CN106285636B - 岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，包括：第一步、施工现场地质勘测；第二步、根据地质钻孔的钻探结果，确定隧道沿线溶洞的分布情况；第三步、确定溶洞分布规律的分形参数；第四步、根据分形参数确定溶洞体积，并根据现场注浆量确定溶洞注浆量系数，确定现场区域溶洞注浆量。本发明克服了现有方法中测量施工作业困难且耗时长、无法确定区域内溶洞体积的缺点，给出具体确定方法与步骤，实现岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞注浆量的确定。

Description

岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法

技术领域

本发明涉及的是一种地下工程技术领域的方法，具体是一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法。

背景技术

随着我国地下工程建设的不断发展，大量的高速铁路、城际铁路、城市轨道交通正在修建，其中有许多隧道工程需要在岩溶地层中施工。盾构法是常用的隧道施工方法。在上覆砂土与粉质粘土的覆盖型岩溶地层中进行盾构法隧道施工时会产生很多施工事故与地质灾害：地面冒浆事故、天坑塌陷灾害、盾尾注浆流失或失效造成过度沉降等工程事故等。在盾构法施工前需要将隧道附近区域的溶洞处理。目前溶洞处理方法是通过注单液水泥浆或双液水泥水玻璃浆来填充溶洞，该方法已成功用于工程实践。关于溶洞处理技术的研究很多，而由于溶洞因分布分散、形状各异，关于溶洞处理过程中所需注浆量确定的研究还是很少。因此，有必要提出岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞注浆量的确定方法。该难题涉及两方面：(1)溶洞体积的预估，(2)溶洞体积和溶洞注浆量的比例关系。

对现有的技术文献进行检索后发现一项相关专利的申请，中国发明专利申请号为85101252，发明名称：确定空洞，主要是地下空洞如溶洞、地洞、洞穴、通道及其他类似空洞容积的方法。该专利虽然提出了地下空洞容积的确定方法，但是该专利需要采用液体或气体体积充满地下空洞的空间，通过测量液体或气体体积变化产生的压力变化来确定地下空间的体积。对于地铁隧道周围形状不规则、数量很多的溶洞体积的情况，需要耗费大量的液体及其存储设备，产生很大的测试费用，难于在现场进行有效测试，更难于预测，不适用于对区域内的溶洞体积的确定，从而很难确定溶洞体积与溶洞注浆量的比例关系。

发明内容

针对现有方法中的缺陷，本发明的目的是提供一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，该方法克服了现有方法中测量施工作业困难且耗时长、无法确定区域内溶洞体积的缺点，给出具体确定方法与步骤，实现岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞注浆量的确定。

为了实现以上目的，本发明提供一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、施工现场地质勘测，确定本区域是否分布覆盖型岩溶，若确定有覆盖型岩溶进行第二步；

第二步、根据地质钻孔的钻探结果，确定隧道沿线溶洞的分布情况；

第三步、确定溶洞分布规律的分形参数；

根据溶洞的分布情况，绘制以高度h的自然对数lnh为横坐标、大于该高度的溶洞个数N的自然对数lnN为纵坐标的关系图，确定溶洞体积确定模型的截距常数C_i和斜率常数D_i；

第四步、根据分形参数确定溶洞体积，并根据现场注浆量确定溶洞注浆量系数，确定现场区域溶洞注浆量。

优选地，所述第一步，具体步骤如下：

1)通过钻孔取土的方法对需要加固的区域进行土层划分，随后获取施工现场土样进行室内常规土工试验，得到施工现场土层划分信息和地质信息，并绘制土层的物理力学性质图；

2)在探测区域内进行地质钻探，钻孔沿探测区域均匀分布，钻孔深度根据所需探测深度确定；

3)根据1)、2)结果，确定本区域是否分布覆盖型岩溶。

优选地，第一步的1)中，所述的获取施工现场土样，是指：根据勘察规范和项目技术要求确定取土深度，用厚壁取土设备从地面至该深度取土，用于做室内常规土工试验，取土量根据试件量确定，以每层土不少于三个试件为宜。

