盾构机超前钻探与溶洞处理

盾构机超前钻探与溶洞处理毛贤;吴烨 【摘要】针对地铁盾构隧道施工中遇到的溶洞、空穴等地质灾害，提出了当无法从 地面进行注浆加固处理时,如何利用盾构机配置的超前钻探系统在洞内进行溶洞钻 探及注浆加固.本文结合工程实例，介绍了洞内溶洞处理施工流程，同时对洞内溶洞钻 探、注浆加固施工的注意事项提出建议.【期刊名称】铁道建筑技术 【年(卷)，期】2014(000)002 【总页数】4页(P77-80) 【关键词】盾构隧道;溶洞处理;超前钻探;注浆加固 【作者】毛贤;吴烨【作者单位】中铁十五局集团有限公司河南洛阳471013;北京中铁天瑞机械设备有限公司北京100039 【正文语种】中文【中图分类】U455.431引言在盾构隧道施工项目中，隧道设计线路往往会遇到溶洞或不明原因地下洞穴等意外 地质灾害，当溶洞受扰动塌陷时既能造成盾构机沉陷、管环破裂、隧道涌水、涌泥 等严重施工安全事故，也往往会引起周围地层剧烈沉降、地面建筑物开裂倒塌等严 重的社会风险安全事故。为规避以上施工安全风险和社会风险，在盾构机到达溶洞 前必需对溶洞进行加固处理。常规做法是通过地面钻孔注浆，对地下溶洞进行加固 处理;而当地面条件受限时，可采用盾构机上配置的超前钻探注浆系统，在盾构机 上进行溶洞超前钻探、注浆加固等工作。广深港高铁深港连接段香港826标盾构隧道项目中，隧道设计线路遭遇大理岩喀 斯特地貌，初勘表明在隧道通过的大理岩区段地层中存在直径大于5 m的溶洞。香港铁路有限公司要求，当盾构机掘进至探明大理岩区域前30 m时，开始进行溶 洞钻探、注浆加固工作。具体为盾构机中心线以上2倍洞径的半圆面内及盾构机 中心线以下1.5倍洞径深度内的溶洞，都要被探明处理。由于钻杆一次钻探只能探 测钻杆通过的地层是否存在溶洞，对于盾构机掘进前方的地层是否存在溶洞，只能 通过下一次钻探探明。业主要求在盾构隧道通过大理岩区间时盾构机每间隔两环即 4 m推进距离，重新进行一次全断面溶洞超前钻探、注浆加固。钻探处理边界范 围如图1所示。图1盾体前方超前钻探范围2盾构机设备配置特殊要求2.1盾构机工作环境826标盾构隧道项目位于香港米铺湿地国际鸟类自然保护区，采用两台开挖直径 9.96 m泥水平衡盾构机施工，隧道埋深由48 m逐渐变化到28 m，泥水舱压力 由5 bar变化到3 bar。盾构机刀盘开挖直径大于盾体前盾直径6 cm，开挖洞壁 与盾体外圆间有3 cm宽的环形空隙，刀盘开挖舱内循环泥浆通过此环形空间与盾 尾同步注浆浆液建立水力联系。当盾构机停机泥浆不流动时，环形空间中泥浆的压 力等于同一液位上泥水舱中的泥浆压力。2.2超前钻系统设备配置因项目施工地质环境的特殊性，要求设备供应商进行盾构机设计时在盾体上推进油 缸区域，每相邻的两组油缸之间布置一道超前钻预留通道（DN100）,通道前端外 开口于盾体外圆，外开口与开挖洞壁和盾体外圆间的环形空间相连通;本项工程盾 构机配置22组推进油缸，所以盾体周边均布22道超前钻预留通道。隔舱壁和耐 压舱壁上前后对应预留外环8道、内环4道超前钻通道，并与刀盘上的超前钻预 留通道前后对应，钻头可通过耐压舱壁、隔舱壁、刀盘到达前方掌子面进行钻探。 所有预留通道大气环境处的内开口都配置球阀和常闭法兰，法兰用于钻探、注浆时 连接旋转型防爆裂密封装置FBOP（简称FBOP）。在管片拼装机后部的连接桥位置 安装3台超前钻机，即正面超前钻机1台（水平布置），周边超前钻机2台（上部预 留通道与盾体轴线夹角10、下部预留通道与盾体轴线夹角13、每台运行范围 0 220）。钻机为Atlas Copco超前钻，有旋转钻进和旋转-冲击钻进两种工作 模式。FBOP密封装置的L型密封唇口朝向FBOP内部，当FBOP接通高压水后， 内外卜压差形成密封唇口的工作压力使唇口压紧在管件外圆实现高压密封。