軟土地層盾構區段空洞處理技術研究

羅明亮 楊松波 吳文棟 徐紅日 黃 華

(1.深圳市土地投資開發中心，廣東深圳 518034； 2.上海寶冶集團有限公司，上海 200941)

0 引言

隨著我國基礎建設的快速發展，城市地鐵隧道越來越多。對于緊鄰城市地鐵隧道的施工地段，為了保證城市地鐵隧道的安全運營，施工過程中常需考慮因施工而引起的地面沉降及變形，尤其是在臨海區吹填軟土地層中，盾構后的區段襯砌與地層間常常黏結不緊密，甚至出現空洞，對地鐵的運營及鄰近地段的施工帶來嚴重的安全隱患[1]。

隨著基礎設施的不斷建設，建筑場地內產生的空洞，包括巖溶、土洞等，采用傳統的鉆探方式往往無法精準地測量洞體的整體規模及形態特征。自20世紀80年代，物探技術迅速發展，工程物探技術已經逐漸應用到巖土工程勘察中[2]。目前，常用的工程物探包括地質雷達、高密度電法等[3]。高密度電法是是一種陣列式勘探方法，數據采集方式是分布式的，野外測量時只需將全部電極置于測點上、然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集，適用于埋深較淺時的空洞探測[4-7]。鄭智杰等[8]運用高密度電法探測了巖溶裂隙的發育范圍；馬伏生等[9]布置了較高密度的測點，較為準確地測量了硐室的規模大??；郭鐵柱[10]用高密度電法對大壩滲漏處進行勘察并成功找到滲漏處。地質雷達是利用探測目標體與其周圍介質的導電性、介電性的差異，通過高頻脈沖電磁波在電性界面上的反射來探測有關的目的物[11]。舒志樂[12]對隧道襯砌內空洞進行了研究，探討了空洞的圖譜物征，并以此建立了探地雷達介電常數非線性反演的數學物理模型，結合實際工程提出了二、三維聯合檢測隧道襯砌的方法；王春和等[13]提出了一種利用探地雷達建立車載式道路災害預警系統的新模式。地質雷達的探測深度一般在20 m以內，在現場干擾因素較少、場地條件良好的情況下，地質雷達具有較好的精度。在巖土工程中，地質雷達常用于巖溶區城市軌道交通工程的溶、土洞勘察中，能有效得到大范圍分布巖溶的形態特征。因此，本次工程采用地質雷達法對隧道襯砌內的空洞進行探測。

本文依托深圳寶安國際機場擴建的T4航站樓地基處理工程，介紹盾構區段空洞探測方法及處理方案，結合現場監測數據對該地基處理方案的安全性、可靠性進行驗證，為沿海地區類似的工程提供相應的經驗參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

深圳機場擴建工程T4航站區軟基處理工程項目場地位于深圳市寶安區，位于珠江口伶仃洋東側，深圳機場T3 航站樓北側、一跑道西側、二跑道東側；包括運營地鐵 11 號線、在建穗莞深城軌、在建地鐵20號線的軟基處理工程。其中穗莞深(見圖1藍色線路)盾構施工導致部分地段隧道上方土層存在復雜性質的空洞、裂縫等，盾構機運行路線的地面，多次不同時間段、不同地段出現過冒汽泡、冒漿液和大面積地陷，并造成T4航站樓中已施工的工程內容如砂樁、攪拌樁損壞。針對上述情況，對場地內已施工穗莞深鐵路隧道上方土層進行地質雷達掃描，探明存在地下空洞、裂縫的區域。

圖1 地基處理區域示意圖

1.2 地層概況

場地原始地貌屬于海積沖積平原，后經人工堆填，填海造陸形成陸域，地表堆積厚度較大的人工填土(砂)層，地勢開闊平坦。根據場地勘察資料，場地內分布的地層主要有人工填土層、第四系海積層、沖洪積層及殘積層，下伏基巖為長城系混合花崗巖。其中人工填土層厚度較大，為項目主要的地基處理對象，待處理場區人工填土層的物理力學參數指標見表1。

