一种在岩溶区下穿建筑群的盾构掘进施工方法与流程

本发明涉及城市隧道施工技术领域，特别涉及一种在岩溶区下穿建筑群的盾构掘进施工方法。

背景技术：

随着我国经济水平的不断提高，大量农村人口涌入城市，推动城市发展的同时也给城市带来沉重的交通负担，城市轨道交通由于其方面快捷且不占用地面空间而得到了迅猛发展。在现行轨道施工技术中，通常采用盾构机进行隧道掘进，而在我国南方地区进行城市轨道施工时经常需要在岩溶区下穿建筑群，现行施工技术中，通常通过地面钻孔对溶洞进行灌浆压密来提高土体强度。

当盾构隧道下穿建筑物时，若没有地面钻孔施工条件，将无法继续利用上述施工方法对岩溶进行探测及处理，同时由于建筑物的存在，对地表变形要求更加严格，城市轨道施工将面临盾构掘进过程中岩溶探测和处理及控制建筑物变形的双重挑战。

技术实现要素：

本发明的目的在于：盾构隧道在岩溶区下穿建筑群而部分区域缺乏地面钻孔施工条件，同时建筑物变形要求严格时，提供一种在岩溶区下穿建筑群的盾构掘进施工方法。该方法通过对具有地面钻孔施工工作面的岩溶区进行钻孔探测及处理，对无法进行地面钻孔施工的区域采用超前钻、地质雷达扫描及隧道洞内钻孔的方式探测盾构掘进区域内岩溶发育状况，并通过加密超前钻钻孔及隧道洞内钻孔对已探明溶洞予以注浆加固，同时在施工过程中加强地面和建筑物变形监测，及时反馈监测信息并积极调整施工参数，确保隧道盾构掘进顺利下穿岩溶区建筑群。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种在岩溶区下穿建筑群的盾构掘进施工方法，包括以下步骤：

a、建筑物安全现状调查及监测系统布设；

b、岩溶预探测及预处理；

c、盾构试掘进，确定施工参数和渣土改良工艺参数；

d、正式掘进施工，并予以渣土改良、同步注浆及二次补强注浆；

e、盾构掘进过程中岩溶探测及处理；

f、隧道壁后岩溶探测及处理；

g、先行洞探查及处理后行洞溶洞。

上述施工步骤中，通过对盾构下穿区建筑物利用精密水准仪和铟钢尺测量建筑物既有沉降和相对倾斜，并根据建筑物类型确定其安全现状和剩余结构变形能力，为后续岩溶加固处理及隧道盾构下穿提供安全依据。

对岩溶进行注浆加固处理及采用盾构法施工隧道必然对沿线地表环境产生影响，为确保工程安全，并保护周围环境，需要在施工全过程中进行监测，通过布设沉降、相对倾斜及裂缝监测系统，实时监测建筑物因施工而产生的变形，并根据监测结果，在施工过程中积极改进施工工艺和施工参数，最大限度减小周边地表、建筑物等的变形。

上述施工步骤b中，在对岩溶区进行预处理前须判明岩溶预处理范围及岩溶发育状况。所述岩溶处理范围须根据建筑物类型、岩溶形态与大小、岩溶与建筑物相对位置关系评估盾构掘进过程中岩溶对建筑物影响，进而确定岩溶处理范围。

上述施工步骤中，所述探明岩溶发育状况即利用地面垂直钻孔与倾斜钻孔获得芯样判明溶洞大小及充填情况。

由于建筑物存在而无法进行地面垂直钻孔施工的隧道盾构掘进区域，选用矿研多功能快速钻机进行斜向钻孔探测溶洞，并根据隧道埋深，房屋基础位置确定钻孔平面位置及角度。

岩溶预处理须根据已探明单个溶洞大小及充填情况选择相应加固方法，可归纳如下：

(1)全充填溶洞：采用袖阀管对溶洞内充填物进行分层压密注浆。

(2)半填充和未填充溶洞：采用吹砂+化学灌浆的方法。

(3)注浆顺序：由外向内进行，先对溶洞边界予以双液浆充填，阻断浆液漏失通道后，再逐步向内用水泥浆对溶洞区中部灌浆压密；

(4)为防止邻孔串浆降低注浆效果，注浆须跳孔进行。

在对溶洞进行预处理时，注浆顺序须遵循由外向内的原则，即先对溶洞边界予以双液浆充填，阻断浆液漏失通道后，再逐步向内用水泥浆进行溶洞区中部的灌浆压密；同时由于钻孔注浆浆液扩散半径较大，对土体扰动较大，且浆液凝固时间较长，当按钻孔顺序进行喷浆加固时容易造成邻孔串浆而影响加固效果，故须予以跳孔注浆加固。