FBOP密 封装置允许通过DN35 mm DN90 mm的管件。后配套台车上配置超前钻液压 泵站、储浆罐、砂浆泵、高压水泵、钻探控制记录仪器等。按2倍洞径宽度、1.5 倍洞径深度钻探处理要求，超前钻钻孔分布如图2所示。钻杆钻进长度:上部钻杆倾角10，盾体上预留通道外开口距盾构机中心线4.95 m , 环形空间0.03 m，要探测中心线以上10 m高度溶洞，钻杆钻进高出盾体5.02 m 垂直高度即可，则钻杆钻进长度为5.02/sin10=28.9 m,预留通道外开口距刀盘 4.9 m，此时钻头距刀盘水平距离为24 m;同理，下部钻杆倾角13,要探测15 m深度溶洞情况，钻杆钻进低于盾体10.02 m垂直深度即可，钻杆钻进长度为 10.02/sin13=44.5 m,此时钻头距刀盘水平距离为39.6 m。业主要求，正面钻 杆伸出刀盘20 m。图2超前钻纵向布孔及周向布孔3洞内溶洞处理施工流程根据设计勘探资料和详勘资料揭示的溶洞存在情况，在盾构机到达溶洞区以前30 m处开始进行超前钻探以探明溶洞存在的确切位置，发现溶洞后立即进行注浆加固。3.1钻机与FBOP密封装置配套就位由于钻头形状特殊并安装有切削刃具，钻头不能从FBOP橡胶密封端进行插入安 装，只能从前端法兰连接端反向插入FBOP进行安装，然后在钻机侧接长第二根、 第三根钻杆等，最后一根钻杆与钻机连接，安装FBOP高压水管路。拆除预留通 道上连接法兰闷盖（球阀保持关闭状态），将FBOP与通道法兰连接，分别开启预留 通道球阀和FBOP高压水进水阀门，进行FBOP和法兰连接密封高压水试验。因 盾构机主机周围充满带压的泥浆、地下水，为防止泥浆及地下水通过钻杆内孔泄露 失压而造成严重的地层沉降，钻头内孔必需配置单向逆止阀。3.2超前钻探、溶洞定位确定FBOP密封安全可靠后，可开始进行超前钻探。先进行正面钻探，然后进行 盾体周围超前钻探。启动钻机，分节换长钻杆、推动钻杆通过球阀及盾体上预留通 道到达隧道洞壁，实施超前钻探。观察超前钻控制仪面板上推力及钻进速度数据变 化，一旦发现推力急剧下降、钻进速度突然加快，应马上停止冲击模式改为旋转- 钻进模式低速钻进，当仪表盘显示推进压力提高时，表明钻头已接触对侧洞壁。根 据仪表板记录的推进压力失压、升压两个节点钻杆推进行程，即可大致判断溶洞前 后宽度，测算溶洞大小，制订注浆方案。分节撤出并卸下钻杆，在最后一节钻杆撤 出FBOP前关闭盾体上预留通道球阀及FBOP上高压水阀门，从连接法兰上卸下 FBOP，解除钻杆与钻机的连接。正面钻探不但可以探明刀盘正前方是否存在溶洞， 同时可根据钻进数据分析前方地质状况，及时调整盾构机掘进参数和刀具配置。3.3预防掉钻措施为满足向前探测距离的要求，盾构机上超前钻钻杆倾角较小，钻进方式完全不同于 地面进行的垂直钻孔钻进。钻进时应根据地层地质情况，确定合理的钻杆选型、钻 进参数，软地层时可用无冲击旋转推进方式钻进，遭遇岩层时改用冲击-旋转方式 钻进。防止在岩层中盲目高速钻进造成卡钻，有卡钻迹象时应回收钻杆、前后移动 钻头，并留出一定时间冲洗钻孔清洗钻屑，消除卡钻现象。撤出钻杆时，应以钻机 带动无冲击低速正向旋转回撤，供给冲洗泥浆压力压降低，防止高压高速泥浆冲毁 钻孔壁上泥膜。严禁钻机反转，因钻杆反转容易造成杆间接头处螺纹连接松脱，发 生严重的掉钻事故。3.4预防钻孔跑偏在钻探、注浆整个过程中，盾体上预留通道和地层中钻孔位置应始终保持对应。若 钻孔和预留通道错位，注浆管道将无法插入，必需重新钻孔。若是钻杆或注浆管处 在搭接盾体预留通道和钻孔通道位置时盾体发生错动，盾体预留通道与钻孔间发生 的错位将使钻杆或注浆管承受很大剪应力，变形、断裂、掉管、掉钻的危险性非常 高。因此钻进开始前，必需确认刀盘已脱离掌子面、盾尾同步注浆已完全固结、盾 构主机已座底并处于稳定状态。