城市地铁穿越溶洞施工技术
2012-08-17 23:14
城市地铁穿越溶洞施工技术
摘 要:以大连地铁 2 号线松江路站—东纬路站暗挖区间工程为例，介绍了暗挖爆破法穿越富水岩溶区时的施工工序和超前地质预报手段。利用地质补勘钻孔、地质 CT 探测、洞内超前探孔等技术手段探明溶洞发育位置、形态，通过洞内与地表相结合的处理方式消除或减小溶洞对暗挖施工的影响。
关键词:暗挖爆破施工; 富水岩溶区; 地质补勘;超前探孔
1 工程概况
大连地铁一期工程207 标段包含一站两区间，分别为松江路站—东纬路站区间、东纬路站、东纬路站—春光街站区间，线路全长 2 268 m，全部采用暗挖法施工。设计阶段地质勘察报告、施工过程中进行的地质补堪钻孔资料表明，松江路站—东纬路站区间段钻孔遇洞率55% ，该区间岩溶发育程度为中等发育。岩溶分布于全线段、发育数量多、大小岩溶构造形态均有发育、垂向分带规律不明显，多数岩溶呈充填或半充填状况。岩面起伏变化大，岩层浅部溶沟、溶槽、溶隙及溶洞等发育强烈，岩层中溶洞存在串珠状分布的特点。
岩溶主要分布于场区内泥灰岩中。勘察中揭露溶洞( 层号为 1) ，揭露洞高 0. 30 ～13. 50 m，揭露洞顶标高 －1. 95 ～27. 70 m，揭露洞底标高 －12. 22 ～23. 70m，揭露洞顶埋深 11. 20 ～ 37. 00 m，揭露洞底埋深15. 20 ～ 46. 20 m。大部分溶洞侵入隧道结构范围内，部分位于结构底板下方及结构顶板上方，溶洞充填物为粘土、红粘土及灰岩碎屑，溶洞上部与含卵石碎石土、粘土接触，施工过程中极有可能发生涌水、突泥、塌方及地表塌陷等情况，对暗挖施工影响甚大。
2 溶洞位置探测
2． 1 岩溶区补充勘察
松江路站—东纬路站区间段在施工前勘察设计及施工过程中均揭露显示有大小不一的溶洞，溶洞分布无规律，溶洞内地下水极丰富，给地铁隧道施工带来极大的施工难度和风险。为准确探明溶洞位置、埋深、大小，为溶洞地面及洞内处理提供准确地质资料，在区间富水岩溶段进行地质钻孔补勘。勘探孔沿岩溶发育区段左右线隧道外边线外侧4 ～5 m 和左右线隧道中间共布置3 条勘探线，沿勘探线按间距 6 ～ 10 m布置钻孔，勘探孔深度钻至地铁隧道底板下3 ～5 m。
钻探使用 XY －100 型钻机，采用冲击加回转及套管、泥浆护壁，合金与金刚石相结合的钻进方法，开钻前人工挖掘 1. 0 ～ 2. 0 m 探坑，确认孔位处无地表及地下管线等障碍物后，钻机就位，开钻。获取岩芯按顺序放于岩芯箱内，及时鉴定、记录，并用数码相机逐孔逐箱拍摄记录。准确量测初见及稳定水位。钻孔终孔时现场进行钻探质量评定，合格后及时封填钻孔并移入下孔钻探。通过地质钻孔岩芯揭示隧道埋深范围内的岩溶发育情况，为暗挖爆破施工提供确切地质资料。
2． 2 超高密度电法跨孔电阻率 CT 探测
利用地质补勘钻孔所成孔洞，布设超高密度电法测线，详细测定地质钻孔间溶洞、溶沟( 槽) 、软弱夹层、富水带等强溶蚀带的分布情况，包括规模、大小与埋深等，为地铁暗挖爆破施工提供较可靠的地质资料。
