盾构在南京地区复合地层中过溶洞的技术总结

盾构在南京地区复合地层中过溶洞的技术总结

邹先科

广州轨道交通建设监理有限公司 广东广州 510000

摘 要 本文以南京地铁某线盾构区间为工程背景，总结南京地区复合地层中溶洞的处置措施、处置效果综合评价、盾构过溶洞时相应刀具类型、掘进参数的选择、注浆情况等方面的内容，为处理类似工程技术难题积累宝贵经验。

关键词 复合地层 溶洞

1工程概况

本区间正线起于马群站，止于白水桥东站。左线起讫里程为K0+542.749～K2+130.226，右线起讫里程为K0+542.750～K2+202.226，分设两组暗挖法联络通道。

区间平面曲线半径为1500~5000，竖向设“V”字坡，右线先以22‰坡度下坡，然后以8.494‰、27‰、4‰坡度上坡；左线先以22‰坡度下坡，然后以8.547‰、27‰、4‰坡度下坡。区间衬砌环由一块封顶快（K）、2块邻接块（B型）、3块标准块（A型）组成，衬砌采用C50管片，抗渗等级为P10，外径6200mm，内径5500mm，壁厚350mm，环宽1200mm，双面楔形37.2mm，环、纵缝手孔均采用M30螺栓连接，每个环缝共计12套螺栓，螺母及垫圈，每环纵缝共计16套螺栓，螺母及垫圈，采用错缝拼装。

2工程地质与水文地质概况

2.1工程地质

区间地质从上到下依次为：②-2b2-3粉质黏土、③-1ab1-2粘土、粉质黏土、T2h-2强风化砂质泥岩、γ-1全风化花岗岩、γ-2强风化花岗岩、γ-3-1中风化花岗岩、T2z-3-1中风化灰岩。区间主要穿越T2h-3中风化泥质砂岩、T2h-2强风化砂质泥岩、③-1ab1-2 粉质粘土、③-2b3-4 粉质黏土、γ-2强风化花岗岩、γ-3-1中风化花岗岩，穿越地质较复杂。地质详细分布情况如图2-1~2-4、表2-1。

3溶洞勘察结果及处理措施

3.1勘察结果

3.1.1详勘报告

区间于右线里程K1+965~K2+150段分布有泥质灰岩，为可溶岩分布区。其中TDS6Q1Z37号钻孔分别在11.4m和14.6m处揭露溶洞，位于隧道掘进范围。岩溶溶高分别为2.6m和0.9m，溶洞充填物为软~可塑粘性土夹少量泥质灰岩碎块，钻孔岩溶遇洞率为11.1%，岩溶线溶率为3.0%。根据《岩溶地区工程地质调查规程》（DZ/T0060-1993）5.4.3条判定，本区间可溶岩分布区岩溶发育程度等级为弱发育。

3.1.2补勘报告

本次施工勘察区间范围于右线里程K1+945~K2+150段分布有泥质灰岩，为可溶岩分布区。有7个钻孔揭露泥质灰岩,其中TDS6Q1-MB-B7、TDS6Q1-MB-B8、TDS6Q1-MB-B10、TDS6Q1-MB-B11、TDS6Q1-MB-B22号钻孔分别在10.0~28.0m处揭露溶洞，部分位于隧道掘进范围。岩溶溶高分别为0.3m~4.7m之间，溶洞充填物为软~可塑粘性土夹少量泥质灰岩碎块，钻孔岩溶遇洞率为71.4%，岩溶线溶率为18.3%。根据《岩溶地区工程地质调查规程》（DZ/T0060-1993）5.4.3条判定，本区间可溶岩分布区岩溶发育程度等级为强发育。

图3-1-1 岩溶分布示意图

（黑色点位为详勘揭示溶洞，红色点位为补勘揭示溶洞）

3.2溶洞处理

3.2.1处理范围

根据设计要求隧道洞身范围内，隧道顶板及两侧外放3m，隧道底板以下5m范围内溶（土）洞、溶沟、溶槽及破碎带，需进行处理。

3.2.2处理措施

根据溶洞范围及补勘建议，对于钻孔勘察已揭示的溶洞采用地面钻孔注浆填充的施工方法，采用袖阀管注浆工艺。

1. 溶洞处理范围：按照设计要求平面上需处理的溶洞范围为区间隧道两侧各3m，竖向上需处理的溶洞范围为区间隧道以上3m，隧道以下5m。

2. 溶洞处理孔位布置：根据岩土勘探发现的溶洞，按照2m的间距方格网布置钻孔查找洞体边界，并对钻孔过程中揭露的溶土洞做好记录，作为注浆依据。钻孔深度以剖面上需处理的溶洞底部高程为准。

