广州地铁三号线北延段岩溶处理设计
2010-11-30 19:53
广州地铁三号线北延段岩溶处理设计
【摘 要】岩溶地质对地铁盾构隧道、明挖结构的施工以及建成后运营的维护都有较大影响。广州地区地铁施工在岩溶地质条件下,根据地质情况划分高、低风险区,高风险区范围岩溶、土洞必须进行填充处理。以广州地铁三号线北延段的岩溶处理设计为例,根据具体工程地质及水文地质资料,详细介绍岩溶处理的目的、原则、措施、施工注意事项及检测标准等内容。岩溶处理具体措施分盾构区间地段和明挖结构地段2类。
【关键词】地铁;北延段;岩溶处理;盾构隧道;明挖结构
引言
广州地铁三号线北延段同和站以北段部分区段岩溶、土洞发育,对地铁施工及后期运营阶段都存在较大风险。处理好岩溶对隧道施工非常关键,隧道在溶洞地段施工时,应根据溶洞分布范围、类型情况、岩层的稳定程度和地下水流情况等,分别采用相应措施,保证施工、结构和环境安全[1]。针对三号线北延段地质条件差、施工难度大等情况,参考国内同类地质工程施工经验,结合理论分析,确定处理范围,再采取针对性措施。溶、土洞发育地区的地铁设计,关键是如何根据地质情况合理判断工程风险,确定处理范围及措施,才能达到岩溶处理的目的。
1、工程地质及水文地质
以三号线北延段盾构5标嘉禾站—龙归站区间为例。
1. 1 工程地质[2]
该区间沿线为砾岩(砾质成分以灰岩砾为主)、石灰岩岩溶发育地段。
在砾岩段揭露到溶洞的钻孔有12个,洞顶标高为-21. 52~-4. 73m,溶洞顶板基岩主要为中、微风化砾岩,局部为强风化泥质粉砂岩,埋藏深度在12. 60~31. 80m,洞高0. 70~5. 70m。总体上岩溶较发育,见洞率为38. 70%,局部呈串珠状产出。溶洞呈全充填、半充填状,局部无充填;充填物为软塑状黏土、粉质黏土和少量砂,局部漏水、掉钻。
在灰岩段揭露到溶洞的钻孔有16个,洞顶标高为-21. 23~-4. 63m,溶洞顶板基岩主要为中、微风化灰岩、泥灰岩,埋藏深度在12. 30~33. 00m,洞高0. 20~5. 80m。总体上岩溶较发育,见洞率为30.60%,局部呈串珠状产出。溶洞呈全充填、无充填、半充填状;充填物为软塑状粉质黏土、砂砾和岩屑,局部漏水、掉钻。
总体上岩溶较发育,局部岩溶顶板极薄,隧道施工开挖造成突涌和塌陷现象。
溶、土洞:埋深不大,溶洞充填不佳且充填物工程性质差,易被水流冲蚀,多为洞顶近期塌落的碎石,属不稳定洞体。
1. 2 水文地质[2]
地下水类型按赋存方式分为第四系孔隙水、层状基岩裂隙水和岩溶裂隙水。
第四系孔隙水主要赋存于冲、洪积砂层中,砂层含黏粒较多,富水程度较差。含水层主要为潜水,局部地段砂层水微承压。
层状基岩裂隙水主要赋存于强、中风化岩中的风化裂隙之中,含水层无明确界限,埋深和厚度很不稳定,其透水性主要取决于张开裂隙发育程度、岩石风化程度,整体上富水程度较差。
岩溶裂隙水赋存在灰岩、砾岩(砾质成分主要为灰岩砾)的岩溶发育带之中,其空间形态主要受岩溶分布所控制,其富水性和渗透性受溶洞的大小、连通情况、充填物质和充填情况影响,整体上富水程度好。
2、岩溶处理的目的
1)满足永久隧道结构的承载力、变形
溶、土洞填充物性质软弱,随着时间的推移,并受周边环境的变化以及地下水活动的影响,很可能出现洞体坍塌现象。通过对洞体充填物的加固处理,提高其自身强度,从而提高洞体的稳定性,降低洞体坍塌而引起的地层塌陷,进而减小变形缝处的差异沉降[3]。
2)降低施工期间突水事件发生的机率
岩溶水属承压水系,随着施工期间基坑的开挖,水头上方土重的不断减小,岩溶承压水可能造成基坑突水事件的发生。通过对浅层、薄板溶洞的充填加固处理,相当于增加溶洞顶板厚度,从而降低出现基坑突水事件的机率。
3)降低新生土洞对隧道稳定性的不利影响
现在普遍认为溶洞的发育周期较长,通常在地铁运营期间出现新生溶洞的可能性很低,故对溶洞的处理主要针对目前勘察发现的顶板较薄、有漏洞、可能促成新生土洞发展的浅层溶洞;而土洞的发展速度较快,当土层具备一定条件时土洞将很快产生,这对使用中的区间隧道将产生不利影响。通过对隧道下地层的加固处理,将隧道地层划分为若干单元,防止土洞发育、发展过大,并利用隧道本身的纵向刚度,使隧道变形不至于发展过快,即使发生土洞,也给运营期间的抢险工作赢得了充分的时间。
