盾构隧道穿越江底溶洞发育区若干关键技术探析

马福东

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

盾构隧道穿越江底溶洞发育区若干关键技术探析

马福东

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

地铁盾构区间穿越江底岩溶发育区在全国尚属首例,难度极大。以长沙地铁3号线为工程依托,总结盾构区间穿越湘江下方溶洞群的关键技术。湘江西河汊320m范围内串珠状溶洞集中发育,岩溶水与湘江存在水力联系,盾构施工易引起溶洞坍塌、涌水、机器陷落等突发状况,风险较大,通过工程分析、类比和归纳等方法,提出江底岩溶区盾构工程的风险和重难点,并对溶洞专项勘查、加固方案、注浆参数,特别是串珠状溶洞加固措施以及加固检测标准等进行详细阐述,并结合类似工程实践经验对以上关键技术提出设计施工原则和相关建议。

地铁；盾构隧道；溶洞发育；串珠状；高压脉冲注浆； 多层套管

据统计，2016年年底全国已经有48个城市在建城市轨道交通线路总规模达5 636 km，共有58个城市线网规划获批，规划线路总长达7 305 km[1]。轨道交通建设规模空前庞大，诸多技术难题也随之出现，岩溶发育不良地质逐渐成为困扰轨道交通建设的突出难题之一。广州、深圳、佛山、南宁、武汉、徐州、南京等地轨道交通建设过程中都遇到区间穿越地下岩溶的情况，并积累了一定的经验。

长沙地铁3号线阜灵区间穿越江底岩溶发育区在全国尚属首例，沿线路方向约320 m范围内湘江江底溶洞密布，见洞率约为78%，串珠状层数高达12层，最高溶洞22.46 m，工程建设难度极大。建设方多次邀请国内专家学者对本工程实施风险和处理措施进行研究探讨，结合工程设计和施工过程，总结盾构区间穿越江底岩溶发育区的关键技术，可以给类似工程提供可靠的设计思路和参考价值。

1 工程及地质概况

1.1 工程概况

长沙市轨道交通3号线阜埠河站—灵官渡站区间全长2 659.5 m，区间下穿潇湘中路东侧河堤后，依次下穿湘江西河汊、橘子洲岛及湘江东河汊，到达湘江中路，越江段长约1 400 m，越江隧道平面示意如图1所示。下穿溶洞段隧道顶高程6.78 m，覆土最浅为14.88 m，采用泥水加压式盾构机施工，盾构隧道断面内径5.5 m，外径6.2 m，管片厚350 mm。

1.2 工程水文地质

(1)地貌及地层岩性

越江段溶洞发育区主要位于湘江西河汊河床底，河床底高程21.66～22.62 m。根据详勘资料显示，下穿岩溶发育段区间勘查出露的地层主要有第四系(Q)覆盖层和下伏基岩。第四系覆盖层主要包括砂、砾、卵石及残积层；下伏基岩为白垩系戴家坪组(Kd2)砂岩、砾岩，泥盆系跳马间组(Dt)砂岩、泥岩、灰岩、碎裂岩及泥灰岩等，左右线地质纵断面详见图2、图3。

图1 阜埠河站—灵官渡站区间平面

图2 右线区间隧道穿越溶洞发育区地质纵断面

图3 左线区间隧道穿越溶洞发育区地质纵断面

(2)溶洞发育

区间岩溶发育分布里程主要为DK15+800～DK16+120，集中在湘江西河汊及橘子洲西侧，沿线路方向约320 m范围内。隧道洞身、隧道顶板之上，隧道底板之下均有分布，见洞率约为78%，平均线岩溶率约为20.6%。

在泥盆系石灰岩和白垩系砂砾岩中均揭露有溶洞和溶蚀空洞，溶洞及溶蚀空洞分布位置及深度无规律，且大都为多层溶洞或多层溶蚀空洞，呈串珠状，层数高达12层(JZ1-Ⅲ12-FS97孔)，洞高最高为22.46 m(JJZ1-Ⅲ12-FS97孔)，洞高大于3 m的溶洞约占35%。大部分溶洞及溶蚀空洞内有充填物，具有充填物的溶洞及溶蚀空洞所占全部溶洞及溶蚀空洞的比例约为72.2%，充填物大部分为卵石或黏性土夹砂、卵石，饱和，松散～稍密状。

