地铁盾构隧道施工溶洞处理技术分析

广州地铁三号线4标位于华南准地台，湘桂赣粤褶皱带中的粤中拗褶皱束中部，广花凹陷、增城凸起的交接部位。沿线地貌为广花冲积平原地势较平坦，上覆地层主要为第四系人工填土层、陆相冲、洪积相地层、残疾土层;下伏基岩为新生界第三系莘庄村组陆象碎屑沉积岩、二迭系栖霞组和上古生界石炭系下统大潭阶石凳子组、测水组、石炭系中上统壶天群。沿途有液化砂土、软土、岩溶和膨胀土等不良地质存在。

二﹑岩溶发育的特点及其危害

本标段石灰岩强度较高，但由于年代较长，由于灰岩含有黄铁矿结核，其风化产生SO4可以加剧碳酸钙的溶解，促进岩溶较强烈发育，风化后产生溶土洞。根据理论分析，岩(土)溶洞是地壳岩石圈内可溶岩在具有侵蚀性和腐蚀能力的水体作用下，以近代化学溶蚀作用为特征，包括水体对可溶岩层的机械侵蚀和崩解作用，而初腐蚀下来的物质携出、转移和再沉积的综合地质作用及由此所产生的现象总称。

溶洞主要按发育条件进行区分，主要分为溶洞和土洞两种类型：

溶洞：主要发育于石灰岩与岩质灰岩地层中，多为充填状态，充填物多为流塑状、软流塑状粘性土，局部夹岩石碎块、角砾石，无填充物岩溶为空洞。其中本盾构区间始发段溶洞发育情况较明显集中，由于该处地层主要以<9c-2>石灰岩地层为主，岩土交界面较明显属于溶洞高发区，溶洞发育情况较密集，并且部分溶洞呈现串珠状布置，但仅为个别溶洞为无填充状态。

土洞：埋藏在溶洞地区可溶性岩层上覆土层内的空洞，充填状态下，充填物多为流塑性粉质粘土，无填充物土洞为空洞。区间吊出井段为特征区段，虽该段盾构隧道掘进范围主要为全断面沙层，但由于下部存在明显岩土交界面，较容易形成土洞，在后期溶洞补堪所发现的溶洞一般均为覆土层空洞，由于局部与上部砂层联通，注浆量较大，处理过程难度增加。

溶土洞的发育，对结构稳定有较大的影响，同时对盾构施工也有较大的影响，容易发生“喷涌”、“盾构栽头”，甚至更大的溶洞可以使整个盾构机下沉淹没，施工前必须预处理。

三、本标段区间溶洞处理原则

本标段在施工过程中采取以下几点原则进行溶洞处理：

1)位于隧道底以下5m线、隧道两侧3m线以内(即高风险区)的已揭示的溶洞，自地面进行充填(填砂、注浆)加固;

2)凡是区间范围内、地质勘查已揭示的土洞，全部自地面进行充填(填砂、注浆)加固处理。

3)对高风险区段隧道下方的岩面土层进行注浆加固处理，以形成稳定壳体。当高风险区的岩面已进入盾构隧道的掘进范围时，不进行岩面注浆加固处理。当施做岩面注浆钻孔揭示到溶土洞时，应先进行溶土洞的处理，再进行岩面注浆。

4)溶土洞处理效果要通过控制施工参数和抽芯或标贯试验确定。

5)在进行溶土洞处理前，应明确需要盾构换刀的初步位置，在溶洞处理时应对该处溶洞进行加强处理，满足盾构换刀的地质条件。

6)施工期间发现的溶、土洞按照以上1)、2)条原则**。

四、区间溶洞勘察技术

溶(土)洞由于其存在的不确定性及发育的无规律性，在过程中很难探明溶土洞的具体分布情况，为保证尽可能的探明溶土洞的分布情况，我标段在施工过程中采用以下几种方式进行溶洞探测：

(1) 钻孔勘探法

(2) CT法

(3) 高密度电法

各种溶洞勘察方法的适用范围及局限性：

(1)钻孔勘探法：

钻孔勘探法是采用直接钻孔的方式来探明地下溶洞的发育情况，需占用一定的施工场地，在地表条件允许的情况下才能采用此种方法进行溶洞勘察。

(2)CT法：

勘探原理：鉴于溶洞位于地下水水位以下，溶洞内充填物一般饱和含水，溶洞内无充填物的部分一般充填有水。溶洞内介质的纵波波速Vp在1500～2000m/s之间。溶洞外介质一般为灰岩，介质的纵波波速Vp在4000～6000m/s之间。溶洞内外介质存在极为明显的波速差异。

