岩溶地层中的盾构隧道施工Word文件下载.docx

1、 广州轨道 交通 5号线草暖公园小北站区间,在F1、F2两断裂带间地石炭系灰岩地层149.105m（YCK7+903.505-YCK8+052.610）范围内,详勘阶段有7个钻孔揭示存在溶洞。 但由于钻探孔间距（约2040m）过大,未能完整揭示溶洞的大小、分布及充填物的物理力学性质。 经对草暖公园小北站区间整体地质与环境的综合分析,确定其区间隧道（埋深22.8624.30m）采用土压平衡盾构施工,而在岩溶地层中采用盾构法施工在国内外尚属首次。 为确保施工及运营安全,对溶洞的空间分布、大小及充填情况,溶洞处理,盾构掘进技术措施3个方面进行深入研究,并组织精心设计、精心施工。1 运用多种勘查方法,

2、探明溶洞情况 根据 目前 可行的勘测手段,为切实探明溶洞的分布与填充状况,拟定以钻探为主、多种方法综合运用的探测方案。即:高密度电阻率法地面物探（总体探查溶洞分布情况）加密钻孔（直观掌握溶洞及充填物状况）电磁波深孔CT（在钻孔间加密剖切面勘查,判断边界）综合判断后结合注浆孔布置补孔探测。1.1 高密度电阻率法物探 对YCK7+880YCK8+035范围内纵向进行探测,共设计物探剖面6条,剖面长均为177m（详见图2）。每条剖面均有2个基点控制。勘察的结果表明,本区地下有4处岩溶发育区（见图1）。据其成果将勘察范围划分为5个区域单元进一步深入勘察。1.2 补充钻孔勘探 在勘察区域内,分别在距离左

3、右线隧道外侧3m处、区间隧道中线上和左右两隧道中间位置布置5列、25排钻孔。每一排钻孔的间距约为5m,布孔124个（其中技术孔37个）,共计钻孔长度4109m。（见图2）。因隧道底板埋深22.8624.30m,位于左右线区间隧道中心线位置的2列钻孔设计深度原则为35m,另外3列钻孔设计深度原则为30m,有溶洞的钻孔要钻至溶洞底下23m。 1.2.1 在钻探施工过程中1,准确、详细记录异常现象（如缩孔、坍孔、漏水、冒水、掉钻及遇到洞穴等）及 其发生的位置和严重程度,描述溶洞空间大小、分布等。 1.2.2 把探到有溶洞的钻孔作为技术孔,采取土样37件、岩样22件、水样2件、标贯试验111次、测量地

4、下水位248次,并抽水实验估算溶洞水流量。 1.2.3 编制了详细的勘察报告,作纵剖面图5个、横剖面图24个、投影图2个（隧道顶3m至隧道顶,隧道底至隧道底5m）,并作平切面图7个（分别为隧道上3m,隧道顶、中、底,隧道下1m、3m、5m）。1.3 电磁波深孔CT物探 CT相邻孔对间距5m,共27对,孔深35m,各C钻孔的终孔高程一般应基本一致,若在预定终孔深度处为溶洞时,钻孔深入溶洞地板3m,孔径不小于75mm。 CT剖面与地铁隧道中心线呈约70°斜交,使隧道的勘察剖面间距加密为2.5m左右。实测工作中在岩溶发育异常复杂地段另增加了5条CT剖面,故实际共完成CT剖面27条,发射孔与

5、接收孔的间距26.1m定点发射点数5个,各探孔内的动点观测间距为1.0m,出现的异常特征加密定点发射点距与点数,实测探测点11137个。为尽可能利用钻探孔,在每个区域单元内应先钻外侧2列的孔,并进行孔间跨孔CT物探,而后按一般钻孔的顺序进行。 采用跨孔电磁波透视对隐伏岩溶进行探测,弥补了勘探钻孔网点稀少的不足,通过CT资料分析,即自上而下可分为土层软土CT异常带、浅部岩溶CT异常带和较深部岩溶CT异常,岩溶发育具有竖向分带差异。较深部岩溶异常带具有异常强、规模大、呈“串珠状”竖向分布等特点。1.4 探测成果综合分析判断 通过对钻探、高密度电阻率、深孔CT物探勘察成果的综合研究分析,较深入地掌握

