全断面岩溶裂隙富水地层土压平衡盾构施工关键技术研究

摘 要：以广州地铁八号线北延段某盾构区间全断面岩溶裂隙富水地层中土压平衡盾构施工为背景，通过对土压平衡盾构在岩溶裂隙富水地层施工导致地层失水、溶洞失稳、地面沉降或塌陷，所采取的一系列施工技术进行研究，并对全程进行技术总结。研究表明，通过采用提前对岩溶裂隙注浆封堵处理和盾构保压掘进技术，成功的解决了在周边环境复杂的岩溶裂隙富水地层盾构掘进中地层失水导致地面塌陷的难题，确保了周边环境安全，为盾构机顺利完成本工程施工任务提供了有力支持，可为相似地层盾构施工提供了宝贵的经验。

关键词：岩溶区；裂隙水；注浆；土压平衡；地层失水

1 引言

广州市地铁八号线北延段线路主要位于瘦狗岭断裂以南构造区。根据地质资料揭示，该区域地质结构溶土洞异常发育，且该区域灰岩上部直接覆盖富水砂层，地下水位高，工程条件异常复杂，在此地层中地下隧道施工风险极大。

本线路位于广州城市城乡结合部，隧道城市发展，地铁线路建设向更深更艰难区域推进，工程建设范围内房屋密集、交通繁忙、地下管线错综复杂，按照线路规划，本工程有八成隧道位于岩溶区，其中局部隧道穿越全断面灰岩，在此地层中盾构隧道的可借鉴施工成功经验有限。同时由于地下条件的复杂性，在现技术条件下无法完全探明地层中的裂隙（溶洞），并提前完成注浆处理，为控制盾构在全段面灰岩且裂隙发育地下水丰富地层中掘进对周边环境的破坏，降低施工风险，需采取一定措施将隧道开挖范围与外部环境水系通道进行隔离，同时采取气压辅助盾构掘进技术，防止原地层中水土流失，降低盾构隧道施工对周边环境的影响，确保施工安全。

2 工程基本情况

本工程区间隧道采用盾构法施工，区间隧道长约为1550m，埋深8-16m，主要穿越地层有富水砂层、钙质灰岩（强风化、中风化、微风化）及上软下硬（砂/灰岩），地下水位为地表以下1.5-2m，其中隧道60%位于全断面岩溶裂隙富水地层中，周边建构筑物密集、地下管线复杂、地面交通繁忙、施工风险高，此区间采用海瑞克双螺旋土压平衡式盾构机施工。

3 施工中存在的问题

在全断面灰岩地层中盾构掘进可能存在的问题如下：

（1）盾构外出渣土量超出理论渣土量。渣土稀且喷涌。

（2）地面沉降值超标。

（3）地面沉降位置距离作业范围远。

（4）地面塌陷位置异常，超出正常盾构施工影响范围。

4 岩溶裂隙富水地层失水导致地层失稳原因分析

4.1 地层原因分析

根据灰岩地层特性[1]，地层中溶洞发育不规律，发育程度不一致，地层中裂隙更是无法完全预判和勘探清楚，且溶洞与溶洞之间、溶洞与上部地层之间以及隧道与溶洞之间可能存在自然水流通道如图1所示，固此地层中无法完全提前对裂隙及溶洞进行注浆或封堵处理。

4.2 地层失稳原理

当盾构隧道掘进至上述地段时，地层中水通过裂隙通道随盾构渣土带出，引起原处于平衡状态的溶洞产生负压，吸引上部地层中砂、水等往溶洞中填充，当失水超过一定数量后，将引起地面沉降，水土流失地层失稳导致地面塌陷，如图2所示。

5 岩溶裂隙处理技术

5.1 工艺流程

岩溶裂隙处理工艺流程[2]，如图3所示。

5.2 岩溶裂隙处理施工工艺

5.2.1 施工准备

（1）技术方案准备。根据灰岩地层中岩溶裂隙及溶土洞发育的不规则性[1]，为有效封堵岩溶裂隙通道，经过研究分析，在注浆机压力作用下将双液浆（水泥浆+水玻璃）压入岩层裂隙，封堵透水通道，地面布孔技术参数如下：

①平面布孔原则：沿隧道方向注浆孔间距2m，距离隧道边线1m，沿隧道中心线方向注浆孔间距5m，单隧道三排注浆孔。

②竖向处理范围：注浆孔深度至隧道底一下2m。

③注浆封堵范围：对隧道底2m至隧道结构顶2m范围内的裂隙进行注浆双液浆，如图4所示。

（2）施工人员及机械准备[3]。根据现场作业面大小及施工进度要求配置施工人员及设备，通常11人/班/套，选择对地层熟悉的技术人员，作业人员需选择有经验的熟练人员，注浆设备采用后退试劈裂注浆。

（3）现场调查。因本工程隧道位于城市道路下发，地下管线复杂，根据设计布孔位置，现场摸查地下管线，查明涉及区域的管线类型及埋深做好标记，同时施工前向作业班组交底。同时，实际作业位置位于道路范围部分提前做好交通疏导工作。