土洞内介质为水，纵波波速Vp=1500m/s。如土洞内介质为流塑状软土，则纵波波速Vp=1400～1600m/s。土洞外介质为饱和含水的第四系土层，纵波波速Vp在1800～2000m/s之间。土洞内外介质存在一定的波速差异，这种波速差异的存在，为溶土洞勘察提供了条件。

(3)高密度电法：

勘探原理：岩土层的电阻率存在一定的差异，存在电阻率差异界面。洞身范围内内浅层第四系土层含有较多全、强风化砂岩组成，由于松散、破碎等原因具较高电阻率，范围约500～1500Ω·m。而弱、微风化砂岩富含水具低电阻率特征，范围约200～700Ω·m。由于岩土层电阻率差异的存在，为勘探溶土洞提供了条件。

五、区间溶洞处理方法

根据溶土洞处理原则，本标段对详勘揭示的溶、土洞进行如下加固处理：

1)溶、土洞充填加固处理的原则

(1)无填充溶、土洞和半填充溶、土洞

对洞高大于2m且无填充或半填充溶、土洞，先进行投(吹)砂处理，后采用注浆加固的方法;投砂处理时在原钻孔附近(约0.6m)补钻两个Φ200的投(吹)砂孔，两投(吹)砂孔中心与原钻孔中心需在同一连线上，两投(吹)砂孔可相互作为出气孔。投(吹)砂后，注浆加固的方法见后面的全充填溶土洞的处理方法。投砂管建议采用Φ200的PVC套管，投(吹)砂孔的大小也可由施工单位根据现场施工情况进行调整，达到填砂目的即可。

(2)对全充填或洞高小于2m的溶、土洞，可直接进行注浆填充。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。

2)注浆工艺

所有注浆管采用直径48mm的袖阀管，钻孔需进入洞体下岩层0.5m，由底部向上进行溶洞加固。注浆完成后要采用水泥砂浆对注浆孔进行封孔处理。

3)注浆材料

周边孔：纯水泥浆+水玻璃。双液浆现场配合比试验时，应以初凝时间为指标进行控制，但应综合考虑浆液的可泵性时间。双液浆配比建议为水泥：水：水玻璃=1：1.38：0.29(质量比)，水玻璃模数m=2.4～3.4(浓度Be =30～40)，但应进行现场配合比试验确定。

中央孔：纯水泥浆，水灰比建议为1：1，具体应根据现场试验确定。

4)注浆压力和注浆量

周边孔：以相对小压力、多次数、较大量控制;压力0.6～0.8MPa，3～4次，每次持续10～20min。

中央孔：压力按0.8～.0控制，3次，每次持续10～20min。

注浆扩散半径按照1.5m设计。

5)注浆间歇时间

每次间隔6～10小时。

6)溶、土洞处理注浆孔平面布置

充填处理前，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2.0m施做一排注浆钻孔，以基本找到洞体边界为止;沿隧道方向施做一排注浆钻孔，间隔2.0m，以基本找到洞体边界为止;然后从中心向其他方向探孔，以基本找到洞体边界为止。若洞体为有限边界，最外排孔未见洞，则该孔不需注浆，应向内收缩一孔最为边孔，注双液浆。

7)溶、土洞处理的范围的确定

溶(土)洞充填加固处理的范围：盾构隧道侧壁外5米，底板下10米。另外，处于高风险区(隧道下10m以内)内的溶洞均需进行处理，包括洞体一部分位于"10m"线以上、一部分位于"10m"线以下的情况。当洞体之间的岩层厚度无法满足"钻孔进入溶洞底板下0.5m"的条件时，下层溶洞也应进行相应的处理。

8)溶、土洞处理施工顺序要点

(1)溶、土洞处理的施工顺序应遵循：探边界--填砂--注浆充填--注浆效果监测。

(2)注浆施工时，应先施做止水、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。若在周边孔注第一次浆时，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。

六、岩溶处理效果检测

根据相关溶洞处理检测效果要求，目前执行的溶洞处理检测标准为：

(1)按总数量的1%孔数抽查，且不小于3点，要求每个溶洞处理区域均要检测一次;

(2)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。

(3)现场按以上溶洞处理效果检测，强度最高为1.5MPa，最低强度为0.3MPa，芯样显示浆液灌注密实、芯样连续，根据抽芯试验结果判定本区间溶洞处理质量符合要求。