3、岩溶处理的原则
目前广州地区地铁施工在岩溶地质条件下,一般的处理原则为根据地质情况划分高、低风险区,高风险区范围溶、土洞必须进行填充处理。
广州地铁三号线北延段岩溶处理原则总体参照广州地铁二、八号线岩溶处理方案,并根据其地质特点进行修改。全线划分高低风险区,分区域处理。对需要处理的溶、土洞,采取填充压密的方法处理,根据填充状态采取不同的处理工艺[4]。
3. 1 盾构区间地段岩溶处理原则
隧道底板以下5m内且位于隧道投影范围的溶土洞必须充填处理。对原高风险区的5m以外的溶洞按厚跨比(硬壳厚度/溶洞高度)大于等于0. 5的可判定安全不做处理,否则处理。对隧道平面投影外的,在隧道范围3m范围内,根据计算模型,按填充处理[5]。
3. 2 明挖结构地段岩溶处理原则(盾构井)
以结构底板下10m范围内的岩土面为界限, 10m以内出现岩面,岩面洞穴及土洞列为岩溶的高风险区,反之为低风险区。高风险区域岩溶处理措施:采用水泥土墩柱法和对处理范围内的溶洞灌浆加固及压密填充[5]。
4、岩溶处理措施
4. 1 盾构区间地段岩溶处理措施
4. 1. 1 大于3m的无填充溶、土洞和半填充溶、土洞(含特大溶洞)
先采用吹砂处理,后采用注浆加固的方法;投砂时,原来探到有空洞的钻孔作为出气孔,投砂后再采用此钻孔进行注浆。投砂处理时在原钻孔附近(约0. 6m)补钻2个Φ200的投砂孔,两投砂孔中心与原钻孔中心需在同一连线上。投砂后,注浆加固的方法参考全填充处理方法,投砂管采用Φ200的PVC套管,溶洞加固注浆平面示意图见图1。
处理前,先进行溶、土洞平面范围的试探测,以揭示到溶、土洞的钻孔为基准点,沿垂直隧道方向间隔3. 0m施作一排注浆钻孔,以探测到区间隧道结构外3. 0m为止;沿隧道方向施作一排注浆钻孔,间隔3. 0m,以基本找到洞体边界为止;然后从中心向其他方向钻探,沿垂直隧道方向以探测到区间隧道结构外3. 0m为止,在3m处施作止浆墙(即周边孔注浆);沿隧道方向以基本找到洞体边界为止。
4. 1. 2 全填充溶、土洞小于3m,无填充溶、土洞和半填充溶、土洞
注浆加固处理的方法为采用Φ48的PVC袖阀管注浆,注浆管应进入溶(土)洞底部以下不小于0. 5m;注浆压力从低到高,间歇反复压浆[6],盾构隧道地层加固示意图见图2。
1)周边孔 以相对小压力、多次数、较大量控制;压力0. 6~0. 8MPa,注3~4次;注浆浆液为双液浆,配比建议为水泥:水:水玻璃=1:1. 38:0. 29(质量比),水泥采用32. 5级普通硅酸盐水泥,水玻璃模数m=2. 4~3. 4(Be′=30~40),具体配合比应根据现场试验确定。
2)中央孔 压注水泥浆3次,注浆压力为0. 8~1. 0MPa;达到注浆终压并继续注浆10min以上结束;水泥浆液采用32. 5级普通硅酸盐水泥配制;水灰比=1. 0~1. 5,具体应根据现场试验确定;注浆速度为30~70L/min。
3)注浆加固扩散半径为1. 5m,施工时应根据实际情况控制注浆压力,防止跑浆、冒浆发生,减少浆液流失。
4. 1. 3 岩土分界面处理
岩土分界面即岩面,对于结构底板至结构底板下10m范围内的岩面进行注浆加固处理。岩面注浆处理方法包含地面岩面注浆、隧道洞内岩面注浆。
1)地面岩面注浆
对于在溶洞处理场地区域内需要岩面注浆处理的区段,岩面注浆与溶洞处理在地面同时实施。如图3、4。
岩面注浆采用Φ48的PVC袖阀管,注浆宽度9m,按岩土分界面处于隧道下10m线范围内的长度来确定加固的纵向长度,压浆土层厚度为岩土分界面以上1m,钻孔进入岩层0. 5m;注浆孔间距3. 0m×3. 0m,盾构隧道(单线)横向3排。
注浆材料采用水泥浆,并且加入2% ~3%的早强剂,水灰比控制在1:1~1. 5:1[7],并根据进浆状态适当调整;注浆压力从小到大,终注压力为0. 1~0. 3MPa,上限按地面无变形且能进浆为准;注浆扩散半径为1 500mm。
当注浆过程中遇到岩面表层溶土洞时,可利用注浆进行填充;若出现串珠状溶洞时应按照溶洞处理方法进行处理及时止浆,防止浆液流失严重。
2)隧道洞内岩面注浆
