岩溶地层中的盾构隧道施工(终稿)

岩溶地层中的盾构隧道施工中铁一局集团有限公司技术研发中心城轨分公司目录一、前言二、关键技术的研究与创新1.运用多种勘查方法，探明溶洞情况2.溶洞处理的设计与施工3.盾构机性能的改进与掘进技术措施三、施工实况简述四、经济效益与社会效益五、结语图-1工程平面位置图图2-2工程平面位置图一、前言（1）项目概况广州轨道交通五号线草暖公园～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。但由于钻探孔间距过大（约20m～40m），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～小区间整体地质与环境的综合分析，确定其区间隧道采用土压平衡盾构施工。中铁一局总承包本项目的施工图设计与盾构隧道施工。中粗砂层硬塑~坚硬状风化残积粉质粘土层岩石全风化带岩石强风化带岩石中等风化带岩石微风化带〈3-2〉〈5-2〉〈7〉〈8〉〈9〉图-2草～淘区间盾构穿越地层图（2）立项背景：①岩溶地层中采用盾构法施工国内尚属首次。②盾构掘进中可能发生盾构机栽头、陷落；地层大量失水、坍塌、严重沉降。③工后若发生严重差异沉降将使致隧道结构被破坏。所以，需对如何探明溶洞的空间分布、大小及充填情况；溶洞处理的原则与方法；盾构机与掘进技术措施等三个方面进行深入研究，并组织精心设计、精心施工，以保证施工及运营安全。（3）研究课题与思路①采用有效勘察手段探明溶洞状态。②研究确定溶洞加固的原则与方法，以经济、合理的控制地层加固范围及质量。③针对性的对盾构机设计予以改进并制定适宜的掘进技术参数，保证盾构施工及隧道安全。在探明溶洞分布的基础上，充分把握盾构机及盾构法施工的特点，深入研究、优化，以确定可靠、经济的施工图设计与施工方案。二、关键技术的研究应用与创新1.运用多种勘查方法，探明溶洞情况分析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：（1）高密度电阻率法地面物探–总体探查溶洞分布。（2）补充钻孔钻探–直观掌握溶洞及充填物状况。（3）电磁波深孔CT–在钻孔间加密剖切面勘查，判断边界。（4）综合判断后结合注浆孔在布置补孔探测。1.1高密度电阻率法物探对YCK7+880~YCK8+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。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-4）。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。图-3高密度电阻率测量系统示意图广州市地铁五号线草暖公园区溶洞分布图溶洞溶洞溶洞溶洞线线线线线线图-4高密度电阻率法物探布线及探测溶洞分布图1.2补充钻孔勘探在勘察区域内，分别在距离左右线隧道外侧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127个（其中技术孔37个），共计钻孔长度4109m。（见图-5）。因隧道底板埋深22.86m～24.30m，位于左右线区间隧道中心线位置的两列钻孔设计深度原则为35m，另外三列钻孔设计深度原则为30m，有溶洞的钻孔要钻至溶洞底下2～3m。灰岩碎块粘土粉质粘土空洞空洞泥炭质粘土粗砾砂中粗砂淤泥半充填,粘性土夹灰岩碎块半充填,粘性土夹灰岩碎块空洞粘土炭质粘土半充填,灰岩碎块空洞粘土图-5补充钻探钻孔布置图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CT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1137个。图-6水平同步或斜同步的定发动收示意图图-7CT孔对布置图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）91米、右线（YCK7+920－YCK8+025）105米的区间内。溶洞分布主要特点如下：①溶洞规模大但分布较集中。127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-31.44；溶洞多呈串珠状，层数为1～12层，以2～4层为最多。平面上主要分于二、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3米及隧道结构底板以下3米范围内揭露到有溶洞的钻孔有56个，占80%。②溶洞层间岩板厚小于3.00m为主，约占三分之二，大于3.00m约占三分之一。裂隙发育，溶蚀强烈，详见图-5溶洞分布投影图。图-8溶洞分布投影图1.4.2溶洞充填物特征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。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%。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吨，长8.2米，其重心在前部3米处。掘进时隧道底部若突现大于3米的空洞或极软弱地层可能致使盾构机栽头或陷落。所以，关键是对隧道中线底部重点加固，利用补充钻探孔并将注浆孔间距加密至2.5米，确保盾构机不至陷落。采用袖阀管水泥浆注浆加固。重点是隧底承载力40～80Kpa地层及空洞区，处理深度为隧底5米。