钻进时也应避免推进力过大，以防止细长钻杆发生 严重挠曲变形导致钻孔跑偏。3.5溶洞注浆加固先进行盾体前方溶洞钻探、注浆加固，而后两台超前钻机分左右侧从盾构机顶部依 次通过周边预留通道按自上而下的顺序向下钻探，对探明的溶洞立即进行注浆加固。 注浆管直径略小于钻头直径，第一节注浆管前端带逆止阀（单向阀），以防止换管时 注浆管内腔泄压高压泥水从管内喷涌，破坏盾构机泥水平衡状态。FBOP上换装注 浆管，注浆管可直接从FBOP密封端插入安装FBOP与预留通道连接，打开球阀 及高压水阀门，检查FBOP密封性能。钻机就位，用钻机推动注浆管进入已钻好 的超前钻孔，根据钻进记录数据配置注浆管长度，分段加长注浆管到达溶洞注浆位 置，连接注浆设备、调整参数开始注浆。按设计提供的配合比配置水泥浆（容重大于溶洞内容物容重），启动注浆装置向溶洞 注浆。为防止注浆引起开挖舱超压或失压，注浆压力设置为注浆点处水压力的1.1 倍，注浆材料要求7 d强度达到2.5 MPa。由于溶洞通过钻孔与盾体周围环形空 间及泥水舱建立了水力联系，当溶洞内注浆、泥浆压力升高时，泥水舱压力相应升 高，并实时反应到盾构机控制室仪表盘上，此时应根据压力波动及时调整注浆的流 量和压力，保持泥水舱压力平衡。水泥浆压入溶洞后，溶洞内原来的泥水将被挤出， 并通过钻孔通道流向盾构主机周围环形空间，此时要开启注浆通道两侧预留通道的 球阀及密封端盖，两侧的预留通道可作为溶洞内泥水外流的引流通道，引流排水流 量相当于注浆流量，应避免引流流量过大导致泥水舱泥浆压力发生剧烈波动。观测 从两侧预留通道中流出泥水的性状，当发现有明显的注浆水泥成分时，表明溶洞中 注浆液位已达到洞壁上钻口位置，浆液无法进入溶洞上部剩余的密闭空间，应停止 注浆。停止注浆后应及时撤出注浆管，以免注浆管被注浆浆液固结在填充后的溶洞 中和钻孔通道中。当最后一节注浆管脱离预留通道球阀后关闭球阀，拆除、移开 FBOP装置。4注浆效果钻探检查在注浆浆液达到初凝强度后，进行注浆效果检查。通过原超前钻预留通道，依照钻 杆安装钻探流程安装地质钻机钻杆钻头，对注浆效果进行取芯检测。若检测结果显 示固结物强度低或不能实现固结，则应查明原因，调整浆液配比，重新进行注浆加 固。如达到注浆加固强度要求，则结束本次注浆加固工作。盾构机恢复掘进施工， 完成4 m掘进后重新进行超前探测、溶洞注浆加固。5跳跃式钻探处理掘进通过由于钻探工作只能在盾构机停止掘进时进行，并且每掘进4 m要进行一次超前钻 探注浆加固，因此从溶洞区开始钻探注浆加固到通过溶洞区后超前钻探注浆加固工 作结束，超前钻钻杆是以跳跃方式对地层间隔进行超前钻探的，理论上由同一个超前钻预留通道伸出的钻杆在地层中留下的钻孔是一排等间距平行线段，线段端点水 平间隔距离为4 m，如图3所示。由图3可以看出，对盾体上方溶洞，第一次钻探时在洞壁上钻通的孔口高于第二 次钻探时钻通的孔口 0.7 m(4xtan10=0.7)；对于盾体下方溶洞，第一次钻探时在 洞壁上钻通的孔口低于第二次钻探时钻通的孔口 0.92 m(4xtan13=0.92)o因此， 当钻探发现有上部溶洞，进行注浆加固并且取芯检查合格后，第一次钻探孔口以下 的溶洞空间已被填充，当钻杆第二次通过此处时探测不到有溶洞存在;而下部溶洞 情况相反，第二次钻探时由于钻杆竖向位置上移，钻杆仍能探测到溶洞上部未被填 充加固的空洞。两次孔口中心高差为0.92 m，根据此高度可大致估算第二次注浆 量，对该溶洞未被填充的上部空洞进行补充注浆加固。图3超前钻跳跃式钻探注浆在盾构机上配置超前钻探系统，通过洞内可安全有效地进行溶洞探测、注浆加固处 理，能够克服地面注浆加固场地条件的限制，既可以满足盾构机掘进期间的施工安 全要求，又可以满足盾构隧道永久性结构在承载力、变形、防水等方面的运营期安 全要求，满足业主期望。