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喀斯特地貌中盾構(gòu)施工巖溶處理及風(fēng)險管控研究

時間:2021年05月12日 分類:科學(xué)技術(shù)論文 次數(shù):

摘要:貴陽作為典型的喀斯特地貌,巖面起伏變化大,巖溶極為發(fā)育;表面的巖溶形態(tài)主要有容溝、溶槽、鷹觜巖、石芽和陡坎等;具有復(fù)雜性,不可預(yù)見性和危險性等特征。巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工容易發(fā)生地表塌陷和盾構(gòu)機栽頭現(xiàn)象,處理不當(dāng)會給盾構(gòu)施工帶來極大的安全風(fēng)險

  摘要:貴陽作為典型的喀斯特地貌,巖面起伏變化大,巖溶極為發(fā)育;表面的巖溶形態(tài)主要有容溝、溶槽、鷹觜巖、石芽和陡坎等;具有復(fù)雜性,不可預(yù)見性和危險性等特征。巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工容易發(fā)生地表塌陷和盾構(gòu)機“栽頭”現(xiàn)象,處理不當(dāng)會給盾構(gòu)施工帶來極大的安全風(fēng)險和經(jīng)濟損失,因此就要重視盾構(gòu)通過前的巖溶超前探測及處理工作。本文結(jié)合貴陽軌道交通3號線貴醫(yī)站~大營坡站區(qū)間工程實例,闡述了巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工針對前方巖溶的探測及超前處理,尤其是洞內(nèi)超前鉆注處理方法;另外探討了典型巖溶地層沉降控制與噴涌防治方法,為盾構(gòu)長距離下穿施工中探測、處理前方巖溶及重大風(fēng)險管控提出有效的解決措施及建議。

  關(guān)鍵詞:巖溶地層;超前處理;風(fēng)險管控

地質(zhì)施工論文

  一、工程概況

  貴醫(yī)站~大營坡站區(qū)間線路出貴醫(yī)站后沿北京路、大營路、新添大道走行,側(cè)穿貴烏中路高架橋樁基、寶山北路高架橋樁基、人行天橋樁基及大量1~9層建筑物,下穿寶山北路過街地道、亞華小區(qū)、農(nóng)資公司宿舍樓、沙河大溝、茶店大溝、大營坡批發(fā)市場及F7、F8斷層破碎帶等重要風(fēng)險源,最后進入大營坡站。區(qū)間左線長1429.870m,右線長1444.411mm,線間距為14m〜17m,隧頂埋深約10.3m〜39.3m,整個線形為S型,最小曲線半徑為R=350m,縱向最大坡度為27.466‰的上坡。區(qū)間斷面均為標準斷面,雙洞單線隧道,無停車線、渡線;采用盾構(gòu)法施工,共設(shè)置2座聯(lián)絡(luò)通道。

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  二、地質(zhì)水文

  2.1工程地質(zhì)

  根據(jù)詳勘報告,本區(qū)間隧道覆蓋層主要為第四系雜填土層、紅粘土,下伏基巖為三疊系大冶組(T/1d)石灰?guī)r,三疊系安順組(T/1a)白云巖及二疊系長興組(P/2c)石灰?guī)r。隧道穿越地層主要為中風(fēng)化灰?guī)r,小里程穿越少量中風(fēng)化白云巖。

  2.2水文地質(zhì)

  區(qū)間線路范圍內(nèi)地下水類型分為上層滯水和潛水。區(qū)間下穿大營坡批發(fā)市場段地下穩(wěn)定水位埋深約3.7~6.2m,位于隧道拱頂以上9.6m~11.7m。

  擬建工程區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜,地層賦水性差異較大,巖溶地區(qū)地下水受構(gòu)造節(jié)理裂隙、巖溶洞(隙)及管道控制,分布不均勻,規(guī)律性差的特點,對區(qū)間隧道的開挖影響較大。

  2.3不良地質(zhì)

  根據(jù)詳勘報告,擬建線路范圍內(nèi)不良地質(zhì)主要有:巖溶、穿越斷層。

  1)區(qū)間范圍地層褶皺強烈,斷裂復(fù)雜,古巖溶地貌面起伏平緩,巖溶地質(zhì)條件甚為復(fù)雜。擬建場區(qū)范圍內(nèi)白云巖、灰?guī)r廣泛分布,現(xiàn)狀地表為植被及既有路面及建(構(gòu))筑物,地表巖溶形態(tài)主要表現(xiàn)為巖層表面發(fā)育溶孔、溶隙、溶洞。地下巖溶形態(tài)主要以溶洞、溶溝(槽)、溶蝕裂隙為主,巖體內(nèi)主要為溶孔、垂直溶洞(隙)、溶蝕破碎帶,發(fā)育形態(tài)呈單個狀或巖溶管道。溶洞被粘土或角礫充填,呈全或半充填狀態(tài),局部為空洞。本區(qū)間勘察取孔58處,經(jīng)鉆探揭露,遇溶洞(隙)鉆孔17個,遇溶洞率29.3%,為巖溶強發(fā)育區(qū)。

