江底溶洞对盾构隧道的影响分析及处治
0 引言
盾构施工在遇溶洞区域极易出现“栽头”“陷落”“涌水”“突泥”“河床塌陷”等事故, 给盾构掘进施工带来较大安全隐患。因此, 国内一些业内专家及学者对溶洞处理展开研究, 并取得一定成果。肖元平通过研究溶洞与隧道的相互影响, 提出采用钢护筒护壁进行注浆填充;周超结合徐州地铁1号线岩溶发育状况, 采用锚网喷防护, 喷射C25混凝土或水泥砂浆回填;樊浩博等采用雷达探测出溶洞的位置及发育情况对拱顶溶洞, 采用注浆加固处理, 对隧底溶洞采用换填法处理。本文将在已有研究的基础上, 以衡阳市合江套湘江隧道工程为例, 采用二维地层结构对溶洞和隧道进行计算分析, 研究其影响趋势, 并综合考虑工程质量、安全、工期、成本等因素, 提出针对性强、可行性高的溶洞处理方案。
1 工程概况
合江套湘江隧道工程是衡阳市二环东路的重要组成部分, 线路全长2.27km, 双向4车道, 过江段采用泥水平衡盾构法施工, 开挖直径11.81m。隧道所在工程区下伏基岩有脉状或薄层状膏盐层———硬石膏或钙芒硝, 为可溶性盐类, 易被溶蚀形成空洞。在水上物探勘察基础上进行钻孔详勘, 最后发现江中存在5个影响盾构施工的溶洞发育区, 如图1所示。Z1, Z2和Z3溶洞区均在隧道北侧, Z2, Z3连通, 影响范围长达83m, Y1和Y2溶洞位于隧道南侧, 5个溶洞区填充状态均为中密及以下。
从勘察资料分析, 揭露的33个溶洞中填充型溶洞占比80%, Y1溶洞区填充物主要为圆砾夹砂及泥质, 性质较为复杂, 呈中密状态;Y2溶洞区填充物为粉砂质泥岩风化物, 呈稍密状。
为了解溶洞的发育情况, 以溶洞高度为标准对溶洞进行发育规模的分类统计, 统计结果如图2所示。
由图2可看出, 高度2.0~6.0m溶洞占比较高, 达69.6%, 而高度<1.0m及>10m溶洞较少。
溶洞与隧道相对位置是影响盾构施工安全的重要因素, 针对溶洞洞顶距结构底板的距离进行统计并绘制成柱状图 (见图3) 。顶部位于隧道内以及距离结构底板在10m以内的溶洞对结构影响较大, 共占总溶洞的83.9%。
在了解溶洞基本状况的基础上, 为了有针对性地对溶洞进行处理, 保障盾构施工及隧道结构安全, 首先需进行溶洞对隧道的影响分析。
2 溶洞对隧道的影响分析
分析溶洞的影响, 首先分析没有溶洞的状态对隧道内力及周边土体的变形和应力。计算主要分2个工况, 分别为高水位和低水位工况。在此只列出高、低水位状态下的计算结果趋势基本相同, 主要列出高水位工况下的计算结果, 如图4所示。
在溶洞内部形状未探明情况下, 对此在计算中假定溶洞为状态稳定的一个半径3m的圆形, 溶洞外缘距离隧道外轮廓6m。
由图4对比分析, 可得到以下结论。
1) 由水平和竖向位移云图可看出, 溶洞在隧道开挖后, 有向隧道方向的位移约11.6mm, 竖向位移约40mm, 溶洞位移变化较大, 如果溶洞不是圆形, 其位移将更大, 过大位移和变形可能使溶洞塌陷, 促使盾构管片一侧土体失稳, 给盾构隧道带来安全隐患。
2) 由应力云图可看出, 隧道和溶洞之间的土体应力水平较高, 在隧道开挖过程中可能发生较大的塑性变形, 盾构和溶洞之间的夹岩土可能丧失其承载力, 这将给盾构隧道造成难以承受的破坏。
