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1、专业知识分享版 使命：加速中国职业化进程 摘 要：广州地铁隧道以盾构施工为主，在岩溶发育地段施工存在较大的安全隐 患，容易使盾构机下部土体不稳定而塌陷，导致突水、 突泥和盾构机具陷落等事 故，从而引发严重的安全事故， 后续处理非常困难。 在岩溶地区兴建地铁隧道工 程尤其应进行专门的基础处理， 文中介绍广州地铁五号线草暖公园至小北站盾构 隧道溶洞处理实例并进行分析研究。 关键词：地铁；岩溶处理；盾构隧道 1工程概况 广州地铁五号线草暖公园至小北站区间在里程YDK7+903.505YDK8+052.610 范围内，隧道穿越石炭系灰岩地层，穿越区内存在较多溶洞，地质剖面如图1所 示。由于该地段周边环
2、境复杂， 无高架法实施条件， 而矿山法施工过程容易导致 岩溶裂隙水突然涌出， 施工安全存在极大隐患， 严重时会出现灾难事故。 如采用 明挖法或浅埋地下桥， 由于沿线地下水较丰富， 在溶洞浅埋地段当上部土层挖除 后，岩溶水具有一定的水头压力，会顶穿覆盖层，导致基坑大量涌水，施工安全 存在极大隐患，且现状地面交通情况复杂，施工场地狭小，明挖实施条件困难。 盾构施工既能适应松散软弱地层或其它含水土层，又比矿山法安全， 且施工环境 条件好，机械化程度高、进度快，盾构隧道衬砌采用预制管片现场拼装，防水效 果好、质量可靠，随着地铁盾构施工技术的普及，其工程造价也逐步降低，具有 较大的优势。因此经综合比选，
3、该段工法采用盾构法，但须对溶洞进行处理。 2溶洞处理目的 2.1确保盾构掘进期间的盾构机安全。 位于隧道底的部分溶洞， 其填充物为淤泥和松散细砂， 承载力很低（4080kPa） ， 通过溶洞处理可确保盾构机安全、 顺利通过溶洞区，避免盾构机突陷等意外事故。 2.2防止地表塌陷和过大沉降。 位于隧道顶的部分溶洞，其填充物为淤泥、砂层和粘土，而隧道底为中、微风化 石灰岩，是典型的上软下硬地层。 不少溶洞呈串珠状分布于隧道工作面范围，由 于溶洞夹板为岩层， 难以形成土压平衡掘进模式。通过处理， 使隧道顶的地层和 工作面土体能保持稳定，防止拱顶坍塌和工作面土体流失，减少地表沉降。 2.3满足永久隧道结
4、构的承载力、变形、防水要求。 溶洞填充物和灰岩地层承载力有很大的差别，通过地层处理可提高该处地层的承 载力，减小不同地层之间的差异沉降， 减少管片渗漏，以满足地铁正常运营要求。 3溶洞处理方法 通过比较，对不同的溶洞采取不同的处理方法。 3.1无填充溶洞和半填充溶洞 对大于 2m 的无填充或半填充溶洞，先采用高压风投砂充填空洞，再采用注浆加 固。投砂时，将原探测到空洞的钻孔作为出气孔，投砂后再利用此孔进行注浆。 投砂处理方法是在原钻孔附近 （约0.6m）补钻2个 127 投砂孔， 孔心与原钻孔 中心需成一直线，投砂后的注浆加固方法见3.2节。本工程共有 7个大于 2m 的无 专业知识分享版 使
5、命：加速中国职业化进程 填充溶洞需要处理；对小于2m 的无填充或半填充溶洞，则采用注浆填充。 3.2全填充溶洞 采用压力注浆法填充加固，压力逐渐增大，间歇并反复压浆。所有新增注浆孔 以及线路中线上已探明溶洞的钻孔均采用袖阀管注浆，其它钻孔采用花管注浆； 注浆材料：周边孔为纯水泥浆+速凝剂，中央孔为纯水泥浆；注浆压力和注 浆量：周边孔以相对小压力（0.21.0MPa） 、多次数（ 34次） 、较大量控制， 中央孔压力按 0.82.0MPa 控制，注浆 3次；注浆扩散半径：填充物为粘土、粉 质粘土和泥炭质土的为 1.5m， 填充物为砂、碎块的为 22.5m； 注浆间歇 610h。 4溶洞注浆处理施
6、工及要点 4.1注浆范围的确定 隧道顶部：溶洞位于隧道顶部时，为保证盾构机能形成土压平衡掘进模式，防 止突涌现象， 必须保证隧道洞身有一定的加固体覆盖层，处理范围按盾构隧道注 浆加固理论和经验值确定为B 25m=35m 取3m，即上至隧道周围 3m，下至溶 洞底板以下 1m，如图3a。 溶洞位于隧道洞身：处理范围确定为隧道洞身和周边3m，如图 3c。 隧道底部：溶洞位于隧道底部时，为防止盾构机突陷、明显上软下硬和永久结 构后期沉降过大， 处理的重点是隧道下部的溶洞，防止盾构沉陷和差异沉降， 根 据塌落拱理论分析，处理范围确定为：隧底5m 范围内的溶洞，主要针对淤泥、 软塑和松散砂层，如图 3b