6、了溶洞及充填情况。 1.4.1 溶洞分布 探明的溶洞分布在左线（ZCK7+928-ZCK8+019）91m、右线（YCK7+920-YCK8+025）105m的区间内。溶洞分布主要特点如下:1.4.1.1 溶洞规模大但分布较集中。124个钻孔中有70个钻孔揭示有溶洞,大小总计167个,其中大于3.50m的27个,占总数量的16%;探到溶洞最大高度18.30m（D02）,最深溶洞底标高为-31.44m;溶洞多呈串珠状,层数为112层,以24层为最多。平面上主要分布于二、三、四区,占揭露到溶洞钻孔的95.7%;在剖面上溶洞分布在标高为5.35-31.44m范围内,位于隧道结构顶板以上3m及隧道结构

7、底板以下3m范围内揭露到有溶洞的钻孔有56个,占80%。 1.4.1.2溶洞层间岩板厚小于3.00m为主,约占2/3,大于3.00m约占1/3。裂隙发育,溶蚀强烈,如图4所示。 1.4.2 溶洞充填物特征 1.4.2.1 根据钻进过程中钻杆下落、返水情况及芯样特征综合 分析 判断溶洞的充填物及空洞、半充填、全充填状况。 1.4.2.2 大于等于3.50m的27个溶洞中,4个为无充填物,占15%,其余均为半充填及全充填;小于3.50m的140个溶洞中有72个无充填物,占51%。 1.4.2.3 溶洞充填物较为复杂,主要有粘土、中粗砂、灰岩碎块、岩屑等。根据充填物特征及其物理力学性质、围岩的饱和单

8、轴抗压强度,判断充填物及围岩的承载力特征值。1.4.3 地下水的赋存 本场地地下水的赋存方式及水力特性为孔隙潜水及基岩裂隙水。孔隙潜水主要赋存在第四系松散冲积层中;基岩裂隙水主要赋存于基岩中的溶洞及裂隙中,靠大气降水及上层地下水的补给,涌水量大小及径流 规律 受地质构造及裂隙以及岩溶洞隙的连通性控制。2 溶洞处理的设计与施工 2.1 溶洞处理的设计原则与重点 2.1.1尽量避免盾构机突陷等事故及隧道结构后期沉降过大 盾构机本体重320,t长12m,其重心在前3.2m处。掘进时隧道底部若突现大于3.2m以上的空洞或极软弱地层可能致使盾构机栽头或陷落。处理的重点是隧道下部填充物为淤泥、松散砂层、软

9、塑状泥炭质粘土（承载力4080kPa）的溶洞,处理深度为隧底5m。对隧道中线底部,采用袖阀管水泥浆注浆加固。利用补充钻探孔并将注浆孔间距加密至2.5m。 2.1.2 防止地表塌陷和过大沉降 隧道洞身周围3m范围内的溶洞要密实充填并注浆固结,有利于建立土压平衡,防止坍塌;要对处理区与外界开放连通的主要地下水裂隙通道进行封闭,防止大量失水以减少地表沉降。 2.1.3 满足永久隧道结构的承载力、变形、防水要求2溶洞填充物和灰岩承载力有很大的差别。通过对地层进行处理,提高填充物的承载力,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。 2.1.4 全填充溶洞注浆扩散半径3 当填充物为粘土

10、、粉质粘土和泥炭质土时按照11.5m设计,填充物为砂、碎块时按照3m设计。 2.1.5 检侧重点4 结合盾构施工特点,注浆加固效果的检侧重点以加固体强度及地基承载力控制为主。 2.2 溶洞处理施工 2.2.1溶洞处理施工顺序 （1）全区先对周圈开放连通的裂隙通道封闭注浆,然后处理中间区域,以确保注浆效果,减少注浆损失。 （2）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。 （3）中间区域补充孔跳跃施工,以防止跑浆、窜浆现象。 （4）先对无填充、半填充溶洞填砂处理,然后再进行其它溶洞注浆填充处理。 2.2.2 施工 方法 及工艺 2.2.2.1 无填充溶洞和半填充溶洞处理 对大于

11、2m以上的无填充溶洞和半填充溶洞,在原钻孔附近（约0.6m）补钻一个 127的投砂孔,填砂处理,后采用注浆加固的方法;对小于2m的无填充溶洞和半填充溶洞,直接注浆填充。 2.2.2.2 全填充溶洞处理 采用压力注浆的方法进行填充加固,注浆压力从低到高,间歇、反复压浆。主要采用PVC袖阀管注浆工艺。 2.2.2.3 注浆材料3 周边孔:纯水泥浆+速凝剂;中央孔:纯水泥浆。 2.2.2.4 注浆终止标准 根据设计的要求,注浆终止采用了双重标准:注浆终压达到设计终压,注浆量达到设计注浆量的80%;或虽未达到设计终压,但注浆量已达到设计注浆量,即可结束本孔注浆。 2.2.3 注浆加固效果检查 2.2.