超高密度电法是指通过电极阵列排列方式来观测人工建立的地下稳定电流场的分布规律，进而可以实现地下目标体探测的一种电阻率法。超高密度电法跨孔电阻率 CT 是一种电阻率层析成像技术，相对于传统电阻率 CT，由于对低电阻体反应灵敏，数据量丰富，无探测死角，精度高，可较好较完整地探明两孔之间的是否存在溶洞和破碎带或富水带，并可圈出这些异常体分布范围，发育特征等。
2． 3 洞内探测方法
地质补勘钻孔岩芯揭示了隧道埋深范围内岩溶发育情况，跨孔电阻率 CT 探测成像剖面图可直观显示出岩土交接及溶洞发育位置。地质补勘钻孔间距为 6 ～ 10 m，为准确探测隧道开挖范围内溶洞、溶沟( 槽) 、软弱夹层、富水带等强溶蚀带的分布情况，在地质补勘钻孔间距内进行洞内超前探测。利用现有施工机具设备 YT －28 风枪在洞内进行超前探孔，在掌子面沿掘进方向打设 5 个探孔，探孔深 6 m，可跨越地质补勘钻孔间距。探孔打设过程中详细记录钻进过程中钻杆进度、回浆颜色、突进或卡钻、有无突水等其它情况，以此来判定开挖面前方 6 m 范围内围岩详细地质情况，更好的来指导爆破施工。
3 溶洞的施工处理技术
依据地质补勘、高密度电法、洞内超前探孔所取得的成果，以岩溶的状况和性质将其分为溶沟、溶槽、溶管和溶洞。根据岩溶不同的发育形态，充填物的形式，富水量的大小，现场施工中分为洞内与洞外两种处理方法。
3． 1 洞内处理方法
3． 1． 1 拱部超前注浆
根据超前探孔资料，洞内可处理发育体积较小，发育部位在隧道开挖范围内的半充填和充填型溶洞。富水岩溶区爆破开挖时严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤量测、快封闭”的方针。在爆破开挖前先行打设超前小导管进行预注浆处理措施，根据超前探孔探测到的前方围岩渗水量情况，现场采取压注水泥浆液与水泥 － 水玻璃双液浆两种注浆方式，注浆压力 0. 3 ～0. 6 MPa。注浆导管沿开挖断面拱部 120°范围内打设，导管采用 Φ42 热轧无缝钢管，壁厚 3. 25mm，单根长度 3 m。纵向每 1 m 打设一循环并及时进行注浆施工，注浆施工时喷射混凝土封闭拱部掌子面。利用洞内超前小导管注浆可加固隧道开挖范围内软弱破碎带，充填溶沟、溶槽，封堵基岩裂隙水，避免开挖过程中突水现象发生。
3. 1. 2 全断面帷幕注浆
根据地质详勘成果，结合超前探孔探明的软岩地段、断层破碎带等岩溶发育区，会发生突水、涌水的地段，采用全断面( 帷幕) 超前预注浆处理措施进行加固处理。
( 1) 全断面( 帷幕) 超前预注浆设计参数: ① 1#循环超前预注浆设置 14 个注浆孔，孔深 6 m; 2#循环注浆设置 10 个注浆孔，孔深 10 m; 3#循环注浆设置 5 个注浆孔，孔深 15 m。②注浆管采用 Φ42 ×3. 25 mm 小导管，小导管间隔 15 cm 梅花形烧孔，尾部 1 m 不烧孔，孔口外露 200 ～300 mm 焊接注浆头。③注浆孔掌子面以隧道中轴伞状布置，注浆范围为隧道开挖线以外 5 m，浆液扩散半径为 2 m。④注浆液采用水泥 －水玻璃浆液，浆液配合比应在实际施工中根据注浆效果调整。注浆压力 0. 5 ～1. 5 MPa。
