地铁盾构区间穿越溶、土洞区加固处理设计
【摘 要】 对广州地铁二号线三远盾构区间长距离穿越岩溶地质区域时，首次提出以结构底板下10m深度内是否出现洞穴或岩土交界面作为划分岩溶处理高、低风险区的依据，并提出“充填处理”和“岩面注浆”及“道床预留注浆管”的点面结合、治理与预防兼施的溶、土洞综合处理方案，为该工程的顺利实施提供理论依据和指导作用，并为后继地铁工程的设计提供参考。（参考《www.jianzhu518.com》）
【关键词】 盾构区间 土洞 溶洞 风险区划分 处理方案
前 言
根据《广州市轨道交通线网规划》，地铁二号线接已建三元里站向北延伸，穿过规划白云新城至嘉禾，全长 9.35km，全部为地下线，计划 2009 年底建成通车。二号线北延线线路在广花凹陷冲积盆地内的岩溶盆地内穿行，该区域溶、土洞强烈发育，对地铁的施工、运营均存在较大风险。本文针对三远盾构区间国内首次盾构施工长距离穿越岩溶、土洞区，地质条件差、施工难度大、风险高、处理范围广等情况，参考国内同类地质工程施工经验，结合理论分析，提出对区间全线进行风险区域划分，确定一个合理的处理范围，再根据具体情况采取针对性的措施进行处理。
1 工程概况
三远区间起点为已运营三元里地铁站，穿越环城高速公路之后进入旧白云机场，到达远景站，区间单线长约 1124m，隧道洞顶覆土埋深 6 12m，采用盾构法施工。
本区间位于白云山西侧前缘的广花凹陷冲积盆地，地势平坦，上覆第四系地层以冲洪积砂层、土层及残积土层为主，厚度为10 30m；下覆基岩为石炭系中上统壶天群石灰岩和二迭系下统栖霞组炭质灰岩地层沉积地层，岩面高低起伏，埋深10-30m。区间隧道主要在上更新统冲洪积层和残积层中穿行。
区间勘察钻孔 175 个，钻探揭露的溶洞有 311个，见洞率为 55.03%，溶洞最大高度 9.7m，全充填的占 51.5%，充填物多为流塑、软塑状粘土；钻探揭露土洞共44 个，最大高度7.93m，以全填充为主，填充物多为流塑~软塑状粉质粘土。
第四系砂层孔隙潜水与下伏岩溶水构成双层含水结构，两含水层之间普遍分布有厚几米至十余米以上的残积粉质粘土层，成为相对隔水层，但由于基岩面起伏其厚度变化大和残积土层中含有数量不等的灰岩碎屑物质，而使上下两层水连通的方式多呈点、片状或条带状分布，本区土洞的发育与其密切相关。
2 高、低风险区的划分
在区间结构底板下10m范围内，若未发现溶洞和土洞，在深度 10m 范围内没有或很少岩土界面（即岩面基本在底板 10m 以下），符合上述条件，将其定为溶（土）洞对结构影响低风险区段，否则，定为高风险区段。将安全厚度分界线定为底板下 10m是基于下述考虑：
（1）根据目前老白云机场地铁沿线地质钻孔，岩土界面基本都在机场跑道下 10m 以下，界面上附近存在大量的溶（土）洞。旧白云机场运营 70 多年均未见因溶（土）洞塌陷而影响机场使用的事例，说明溶（土）洞的覆盖顶板大于 10m，塌陷的风险是很小的。
（2）根据铁道科学研究院对线路列车运行的冲击振动影响的实地检测，对混凝土轨枕碎石道床线路，在轨面下 2.5m的路基内土体的振动加速度，均已衰减至地面值的 0 - 10%。埋置式地铁在轨面下有一个体积和刚度很大的箱型结构，结构本身可分散列车的部分冲击振动力；地铁列车的重量和冲击振动也较地面铁路的重量和冲击振动小。因此，列车运行对结构底板下土体的影响深度会比地面铁路的 2.5m更浅，底板 10m以下的溶（土）洞，不会因列车的运行而加速其复活、发展。
（3）按现在通用的隧道设计概念，在一般的砂（粉）质粘土，甚至较松散的砂层或碎石层，拱顶的上覆土层厚度大于洞室开挖跨度的 2.5 倍，即可形成土拱，可使用承压拱理论对结构进行设计。也就是说，只要洞室上覆土层厚度大于洞室跨径的 2.5倍，地面普通应力的作用对洞室结构无影响。我们将分界线定在底板下 10m，即认为在10m分界线的基面下，若土洞的跨径小于 4.0m，略去水文地质的影响，对于静止土压力和隧道的运营影响而言是安全的，而根据已探明的土洞，直径大于 4.0m是很少的。因此，我们认为在底板下 10m 以下的溶（土）洞，对地下铁道结构的安全影响不大。