3. 封孔：封堵采用水泥浆全孔封填，并确保封堵孔密实性要求。封填水泥浆为水灰比0.5:1纯水泥浆，用钻机上泥浆泵将水泥浆送入孔底，直到孔口返回纯净泥浆为止。待水泥浆初凝后，从孔口处以水泥砂浆填实，并抹平孔口。

加固范围如下图3-4-1所示。

图 3-2-1溶洞加固范围示意图

4. 现场注浆压力维持在0.8~1.0Mpa；处理深度18~22m；处理加固共计20孔；每孔注浆量12~13.5m³，共计260吨。

图 3-2-2溶洞处理现场施工图

3.3处理效果

为确认区间岩溶注浆效果，溶洞处理后由专业队伍进行取芯检验，钻孔取芯共计6孔，钻井过程中无掉钻，未发现明显漏浆现象。对芯样进行观察分析发现其中MB-X1、MB-X2、MB-X3孔未发现溶洞，但粉质粘土层均有水泥充填缝隙痕迹。

图 3-3-1粘土层水泥充填痕迹

根据勘探点TDS6Q1Z37显示溶洞11.4~14.0m与14.6~15.5m处存在溶洞，附近MB-X4芯样显示现场地质与勘探孔地质相符，芯样反应在11.2~13.5m深度范围11.60~13.50m处有粘土夹碎石充填，且有水泥注浆痕迹，水泥呈碎块状，长度6cm。并发现14.70~15.605m处有粘土夹碎石充填，局部可见水泥注浆痕迹，水泥呈短柱状，长度12cm，故该区域注浆填充效果较好。

水泥柱状块

图 3-3-2溶洞处理MB-X4芯样图

根 据勘探点TDS6Q1-MB-B10显示溶洞深度10.0-10.6米处存在溶洞，附近MB-X5芯样显示现场地质与勘探孔地质基本相符，并发现芯样显示在12m深处取出水泥与岩溶填充物混合物。该空洞段填充密实。

图 3-3-3溶洞处理MB-X5芯样图

根据勘探点TDS6Q1-MB-B8显示溶洞14.2-15.5米处存在溶洞，附近且位于隧道内MB-X6芯样显示现场地质与勘探孔地质基本相符，并发现14.4~15.7m深度处发现水泥注浆痕迹，水泥呈短柱状或碎块状，长度10cm，故该区域注浆填充效果较好。

图 3-3-5溶洞处理MB-X6水泥柱状块

本次施工勘察区间范围于右线里程K1+945~K2+150段分布有泥质灰岩，为可溶岩分布区，共7个钻孔揭露泥质灰岩,其中TDS6Q1Z37、TDS6Q1-MB-B7、TDS6Q1-MB-B8、TDS6Q1-MB-B10、TDS6Q1-MB-B11、TDS6Q1-MB-B22号钻孔分别在10.0~28.0m处揭露溶洞，部分位于隧道掘进范围。岩溶溶高分别为0.3m~4.7m之间，溶洞充填物为软~可塑粘性土夹少量泥质灰岩碎块，钻孔岩溶遇洞率为71.4%，岩溶线溶率为18.3%。

4盾构下穿溶洞区域施工处理办法

4.1穿越前施工准备

（1）下穿溶洞前对盾构机刀盘进行磨损检测。

（2）加强施工过程中建筑物和土体监测。

（3）施工前对现场管理人员及施工班组进行详细的施工安全技术交底。

（4）在盾构机进入下穿段影响范围前50米，人工多次对盾构姿态进行复合，施工中严格控制每环纠偏量不大于4mm（高程、平面）。

4.2穿越中过程控制

4.2.1推进参数设定

（1）推进出土量控制

每环理论出土量＝π/4×D2×L＝π/4×6.442×1.2＝39.07m3/环。

松散系数取1.3，每环出土量=1.3×39.07=50.79m3/环

盾构推进出土量控制在98％～100％之间。即50m3/环～51m3/环。

（2）推进速度

正常推进时速度宜控制在2～3cm/min之内。穿越探孔密集区及溶洞段时，盾构机推进速度控制在25～35mm/min，计划每天掘进7环，避免在途中有较长时间停机，保证匀速连续掘进，减少对周围土体的扰动。