(3)湘江水文

每年4月至7月为湘江丰水期，湘江最高洪水位39.18 m(1998-06-28，吴淞高程)，最低水位25.16 m(2007-12-14，吴淞高程)，年平均水位29.48 m。

(4)地下水类型及富水性

地下水按赋存方式分为第四系松散层孔隙水，层状基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水。

碳酸盐类裂隙溶洞水主要赋存在泥盆系石灰岩中，从钻探揭示的岩溶发育特点和钻探过程中钻孔进水量分析，溶洞充填物以强透水性的砂、砾、卵石层为主，局部无充填，岩溶充填物透水性较好，富水性较好，连通性好，一般具强透水性，涌水量大，可见岩溶水与上部潜水及湘江河水有较为密切的水力联系。

2 工程风险及难点

2.1 工程风险

湘江溶洞发育区所有钻孔揭露的溶洞均为串珠状，相邻溶洞顶板厚0.1～2.7 m，顶板厚度小于0.5 m的溶洞约占35%，顶板厚度小于1.0 m的溶洞约占63%，岩溶发育强烈，顶板承载力较差。溶洞填充物以强透水性的砂、砾、卵石层为主，局部半填充，并且岩溶水与湘江水利存在密切联系。

综合考虑以上种种不利的地质因素，结合类似工程对比和数值分析，可以预见穿越湘江隧道最大风险集中于盾构机穿越串珠状溶洞群地段施工，关键是存在未探明或探明未填充处理好的溶洞，风险表现为如下两方面：一方面，盾构开挖引起原有地层应力和水压力的失衡，在湘江动水压力的作用下造成溶洞坍塌，容易引发河床塌陷、江水倒灌隧道、刀盘前方突水等重大事故;另一方面，对于溶洞位于隧道底部的情况，特别是半填充、无填充的溶洞或加固填充不完全的溶洞，盾构机通过可能造成溶洞坍塌，引发笨重的盾构机体卡机栽头的巨大风险。一旦发生此类事故，造成的损失将不可估量和挽回。

2.2 工程难点

目前在广州、深圳、武汉、济南等城市地铁工程修建中均揭露到溶洞发育的情况[2-5]，积累了一定的工程经验，但是溶洞发育具有隐蔽性、复杂性和无规律性等特点，导致地铁工程穿越溶洞发育区仍存在较多问题没有得到有效实用的解决办法。长沙地铁3号线阜灵区间穿越湘江岩溶发育区，由于溶洞发育区位于湘江西河汊河床底，地处为一级水源保护区，因此工程修建中许多难点亟待解决，主要体现在如下几个方面：

(1)勘查探明溶洞平面分布范围、发育边界、空间规模及特征的手段；

(2)江面上对串珠状和大尺寸溶洞实施加固处理的方法;

(3)岩溶水与湘江存在密切水利联系，保证注浆加固质量的措施;

(3)水下溶洞加固效果的检测方法和标准；

(4)一级水源保护区内注浆施工时，水资源和环境保护措施。

3 关键技术研究

3.1 溶洞发育勘察

探明水下溶洞发育的边界、分布范围、规模及特征是成功有效地进行溶洞加固处理施工的关键前提条件。江底溶洞作为不良地质影响工程安全实施，应进行专项勘查工作[6]。

(1)采用“加密钻探找洞为主，多种物探技术为辅，物探先行，钻探验证，综合探测分析”的原则进行。

(2)结合高密度电阻率法、高频大地电磁法、水域地震反射法3种技术探测，钻探验证。综合物探在不同物性角度对探测成果均有不同的贡献，一般高密度电阻率法探测范围50 m，对异常体灵敏有效；大地电磁法在大于25 m范围内有效，探测效果好；地震反射法分辨率高，划分地层分界效果显著。尽管目前物探技术还不能被多数工程实践采用，究其原因主要是探测过程的干扰和结果解析经验不足。根据阜灵区间隧道南侧的穿越湘江南湖路隧道工程[7]修建经验显示，3种物探手段结合使用能够得到可靠的结果，可为进一步钻探找孔提供依据。