  2)區(qū)間穿越F7及F8兩條斷層,斷層兩側(cè)巖體很破碎,巖溶較發(fā)育,均具有富水性。

  三、工法比選研究

  貴大區(qū)間初步設(shè)計采用礦山法施工。鑒于區(qū)間下穿寶山北路過街地道、亞華小區(qū)、農(nóng)資公司宿舍樓、沙河大溝、茶店大溝、大營坡批發(fā)市場及F7、F8斷層破碎帶等多處風(fēng)險源,且?guī)r溶強發(fā)育,施工安全風(fēng)險極高,節(jié)點工期無保證。在施工單位不懈努力及各方的全力支持、配合下,最終完成了貴大區(qū)間工法變更。對于礦山法、盾構(gòu)法兩種工法應(yīng)對巖溶強發(fā)育地質(zhì)及大量風(fēng)險源沉降控制做了大量研究工作。

  (1)盾構(gòu)機針對區(qū)間巖溶處理更靈活:根據(jù)以往類似地層盾構(gòu)掘進實踐,區(qū)間巖溶地質(zhì)可提前通過地面補勘和地面注漿進行處理;另外在盾構(gòu)機生產(chǎn)或改造時可進行針對性設(shè)計,在盾構(gòu)機前方加設(shè)HSP超前地質(zhì)探測設(shè)備和超前注漿系統(tǒng),可從洞內(nèi)再次對巖溶進行探測和預(yù)處理,通過上述兩步盾構(gòu)法施工能完全規(guī)避巖溶風(fēng)險。

  (2)盾構(gòu)下穿斷層破碎帶措施相對較多,安全有保證:F7、F8斷層兩側(cè)巖體很破碎,巖溶較發(fā)育,均具有富水性。下穿前對盾構(gòu)機進行全面檢修,重點對刀具、盾尾刷進行檢查、更換;掘進期間通過控制螺旋前端閘門開口率可有效防止噴涌情況發(fā)生;另外通過管片背后止水環(huán)及盾尾刷能有效防止地層水進入土倉及作業(yè)區(qū)。多項措施完全可以保證盾構(gòu)安全下穿斷層破碎帶。

  (3)提高刀具耐磨能力,控制換刀風(fēng)險:選用由超硬耐磨合金制成的刀具,可有效提高盾構(gòu)刀具和刀盤的破巖及耐磨損能力,在一定程度上減少刀具更換頻次。另外根據(jù)試驗段換刀實踐,換刀位置盡可能避開斷裂破碎帶、重要建構(gòu)筑物等危險源,全斷面巖層換刀風(fēng)險可以有效控制。

  (4)盾構(gòu)法施工在安全質(zhì)量風(fēng)險控制,周邊環(huán)境保護、減少擾民等方面更具優(yōu)越性。

  (5)采用盾構(gòu)法施工對工作環(huán)境有很大改善:本區(qū)間隧道穿越地層主要為灰?guī)r、白云巖層,若采用礦山法施工,爆破和冷開挖為主要開挖手段,均會產(chǎn)生大量粉塵污染,嚴重危害洞內(nèi)作業(yè)人員身體健康。而盾構(gòu)法施工因其機械化較高,大大減少了作業(yè)人員的投入;且渣土由開挖面進入土倉,再由螺旋輸送機排出,大大減少了粉塵污染,改善了作業(yè)環(huán)境。

  四、盾構(gòu)法巖溶補勘及處理原則

  (1)采用先探查,后處理,再通過的原則。

  (2)巖溶探查:優(yōu)先地面探測、處理,洞內(nèi)輔以HSP、超前鉆等地質(zhì)預(yù)報及超前注漿處理。

  (3)處理范圍:位于隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)5m范圍內(nèi)的溶洞全部處理;

  五、一般區(qū)段巖溶補勘處理

  5.1巖溶補勘方法比選

  貴大區(qū)間巖溶補勘前,對國內(nèi)當(dāng)前常用補勘手段進行了對比分析,具體情況如下;貴大區(qū)間巖溶補勘首先采用微動進行探測,異常區(qū)域采用鉆探進行驗證,對建構(gòu)筑物影響的區(qū)域通過跨孔CT、管波進行探測。若個別區(qū)域仍無法實施的,后續(xù)通過洞內(nèi)HSP進行超前探測。