表1 人工填土層的物理力學參數指標

1.3 地質探測方法

根據現場試驗、實測資料可見，土體松散區、空洞區與周圍密實土體之間存在較大的相對介電常數差異，考慮本次探測的工作目的、精度要求及場地條件，采用地質雷達法進行探測[14]。地質雷達儀器為加拿大生產的Pulse EKKO PRO 100地質雷達儀及配套的50 MHz天線。掃描工作剖面布置原則如下：在隧道上方及其邊線外擴10～20 m范圍內布置測網，采用地質雷達點測模式探測，天線中心頻率為50 MHz，點距0.5 m。沿隧道縱向(地質雷達縱向探測)按0.5 m點間距布設，隧道橫向按5 m線間距布設；垂直于隧道方向(地質雷達橫向探測)按0.5 m點間距布設，沿線路方向范圍按5 m線間距布設。根據上述測網布置原則，穗莞深鐵路(4標段)盾構隧道上方共完成雷達掃描剖面158條，雷達掃描點測合計為13337點，雷達掃描剖面長度合計為6589.5 m。部分區域因場地未達到掃描條件無法按上述布置原則進行掃描。具體雷達掃描工作布置見圖2中藍色區域。

對本次地質雷達探測結果進行數據處理，對比收集到的鉆孔資料，推測掃描區域內存在21處土體相對松散或局部存在空洞異常區，空洞異常體多發生在土體相對松散區域，深度大概在2～6 m范圍內，異常體最小長度為4 m，最大長度為10 m，平均尺寸在5～6 m之間，異常區位置及范圍見圖2紅色區域。

圖2 雷達掃描工作異常范圍示意圖

2 盾構區段空洞產生原因

由于場地土較為松散，且近濱海區域多為淤泥質土，在盾構施工過程中產生了空洞異常體通常是盾構掘進中多出土使地層土體損失現象嚴重導致的。結合現場施工條件，綜合已施工的盾構隧道，空洞形成的原因主要有三方面：

(1)施工工藝影響：在盾構推進中，在盾頂、換刀、車站端頭位置，地層受擾動程度較大，可能未及時科學地控制掌子面土壓力，合理調整掘進施工效率，導致出渣量過大，在同步灌漿不足條件下，隧道拱頂出現空洞；在臨海區域盾構施工會引起地下水流失，地下水位下降，松散的富水砂層從而固結沉降，隧道頂部產生空洞。

(2)混凝土材料影響：施作二次襯砌時，由于泵送混凝土壓力不足而導致混凝土難以填滿模板，尤其是在鋼筋混凝土段施工時，由于鋼筋的阻礙作用，泵送混凝土壓力不足而導致的二次襯砌后背后產生空洞；混凝土材料本身影響產生襯砌背后空洞，如新拌混凝土的和易性不良、骨料級配不良以及混凝土自身的收縮變形等因素均可導致襯砌背后空洞的產生。

(3)盾構設備本身影響：采用的泥水平衡盾構機或土壓平衡盾構機設備未能具有較好的土體適應性；沒能基于場地條件科學地設置盾構刀盤開口率和選擇螺旋輸送器材與碎石機，導致土壓的穩定性降低，從而引起土體產生擾動；未配置特殊刀具適應地層，導致刀具工作時磨損嚴重，引起土體損失形成空洞等。

由于地應力從地表向下傳遞，土體損失引起的局部空洞使應力的傳遞受到一定的阻礙，因此在空洞附近的土體中會出現明顯的應力集中現象，當集中的應力超過土體自身的強度時，空洞就會被迫垮塌破壞，產生較大幅度的變形，顯然對本次施工是不利的[15-16]。因此，為有效避免這種情況的發生，本次施工將對此區段的空洞進行處理。