(3)湘江岩溶发育区按照复杂场地考虑，根据规范要求勘探布孔间距10～30 m，显然不能满足本工程实际需要。专项勘查的目的是寻到溶洞边界，钻孔应沿隧道中心线布置，并且围绕已探明揭露有溶洞钻孔为中心向外加密补钻，寻找揭露溶洞的边界，加密钻孔孔距3 m×3 m，直至不见洞时立即停钻。

(4)湘江岩溶发育区所有钻探孔全部按照控制性孔进行设计，勘探孔进入结构底板以下不应小于3倍隧道直径，或进入结构底板以下中风化或微风化岩石不应小于5 m。并且钻孔一旦揭露到溶洞时，应继续增加钻孔深度，直到溶洞底部为止。

另外，湘江岩溶发育区作为专项勘探对象，应在详勘阶段就作为重点内容由勘查单位开展钻孔加密寻找溶洞边界的工作。若将溶洞边界的查明工作推迟到施工阶段由施工方结合加固处理一起实施，溶洞边界的确定和前期设计方案均会产生较大误差，这应该引起工程建设管理方的重视。

3.2 溶洞加固范围

结合数值计算分析及工程实践，盾构隧道上方、侧面、下方一定范围内的溶洞都需要处理。

建议水面对岩溶发育区处理范围：对盾构隧道洞身及隧道顶部、隧道侧壁以外3 m及底板以下8 m范围内，所有揭露到的溶洞均进行加固处理。对揭露的串珠状溶洞，当隧洞底部溶洞之间的竖向岩层厚度小于1 m时，紧邻的下层溶洞也应进行相应的加固处理。在湘江水面对岩溶发育区进行加固处理的范围如图4所示。

图4 溶洞发育区加固处理范围示意(单位：mm)

3.3 溶洞加固方案

目前，在盾构机内进行超前加固处理基本很难实现，为规避盾构穿越溶洞区掘进开挖时的风险，最可靠的办法就是在盾构掘进开挖前预先在湘江江面实施江底溶洞加固处理措施。通过比选湘江搭建固定式平台、筑堤、筑岛、移动船等方案，最终采用江面搭建固定式平台，预留注浆施工孔，在江面进行江底溶洞加固处理的方案。

湘江岩溶发育区内分布大量溶洞，溶洞高度0.5～22.5 m，根据溶洞的填充类型、填充物的特性、溶洞规模等不同状况，采用不同处理方案。

(1)高度大于3 m的半充填、无充填溶洞

①首先高压灌注低强度等级混凝土，然后实施高压脉冲注浆加固裂隙。

②采用C20细石混凝土，通过试验确定合理的坍落度，确保混凝土具有较好的流动性，灌注混凝土塌落度建议取15～22 cm。

③灌注混凝土压力取2.0～3.0 MPa。

④待灌入混凝土量达到理论计算用量且灌注压力稳定时，即可停止灌注作业。

⑤溶洞规模较大，尺寸超过15 m时，可以先灌入砾石填充溶洞空腔，再扫孔灌注混凝土。填充的砾石为后续浆液的灌入起到了骨架作用，既节省灌浆材料又可使浆液有效充填。

另外，长沙地铁3号线河西段岩溶发育，曾尝试地面吹砂填充的处理方法充填大尺寸的溶洞，但由于地下水丰富等原因导致效果不理想，因此不建议在江面采取吹砂的方案填充江底溶洞。

(2)高度大于3 m的全填充溶洞及高度小于3 m的溶洞

①溶洞先采用水下不分散的黏土水泥膏浆进行低压脉冲封堵注浆，然后采用黏土水泥膏浆进行高压脉冲挤密注浆。封堵注浆是对溶洞通道、溶蚀空腔采用水下不分散抗冲蚀灌浆材料进行有效的充填，封堵地下水流；高压挤密是对溶洞内充填物进行有效的高压挤密泌水固结，提高管道洞穴复合充填物整体力学性能及其抗渗强度。