综上所述，与旧白云机场运营 70 多年的工程类比，以铁道科学研究院道床下路基的动态影响测试为依据，从目前公认的半理论半经验的压力土拱理论分析，说明在底板下 10m 土层外，且岩土界面不多时，只要处理好已探明表层的溶（土）洞，这时即使有漏探的土洞，其塌陷成漏斗状洞穴的风险也是较低的。
上述10m的分界线是一个原则上的分界线，按标贯 8-15 击的粉质粘土为分界标准层，若结构底板下土层强度高，属硬塑以上状态，或者土层粘性很好，则风险分界线可适当升高；相反，若底板下土层有较厚的淤泥或淤泥质土、胶结很差的砂性土、松散砂土等不良地层，则风险分界线可适当降低，安全厚度要再大一些。
3.1 处理原则
（1）先地面处理，后盾构掘进；
（2）全线划分高低风险区，分区域处理；重点处理高风险区隧道底板下 10m 和隧道两侧各 5m 范围内溶洞及岩土交界面层；低风险区仅对隧道两侧各 5m 范围发现的土洞充填处理；
（3）对需处理的溶、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；
3.2 处理方案
溶、土洞处理采用“充填处理 岩面注浆”及预留注浆管的综合处理方案。充填处理主要是根据洞的大小及充填情况采取先充填砂夹石，再静压灌浆或直接静压灌浆。根据以往在防治岩溶地面塌陷实践，充填注浆乃是有效的措施，采用密布的压浆孔可以揭露土洞，消除隐患；压浆可以充填洞穴，防止土洞坍塌；浆液扩散渗透，可消除或击破相邻土洞使之坍塌随即处理。岩面注浆是采用袖阀管在岩土界面上进行注浆加固，其目的主要是压浆封堵基岩和土层的界面，压浆管只在界面附近开孔，用较高的压力将界面上的溶槽、溶沟、破碎带、构造带、节理、裂隙，全部用浆液固结，将界面周边的溶洞、土洞填满，将溶洞和界面连通的通路(洞口)封住，甚至固结，从而阻止已有溶洞、土洞的发生发展，阻止或延缓新土洞的形成。
3.2.1 溶、土洞充填处理方案
①全填充溶洞处理：
采用静压灌浆法，在钻孔中插入袖阀管下到溶洞底面，进行深孔注浆。袖阀管采用φ90PVC 管，注浆扩散半径设计为 1.5m，钻孔间距 2.0m× 2.0m正方形布置。静压灌浆法采用纯水泥浆，水灰比=0.5：1 1：1，注浆压力 0.4 1.0Mpa；对于洞内水有流动性时，周边孔应在浆液中加入掺加速凝剂，控制浆液凝固时间在 10~20 秒左右。注浆施工时，应采取分序孔的注浆方式，采用先外围后内部、先下后上的注浆施工方法。为保证浆液不至于跑得太远，应采用间歇定量分次，先低压灌浆后高压补强注浆的方法，在注浆压力下，吸浆量 1 2L/min稳压 15min 终注。
②半填充、未填充溶洞的处理：
当溶、土洞高度大于2m时，地面钻孔放入钢套管并固定，将φ200 注砂管放至溶洞上，用高压风机将干砂压入，为防止洞内高压阻止灌砂，利用其它灌浆孔作为减压孔。吹砂以填充密实，压力稳定时，即可停止。然后再用其它孔插入袖阀管静压灌浆填充密实。当溶、土洞高度小于 2m 时，直接采用袖阀管静压灌浆填充密实。
3.2.2 岩面注浆处理方案
岩面注浆采用 φ90 袖阀管注浆。处理宽度为11m（线路中线左右 5.5m），高度为岩面上 1m 厚土层。注浆扩散半径设计为 1.5m，布孔间距按 3m ×3m 梅花型布置。首先施工 90mm 130mm 直径的钻孔至岩面下 0.5m，然后下袖阀管进行注浆。
3.2.3 加固效果检查
溶、土洞加固后的土体应该有良好的均匀性、自立性、密闭性。加固效果检查方法是在固结体内钻孔取芯，测得其无侧限强度和渗透系数 K，需达到以下标准：
换刀盘处：无侧限强度≥0.3MPa；渗透系数≤1.0 × 10 - 7cm/sec。
一般地段：无侧限强度≥0.15MPa；渗透系数≤1.0 × 10 - 5cm/sec。
3.2.4 道床预留注浆孔
盾构区间预留注浆孔是对运营期间基底产生塌陷空洞处理的一种预防措施。在道床施工之前，采用一端带有法兰盘的 φ90 钢管，用膨胀螺栓直接固定在每环管片的正下方，然后浇注道床，钢管另一端留在道床面上，运营期间采用盖子封堵。同时运营期间隧道纵向每隔 10 20m设置监测点,每 15天监测一次,根据监测情况了解隧道下方地层的变化情况，出现异常情况时，从道床通过预留钢管钻穿管片，插入袖阀管注浆进行加固处理。预埋套管设一排，纵向间距 3m，间隔一环管片设置。