一种盾构掘进过程中突遇未处理溶洞或裂隙的施工方法与流程

本发明属于城市轨道交通工程领域，具体是针对盾构在遇到未处理溶洞或裂隙时的一种施工方法，以保证盾构能够正常地穿越溶洞发育地区，确保盾构施工安全。

背景技术：

随着我国的基础设施建设进入了白热化阶段，城市轨道交通建设也跟随着基建的浪潮得以持续快速发展，盾构施工在地铁建设过程中也扮演着越来越重要的角色。在我国南方云南、广西、广东、贵州、四川等地区均受岩溶影响较大，不可避免的出现了盾构穿越溶洞发育区，而岩溶作为复杂并且可形成极大危害的不良地质，给盾构隧道的施工带来了极大的风险。溶洞的发育，不仅严重危及结构的稳定，而且在施工过程中容易发生“喷涌”、“盾构栽头”，因此，必须进行处理。现有的处理技术一般为通过隧道盾构施工前加密补勘，揭示溶洞位置，然后进行注浆处理。但在溶洞发育地带，往往会存在一些溶洞或者裂隙不能被发现，这种现象又会给盾构施工带来严重的危害。

现阶段，盾构施工技术尚未完全成熟，针对溶土洞发育地段的盾构施工方法仍存在较大空白。由于盾构土仓要与土压力保证平衡，因此，盾构在施工中，若遇到未处理的溶洞或者裂隙会使土仓压力降低，甚至造成地面塌陷，严重危及掘进过程中的安全。因此，研究一种盾构在突遇未处理溶洞时的解决方法，对现在地铁施工有着非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足提供一种盾构掘进过程中突遇未处理溶洞或裂隙的施工方法，该处理方法是利用特殊配比制备的高浓度泥浆处理溶洞或裂隙，再通过注入特殊配比的聚氨酯浆液、预埋钢袖阀管注浆堵塞溶洞裂隙，配合地面wss施工进行地层加固，可以解决盾构突遇未处理溶洞的问题，并保证隧道的成型质量和地面建筑物的安全稳定，降低盾构穿过溶洞发育地带的风险。

为了实践上述施工方法，本发明提供的技术方案为：所述一种盾构掘进过程中突遇未处理溶洞或裂隙的施工方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)预制用于溶洞发育地段的管片，在每环管片上预留6～12个螺纹注浆孔，并加强管片配筋；

(2)在盾构开始穿过溶土洞发育地层前，采用衡盾泥和膨润土调配比重控制在1.30～1.35g/cm³，粘度控制在35～40s的浓稠泥浆；

(3)在溶土洞发育地段保证盾构正常掘进，并监测盾构土仓压力、出土口出土情况及地面沉降，其土仓压力比刀盘顶部土压力大0.2bar，当盾构土仓压力急降或出土方量明显减少，可判断突遇溶洞或溶岩裂隙，应立即停止掘进；

(4)停止掘进后，立即通过盾构土仓壁上闸阀向土仓注入步骤(2)中调配的浓稠泥浆，保证土仓维持正常土压，之后盾构继续掘进，并采用步骤(1)中预制的管片进行拼装，直至盾构土仓压力恢复正常及其它无异常情况后，盾构采用常规管片按照常规掘进继续施工；

(5)在步骤(4)中土仓失压区域预制管片拼装完成之后，针对该区域的管片，采用水钻通过预制管片上预留螺纹注浆孔向管片外钻孔探测溶洞或溶岩裂隙所在位置，在钻孔过程中如无异常，则判断该位置无溶洞或裂隙，针对钻孔进行封堵处理；在钻孔过程中如遇涌水情况，判断该位置有溶洞或裂隙，随即在孔位安装逆止阀，准备注浆；

(6)同时，在土仓失压位置对应的地面范围内布设2～3个水位孔，并加密布设沉降监测点；

(7)通过步骤(5)中涌水情况判断的所有与溶洞或裂隙连通的钻孔位进行注浆处理，其注浆浆液为水性聚氨酯和油性聚氨酯按照2:1的质量比混合配制的聚氨酯注浆液，注浆压力控制在0.4mpa以内；