12、3.1 检测方法 采用钻孔取芯,作抗压试验为主,抽水试验为辅（左右线各作1个,尽量设在换刀位置）;溶洞填充物为砂层,作渗透系数试验。 2.2.3.2 检测标淮 隧道周边加固范围:试块无侧限抗压强度0.3MPa;隧道中心加固范围:试块无侧限抗压强度0.5MPa;渗透系数1.0×10-7cm/s。 2.2.3.3 检测结果 共取9个检测孔,试样指标均满足设计要求。3 盾构机性能的改进与掘进技术措施3.1 对盾构机设计的重要改进 为适应本区间困难的地质条件,对盾构机设计作了重要改进,使用 目前 国内性能最好的盾构机施工。 （1）刀盘驱动功率由945kW增至1200kW,并改善了扭矩特性曲线

13、,使盾构机在较高转速下扭矩得到较大提高。 （2）采用重型刀座及刀具,滚刀配置到40刃,减小刀间距增强了破岩能力5。 （3）在盾构机正面区设置了4个钻探注浆孔,配置30m自动钻探钻机,可对隧道断面内实施超前钻探地质预报与注浆加固。 （4）螺旋输送机设置双闸门出土口并预留接口,在水压大时采用保压泵碴装置出碴。3.2 主要掘进技术措施 （1）严格控制盾构机掘进姿态 盾构机刀盘切削面地层软硬不均,方向不容易控制。按照给定的容许偏差值进行控制,当接近偏差值时及时调整,纠正于微小偏差之时。掘进过程中保持正确姿态。 （2）对富水区域进行盾构超前钻探并采用双液浆加固溶洞地层。 （3）盾构机通过时如果水压大,启

14、动保压泵装置,防止大量失水以保证隧道上方建筑物的安全。 （4）掘进判断掌子面的岩层和地下水量情况,当掌子面岩层稳定,地下水量不大,开仓检查和更换刀具,必要时采用带压作业。 （5）足量同步注浆,并及时进行二次双液注浆,对地下水通道进行封堵,稳固管片。4 施工实况简述4.1 地层加固 2006年56月按设计完成地层加固施工,注浆时引起地面个别点上鼓,其余良好。4.2 盾构掘进 4.2.1 工期与进度 左线于2006年7月21日8月8日共18d完成岩溶段91m的盾构掘进,平均每天掘进约5m;右线共用22天完成,平均每天掘进4.8m。 4.2.2 掘进描述 总体上顺利通过了岩溶段的掘进。采取控制贯入量

15、、加强同步注浆等的谨慎掘进管理,但总推力仍较大,刀具更换较多;推进过程中揭示总体充填加固效果良好,未发生盾构机陷落,但隧顶有局部坍塌发生;主要地下水通道得到封堵,部分段落地下水仍较大,掘进中予以及时注浆充填封堵。 4.2.3 主要掘进参数 据盾构机PLC的记录,经归纳后可分为以下2类: 4.2.3.1 硬岩及软硬不均区 土仓压力:0.50.8MPa;转速2.32.5rpm;贯入量10mm/r左右;扭矩25003200kN·m;总推力1000013000kN。 4.2.3.2 较软或全断面为充填物加固区0.6MPa;转速2.0rpm;贯入量25mm/r左右;扭矩2000kN&总推力70

16、009000kN。5 结论 （1） 应用 多种探测方法,对勘测结果进行综合分析,探明了溶洞的分布及填充物特征。 （2）确定了合理的加固方案,满足盾构施工安全及隧道结构稳定,控制了加固范围,避免不必要的过度投入,有效地实施了地层加固施工。 （3）针对该地层特点,对盾构机设计作了改进,提高了其性能。 （4）制定了必要的盾构掘进技术措施,采用信息化施工,有效实施施工控制。 （5）顺利完成岩溶段盾构隧道施工,验证了加固方案,填补了国内的空白。 参考 文献 :1 赵树德,等.高等工程地质学M.北京:机械 工业 出版社,2005.2 施仲衡.地下铁道设计与施工M.西安:陕西 科技 出版社,1997.3 梁炯鋆.锚固与注浆技术手册M.北京: 中国 建筑工业出版社,1999.4 GB-501572003,地铁设计规范S.5 张凤祥,等.盾构隧道M.北京:中国建筑工业出版社,2004.