岩溶预处理加固中，注浆加固区外围可用双液浆封闭，防止浆液漏失，内部采用纯水泥浆填充；所述双液浆浆材为水泥浆与水玻璃溶液，其中水泥浆成分包括水泥和水，水灰比为0.5:1～1:1，水玻璃溶液包括水玻璃和水，水玻璃溶液浓度为30～40°be＇，水泥浆和水玻璃溶液配合为4:1～6:1；纯水泥浆成分包括水泥和水，水灰比为0.5:1～1:1，具体配合比应根据现场试验确定。

岩溶预处理加固中，对于加固区外围，为使浆液快速凝固并有效阻止浆液漏失，注浆应以相对小压力、多次数、较大量控制，注浆压力0.4～0.7mpa，注浆次数3～4次；对于加固区中部，注浆压力为0～0.7mpa，注浆压力由0逐步提高，达到注浆终压并继续注浆10min以上，压浆3次，注浆速度30～50l/min；每次注浆间歇时间对于加固区外围取30min，对于加固区中部取6～10h，采用间歇注浆旨在多次填充挤压土体，使土体强度得到最大限度提高并有效降低土体渗透系数。

上述施工步骤中，岩溶预处理完后，须对注浆效果进行检验，检验方法为钻孔抽芯法结合随机原位标贯试验，检测数量为注浆孔数量的1％，且每个溶洞检测数量不少于1个检测钻孔。注浆加固区土体应满足钻孔芯样28d无侧限抗压强度值≥0.5mpa；加固体渗透系数不大于1×10^-5cm/s；对于随机原位标贯试验，标准贯入度不小于10击。

在岩溶区盾构正式掘进前应根据试掘进确定施工参数，所述施工参数包括总推力、推进速度、刀盘扭矩、土仓压力和同步注浆参数。其中：总推力为1300～1600t，推进速度为5～10mm/min，刀盘扭矩为3.0～3.5mn·m，土仓压力为1.2～1.4bar，同步注浆率为300％，同步注浆压力为2.0～4.0bar间。在盾构正式掘进过程中应根据建筑物实时沉降、变形监测数据及盾构机前方土体性质而调整施工参数。

上述施工步骤中，为防止刀盘渣土改良喷口阻塞，同时对刀盘刀具进行润滑及降温，应使用泡沫剂进行渣土改良，其中，泡沫原液浓度为3～5％，发泡率为10～20倍，注入率为5～10％。该渣土改良工艺参数须根据实时工况予以调整。

上述施工步骤中，同步注浆浆液选用双液浆，所述双液浆浆材为水泥浆和水玻璃溶液，其中，水泥浆成分为水泥和水，水灰比为1:1；所述水玻璃溶液成分为水玻璃和水，水玻璃浓度为30～40°be＇，其体积配合比为水玻璃：水＝1:1～1:2；所述水泥浆和水玻璃溶液体积配合比为4:1～6:1；浆液配比应在现用配比基础上进行现场试配确定，并根据现场掘进条件予以调整和优化。

上述施工步骤中，盾构机通过后，应在成型隧道纵向布置地质雷达测线扫描管片壁后空洞情况，并对存在松散、空洞、松散异常的位置立即组织二次双液浆补强注浆，达到加固土体和加固充填空洞的目的。

二次补强注浆浆液为双液浆，所述双液浆浆材为水泥浆和水玻璃溶液，其中，水泥浆成分为水泥和水，水灰比为1:1；所述水玻璃溶液成分为水玻璃和水，水玻璃浓度为30～40°be＇，其体积配合比为水玻璃：水＝1:1～1:2；所述水泥浆和水玻璃溶液体积配合比为4:1～6:1。

上述施工步骤中，在无法实施地面钻孔探测地段应运用盾构机前端超前钻设施探明隧道掘进方向内岩溶发育状况，运用地质雷达扫描辅以隧道内钻孔探明已成型隧道管片壁后溶洞，并通过加密钻孔对已探明溶洞予以注浆加固处理。其中岩溶处理范围须根据建筑物类型、岩溶形态与大小、岩溶与建筑物相对位置关系来评估盾构掘进过程中岩溶对建筑物影响而获得。