2.1.2防止地表塌陷和过大沉降隧道洞身周围3米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、防水要求溶洞填充物和灰岩承载力有很大的差别．通过对地层处理，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当填充物为粘土、粉质粘土和泥炭质土注浆扩散半径按照1～1.5m设计，填充物为砂、碎块按照3m设计。2.1.5检测重点结合盾构施工特点，注浆加固效果的检测重点以及地基承载力指标为主，加固体强度为辅。经过反复研究、论证，确定了以上原则，突破了初步设计全面加固、全面封闭的处理方案。将原加密注浆孔236个减为167个且利用已有补充钻探孔127个，设计注浆量由9380m3减为5250m3。2.3溶洞处理加固设计与施工要点（1）在已有补充钻探孔的基础上，仅在隧道中线加设密布注浆孔40个，满足隧底中线2.5m即有一个加固点。（2）以袖阀管注浆加固为主，注浆压力与注浆量双控制。（3）大的空洞开300mm直径的孔，灌砂后注浆。（4）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。（5）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。（6）先对无填充、半填充溶洞填砂处理，然后再进行其他溶洞注浆填充处理。3.盾构机性能的改进与掘进技术措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，对盾构机设计作了以下重要改进。（1）刀盘驱动功率由945kw增至1200kw并改善了扭矩特性曲线，使盾构机在较高转速下扭矩得到较大提高。图-12盾构机扭矩特性曲线比较图盾构破岩机理是：滚刀在盾构机的推进千斤顶和刀盘旋转共同作用下，刀刃滚动切入岩体，切入区产生裂纹，而轨迹相邻的两滚刀间裂纹达到相接或相近到一定程度，岩石即可崩裂破碎。破岩能力由垂直力和滚动力组成（见图9-11）（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。图—9垂直力分析图--10刀间距示意图图--11滚动力分析垂直力Vf=f（D，α，δ，ζ，S，P）Vf=D1/2P3/2[4/3*δ+2ζ（S-2Ptanα/2）]tanα/2滚动力Rf=Vftanβ=VfC式中：δ-岩石单轴抗压强度；ζ-岩石无侧限抗剪强度；S-刀间距；P-贯入度；D-刀具外径；α-刀具刃角；C-岩石切割系数；β-合力夹角上述各变量中：由于6米刀盘普遍采用17吋滚刀，几何尺寸相同，D、α、β稳定；针对一定强度及RQD的岩石，δ、ζ、C相当；则由上式知：破岩能力可视为仅由刀间距S、贯入度P确定。贯入度在掘进时可调整，所以，通过改进盾构机刀盘设计、减小刀间距即可提高破岩能力。对80Mpa以上的硬岩，刀间距应取85mm左右。（3）在盾构机正面区设置了4个钻探注浆孔，配置30米自动钻探钻机，可对隧道断面内实施超前钻探地质预报与注浆加固。以上的改进，提高了盾构机的性能，使用目前国内性能最优的盾构机施工。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，及时调整，保持正确姿态。②对富水区域进行盾构内的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掘进时要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。三、施工实况简述1、溶洞地层加固2005年11～12月按设计完成溶洞地层加固施工，注浆时引起地面个别点上鼓，其余良好。2、盾构掘进（1）工期与进度左线于2006年7月21日至8月8日共18天完成岩溶段91米的盾构掘进，平均每天掘进约5米。右线共用22天完成，平均每天掘进4.8米。（2）掘进描述总体上顺利通过了岩溶段的掘进。采取了控制贯入量、加强同步注浆等谨慎掘进管理措施，但总推力较大，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，部分段落地下水还较大，掘进中予以及时注浆充填封堵。（3）主要掘进参数据盾构机PLC的记录，经归纳后可分为以下两类：①硬岩及软硬不均区：土仓压力：0.5～1.1bar；转速2.3～2.5rpm；贯入量10mm/r左右；扭矩2500～3200KNM；总推力10000～13000KN。②较软或全断面为充填物加固区：土仓压力：0.6bar；转速2.0/rpm；贯入量25mm/r左右；扭矩2000KNM；总推力7000～9000KN。四、经济效益与社会效益1、经济效益（1）原初步设计对溶洞区采取全封闭、全加固方案，需钻孔236个，注浆9380m3。经对盾构法施工特点充分研究分析后钻孔165个，注浆5250m3既可满足加固要求。节约钻孔费用：71孔×3000元/孔=21.3万元；节约注浆费用：4130m3×300元/m3=123.9万元；合计节约费用145.2万元。（2）盾构机及刀具布置的改进，保证了盾构顺利掘进，赢得工期、减少费用。2、社会效益（1）填补了国内外盾构在岩溶地层中施工的空白。（2）研究成果为今后类似地质条件施工提供了成熟的设计与施工经验。五、结语（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