（3）盾构轴线及地面沉降量控制

盾构轴线控制偏离设计轴线不得大于±50mm；地面沉降量控制在＋10mm～－30mm。

（4）在盾构穿越特殊地段时推进要做到不急纠、不猛纠，隔5环检查管片的超前量，隧道轴线和折角变化不能超过0.4％，避免因盾构隧道施工对土体扰动过大而造成破坏。

（5）优化盾尾油脂注入时段,定量、均匀地压注盾尾油脂，针对漏浆部位集中压注盾尾油脂，以保证其密封性能，避免因漏浆而导致注浆量不足造成地表沉降超限。

（6）浆液压注要及时、均匀、足量，确保其建筑空隙得以及时和足量的充填。

单环注浆量Q=п（6.44²－6.2²）×1.2×1.5/4=4.2 m³（盾构外径6.44m，管片外径6.2m）

根据以往施工经验，注浆量暂定为5方，根据百环验收壁后扫描确定二次注浆量并适当调整同步注浆量。

4.2.2渣土改良

1. 泡沫加注

为确保泡沫加注达到碴土改良要求，根据以往施工经验，拟采用的泡沫参数设定详见下表。在实际施工过程中，应随时根据土仓状态、土仓压力、碴土性状及地质条件的变化及时调整泡沫参数。泡沫混合液总流量＞70L/min，泡沫的膨胀率FER控制在12～14，原液比例控制在2.5%。

2. 膨润土泥浆加注

根据以往施工经验，选用黏度为35±5s的高黏度泥浆，配合比为钠基膨润土：水=1kg：12kg。制作泥浆时需将钠基膨润土与水持续搅拌12小时以上直至其充分发酵。

4.2.3姿态控制

（1）严格控制盾构机的姿态

穿越前尽量将盾构机的姿态调整至最佳，严格控制盾构的纠偏量；推进中加强测量，将测量数据反馈到轴线控制上；及时按测量信息进行调整；控制盾构机的推进速度。

（2）实施对各推进参数的控制

合理设定土压力，尽量减少超挖和欠挖；必须严格控制盾构出土量，同时根据地面监测情况合理调整刀盘转速和出土量；根据测量反馈的信息，调整各千斤顶的顶力及总推力。

（3）严格控制注浆程序

每环推进时根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆量及参数，从而有效的对轴线进行控制。

（4）严格控制管片拼装

施工中严格按操作程序进行。管片严格采取居中拼装，根据盾尾间隙调整K块的拼装点位，从而使管片处于较理想状态，确保管片拼装质量及推进轴线控制在规范要求范围之内。

（5）严格控制盾构纠偏量

对因轴线走偏，须予以纠正时，采用调整盾构千斤顶组合的措施进行纠偏：在偏离方向相反处，调低该区域千斤顶工作压力，造成两区域千斤顶的行程差，从而达到纠偏的效果。对于盾构机蛇形运动的修正，应以长距离慢慢修正为原则，一次纠偏量不宜超过5mm。

4.2.4同步注浆

（1）浆液配比

根据本工程的地质特点，同步注浆浆液初步拟定采用可硬性浆液，水泥、粉煤灰、膨润土、沙、水重量分别为150、370、50、770、440 Kg/m3，拌匀后的浆液稠度为10～13cm；（2）同步注浆参数

注浆压力控制在0.3～0.4MPa，单环注浆量Q=п（6.44²－6.2²）×1.2×1.5/4=4.2 m³（盾构外径6.44m；管片外径6.2m），实际注浆量暂定为5方。

4.3穿越后跟踪注浆措施

为控制土体后续沉降，在穿越特殊地段之后应及时利用增加注浆孔的管片进行二次补强注浆，使隧道周围土体彻底固结，确保特殊地段安全。

4.3.1二次注浆技术与工艺

二次注浆采用水玻璃+纯水泥浆的方式。浆液配比及其相关参数指标如下：水泥浆水灰比为0.8～1.0；水玻璃与水按1：1.5进行稀释；注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆：水玻璃=10：1。