  5.2一般地段補勘

  地面補勘較準確的查明巖溶空間發(fā)育分布情況,提供豐富的地質(zhì)信息,為施工單位巖溶注漿治理加固工作提供依據(jù),可極大的減少巖溶不良地質(zhì)給盾構(gòu)施工及后期運營工作帶來的巨大潛在風(fēng)險。地面一般地段補勘采用綜合物探手段進行淺-中-深精細化勘察,淺部采用地質(zhì)雷達方法,中深部以孔中物探為主(跨孔CT與管波方法),復(fù)雜地質(zhì)條件及復(fù)雜環(huán)境條件時采用微動新技術(shù)進行加密探測。具體如下:

  1)淺層地質(zhì)雷達探查

  地質(zhì)雷達測線沿隧道結(jié)構(gòu)輪廓線外3m范圍內(nèi)布設(shè),測線間距3m,共計布設(shè)9條測線,在地質(zhì)雷達成果圈定的不良地質(zhì)體處進行鉆探驗證。

  2)深埋巖溶探查

  跨孔CT鉆孔沿隧道左右中線布設(shè),盡量與詳勘鉆孔交叉布置,一般鉆孔間距20m,沿中線方向進行孔間物探詳查,跨孔彈性波CT觀測系統(tǒng),每個鉆孔內(nèi)均進行管波探測。

  對于跨孔CT圈定的大規(guī)模溶洞采用鉆孔探邊或加密跨孔CT的方式對巖溶的發(fā)育范圍及規(guī)模進行探查。

  鉆孔孔深為隧道結(jié)構(gòu)底板以下10m,且滿足跨孔CT鉆孔深度(鉆孔深度=1.6*鉆孔間距)要求。當(dāng)揭露破碎帶、溶洞時鉆穿破碎帶、溶洞并進入中等風(fēng)化巖石內(nèi)3m終孔。

  斷層破碎帶探查,在隧道左右中線布設(shè)微動測線兩條,測點間距5m,探查斷層破碎帶具體位置及走向。

  5.3下穿建(構(gòu))筑物段補勘

  地面有建筑物段主要采用孔中跨孔CT、微動和洞內(nèi)HSP超前探測相結(jié)合的勘察方案,具體如下:

  1)下穿亞華小區(qū)段,根據(jù)實地踏勘情況,可實施鉆孔處則采用鉆探的方法,且應(yīng)加密、加深鉆孔,結(jié)合跨孔彈性波CT從隧道兩側(cè)進行巖溶探測。

  2)下穿農(nóng)資公司小區(qū)段,根據(jù)實地踏勘情況,小區(qū)房屋不影響跨孔CT巖溶探測。

  3)大營坡批發(fā)市場等區(qū)域由于地面情況較為復(fù)雜,無法實施鉆探,可采用微動探測法進行巖溶探測,在隧道左右線各布設(shè)一條微動測線,測點間距5m,探查巖溶空間位置分布情況。

  4)大營坡批發(fā)市場局部因條件復(fù)雜確實無法進行地面探查的,則采用洞內(nèi)HSP進行超前探測。

  5.4地面處理

  巖溶處理,以地面處理為主,地面無法實施段采用洞內(nèi)處理。地面處理主要采用地面回填和注漿處理,具體處理方法如下:

  1)勘探鉆孔間距3.0mx3.0m(遇到溶洞處則加密至2.5mx2.5m),利用勘探孔及加密孔進行處理。

  2)對于全填充溶洞(需要處理的溶洞)處理采用壓力注漿的方法進行填充加固。

  3)對于高度<1m的無填充或半填充,以及全填充(充填物強度較低的)溶洞采用純水泥漿進行靜壓式灌漿。

  4)對于洞徑1~2m的無填充溶洞和半填充溶洞可采用水泥砂漿鎮(zhèn)充。對洞徑2~4m的無填充溶洞和半填充溶洞,先采用吹砂處理,后采用注漿加固的方法,漿液采用水泥漿。

  5)對于洞徑大于4m的特大型無填充溶洞,可考慮先投碎石(5~10mm),后采用注漿加固的方法。

  6)溶洞處理效果檢測:按1%孔數(shù)進行抽查,且不小于3點,每個溶洞均要檢測一次。鉆孔取芯后做抗壓試驗,注漿固結(jié)體28d的無側(cè)限抗壓強度≥0.2MPa。不滿足檢查標準時,應(yīng)對受檢查的溶洞加固區(qū)進行灌漿補強施工。

  7)可以將補勘、驗證鉆探及注漿工作有機結(jié)合起來,采用邊探邊驗邊灌的方式,極大的提高工作效率,節(jié)約占道時間。

  六、下穿建(構(gòu))筑物區(qū)段巖溶補勘處理

  6.1洞內(nèi)超前探測

  當(dāng)?shù)孛娌痪邆涮幚項l件時,可采用洞內(nèi)探測來實現(xiàn),對刀盤前方地質(zhì)進行超前預(yù)報,采用HSP系統(tǒng),該系統(tǒng)以滾刀破巖震動作為震源進行探測,結(jié)合前期詳勘、補勘地質(zhì)資料,對刀盤前方巖層整體性和含水性進行實時探測、評價。根據(jù)貴大區(qū)間巖溶補勘結(jié)果和超前探測成果對比驗證情況來看,采用HSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)基本與地面專項巖溶勘察作業(yè)成果相互吻合,準確率達80%以上,證實了HPS法準確有效。