3) 由于溶洞的出现, 盾构管片的计算弯矩由206kN·m/m增加到287kN·m/m, 增加39.3%, 管片的计算轴力增加较少, 约3%。此次计算考虑溶洞为圆形, 溶洞的自身受力和稳定性在计算中是冒进的, 实际情况下可能盾构管片受力比正常情况下增加更多。
因此, 溶洞的存在将对隧道施工安全产生较大影响, 在盾构施工前有必要进一步探明溶洞发育情况, 并采取处置措施。
3 溶洞处理方案
3.1 处理工艺的选取与优化
综合考虑施工工期、成本、效果、可操作性等方面, 结合工程地质勘察状况, 上述溶洞区均为中密及以下填充型溶洞, 拟选取注浆加固方案对溶洞进行处理。传统方式的注浆工艺采用长钢套管护孔, 但易遗落江中, 对盾构设备易造成损害, 故进行了优化, 采用短钢套管护孔, 用长塑料管保护注浆管, 均伸入溶洞底部, 溶洞孔口封孔后, 溶洞内形成封闭注浆环境, 再采用可循环注浆方式, 将溶洞内的水和残渣等低密度充填物置换排出, 逆流而上存入储浆罐, 以达到对溶洞填充加固的目的, 此方案解决了传统方式存在的注浆不密实、漏浆、污染环境等问题, 如图5, 6所示。
3.2 施工技术要点 (见图7)
1) 搭建作业平台根据实际需要, 采用2艘船搭建1处水上作业平台, 分别在每艘船上放置1台冲击回转成孔钻机, 两船抛锚固定, 中间设3m宽钢板连接牢固, 作为作业平台, 该平台可根据溶洞注浆位置适时移动和定位, 如图8所示。
2) 钻孔采用XY-150型地质钻机及YGL-C200全液压冲击钻机成孔, 钻孔孔径采用146mm, 钻头采用金刚钻头或硬质合金钻头。施工过程中, 应确保钻孔深度达到设计要求。先对溶洞周边钻孔, 再向内部进行钻孔, 边界孔采用钢套管注双液浆或加速凝剂控制边界。注浆孔按掘进范围外2m×2m间距, 盾构掘进范围内按间距3m×3m, 呈梅花形布置。
3) 安装钢套管根据溶洞的水上物探结果进行移船定位, 确定钻孔位置, 采用YGL-C200全液压冲击钻机下放146保护钢套管进行护孔, 钢套管长度按插入江底以下淤泥质土≥4.0m, 插入圆砾层及其他土层≥2.0m控制。
4) 安装注浆管注浆管采用2根25×3.5和1根50×3.5 PP-R塑料管, 其中1根25×3.5 PP-R塑料管用来孔口封孔, 管底伸入到溶洞口上部1m处, 孔口封孔目的是防止水泥浆浆液流失至江中, 另一根25×3.5 PP-R塑料管放置于50×3.5 PP-R塑料管中构成一个浆液置换系统, 其中50×3.5PP-R塑料管底端封闭, 并伸入到溶洞底部, 该管在溶洞中的长度部分预先对称设置若干5小孔, 竖向间距0.1m, 用于浆液传输。25×3.5 PP-R塑料管插入到50塑料管中, 底端与粗管间留有一部分空隙。
5) 孔口封孔采用水玻璃和水泥浆体积比为1∶1的双液浆注入深度达到溶洞孔口位置的25×3.5注浆管, 该管底部处于溶洞顶端上部1m位置, 注浆时间控制在10~15min, 分时间段形式注浆, 每注浆3min停10s, 使孔口位置迅速形成一段密实的水泥固态堵口状态, 以便维持须加固的地层浆液压力并防止水泥浆液流失至江中, 封孔完毕将形成一个封闭的灌浆置换系统。
6) 浆液制备制浆材料必须称量, 水泥等固相材料应采用质量称量法。采用42.5级普通硅酸盐水泥, 制备水灰比为0.6∶1的纯水泥浆液, 输送浆液流速应为1.4~2.0m/s, 各灌浆地点应测定来浆密度, 并根据各灌浆点的不同需调制使用。浆液温度应保持在5~40℃, 低于或超过此标准的应视为废浆。测定浆液密度和黏滞度等参数, 并做好记录。