更优选地，所述的室内常规土工试验，是指：内摩擦角和粘聚力试验，静止侧土压力试验，含水量测定试验，密度试验，粒度分析试验。

更优选地，所述的内摩擦角和粘聚力试验，是指：根据三轴试验仪的技术参数把土样制成一定直径和高度的圆柱体试件，每层土不少于三个试件为宜；试验时，首先将圆柱体试件用橡皮膜包裹住并放入三轴试验仪中，施加围压σ₃′，使土样排水固结；然后保持围压σ₃′不变，施加轴向偏应力σ₁′-σ₃′，直到试件剪切破坏为止；重复上述过程，改变σ₃′，得到多个破坏摩尔圆，再根据摩尔-库伦破坏准则确定破坏包络线，破坏包络线的斜率和在纵轴上的截距分别称为内摩擦角和粘聚力。

更优选地，所述的静止侧土压力试验，是指：在三轴试验中，施加轴向压力σ₁，同时增加侧向压力σ₃，使试样不发生侧向变形，根据测得的轴向压力σ₁、侧向压力σ₃和孔隙水压力u，计算静止侧土压力系数K₀：K₀＝(σ₁-u)/(σ₃-u)。

更优选地，所述的含水量测定试验，是指：通过烘干土样得到土样的含水量。

更优选地，所述的密度试验，是指：通过环刀法等密度试验方法测得各土层的湿密度，并计算相应的重度。

更优选地，所述的粒度分析试验，是指：采用激光粒度仪对取回的土样进行粒度分析试验，得到其颗粒组成，并制成颗粒粒径分布图。

优选地，第一步的2)中：

所述的钻孔沿探测区域均匀分布，是指：在水平方向上，地质钻孔垂直隧道轴线方向的间距为固定值a，沿隧道轴线方向的间距为固定值b；

所述的探测深度根据岩土工程勘察规范和项目技术要求确定。

优选地，第二步中，根据钻孔的分布情况，将探测区域划分为以钻孔位置为几何中心的若干相同矩形，根据钻孔的钻探结果，确定溶洞分布的水平投影面积、溶洞高度及溶洞数量；具体的：

1)溶洞分布的水平投影面积，为探测区域内相应探测到溶洞的钻孔区域所划分的矩形部分面积，其中单个溶洞水平投影面积按下列公式确定：

A_j＝ab

式中：A_j为单个溶洞水平投影面积，j为探测到溶洞的钻孔区域的编号；a、b为相应溶洞矩形的边长，分别为地质钻孔在垂直隧道轴线方向的间距和沿隧道轴线方向的间距；

2)根据钻孔的钻探结果，得出钻孔的溶洞高度h_j，即溶洞高度的实测值。

优选地，第三步确定溶洞分布规律的分形参数，具体包括：

1)用尺寸计算数量的分形方法确定溶洞体积模型即数量-尺寸模型如下：

N＝Ch^-D，

式中：h为溶洞高度；N为高度不小于h的溶洞总数；D为斜率常数；C为截距常数，其值等于溶洞高度最小时的地质钻孔数；

对上式两边取自然对数，得到lnN与lnC的线性关系表达式：

lnN＝-Dlnh+lnC；

2)绘制以lnh为横坐标、以lnN为纵坐标的关系图，并进行线性拟合；关系图中的线性分布看作是以lnh为横坐标、以lnN为纵坐标、斜率为-D、在纵轴上的截距为lnC的直线。

优选地，第三步的2)中，当lnh和lnN的点所做出的直线不能用一条直线来描述lnh和lnN的关系时，采用分段直线来表示，相应的C变成C_i、D变成D_i。

优选地，第四步中，具体的：

1)假设：高度不小于h的溶洞总数N与溶洞高度h之间为连续型函数关系N＝Ch^-D、单个溶洞体积为abh，则分布在[N，N+dN]区间范围内的溶洞体积为dV＝abh×dN，于是溶洞总体积为：

式中：N_max为溶洞的最大数量；N_min为溶洞的最小数量；d为微分符号。

对上式进行微分变换、积分，并代入截距常数C_i和斜率常数D_i，得到确定溶洞体积的表达式；其过程如下：

式中：h_max为溶洞的最大高度；h_min为溶洞的最小高度；C₁为第一段lnN-lnh直线在纵轴上的截距；D₁为第一段lnN-lnh直线的斜率；C_i为第i段lnN-lnh直线在纵轴上的截距；D_i为第i段lnN-lnh直线的斜率；H₁为第一段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；H₂为第二段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；H_i为第i段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；H_i+1为第i+1段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；A为由钻孔划分的若干矩形中探测到溶洞部分矩形面积之和；n为lnN-lnh直线所划分的段数；公式中各参数的上标均为指数；

