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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。