交通、工业、民用建筑物；同时，受地质勘探深度影响，地质勘查无法做到全覆盖，只能通过隧道两侧加密地质探孔的方法来定向反映盾构区间地质情况。隧道在掘进过程中容易遇到一些未探明的溶洞、溶腔；盾构施工时，一旦顶穿溶洞、溶腔，有可能造成突水、突泥及盾构陷落等工程事故，同时对地面建筑物造成一定破坏，产生较大的不良社会影响。

现有的溶洞、溶腔一般采用地质垂直钻探、红外探测、TSP、地质雷达、超前水平地质钻孔等探测技术，探明溶洞、溶腔边界及填充物质等。地面一般采用注浆超前预处理。如桂林［1］采用了高密度电阻率法、电磁波CT物探法、加密钻孔等综合探测方法，探明了溶洞的分布与填充情况。宋明福等［2］则利用高密度电阻率法、高频大地电磁法、瞬变电磁法和地震反射波法4种方法，对岩溶、断裂构造或破碎带等不良地质情况进行了勘探判识。

本文根据穗莞深城际轨道交通太平隧道虎虎盾构区间施工情况，介绍了在地面不具备作业条件下，突然遇到溶腔时，如何采取有效措施探明溶腔，并利用盾构机上的有限作业空间，采取施工技术，安全高效地通过溶腔。

1　工程概况

根据穗莞深城际轨道交通线定测隧道工程（DK42+16.447—DK41+178.678）岩土工程勘察报告［3］，本区段盾构隧道穿行的地层为第三系泥质砂岩、砂岩、含砾砂岩；地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水。盾构隧道埋深约28 m，地面为交通繁忙的256省道，附近没有桥桩结构，盾构隧道采用8 800 mm土压平衡盾构机施工。

2　溶腔发现与探析

2.1突遇溶腔预兆

一般而言，盾构掘进过程中，水文地质条件没有明显变化、埋深没有突变，地面监测没有出现异常情况下，仓内压力基本稳定；而虎虎区间从1#盾构井往虎门火车站正常推进至736环时，土仓上部土压由原来正常掘进时的100 kPa急剧下降为50 kPa，刀盘扭矩由2 100 kN·m急剧降低至1 000 kNm，暂停掘进后对地面进行沉降监测，没有发现异常；再次启动掘进模式2 min，土压及刀盘扭矩呈直线下降，土压骤降至25 kPa，刀盘扭矩骤降至 350 kN·m，立即停机处置。地面连续监测未见异常，初步判定盾构机前方异常，可能遇到空腔体。

2.2探明前方空腔体方法

采用超前探孔结合数据影像采集处理探明前方异常段落的地质情况。

2.2.1超前探孔的设置

盾构土仓隔板上有多个预留孔，在预留孔安装密封装置后作为超前探孔的孔口，缓慢开启密封装置同时监测孔口情况，缓慢转动刀盘，使刀盘开槽位置中心与密封孔洞中心对准。从装有密封装置的预留孔中推出套管，套管推进端采取柔性密封处理，将套管推进端直抵盾构刀盘切削面，可适当施加压力使套管与岩面紧贴。利用无腿手风钻通过接长套管的方法将刀盘至溶腔之间的岩体钻通，完成超前探孔的钻设。

2.2.2溶腔内气体的采集分析

采用便携泵吸式综合气体检测仪对溶腔内气体进行采集分析，见图1。测定溶腔内气体是否可燃或有毒。如溶腔内气体有毒或可燃，必须增加防毒、防燃措施后再进行后续施工；如检测判定为常规气体，则按常规施工。

图1　溶腔内气体检测示意

2.2.3数据影像采集

采用改进后的工业内窥镜对溶腔体进行数据影像采集。内窥镜作业前，通过高压风将套管内的水渣清理干净，内窥镜集光、机、电等于一身，检测仪器由智能旋转镜头、智能控制器、弹性 GFRP伸缩线盘等组成，见图2。

图2　数据影像采集设备

数据影像采集过程如下：将视频及红外测距采集头放置于套管中，采集头与外置控制箱（含液晶显示器）通过柔性检测线连接，伸长可伸缩推进杆，将视频采集头推进至套管外的溶腔中，采用镜头的光学变焦技术，通过镜头轴向360°旋转，径向220°翻转，使检测无死角，细致精密检测溶腔内部情况，以获得较全面的图像和精准的红外测距数据，为后期分析提供良好的数据影像资料。通过自带可调整亮度的环境光和辅助后置光源，使检测可在黑暗环境中获取清晰图像（见图3）。