盾构区间对详勘和补勘未发现土洞和溶洞的地段,鉴于实施条件困然及实施效果难于达到理想要求,其岩面不予事先处理,而是在混凝土管片预留注浆打孔条件,在道床的相应位置预先埋设注浆管,确保隧道在投入运营后仍有条件对下方地层进行加固。在地铁运营阶段应加强监测,运营阶段需要进行注浆加固时,可通过管片预留位置处打孔并向管片背后的岩面进行注浆加固。
4. 2 明挖结构地段岩溶处理措施
理论认为隧道本身的刚度可以抵抗其下方出现一定尺寸的洞体(最大跨度10m)。水泥土墩柱(即水泥搅拌桩与土的组合体系)按照纵向10m长(沿线路方向)、10m净距(墩与墩之间的净距)的基本布置原则,并结合区间隧道变形缝的设置位置(变形缝60m一道),一般情况每段隧道(两变形缝之间)范围内可布置水泥墩柱3个。
水泥土墩柱的竖向长(即水泥搅拌桩深度)原则上要求达到岩面(灰岩的中风化〈8〉或微风化带〈9〉)。当岩面以上存在较厚的〈5C-2〉硬塑状残积土、〈6C〉灰质灰岩全风化带及〈7C〉炭质灰岩强风化带时,由于其具备很好的自稳能力,桩长可酌情缩短,但要保证进入〈5C-2〉地层不小于1m。如图5、6。
水泥搅拌桩桩径550mm,桩距450mm,水泥掺入量为10% ~15%,水灰比为0. 5:1~0. 6:1,具体根据现场试验确定。水泥土墩柱的纵向布置每60m(变形缝间距)4根。因地质情况及埋深情况局部工点改为单管旋喷桩。
搅拌桩在地面施作,隧道底以上部分为空钻。
5、岩溶处理的施工及注意事项
5. 1 溶、土洞处理施工顺序
1)溶、土洞处理施工应遵循“探边界—填砂(溶、土洞洞高若大于2m)—注浆充填—注浆效果监测”的顺序进行。
2)注浆施工时,应先施作止水、止浆帷幕,将处理范围内溶洞与外界洞体隔离,再处理中间区域。若在周边孔注第1次浆时,注浆量已较多,压力达不到设计要求时,周边孔与中央孔可交替注浆。
3)发现浆液流失严重时添加水玻璃速凝剂,以确保注浆效果。
4)中央区域注浆孔应跳跃施工,以防止跑浆、窜浆现象。
5. 2 溶、土洞处理施工注意事项
在补勘、详勘阶段揭示的土洞及在高风险区内的溶洞必须处理。溶、土洞处理前必须对处理区域范围内的管线进行探明,并进行拆除、迁改、悬吊等处理。避免岩溶处理中施工受阻或破坏正在使用的管线。
对于明挖基坑,溶、土洞处理及注浆充填加固均在基坑开挖前施作。
应急措施:
1)在基坑开挖前,应预计事故发生的可能性,做好抢险加固的准备工作;
2)成立施工抢险小组,明确项目负责人;
3)明确钻孔、塌陷回填材料的来源与运输;
4)储备回填、封堵钻孔及塌陷的必要器材。为防止注浆过程中孔口浆液溢出,应采取经济合理的技术措施进行封孔。地面注浆结束后,注浆孔应封填密实,确保隧道施工的安全[8]。
6、岩溶处理检测标准
1)水泥搅拌桩
按1%抽查,且不少于3根;无侧限抗压强度(28d)不小于以下设计值:淤泥, 0. 25MPa;淤泥质土, 0. 35MPa;黏性土,0.5MPa;粉土,0.6MPa;砂土,1.0MPa[9]。
无侧限抗压强度(14 d)不小于以下值(建议值):淤泥, 0. 19MPa;淤泥质土, 0. 26MPa;黏性土, 0. 38MPa,粉土: 0. 46MPa;砂土, 0. 76MPa。以上值根据经验值估算,要求原位至少试验2根桩给出试验值。
2)土洞
按1%孔数抽查,且不少于3点,要求每个溶洞均要检测一次;采用抽芯检测,或者采用随机原位标贯试验,标贯击数应不少于10击。
3)溶洞
按1%孔数抽查,且不少于3点,要求每个溶洞均要检测一次;采用随机钻孔取芯,做抗压试验,要求无侧限抗压强度不小于0. 2MPa。
4)旋喷桩
按1%抽查,且不少于3根;采用随机原位标贯试验,标贯击数应不少于18击。
7、结论
岩溶处理的难度很大且十分复杂,需要因地制宜的设计和选择合理的施工方法。目前广州地区的地铁施工,根据多条地铁线的研究和总结,基本形成了统一认识:岩溶处理应根据地质情况确定高低风险区,分区域处理。根据目前的施工验证,是合理且有效的。
在岩溶地区进行地铁的施工和设计,应仔细研究地质情况,了解岩层性质和岩溶发展。发现岩溶时,应及时进行补勘,了解岩溶范围,根据不同情况采用相应处理措施,对确保施工过程安全及保证正常运营有重要意义。
参考文献:
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