(8)在步骤(7)中聚氨酯注浆完成后静置6～8小时，采用水钻针对所有与溶洞或裂隙连通的注浆孔位钻孔扩孔，并埋设袖阀钢管；如埋设袖阀钢管仍有漏水现象，继续注入水泥-水玻璃双浆液至无漏水现象，其注浆压力为0.4～0.6mpa，终灌压力为1mpa；

(9)通过步骤(6)中预埋的水位孔和沉降监测点对地面沉降监测，在沉降较大区域采用wss钻孔注浆机对岩面以上1.5～3m土层进行注浆加固，避免后期溶洞裂隙再次发育，造成隧道和地面安全风险。

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)中预制管片上预留的多个螺纹注浆孔等距分布，每个螺纹注浆孔的直径为40～70mm，并制备配套的注浆孔盖。

本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中的浓稠泥浆具体是由以下原料调配而成：

本发明较优的技术方案：所述步骤(3)中在溶土洞发育地段盾构掘进的推力控制在500～720t，掘进速度为40～50mm/min，刀盘扭矩为500～700mnm，刀盘转速为1.0～1.5r/min。

本发明较优的技术方案：所述步骤(5)中的探测溶洞或溶岩裂隙的钻孔深度为管片外1.5～3m，孔径为25～35mm。

本发明较优的技术方案：所述步骤(7)中的聚氨酯注浆液中加入其浆液总重量10％～12.5％的柴油；在注浆过程中当注浆压力突然增大、注浆注入量突然减少，可判定溶洞裂隙处理完成。

本发明较优的技术方案：所述步骤(8)中采用水钻钻孔扩孔直径为50mm，袖阀钢管直径为42mm～48mm，袖阀钢管预埋的长度为2～3m；其水泥-水玻璃双浆液采用普通42.5硅酸盐水泥，按照1.5:1的水灰比拌制而成，然后与波美度为36～40的水玻璃按照1:1的体积比采用注浆机注入，浆液注入完成之后，对袖阀钢管进行冲洗，后期隧道运行可用来跟踪注浆处理。

本发明较优的技术方案：所述步骤(9)中wss钻孔注浆是在步骤(4)中灌入浓稠泥浆和步骤(7)注入聚氨酯后，再通过地面钻孔进行wss注浆，其注浆浆液采用水灰比1.5:1的水泥浆，其注浆过程中开始阶段的注浆压力为0，持续2.5h后，终止注浆压力为0.6～1.0mpa，并在注浆过程中，进行隧道内部监测，防止管片出现变形。

本发明的有益效果：

(1)本发明中提高泥浆配比中膨润土的含量，并加入少量的衡盾泥，衡盾泥是一种以无机粘土为主要材料，通过改性后与增粘剂反应形成一种高粘度的触变泥浆，具有良好的和易性和粘附性，这种做法使泥浆在水中不易被稀释带走，提高泥浆的比重与粘度，改良泥浆的性能，使泥浆更适用于溶洞填充。

(2)本发明中根据盾构土仓的压力变化，能够准确判断盾构穿越溶土洞发育地层过程中是否遇到溶洞或裂隙，降低盾构在穿越溶土洞地层的施工风险。

(3)本发明中选择用浓稠的泥浆对溶洞进行填充，优化了施工流程，缩短了处理突遇的未处理溶洞的时间，为盾构在溶土洞发育地带施工提供了优良的技术保障，降低了盾构在溶洞发育区域掘进的风险，另外，泥浆对后续注入聚氨酯和水泥浆起到了排除杂物的效果，降低了后续施工的难度，为后续施工提供了便利。