图3　数据影像采集的溶腔照片

2.2.4溶腔体判释

通过配套的应用软件结合专门开发的数据分析软件，根据不同方向（轴向和径向）、不同光学焦距获取的数据，分析溶腔空间情况；同时通过套管采用特殊渣土采集装置，采集溶腔底部的渣土样本作试验分析，并提取溶腔体内的水深、水质等数据，结合数据影像分析结果，确定溶腔空间、溶腔与隧洞的关系，溶腔的稳定状况等，作为下一步溶腔处理的依据并指导盾构掘进施工。

3　溶腔的处理

根据溶腔体的边界条件、溶腔体的稳定状况，溶腔体的内环境条件综合分析，因地制宜确定溶腔处理方案。

3.1直接通过

如围岩稳定，溶腔分布于刀盘正面投影范围内（见图4（a）），在无水或少水情况下不用充填溶腔，盾构快速通过即可；如水量较多，可以在土仓内注入膨润土处理。

图4　溶腔体与盾构刀盘相对位置示意

3.2填仓填腔法

如围岩不稳定，溶腔分布于刀盘正面投影范围之外（见图4（b）），有掉块现象，地下水较多，可采用填仓填腔法［4］，利用已经钻通的孔洞通道，注浆填充盾构机土仓及溶腔体。注浆材料采用低强度混合填充材料。混合材料质量比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶水= 3∶6∶3∶11，其中水泥用量为150 kg。

3.3砂浆填充

如溶腔分布于刀盘正面投影前方和下部（见图4（c）），采用接管法，由近盾构机侧往远盾构机侧根据溶腔的轴向长度和深度，分层灌注自流平砂浆，自流平砂浆略高于刀盘下部约5 cm［5］。

4　盾构通过溶腔的方法

4.1掘进方法

恢复掘进时，通过盾构机上的主动铰接装置和分区油压千斤顶，将盾构机进行预抬头处理。小扭距、小推力掘进，直至通过溶腔段，每掘进一环，即在该环管片后进行低压第一次注浆，然后对前面已注浆的管片加压进行第二次注浆。同时，对上方建筑物进行监控量测，并将监控量测数据反馈给施工方，指导掘进参数调整。

4.2多次注浆

通过溶腔段后，适当加大推力掘进，直至全部刀盘进入岩土层10环位置，对溶腔范围的管片进行第三次注浆。

5　结语

1）采用超前探孔结合数据影像采集处理的综合方法探测溶腔，掌握溶腔体的分布及腔内环境情况，为后续施工提供可靠的地质资料。

2）根据已探明的溶腔体的分布、稳定状况和内环境条件，针对不同情况分别采取直接通过、填仓填腔及砂浆填充等方法处理溶腔。

3）对盾构掘进措施进行改进。采用预抬头处理，小扭矩、小推力盾构掘进，减少地层扰动；通过三次注浆及地面监控量测，使地面沉降量可控，对地表建（构）筑物影响小。

4）由于溶腔体内采取了处理措施，溶腔上方地面免于加固处理，隧道上方的建筑物不需拆迁，减少了对社会的不良影响。

［1］桂林.广州地铁五号线岩溶地区盾构隧道工程技术研究［J］.桂林工学院学报，2008，28（3）：324-329.

［2］宋明福，刘宏岳.大直径水底盾构隧道不良地质及疑似溶洞探测技术的应用［J］.隧道建设，2013，33（2）：122-128.

［3］中铁第四勘察设计院集团有限公司.穗莞深城际轨道交通线定测隧道工程（DK42+16.447～DK41+178.678）岩土工程勘察报告［R］.武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2009.

［4］徐美华.龙潭隧道穿越填充含水性土石类溶洞的处理技术［J］.铁道建筑，2006（2）：34-37.

［5］汪海波，刘文解，马成，等.大断面隧道溶洞处理技术研究［J］.铁道建筑，2014（11）：75-77.

（责任审编葛全红）

Construction Technology of Shield Tunnel Passing Through Karst Cavity

ZHANG Yuanhai
（YSD Rail Transit Construction Company Limited，Guangzhou Guangdong 510610，China）

T akingkarstcavitytreatmentencounteredinGuangzhou-Dongguan-Shenzhenintercityrailway construction as an example，the construction technology of shield tunnel which encounters karst cavity was concluded in this paper.Geological condition of abnormal section ahead the shield was ascertained by adopting the methods of advanced borehole and data image acquisition and processing，some measures were used such as passing through directly，filling the chamber and cavity，filling with mortar according to karst cavity distribution，stability and internal environment，pre head rising processing and excavation with small torque and small force of the shield machine were conducted and three grouting and ground monitoring measurement were implemented，which could ensure the ground subsidence control and the small influence on the surface building.T he construction technology presented in this paper is applied to the shield tunnel project in the dense building environment above the intercity rail transit tunnel.

Shield tunnel；Karst cavity；Detection；T reatment；Construction technology

张元海（1974— ），男，高级工程师。

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.18

1003-1995（2016）07-0074-03

2015-12-10；

2016-04-25