盾构掘进过程中岩溶处理即运用超前钻器具及隧道内钻孔对隧道掘进方向及已成型隧道周边已探明溶洞予以注浆加固处理。注浆加固方法可归纳如下：

(1)为保证建筑物安全，对已探明须处理岩溶，无论溶洞大小与充填情况均采用双液浆予以加固；

(2)注浆顺序：由外向内进行，先对溶洞边界予以双液浆充填，阻断浆液漏失通道后，再逐步向内对溶洞区中部灌浆压密；

(3)为防止邻孔串浆影响注浆效果，注浆须跳孔进行。

超前钻及隧道内钻孔注浆加固浆液均为为双液浆，双液浆浆材为水泥浆与水玻璃溶液，其中水泥浆水灰比为0.5:1～1:1，水玻璃溶液成分包括水玻璃和水，水玻璃溶液浓度为30～40°be＇，水泥浆和水玻璃溶液配合为4:1～6:1。

对于岩溶加固区外围注浆，以相对小压力、多次数、较大量控制，注浆压力0.4～0.7mpa，注浆3～4次，每次注浆间歇时间可取30min；对于加固区中部，注浆压力可取0～0.4mpa，达到注浆终压并继续注浆10min以上，压浆4～5次，注浆速度20～30l/min，，每次注浆间歇时间取30min。

在无法实施地面钻孔探测的下穿建筑物段，通过在先行洞隧道相应范围增加地质雷达测线并辅以隧道内钻孔的方式探明另一条隧道未施工段地质情况。若探明另一条隧道相应区域有溶洞，则可从已施工一侧隧道管片处加密钻孔进行注浆处理。

上述施工步骤中，对另一侧隧道下穿建筑物区域内岩溶进行注浆加固处理时，浆液采用双液浆，双液浆浆材为水泥浆与水玻璃溶液，其中，水泥浆成分为水泥和水，水灰比为1:1；水玻璃溶液成分为水玻璃和水，水玻璃浓度为30～40°be＇，其体积配合比为水玻璃：水＝1:1～1:2；所述水泥浆和水玻璃溶液体积配合比为4:1～6:1。

对另一侧隧道下穿建筑物区域内岩溶进行注浆加固处理时，对于岩溶加固区外围注浆，以相对小压力、多次数、较大量控制，注浆压力0.4～0.7mpa，注浆3～4次，每次注浆间歇时间可取30min；对于加固区中部，注浆压力可取0～0.4mpa，达到注浆终压并继续注浆10min以上，压浆4～5次，注浆速度20～30l/min，，每次注浆间歇时间取30min。

附图说明

图1为本发明岩溶区下穿建筑群的盾构掘进施工方法流程图。

图2为地面斜孔探测溶洞示意图。

图3为隧道内超前钻探测溶洞剖面示意图。

图4为隧道内地质雷达及钻孔探测溶洞示意图。

图5为先行洞探查后行洞溶洞示意图。

图中标记：1—建筑物，2—地表，3—地面斜孔探测，4—溶洞，5—拟建隧道，6—超前钻探测，7—已建成隧道，8—盾构机，9—隧道洞内钻孔探测，10—地质雷达探测，11—先行洞内钻孔探测后行洞溶洞。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

本实施例用于在岩溶区下穿建筑群的盾构掘进施工场合。

在如图1所示，在岩溶区下穿建筑群的盾构掘进施工方法，包括以下步骤：

a、建筑物安全现状调查及监测系统布设；

b、岩溶预探测及预处理；

c、盾构试掘进，确定施工参数和渣土改良工艺参数；

d、正式掘进施工，并予以渣土改良、同步注浆及二次补强注浆；

e、盾构掘进过程中岩溶探测及处理；

f、隧道壁后岩溶探测及处理；

g、先行洞探查及处理后行洞溶洞。

上述施工步骤中，通过对盾构下穿区建筑物区域内建筑物利用精密水准仪和铟钢尺测量建筑物既有沉降和相对倾斜，并根据建筑物类型确定其安全现状和剩余结构变形能力，为后续岩溶加固处理及隧道盾构下穿提供了安全依据。

通过布设沉降、相对倾斜及裂缝监测系统，实时监测建筑物因施工而产生的变形，并根据监测结果，在施工过程中积极改进施工工艺和施工参数，可最大限度减小周边地表、建筑物等的变形。