7、；当溶洞顶板与隧道底板距离大于5m 时则不需处理。 溶洞无充填或半充填：溶洞需注浆加固处理，其范围确定为：若溶洞顶板与隧 道底板距离大于 5m时，则不需处理； 若小于 5m则需注浆加固， 上至溶洞顶板以 上1m，下至溶洞底板以下 1m，如图 3d。 溶洞全充填：若溶洞顶板与隧道底板距离大于5m，则溶洞不需处理； 若小于 5m 则需注浆加固处理， 其范围确定为上至溶洞顶板以上1m，下至隧道底板以下 5m， 如图3e。 4.2注浆孔平面布置 根据溶洞处理目的及其确定范围，线路中线结构底板下部溶洞是处理的重点，注 浆孔布置主要分布在左右隧道中心线上和较大溶洞分布区域。注浆孔共140个， 其中70个是
8、补勘探明有溶洞的钻孔， 70个是加密注浆钻孔 （其中25个孔兼做勘察 钻孔） ， 其分布如图 4， 钻探孔需提供勘察成果资料， 其余注浆孔也应做地层记录。 4.3止水、止浆帷幕 为了控制注浆量，加强注浆效果，防止浆液窜出流失，保护环境，在注浆区域设 一道封闭的止浆、止水帷幕。 4.4施工顺序要点 先施做止水、止浆帷幕，将处理范围内溶洞与外界溶洞隔离，再处理中间区域； 先加固水源一侧（靠近越秀山一侧） ，添加速凝剂，以确保注浆效果；中间区域 补充孔应跳跃施工，以防止跑浆、窜浆；先对无填充、半填充溶洞填砂处理，再 进行其他溶洞注浆填充处理。 4.5盾构掘进溶洞段的相应措施 专业知识分享版 使命：加
9、速中国职业化进程 采用深孔预注浆对溶洞充填物只能起到充填、挤密、劈裂和置换作用， 注浆堵水 未必能完全阻止地下水渗漏， 注浆处理完成后盾构在溶洞段掘进仍有可能遇到软 硬不均地层，以及硬岩、高压水、开挖面坍塌、刀盘结泥饼、喷涌等情况，为此 盾构掘进溶洞段要采取相应措施。 加强刀具的管理与合理配置。进入溶洞段前，根据预报成果选择开仓换刀作业 里程，按计划开仓检查刀具和更换新刀，刀具配备以滚刀破岩为主。 合理选择掘进模式，严格控制掘进参数。采取土压平衡掘进，为保护刀盘和刀 具，宜低贯入度破岩，推进速度小于10mm min，刀盘转速 1.71.9r min，土仓压 力拟定为 0.10.15MPa，并按
10、实际情况适时调整。 a.盾构姿态的控制：密切注意盾构表面与隧道间的不均匀摩擦阻力，以及切口环 切削地层时的不同阻力， 以防形成偏差， 减缓掘进速度， 使刀盘上下部位掘进的 瞬间受力大致相同，减少盾构机仰俯现象。 b.加强土改良与管理：进入溶洞段前，认真检修注泡沫和加泥系统，确保系统正 常。根据地层特点，泡沫剂掺量宜为50L 环。溶洞段地层自稳性较差，要严格控 制出碴量与掘进速度相对平衡， 加强对碴土成分和含水量的观察，出现异常及时 停机处理。 c.确保铰接密封和盾尾密封的防水效果。进入溶洞段前，对铰接密封和盾尾密封 要认真检查、 维护和调整， 掘进时严格控制各铰接油缸的行程差，确保铰接密封 效
11、果。加强对盾尾刷密封油脂的注入检查，确保其密封的防渗漏效果。 d.管片背衬注浆：宜采用同步注浆和二次补充注浆相结合的方式，同步注浆采用 水泥砂浆，二次补充注浆采用水泥-水玻璃双液浆。根据工程地质条件，合理调 整与控制注浆压力和注浆量。 根据施工监测成果，及时进行必要的二次补充注浆， 防止管片外形成纵向水路通道。 e.做好溶洞段施工应急预案。 本工程处于广从断裂带石灰岩分布地段，岩溶发育， 且溶洞段地下水具有承压性质，含水量丰富，注浆未必能阻止溶洞地下水渗漏， 极易发生涌水突泥或地表塌陷等情况，为此施工前必须做好应急和处理预案，准 备必要的抢险物质和机具。 5小结 本文通过草暖公园至小北站盾构隧
12、道溶洞处理工程实例，对溶洞特点、溶洞充填 物及围岩承载力、渗透系数，溶洞CT 法物探成果进行了分析研究，通过比较， 对不同的溶洞采取不同的处理方法；对溶洞处理的范围的确定、 溶洞处理注浆孔 平面布置、 溶洞处理施工顺序要点、 灌浆加固效果检查、 盾构掘进溶洞段的相应 措施等进行了研究。 由于地铁隧道工程的埋置深度主要为浅埋敷设形式，地铁工程的岩溶处理主要为 浅层岩溶，其处理遵循浅层处理的原则和方法；由于岩溶地区地质情况查明的难 度性与岩溶处理的复杂性， 如必须采用明挖法或盾构法，须对溶洞进行处理； 由 于矿山法施工过程容易导致岩溶裂隙水突涌，施工安全存在极大隐患， 严重时会 出现灾难事故，故岩溶地区一般不能采用矿山法。 地铁线路经过岩溶发育地段， 施工时尽量避免大量抽排地下水；在溶土洞发育地 段施工前应对溶土洞进行填灌处理， 避免施工过程中因加载和振动作用产生地面 塌陷；隧道底板下有溶洞分布时， 主要采取灌浆和结构措施处理，穿过溶洞地段 专业知识分享版 使命：加速中国职业化进程 先进行灌浆止水措施后再开挖和掘进；在工程施工时应同时注意防止对周边建筑 物及附近道路设施带来的不利影响；对地铁沿线的其他工程活动应作适当的监 控，确保地铁运营的安全； 为防止地下水位大幅下降出现的环境地质问题，造成 对地铁施工及运营阶段的威胁，建议对岩溶地区的地下水进行长期监测。 a