  6.2洞內(nèi)超前鉆注處理方案

  對于洞內(nèi)超前探測新發(fā)現(xiàn)的溶洞,根據(jù)溶洞大小、位置、填充類型等因素確定是否需要通過超前注漿進行處理。盾構(gòu)機搭載沖擊式鑿巖鉆機,利用盾構(gòu)機已有的管片拼裝機的液壓泵站提供動力;同時在盾體周向設(shè)置8個超前注漿孔,前盾隔板設(shè)7個水平鉸接式超前注漿孔(通過中心回轉(zhuǎn)接頭上的編碼器+機械刻盤,實時定位并顯示刀盤開口位置,便于超前鉆機定位),可實現(xiàn)鉆注一體化注漿工藝,洞內(nèi)處理采取二次注漿輔助措施。

  6.3洞內(nèi)超前鉆注處理重難點

  1)超前地質(zhì)鉆機安裝在管片安裝機上,與管片安裝機管片抓舉頭相對180。位置,首先底座加工與安裝,底座鋼板為70mm厚,焊接在安裝機上,焊接過程中要間斷焊接,控制焊接件溫度,防止損傷到安裝機回轉(zhuǎn)軸承塑料保持架。

  2)提前根據(jù)圖紙確定預(yù)留管道角度,鉆機轉(zhuǎn)進前把鉆機角度調(diào)整與預(yù)留管匹配對孔,同時轉(zhuǎn)進過程中關(guān)注參數(shù)變化和異響,保證角度正確。避免鉆機角度和盾構(gòu)機預(yù)留管道角度不匹配,會造成鉆桿損傷,鉆孔失敗。

  3)鉆機轉(zhuǎn)進時,嚴格控制鉆進參數(shù),不能盲目進尺,鉆桿轉(zhuǎn)進要經(jīng)常反復(fù)回拉鉆桿,保證鉆孔有足夠的擴挖量。防止造成鉆桿卡死、斷裂,影響后續(xù)盾構(gòu)掘進。

  4)對排渣球閥的出渣進行收集分析,進而確定地質(zhì)情況,如巖溶和不良發(fā)育地層等。

  七、巖溶地層盾構(gòu)掘進控制措施

  7.1盾構(gòu)通過巖溶控制措施

  1)通過洞內(nèi)超前注漿對前方巖溶進行加固處理,處理效果經(jīng)驗證滿足相關(guān)要求后,盾構(gòu)方可掘進通過。

  2)為確保螺旋輸送機出土順暢,加強對掌子面土體及土倉內(nèi)渣土的改良。

  3)加強土壓、出土量及注漿壓力、注漿量控制,防止超挖,減小對土體的擾動。

  4)同步注漿量按理論建筑空隙的150%考慮;另外加強二次注漿,二次注漿采用雙液漿,每3環(huán)設(shè)置1道止水環(huán)。

  5)下穿期間嚴控盾構(gòu)機姿態(tài),確保盾尾間隙均勻;另外通過加大盾尾油脂壓注量來防止?jié){液通過盾尾流失及地下水通過盾尾涌入作業(yè)區(qū)。

  6)通過監(jiān)控量測,并及時反饋信息,指導(dǎo)盾構(gòu)巖溶超前鉆注加固施工,同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況指導(dǎo)后續(xù)同類似盾構(gòu)巖溶超前鉆注加固施工控制鉆進進度、注漿量等。

  八、結(jié)語

  綜上所述,典型巖溶區(qū)域盾構(gòu)施工前,要根據(jù)巖溶發(fā)育程度,周邊環(huán)境及施工所面臨的風(fēng)險,做好超前巖溶補勘及主動處理工作,靈活采用當(dāng)前的探測手段,盡量探明巖溶的位置、大小及類型。根據(jù)具體情況采用地面、洞內(nèi)兩種處理方式,并對處理效果進行驗證,最后盾構(gòu)通過時加強管控,以有效降低巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工安全風(fēng)險。

  參考文獻:

  [1] 孫秋元 地鐵隧道盾構(gòu)穿越巖溶施工技術(shù)分析 [J]江西建材 2013(4)218-219;

  [2]周保江 地鐵隧道盾構(gòu)穿越巖溶施工技術(shù)研究 [J]建筑工程技術(shù)與設(shè)計2015(20)。

  作者:萬海亮

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