上述施工步骤中，通过在岩溶处理范围内，利用地面垂直钻孔与倾斜钻孔获得芯样判明溶洞大小及充填情况，为后续岩溶处理提供依据。

岩溶处理范围须根据建筑物类型、岩溶形态与大小、岩溶与建筑物相对位置关系来评估盾构掘进过程中岩溶对建筑物影响而获得。

如图2所示，在无地面垂直钻孔工作面时，可使用矿研多功能快速钻机进行斜向钻孔探测并处理溶洞，根据隧道埋深、房屋基础位置确定钻孔平面位置及角度。

上述施工步骤中，根据溶洞大小及充填情况，岩溶处理方法可归纳如下：

(1)全充填溶洞：采用袖阀管对溶洞内充填物进行分层压密注浆。

(2)半填充和未填充溶洞：采用吹砂+化学灌浆的方法。

(3)注浆顺序：由外向内进行，先对溶洞边界予以双液浆充填，阻断浆液漏失通道后，再逐步向内用水泥浆对溶洞区中部灌浆压密；

(4)为防止邻孔串浆降低注浆效果，注浆须跳孔进行。

为使浆液逐步挤压充填土体，从而最大限度提高土体强度，降低土体渗透系数，为后续盾构掘进施工提供保障，在对溶洞进行预处理注浆加固时，注浆顺序采用由外向内的原则，先对溶洞边界予以双液浆充填，阻断浆液漏失通道后，再逐步向内用水泥浆进行溶洞区中部的灌浆压密；同时由于钻孔注浆浆液扩散半径较大，对土体扰动较大，且浆液凝固时间较长，当按钻孔顺序进行喷浆加固时容易造成邻孔串浆而影响加固效果，故须予以跳孔注浆加固。

岩溶预处理加固中，注浆加固区外围可用双液浆封闭，防止浆液漏失，内部采用纯水泥浆填充；所述双液浆浆材为水泥浆与水玻璃溶液，其中水泥浆成分包括水泥和水，水灰比为0.5:1～1:1，水玻璃溶液包括水玻璃和水，水玻璃溶液浓度为30～40°be＇，水泥浆和水玻璃溶液配合为4:1～6:1；纯水泥浆成分包括水泥和水，水灰比为0.5:1～1:1，具体配合比应根据现场试验确定。

岩溶预处理加固中，对于加固区外围，为使浆液快速凝固并有效阻止浆液漏失，注浆应以相对小压力、多次数、较大量控制，注浆压力0.4～0.7mpa，注浆次数3～4次；对于加固区中部，注浆压力为0～0.7mpa，注浆压力由0逐步提高，达到注浆终压并继续注浆10min以上，压浆3次，注浆速度30～50l/min；每次注浆间歇时间对于加固区外围取30min，对于加固区中部取6～10h，采用间歇注浆旨在多次填充挤压土体，使土体强度得到最大限度提高并有效降低土体渗透系数。

上述施工步骤中，岩溶预处理完后，须对注浆效果进行检验，检验方法为钻孔抽芯法结合随机原位标贯试验，检测数量为注浆孔数量的1％，且每个溶洞检测数量不少于1个检测钻孔。注浆加固区土体应满足钻孔芯样28d无侧限抗压强度值≥0.5mpa；加固体渗透系数不大于1×10^-5cm/s；对于随机原位标贯试验，标准贯入度不小于10击。

在岩溶区盾构正式掘进前应根据试掘进确定施工参数，所述施工参数包括总推力、推进速度、刀盘扭矩、土仓压力和同步注浆参数。其中：总推力为1300～1600t，推进速度为5～10mm/min，刀盘扭矩为3.0～3.5mn·m，土仓压力为1.2～1.4bar，同步注浆率为300％，同步注浆压力为2.0～4.0bar间。在盾构正式掘进过程中应根据建筑物实时沉降、变形监测数据及盾构机前方土体性质而调整施工参数。

为防止刀盘渣土改良喷口阻塞，同时对刀盘刀具进行润滑及降温，应使用泡沫剂进行渣土改良，其中，泡沫原液浓度为3～5％，发泡率为10～20倍，注入率为5～10％。该渣土改良工艺参数须根据实时工况予以调整。

上述施工步骤中，同步注浆浆液选用双液浆，所述双液浆浆材为水泥浆和水玻璃溶液，其中，水泥浆水灰比为1:1；所述水玻璃溶液成分为水玻璃和水，水玻璃浓度为30～40°be＇，其体积配合比为水玻璃：水＝1:1～1:2；所述水泥浆和水玻璃溶液体积配合比为4:1～6:1；浆液配比应在现用配比基础上进行现场试配确定，并根据现场掘进条件予以调整和优化。

上述施工步骤中，盾构机通过后，应在成型隧道纵向布置测线，采用地质雷达扫描管片壁后空洞情况，并对存在松散、空洞、松散异常的位置立即组织二次双液浆补强注浆，达到加固土体和加固充填空洞的目的。