每环注5个孔，即A1、A2、A3、B1、B2，同一环管片严格按“先拱顶后两腰，两腰对称”的方法注入；双液浆注浆压力控制在0.3～0.5MPa。

为提高同步注浆质量、避免已成环管片背后的地下水大量涌入土仓，应每隔8～10环对管片背后进行整环二次注浆，形成一个由凝固双液浆形成的止水环，截断管片背后来水。

5下穿溶洞可能出现的风险及相应处理措施

5.1螺旋输送机喷涌

（1）盾构穿越前再次检查螺旋输送机舱门密封情况。

（2）为了确保施工安全，防止紧急情况下螺旋机闸门由于被异物卡住或机械原因无法正常启闭，因此在螺旋机外加设一道闸门，与原有闸门组成双保险，在下穿段施工时，一旦发生喷涌现象，立即关闭闸门。

（3）在水量较大的地段掘进时采用螺旋输机双闸门控制，加注泥浆或高效聚合物，防喷涌、防涌水，必要时采用保压泵碴装置。同时，利用盾构机配套的二次注浆设备及时注浆，在管片外周形成连续的封闭环，防止管片周围的地下水串通，避免喷涌。

（4）做好盾构机及后配套设备的保障后勤工作，保持连续快速推进，不能因盾构机后配套设备故障而影响掘进。

（5）向土仓中加入膨润土或发泡剂，改善土仓内土质的和易性，使土体中的颗粒和泥浆成为一个整体，连续从螺旋输送机排出，避免喷涌。

（6）采用土压平衡模式掘进参数。

5.2地面突陷

（1）正确地计算选择合理的土压，对出渣量进行严格控制。

（2）控制推进速度及刀盘转速。

（3）地表沉降与信息反馈。地表沉降是反映盾构正面稳定的一个方面，跟踪测量因盾构掘进而引起的地表沉降情况。一般每天需对盾构前10～20m、盾构后30～50m轴线区域内的各沉降点进行监测。开挖面不稳而产生的地表沉降常发生在盾构切口前方。

（4）地面突陷现象发生时，必须立即停止掘进，并将盾构机向前空推，增加土仓压力。

（5）在盾构机停止状态，加大同步注浆量，并配制初凝时间较短的双液浆进行管片壁后二次注浆，压浆位在盾尾后5～10环。

（6）立即疏散人群、车流，在发生突陷位置进行注浆处理。

5.3盾构机栽头

（1）掘进期间控制好掘进参数，控制姿态偏差。

（2）根据盾尾间隙合理确定下一环管片的选定，调整姿态。

（3）加强超前地质预报工作，在盾构机遇到地质松软、上硬下软、破碎带等地层时，通过超前地质预报判断前方地质状况，适量地采取抬头姿态掘进。

（4）检测到盾构机出现栽头趋势时，及时调整推进系统，加大下区液压缸推力，控制掘进速度，改善栽头情况。

（5）对下部土体进行注浆加固，减少底部土体的松动，降低受压后的沉降。

（6）在下区增加额外的推进液压缸，用于调整盾构的姿态，使盾构机强制抬头。

5.4土仓失压

（1）盾构掘进施工过程中注意泡沫剂、膨润土用量以控制土仓压力。

（2）土仓压力过高时，降低掘进速度，提高螺旋机转速以平衡土仓压力；土仓压力较低时，降低螺旋机转速以平衡土仓压力。

（3）土仓失压后，降低螺旋机转速，必要时关闭土仓，停止出渣以平衡土仓压力。

（4）增加气压以平衡土仓压力，必要时，采取超前注浆稳固掌子面以平衡土仓压力。

6监测及应急预案

盾构下穿溶洞区域之前，按照监测方案要求加密布设监测点、读取初始值，并编制事故应急预案，施工现场储备充足的抢险物资。盾构穿越过程中，落实好专职人员值班事宜，对施工范围区域进行围闭，加强监测和巡视，及示反馈监测数据。盾构穿越后，应持续进行监测，待盾尾距离溶洞区域超过10倍洞径且监测数据稳定时，再进行监测调频或停测。

7.总结

盾构过溶洞施工涉及地质补勘、溶洞分析与填充处理，填充处理效果检测、盾构掘进和监测等多方面的内容。整个过程中最主要的环节就是溶洞的填充处理和效果检测，它决定了后续施工地层的稳定性，是盾构过溶洞的重中之重。南京地区盾构过溶洞施工并不多见，本文为今后类似工程案例提供了可参考的宝贵经验。