3 盾構區段空洞處理方法

3.1 空洞處理方案

現階段巖土施工中空洞的方法主要是采用注漿法，運用壓力注入適合相應地層的水泥漿，填滿空洞，同時為了降低填滿后空洞的二次增生，將空洞與周圍相聯系土層空隙填密實，大大提高場地地基土的密實性[17]。表2對多種注漿方式的可行性分析表明，針對目前場地空洞形成土體較為松散、臨海富水的特點，且表層覆蓋大量軟弱土，大型的機械設備無法進場，采用表層袖閥管注漿不僅可以滿足場地施工條件的要求，同時滿足松散富水砂層空洞單漿液注漿的填充處理條件。從地質雷達勘查結果來看，大多空洞皆位于盾構隧道頂部，靠近隧道區域且尺寸較大的空洞也可考慮隧道內注漿，減少工期。因此，本次空洞處理方案為采用袖閥注漿或隧道內注漿對松散土體加固等措施，保證項目的安全進行。

表2 空洞注漿方案可行性分析

3.2 空洞處理方案的實施

隧道上覆處理空洞的方法主要為袖閥管注漿，施工流程圖見圖3。其施工工序為：

(1)鉆孔施工。采用履帶式鉆機帶動力頭式全液壓鉆機，該鉆機具有轉速范圍寬、扭矩大、給進行程長等特點，即適用于復合片鉆進、硬質合金鉆進及沖擊回轉鉆進。該鉆機為分體式，由主體、液壓油缸、操作臺三部分組成，具有輕便、容易操作等特點。

(2)安設袖閥管。插入袖閥管時應保持袖閥管位于鉆孔的中心，下袖閥管時將同長度的6分塑料管一同下入孔內，作為注套殼料的管路。袖閥管下到位后將孔口用保護帽套好。袖閥管和6分塑料管一起下到位后將帶閥門的6分鋼管安裝在孔口，用快硬水泥將孔口封嚴。6分鋼管作為注套殼料時的排氣孔，保證套殼料灌注密實。

(3)下套殼料。套殼料采用水泥和黏土配置，配合質量比為水泥∶黏土∶水=1∶1.5∶1.88，水泥采用P·O 32.5R普通硅酸鹽水泥，黏土采用膨潤土。鉆一孔注一孔，防止發生塌孔和埋管。將配好的套殼料用PW-120泥漿泵壓入6分塑料管，套殼料從孔底向外返漿，達到置換孔內泥漿、填滿套殼料的目的。待6分鍍鋅鋼管開始溢漿，說明孔內套殼料已經注滿，即可關閉排氣管的閥門。為保證套殼料的密實，當灌注壓力達到0.2 MPa，持壓5～10 s再停止灌漿。

(4)分段注漿作業。注漿設備采用雙液注漿泵，此設備為單缸雙液往復式注漿泵，該注漿泵壓力、流量是靠調節液壓油流量來實現，可以在泵的運轉過程中任意調節。該泵體積小、重量輕、操作簡單；漿液配置：水泥采用P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰質量比1～0.45，每米注漿的水泥用量240 kg，加水泥用量0.3%～0.5%FDN-5復合型減水早強劑；注漿采用深孔注漿后退式，具體注漿參數見表3。

(5)封口。在孔口周圍的地面到地面以下1 m的距離范圍內采用速凝水泥砂漿封堵，以防止注漿過程中冒漿現象的發生。

4 盾構區段空洞處理效果檢驗

本次空洞處理后再次使用地質雷達對處理后的區域進行注漿效果檢驗，注漿前后的雷達檢測圖見圖4—圖7，紅框區域為空洞異常體。對比可見，在處理后的區域內未發現土體松散和空洞異常區，驗證了本次空洞處理方法的可行性。

圖4 檢測前Z173—Z174剖面地質雷達圖像

圖5 檢測后Z173—Z174剖面地質雷達圖像

圖6 檢測前H217—H218剖面地質雷達圖像

圖7 檢測后H217—H218剖面地質雷達圖像

5 結論

(1)針對該區段深厚軟土層的工程特性及場地工程條件的限制，采用地質雷達探測方法配合鉆孔探清盾構區域上部空洞異常體的位置及大小。

(2)探討了場地空洞形成的原因及相關的注漿處理方法，采用袖閥管注漿是最適合場地條件的處理方法，可以較好地填充空洞及不同空洞間相互連接的裂隙，提高了地基承載力。

(3)在具有深厚軟土層上軟下硬地區采用袖閥管注漿法處理空洞可以有效提高場地的地基承載力，可為類似濱海區域復合地層的地基處理工程提供參考。