5.2.2 钻孔取芯

（1）采用地质钻机钻孔取芯，通过岩心特点判定探测范围地层裂隙或溶（土）洞的位置、發育情况、及充填物状况。并详细记录各项技术参数，特别标注掉钻、漏水、破碎等异常部位，每个钻孔制作钻孔柱状图。

（2）针对性的分析每个钻孔资料，拟定注浆方案并进行交底。

5.2.3 注浆机安装

（1）钻孔完成后将钻注一体机移动至钻孔位置，安装注浆管（下钻），深度至钻孔底部。（2）利用钻注一体机注双液浆将注浆管和孔壁的间隙填充满，防止后续注浆过程中，从孔壁冒浆。

5.2.4 注浆[3]

（1）拌制水泥浆液，水泥浆配比为水泥：水=1：1。（2）配置双液浆（双液浆水泥浆：水玻璃=1：1，拟定凝结时间40s～45s。（3）钻杆下至岩面位置注双液浆，封堵岩面口及周边砂层，防止浆液外漏。（4）根据钻孔地质资料分析结果，下钻杆至孔底，在加固范围内，针对钻孔过程发现存在漏水、破碎、溶洞部位注双液浆，充分填充渗水通道。根据注浆部位深度及裂隙中注浆压力偏高特点，终孔压力为1.3MPa～1.5MPa（注浆深度16m～22m），岩面以上小压力（0.3MPa）注单液浆填充至孔口进行封口。（5）注浆完成后进行洗管清场。

5.2.5 注浆效果检查

（1）钻孔检查：在已完成注浆处理孔附近钻孔检测（已注浆孔之间），观察检测钻孔钻进过程中是否存在漏水现象，同时检查芯样中破碎区水泥浆含量，若未出现漏水或芯样中含水泥浆，说明浆液已扩散至周边岩层裂隙，达到预期封堵效果。

（2）掘进过程检查，主要通过观察渣土颜色、统计排渣总量检查，或者常压开仓检查，若出渣较干、掌子面无渗漏，说明隧道开挖周边密封性能好，地层无水土流失，裂隙通道封堵效果较好。

5.3 岩溶裂隙处理注浆注意事项

（1）注浆过程中需进行实施监测，根据现场监测情况和注浆压力进行双控，控制提杆或终孔。

（2）严格控制浆液质量，由于地下环境复杂，地下水丰富，为保证效果，双液浆凝固时间调配时按30s～35s，注入地下后方可达到设定的凝结时间40s～45s，达到预期效果。

（3）详细记录现场钻孔情况，为后续针对岩层破碎、漏水、溶洞部位定点处理。

（4）城市中地面施工，地下建（构）筑物较复杂，开孔前需详细摸查，避免破坏地下建（构）筑物。

（5）对于严重漏水、漏浆钻孔或者揭示有溶洞发育钻孔，成孔完成后立即进行注浆封堵，防止钻孔渗漏导致地面塌陷等风险。

6 全断面岩溶裂隙富水地层辅助盾构掘进措施

6.1 盾构掘进模式选择

正常全断面岩地层采用空仓掘进模式，岩溶裂隙发育地段，为确保周边环境安全，降低对溶洞的扰动，采取气压辅助掘进模式，土仓内渣土与压缩气体比例选择2：1左右，即可保持水土平衡，同时减少刀具磨损。

6.2 盾构掘进参数控制

在全断面岩层中采取裂隙注浆处理后，盾构掘进主要参数控制如下：

（1）掘进速度8mm/min～15mm/min。

（2）扭矩2300kN·M～2800kN·M。

（3）推力1000T～1500T。

（4）土压1.2bar～1.5bar（主要为1/3仓气压），保持出渣量均匀稳定，仓压相对稳定。

6.3 掘进效果对比

通过对比相同地层处理和未处理掘进效果，统计分析渣土样式、渣土量、开仓效果、地面异常次数等方面数据，盾构通过掌子面为全断面微风化硬岩裂隙发育、地下水较大的处理区段，较未处理的相同地层地段，渣土样式粘如图5所示，渣土量少出1.5-1.8方/環，开仓掌子面干燥如图6所示，地面监测异常情况为零。

实际盾构掘进效果表面，通过裂隙注浆处理后对岩溶地层裂隙水的流失情况基本得到控制，为较好的进行渣土改良，掘进过程需往土仓加水（平均约3.5m3/环），说明开挖掌子面来水较少，达到了预计处理效果。

7 结束语

通过采取提前对岩溶裂隙注浆处理在本项目的成功实施，取得了较好的效果，证明了全断面岩溶裂隙富水地层中采取裂隙注浆+气压辅助掘进技术能有效的控制了此类地层中盾构掘进风险，对周边环境保护起到了关键性作用，为土压平衡盾构在此类地层中施工提供了宝贵经验，保证盾构施工安全。

参考文献：

[1] 钱庄，许烨霜，沈水龙，崔庆龙.砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工地面注浆加固实例分析[J].隧道建设，2016（4）：479～484.

[2] 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（8）：324～329.

[3] 万维燕.岩溶区地铁基坑涌水治理技术研究[J].铁道建筑技术，2017（12）：17～19.

作者简介：

江俊，男，单位：中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，工程师，毕业院校：武汉理工大学，土木工程专业。