( 2) 全断面( 帷幕) 超前预注浆施工: ①每循环超前预注浆前设置 300 mm 厚导向墙( 止浆墙) ; ②采取反复注入、稀浆与浓浆交替、压力控制与注入浆量控制相结合的措施，注浆压力由低到高逐渐加压。初始注浆压力采用 1. 2 倍静水压力，注浆时间根据浆量的注入速率进行灵活调整; ③每循环注浆完毕开挖施工后，预留 3 m 左右作为下阶段注浆止浆段。
3． 1． 3 穿越充填型溶洞施工方法
针对开挖过程中揭示出的拱腰以上存在的充填型溶洞，拱部 180°先施作 Φ42 ×3. 25 mm 超前小导管预支护，间距 300 mm，压注水泥 － 水玻璃双液浆; 溶洞范围内加密施作格栅，间距 500 mm，铺设双层钢筋网，打设径向注浆锚管用以后期注浆加固。
3． 2 溶洞地面处理方法
针对地质补勘、高密度电法 CT 探测已探测出的较大发育溶洞，应根据其发育部位、形态、大小等采取地面处理的方式以消除溶洞对暗挖施工风险。
溶洞地面处理施工步骤为: 溶洞处理与否判定→划定高、低风险区域→溶洞处理→溶洞处理效果检查。溶洞处理施工工序可分为两步: 先充填、后灌浆压密。
地表处理主要针对容积大于 1 m3或直径大于1 m的溶洞，处理方式采用地表竖向深孔注浆、深孔袖阀管压密注浆、吹砂固结充填法、高压混凝土换填等方式。
溶洞灌浆采用袖阀管( PVC 花管) 注浆加固法，袖阀管采用Φ48 mm PVC 管( 管壁厚 4 mm，耐压值≥7. 5 MPa) ，袖阀管下到溶洞底面，在溶洞段的管壁上钻花眼 Φ6@ 300 作为出浆孔，外包橡皮箍作为单向阀。对于高度 0 ～ 2 m 的溶洞，把送浆管直接连通袖阀管，对溶洞内的充填物进行压力注浆; 对于高度 2 m以上的溶洞，在袖阀管内下入双塞芯管，对溶洞内的充填物分层进行压力注浆，分层厚度为 0. 5 ～1. 0 m。
3． 3 穿越溶洞段施工应急措施
本工程处于富水强溶蚀地段，岩溶发育，且溶洞段地下水具有承压性质，含水量丰富，洞内注浆未必能完全阻止溶洞地下水的渗漏，施工中极易发生涌水突泥、地表塌陷。为此，施工前已做好完善的应急和处理预案，成立了应急处理指挥小组，并定期进行演练。现场准备必要了的沙袋、方木、引水管、钢板、湿喷机、注浆机、砂浆泵、注浆材料等抢险物质和机具，现场一旦发生险情即按照预案紧急处理。
4 结语
通过地质补勘钻孔、超高密度电法跨孔电阻率CT 探测、洞内超前探孔等技术措施探明了施工区域内较大发育的溶洞，并采取相应的洞内及地表处理措施进行了处理，消除了施工风险，确保了已施工段的施工安全。实践证明，地质预报是暗挖隧道施工中不可缺少的重要工作，通过地质预报可将溶洞的发育规模、与洞室的位置关系，溶洞的充填物与富水量等弄清楚，最后在施工中采取相应措施，该工作必须作为一道工序，纳入施工管理和控制中。目前所用的各种地质预报手段都有其局限性，为此，不但需要在设计阶段加强地质调查和勘察工作，在施工前要有针对性的详细补充勘察和细致物探，以求地质预报资料的准确。若施工环境条件容许，应尽量提前进行地表预处理，以提高施工功效。施工时必须严格管理溶洞段超前探测、深孔充填注浆等施工工艺。在溶洞地段，还应加强环境监测，地表沉降监测，隧道涌水量和地表环境变化等情况，以确保施工安全。