②高压脉冲注浆：采用一种由螺旋管或长圆管、单向高压冲挤接头、全面钻头组成的高压冲挤注浆钻具，直接利用注浆液作为钻孔冲洗液，并通过高压脉动注浆泵压送于孔底，在孔底高压冲挤钻机具局部封阻作用下，瞬间产生一定的脉冲注浆压力，随钻随注，注护结合。钻注过程中，按照自上而下每间隔钻0.5～1.0 m后，上提孔内高压冲挤注浆钻具一个间隔段，进行孔口封闭与回浆压力控制，在孔口与孔内(注浆段上部)双重封阻条件下，产生一种脉动式瞬间冲挤高压，达到对地层实施有效可控、高压冲挤、劈楔压渗注浆的效果。

③低压脉冲封堵注浆时，按照“先小后大、先围后闭”顺序进行，浆液流动度结合膏浆泵输送能力以不大于100 mm为宜，尽可能采用较大的泵量进行充填堆积与推进扩散，直至截流闭气封堵整个岩溶空腔。

④注浆压力：充填封堵灌浆，灌浆压力以满足最大泵量注入率为宜；高压挤密灌浆，采用孔口回浆压力与孔底进浆压力复合控制技术进行，其控制灌浆压力参照表1。

表1 脉冲注浆间隔分段与压力控制

注：进浆压力为减去管路损失后计算压力，可通过改变孔底高压冲挤灌浆机具结构尺寸与脉冲浆量进行调整。

⑤注浆结束标准

充填封堵注浆：当注浆压力达到设计充填冲挤灌浆压力，且注入率≤5 L/min；继续灌注30 min，结束注浆，结束后待凝24～72 h。

挤密注浆：当冲挤灌浆压力达到设计挤密灌浆压力时，且注入率≤1 L/min，继续灌注30 min；或当冲挤灌浆压力达到设计挤密灌浆压力时，且灌入量达到设计单位灌入量时，结束本段挤密灌浆，上提下一个间隔灌注，以此类同，直至全灌浆段钻灌结束。

3.4 钻孔及布孔的原则

根据勘探和注浆加固的需要设置先导孔、止浆孔、加密钻孔兼做注浆孔。

先导孔：区间隧道轮廓以外3 m处沿区间隧道纵向设置先导孔，孔间距3 m，用作物探孔兼做止浆孔。

注浆孔：在确定的溶洞边界范围内，利用加密探孔作为注浆孔，注浆孔间距3 m×3 m，呈梅花形布置。

止浆孔：设置在溶洞边界附近，在注浆孔的基础上加密，止浆孔间距1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置。

钻孔布置如图5所示。

图5 溶洞注浆钻孔布置示意(单位：m)

岩溶注浆施工顺序应遵循逐渐加密的原则，先周边后中间；同一排孔分三序进行。对于溶洞规模较大，且动水压力较大的溶洞，实施止浆孔注浆时可采用群孔同时灌注水下不分散黏土水泥膏状浆液的方法，进行类似于“围堰截流闭气”高强度充填封堵注浆。

3.5 串珠状溶洞注浆加固

串珠状溶洞采用多层套管工艺[8-12]进行注浆，遵循“小口径钻孔、孔口封闭、分段搭接、自上而下分段注浆”的原则。

注浆孔结构如图6所示，多层套管分级不宜超过3层。第一层采用φ1 700 mm钢护筒从江面插入岩层内不小于3 m；第二层注浆钻孔直径为φ135 mm，下φ120 mm注浆管，与钢套筒搭接3 m，搭接段采用C30混凝土封闭；第三层注浆孔钻孔直径为φ110 mm，下φ75 mm注浆管，与上一层钻孔搭接2 m，搭接段采用水泥浆液封闭。