二次补强注浆浆液为双液浆，所述双液浆浆材为水泥浆和水玻璃溶液，其中，水泥浆成分为水泥和水，水灰比为1:1；所述水玻璃溶液成分为水玻璃和水，水玻璃浓度为30～40°be＇，其体积配合比为水玻璃：水＝1:1～1:2；所述水泥浆和水玻璃溶液体积配合比为4:1～6:1。

如图3、图4所示，下穿建筑物段岩溶探明即在无法实施地面钻孔探测地段运用超前钻、已成型隧道洞内地质雷达扫描辅以隧道内钻孔的方式探明隧道前方及周边岩溶发育状况。所述超前钻即在盾构停机安装管片间隙使用布置于盾构机前方的超前钻器具探明隧道前方岩溶发育状况，其中，超前钻钻机可打设与隧道轴线平行钻孔及与隧道轴线具有一定夹角钻孔；所述地质雷达扫描辅以隧道呢钻孔即在已成型隧道洞内通过发射并接收电磁波探明管片壁后岩溶发育状况并通过隧道内钻孔进一步确认隧道周边岩溶发育状况。

上述施工步骤中，下穿建筑物段岩溶处理即运用超前钻器具与隧道内钻孔对隧道掘进方向及已成型隧道周边已探明岩溶予以注浆加固处理。其中，超前钻器具可用于隧道前方岩溶处理，隧道内钻孔可对管片壁后岩溶予以处理。注浆加固方法可归纳如下：

(1)为保证建筑物安全，无论溶洞大小与充填情况均采用双液浆予以加固；

(2)注浆顺序：由外向内进行，先对溶洞边界予以双液浆充填，阻断浆液漏失通道后，再逐步向内对溶洞区中部灌浆压密；

(3)为防止邻孔串浆影响注浆效果，注浆须跳孔进行。

下穿建筑物段岩溶注浆加固浆液为双液浆，双液浆浆材为水泥浆与水玻璃溶液，其中水泥浆成分包括水泥和水，水灰比为0.5:1～1:1，水玻璃溶液成分包括水玻璃和水，水玻璃溶液浓度为30～40°be＇，水泥浆和水玻璃溶液配合为4:1～6:1；纯水泥浆成分包括水泥和水，水灰比为0.5:1～1:1。

下穿建筑物段，对于岩溶加固区外围注浆，以相对小压力、多次数、较大量控制，注浆压力0.4～0.7mpa，注浆3～4次，每次注浆间歇时间可取30min；对于加固区中部，注浆压力可取0～0.4mpa，达到注浆终压并继续注浆10min以上，压浆4～5次，注浆速度20～30l/min，，每次注浆间歇时间取30min。

如图5所示，在无法实施地面钻孔探测的下穿建筑物段，通过在先行洞隧道相应范围增加地质雷达测线，扫描另一条隧道未施工段地质情况并予以处理。若探明另一条隧道下穿区域有溶洞，则可从已施工一侧隧道加密钻孔对溶洞进行注浆处理，其中，隧道内钻孔通过管片预留注浆孔实现，并可任意角度打设。

上述施工步骤中，对另一侧隧道下穿建筑物区域内岩溶进行注浆加固处理时，浆液采用双液浆，双液浆浆材为水泥浆与水玻璃溶液，其中，水泥浆成分为水泥和水，水灰比为1:1；水玻璃溶液成分为水玻璃和水，水玻璃浓度为30～40°be＇，其体积配合比为水玻璃：水＝1:1～1:2；所述水泥浆和水玻璃溶液体积配合比为4:1～6:1。

对另一侧隧道下穿建筑物区域内岩溶进行注浆加固处理时，对于岩溶加固区外围注浆，以相对小压力、多次数、较大量控制，注浆压力0.4～0.7mpa，注浆3～4次，每次注浆间歇时间可取30min；对于加固区中部，注浆压力可取0～0.4mpa，达到注浆终压并继续注浆10min以上，压浆4～5次，注浆速度20～30l/min，，每次注浆间歇时间取30min。

本实施例通过调查评估岩溶区建筑物安全现状及预设沉降、相对倾斜与裂缝监测系统，判明施工对建筑物影响规律，并通过反馈监测信息指导施工；同时在盾构掘进施工前，对岩溶区予以预探测，对已探明溶洞按不同方式进行注浆加固处理，并在无地面钻孔条件下运用超前钻、地质雷达扫描与已成型隧道内钻孔技术探测建筑物下方岩溶发育状况，从而对隧道周边溶洞打加密钻孔进行注浆加固，并从先行洞打设钻孔探明并处理后行洞隧道周边溶洞；对已探明溶洞予以注浆加固可提高土体强度，降低土体渗透系数，确保盾构掘进施工顺利下穿岩溶区建筑群。