7) 灌浆试验根据灌浆工程施工图纸的要求选定试验孔布置方式、孔深、灌浆分隔时间、灌浆压力等试验参数。在每一灌浆试验区内, 按批准的灌浆试验大纲拟定的施工程序和方法进行灌浆试验, 检查灌浆效果, 整理分析试验孔的试验资料, 并总结灌浆试验成果, 得出合理灌浆参数。
8) 注浆注浆压力一般为0.4~1.2MPa, 注浆压力从0.4MPa逐步平衡提升, 不瞬间加压。达到注浆终压1.2MPa并继续注浆10min以上;注浆速度控制在30~70L/min, 浆液相对密度约1.5, 首先注浆到25塑料管内, 由50管底的小孔流入溶洞底部, 通过浆液置换系统将溶洞空腔内的低密度充填物挤到溶洞上部, 再由50小孔流入两管的空隙中, 随浆液流动排出孔外。根据物探结果, 溶洞区域水平方向每隔2m设一注浆孔, 呈梅花形布置, 加固范围以隧道外轮廓1.5倍洞径为界, 其他方向以溶洞发育区轮廓为边界。
9) 注浆管封孔采用水玻璃和水泥浆体积比为1∶1的双液浆注入25×3.5注浆管 (置于50注浆管中) , 注浆时间控制在10~15min, 分时间段形式注浆, 每注浆3min停10s, 使注浆管内迅速形成一段密实的水泥固态堵口状态, 待25×3.5和50×3.5 2个注浆管间隙向外排出双液浆时停止注双液浆, 此时溶洞内部已饱和, 双液浆快速凝固后完成注浆管封孔。
10) 拔出钢套管注浆完毕后, 且浆液强度形成后, 采用YGL-C200全液压冲击钻机拔出钢套管, 拔出过程应缓慢匀速, 避免拔出过程中对砂砾层造成较大扰动, 保证注浆加固效果。
11) 废浆处理通过浆液循环排出的水和残渣流入船上设置的储浆罐内, 经沉淀过滤后的清澈水层可用于浆液拌制, 促进浆液的循环利用, 沉淀的残渣将由运输船统一运至岸边集中处理。
4 处治效果检测
4.1 岩溶处理检测标准
1) 对于溶洞采用随机钻孔取芯, 以抗压试验为主, 抽水试验为辅, 无侧限抗压强度≥2.5MPa。
2) 加固体渗透系数要求≤1×10-5cm/s。
3) 加固体波速应较加固前原始地层增加10%以上。
4) 检测原则和数量:按1%孔数抽查, 且≥3点, 要求每个溶洞检测≥2次;采用随机钻孔取芯, 做抗压试验, 要求无侧限抗压强度≥2.5MPa。质量检查孔的压水检查工作应在单元工程灌浆结束28d后进行。
4.2 芯样检测结果 (见表1)
本文对江底溶洞进行填充加固处理后效果良好, 芯样各项指标检测合格;并通过调控掘进参数, 及时进行同步注浆和二次注浆, 使盾构安全平稳穿越溶洞区, 未出现塌陷、渗漏水等异常情况, 为后续施工奠定了坚实基础。
溶洞处理范围如图9所示。
5 结语
1) 采用物探、雷达探测等多手段精确测定溶洞发育情况及范围, 防止注浆范围不准确造成浆液材料浪费。
2) 施工前应通过试验确定注浆参数, 同时施工过程中避免注浆参数骤增骤降, 防止施工过程中对溶洞周边土体造成过大扰动, 破坏围岩条件。
3) 经过浆液置换排出的废液应先进行沉淀, 澄清液仍可用于浆液拌制, 减少对环境污染。
4) 灌浆过程中如发生冒浆、漏浆现象, 应根据具体情况采用低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等方法进行处理。
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