(4)本发明中通过在管片上安装逆止阀作为判断溶洞前期处理效果的标准，若逆止阀有水涌出，则表明需要进行后续处理，为后续施工提供了准确判断的基础。

(5)本发明中通过注入水性聚氨酯和油性聚氨酯并加入少量柴油的混合液，来填充溶洞，充分的利用了两种聚氨酯在遇到水后能够迅速膨胀，发泡，固结成整体的特性，能达到进一步填充溶洞的效果，又能达到止水目的。另外，浓稠泥浆填充完溶洞之后，再注入聚氨酯，使聚氨酯固结成整体，从而堵塞地层当中与溶洞连接的裂隙，防止原来注入的泥浆涌出，使填充溶洞的效果更佳。

(6)本发明中在隧道里钻孔，预埋钢袖阀管，若后期发现隧道出现渗漏，可通过预埋的袖阀管进行注浆，进一步填充溶洞，保持隧道周围地质条件的稳定，该方法不仅能达到堵漏的效果与目的，而且为后期运营过程中维修隧道，保证隧道质量提供了方便；若后期运营过程中，发现隧道出现渗漏，甚至沉降过大，可以通过预埋的钢制袖阀管进行处理，保证隧道内部行车的安全。

(7)本发明在灌入浓稠泥浆、注入聚氨酯后，再通过地面钻孔对溶洞或裂隙对应的地面位置进行wss注浆，防止溶洞裂隙再次发育，不仅能够达到进一步保证隧道质量的目的，还能保证该区域地面构筑物的安全，防止出现地面塌陷，降低了对地面构筑物的威胁。

本发明施工工艺简单，施工整体性较强。利用浓稠泥浆处理溶洞、再通过注入聚氨酯、预埋钢袖阀管注浆堵塞溶洞裂隙或通道，配合地面wss施工进行地层加固，有效的解决了盾构突遇未处理溶洞的问题，保证隧道的成型质量和地面建筑物的安全稳定，有效地降低了盾构穿过溶洞发育地带的风险。

附图说明

图1是本发明中预制管片预留注浆孔展开图；

图2是本发明中盾构掘进突遇溶洞示意图。

图中：1—盾构隧道，2—溶洞，3—溶洞裂隙，4—岩层，5—wss注浆填充区，6—砂层及杂填土，7—预制管片，8—钢制袖阀管，9—探测孔，10—预制管片的预留螺纹注浆孔，11—吊装孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例是针对广州地铁某盾构区间，该区间采用盾构法施工，区间左线长1098.87m，区间右线长1099.188m，区间隧道拱顶的覆土埋深约为7.5m～13.8m，线路埋深约为13.5～19.8m。该区间沿线主要为珠江三角洲冲洪积平原地貌，地形较为平坦，地面标高约6.0～10.0m，第四系冲积土层、砂层发育。该区间主要穿越的地层有<3-1>粉细砂、<3-2>中粗砂、<3-3>砾砂、<4n-1>粉质粘土(流塑～软塑)、<4n-2>粉质粘土(可塑)、<4-2b>淤泥质土、<5c-1a>灰岩残积土土(软塑)、<9c-2>灰岩微风化地层及土洞、溶洞。在盾构施工前期施工过程中，加密补勘5m/孔，发现见洞率达22％；揭示的溶土洞洞高最大达到14.5m，均分布在隧道下方。将溶洞位置与隧道关系分类统计采取针对性措施；对揭示溶土洞注浆处理；溶土洞处理后进行检测，确保处理质量；但由于溶洞发育，掘进过程中仍然遇到未处理的溶洞或裂隙。

针对该施工项目掘进过程中仍然遇到未处理的溶洞或裂隙，采用本发明中的施工方法进行施工，其具体包括以下步骤：

(1)根据区间补勘发现，该区间穿越溶土洞发育区域长度为330m左右，因此前期计划预制增加螺纹注浆孔的管片220环；注浆孔直径为50mm，每环管片上增加8个螺纹注浆孔，八个螺纹注浆孔等距分布在隧道的a1、a2、a3、b、c管片上，再加上原有的吊装孔，共有十二预留注浆孔位，分布对应在不同点位；