多层套管注浆自上而下逐层注浆加固，搭接段及时封闭，可以避免注浆浆液泄漏到江水中，能够满足江面上进行注浆施工时环境和水源保护的要求。同时可以避免串珠状溶洞加固施工时上层地层坍塌的风险。

在造孔过程中，如遇到溶槽、溶沟或小溶洞时，可采取投放片石、碎石夹黏土，或投入水泥进行填塞，使其起到护壁作用，确保护壁泥浆不流失。

图6 多层套管注浆示意

3.6 检测标准

溶洞注浆加固的检测标准，现行规范中未给出明确的要求，参考现在已实施的类似工程[13-17]检测标准如表2所示。

结合本工程的特点，综合考虑加固检测可操作性和开挖期间风险可控两方面的要求，提出阜灵区间下穿湘江岩溶发育区溶洞注浆加固的检测标准如下：

(1)直观标准,加固区内随机钻孔抽芯，芯样应保持连续无明显空洞或蜂窝;

(2)溶洞加固区进行原位测试结合检查取芯孔进行，采用标准贯入试验，标准贯入度不小于10;

(3)渗透系数不应大于1×10-5cm/s。

表2 溶洞注浆加固检测标准统计

4 结语

国内外采用盾构法在城市岩溶发育区修建地下隧道的工程案例不多，尤其穿越江底溶洞发育区的情况尚属首例，施工风险较大，需要在勘查、设计、施工各阶段做好充分的方案论证，采取步步为营的对策。工程设计和施工过程中应在以下方面予以重视。

(1)岩溶发育区组织专项勘察，采用“加密钻探找洞为主，多种物探技术为辅，物探先行，钻探验证，综合探测分析”的原则进行，查明溶洞边界范围。

(2)溶洞处理范围宜采用：盾构隧道洞身及隧道顶部、隧道侧壁以外3 m及底板以下8 m范围内，所有揭露到的溶洞均进行加固处理。

(3)溶洞加固方案应根据溶洞规模、填充类型、填充物的特性等不同情况，采用相应的处理方案，溶洞高度3 m宜作为划分大小规模的界限。对于半填充或无填充的大溶洞宜先采用高压灌注低强度等级混凝土的方案。

(4)江底串珠状溶洞注浆宜采用多层套管工艺进行注浆，遵循“小口径钻孔、孔口封闭、分段搭接、自上而下分段注浆”的原则，套管搭接长度不应小于2 m。

建议：目前我国城市地铁正在大规模建设中，区间穿越溶洞的情况将越来越普遍，基于目前盾构机构造，盾构内尚很难实现超前注浆加固技术，该方面的研究开发具有极大的意义。

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An Approach to Some key Technologies of Shield Tunnel Construction in Karst Development Area under River Bottom

MA Fu-dong

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., BeiJing 100055, China)

As the first engineering project in China, the tunnel of subway passing under karsts region in the bed of river has great difficulties in technology and construction. With reference to Subway Line 3 of Changsha, this article is mainly concentrated on key technologies of tunnel passing karst caves under river. Caves are accumulated west branch of Xiangjiang River and the length of region with caves from east to west is about 320 meters. In the longitudinal direction, there is a series of caves and some of them have connection with the river and collapsing, water gushing, machine falling and other accidents are likely to occur during shield tunneling. The risks and key points of construction are put forward based on engineering analysis, analogical and summary method, and dedicated investigation, reinforcing scheme, grouting parameters, especially reinforcing process and inspection standard are described in detail. Meanwhile, design and construction principles, relevant suggestions associated with above key technologies are provided in accordance with the practices in similar projects.

Subway; Shield tunnel; Cave development; Moniliform; High pressure pulse-grouting; Multilayer casing

1004-2954(2018)01-0093-06

2017-03-18；

2017-05-15

中国中铁股份公司科技研究计划项目(2012-引导-76)

马福东(1971—)，男，高级工程师，1995年毕业于西南交通大学桥梁与地下工程系，主要从事城市轨道交通工程设计和研究工作，E-mail：ztzxmafd@163.com。

U231+.1；U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703180004