(2)在穿越溶洞发育地层之前，制备浓稠泥浆。根据目前地层特点，确定泥浆粘度要控制在35～40s，比重控制在1.30～1.35g/cm³。通过多次试验，决定提高泥浆配比中膨润土的含量，并加入少量的衡盾泥，增加泥浆的粘度，使泥浆在水中不易被稀释带走，提高泥浆的比重与粘度，使泥浆更适用于溶洞填充。浓稠泥浆的具体配比见下表：

(3)在穿越溶土洞发育地层中，盾构机正常掘进的推力为550～720t，掘进速度为30～40mm/min，刀盘扭矩一般为550～700mnm，刀盘转速为1.0～1.5r/min，泥水仓压力为1.4～1.5bar。在盾构掘拼至527环，刀盘位于533环时，土仓压力突然降低至0.8bar，而且土仓压力仍呈下降趋势，为保证土仓压力，缓慢降低掘进速度，进入停机保压状态。

(4)立即通过盾构土仓壁上闸阀向土仓注入步骤(2)中预制的浓稠泥浆，让泥浆填充遇到的溶洞或溶岩裂隙，保证土仓维持在正常土压；当土仓压力升至正常状态后，盾构恢复掘进，并采用步骤(1)中预制的特殊管片进行拼装。

(5)隧道533环掘拼完成后，采用水钻通过532至534环管片个点位的预留注浆孔向管片外钻孔2～3m，孔径为30mm，通过钻孔探测到在532环、533环管片的2点、10点位的钻孔均有涌水现象，其余点位的钻孔正常，因此立即在涌水的钻孔上安装逆止阀，并完成其余正常点位的钻孔封堵。

(6)项目部及时采取措施，在532环至534环位置的地面上布置3个水位孔，监测地下水流失情况，并加密地面沉降点的控制，2h进行一次地面监测。

(7)观察发现逆止阀涌水严重，涌水压力较大，并有泥浆涌出，为保证隧道质量，开始通过逆止阀位置注入聚氨酯混合液。聚氨酯混合液由水性聚氨酯和油性聚氨酯按照2:1的比例混合而成，并加入混合液总质量10％的柴油，利用液压双液注浆泵进行注入，压力控制在0.4mpa以内。注入1h以后，发现逆止阀涌入水压力减小，持续注入2h，发现有大量发泡颗粒从逆止阀流出，停止注入聚氨酯。

(8)在532环和533环管片的2点、10点位的钻孔采用水钻扩径钻孔，扩径至50mm，重新钻至孔底，安装直径为42mm～48mm的袖阀钢管，如图2所示，袖阀钢管预埋的长度为2～3m；后期发现如袖阀钢管处有漏水现象，为保证隧道质量，通过预留的钢袖阀管开始注浆，浆液材料采用普通42.5硅酸盐水泥，按照1.5:1的水灰比拌制而成，然后与波美度为36～40的水玻璃按照1:1的体积比注入，注浆压力为0.4～0.6mpa，终灌压力为1mpa，深孔各段均达到设计终压，并稳定10分钟，注浆结束后，清洗钢制袖阀管，后期隧道运行可用来跟踪注浆处理。

(9)由于该区域上方为交通干线，来往车辆较多，为保证地面行车安全，在该区域进行wss注浆加固。由于隧道533环位置埋深为12.3m，岩面深度为10.5m-10.7m，因此，wss注浆杆底部距地面10.5m处，采用水泥浆进行注浆加固，水灰比为1.5:1。开始阶段，注浆压力几乎为0，持续2.5h后，终止注浆压力达到0.8mpa。在注浆过程中，安排人员进行隧道内部监测，防止管片出现变形。控制注浆压力，缓慢提升钻杆，保证地面监测与隧道内部监测无异常。

上述施工项目中采用了本发明中的盾构掘进过程中突遇未处理溶洞的施工方法后，帮助盾构顺利穿越溶洞发育地带，保证了成型隧道的质量，为隧道贯通提供了有力保障。

以上所述，只是本发明的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。