2)对于隧道沿线已注浆的区段，用上述溶洞体积的表达式计算溶洞体积V₁，并记录实际注浆量V_r，计算溶洞注浆量系数α＝V_r/V₁；

3)对于隧道沿线未注浆的区段，用上述溶洞体积的表达式计算溶洞体积V₂，并用上述得到的溶洞体积注浆量系数确定溶洞注浆量V_p＝αV₂。

与现有技术相比较，具有如下有益效果：

本发明实现了岩溶地区复杂且无规律溶洞注浆量的确定方法；本发明针对区域性溶洞分布问题，实现了区域性的溶洞分布体积的确定方法；本发明无需开挖，通过在探测区域均布地质钻孔即可完成对溶洞体积的确定的准备工作，施工作业简单，迅速；本发明采用溶洞体积确定模型进行计算，无需精确确定区域内溶洞的具体分布与具体大小，可用于覆盖岩溶地区无法具体评估地下溶洞体积的工程条件；本发明方法简单，施工时间短，适应性强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的现场土的物理力学性质图；

图2为本发明一优选实施例的地质钻孔及溶洞分布图；

图3为本发明一优选实施例的斜率常数关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。本实施例中没有特别说明的操作，参照发明内容中已经给出的方法进行，在此不再赘述。

以下为一种覆盖型岩溶地区区域溶洞体积确定方法确定溶洞体积的方法的实施例。

某轨道交通工程位于广州市，广州市覆盖型岩溶分布广泛，隧道沿线地面为城市交通干道、居民小区及商业区，地面条件复杂。本实施例选取一个隧道区间隧道区域确定其溶洞体积并确定其注浆量。

第一步、施工现场地质勘测，具体的：

1)在探测区域取土，测得土样土层的物理力学性质，如图1所示；

2)在隧道沿线进行地质钻探，钻孔沿隧道沿线均匀分布，沿隧道方向间距为3m，垂直隧道方向间距为3m，钻孔深度根据隧道施工影响范围确定为45m，如图2所示。

3)根据1)、2)结果，确定本区域为分布覆盖型岩溶。

第二步、根据地质钻孔的钻探结果，确定隧道沿线溶洞的分布情况，具体的：

根据钻孔分布密度，将隧道沿线探测区域划分为以钻孔位置为几何中心的若干矩形，其中矩形的尺寸为3m×3m。根据钻孔的钻探结果，确定溶洞分布的水平投影面积，溶洞高度及溶洞数量，具体如下：

1)确定溶洞水平投影面积

所述溶洞水平投影面积为探测区域内相应探测到溶洞的钻孔区域所划分的矩形部分面积，其中，单个溶洞水平投影面积可按下列公式确定：

A_j＝ab

式中：A_j为相应溶洞矩形水平投影面积，j为探测到溶洞的钻孔区域的编号；a、b为相应溶洞矩形的边长，其中，a、b取值为3m；

代入上式得：A_j＝9m²；

所述溶洞水平投影面积A为所有探测区域内相应探测到溶洞的钻孔区域所划分的矩形部分面积之和，本实施例中：A＝1359m²。

2)确定溶洞高度

本实施例中，根据钻孔的钻探结果，得出相应钻孔的溶洞高度h_i。

第三步、根据溶洞水平投影面积及溶洞高度，确定溶洞体积确定模型的斜率常数D_i，具体的：

所述溶洞体积模型中的斜率参数按下列公式确定：

N＝Ch^-D

式中：D为斜率常数；N为高度不小于h的溶洞总数；C为截距常数，其值等于溶洞高度最小时的地质钻孔数。

对上式两边取对数，可以看作是以lnh为横坐标、以lnN为纵坐标，斜率为-D、在纵轴上的截距为lnC的直线。作出以lnh为横坐标、以lnN为横坐标的斜率常数关系图，并进行线性拟合。

本实施例中，如图3所示，当lnh和lnN的点所做出的直线不能用一条直线来描述lnh和lnN的关系时，采用两段直线来表示，相应的D变为D_i。

斜率常数D_i的值按下列公式确定：

式中：D_i为分段直线的斜率常数；N为溶洞数量；C_i为常数，其值等于溶洞高度最小时的地质钻孔数；h_i为钻孔探测到的溶洞的高度。

由上式计算得拟合值：D₁＝0.27，D₂＝0.15。

第四步、根据分形参数确定溶洞体积，并根据现场注浆量确定溶洞注浆量系数，确定现场区域溶洞注浆量，具体的：

1)所述溶洞体积按下列公式确定：

式中：h_max为溶洞的最大高度；h_min为溶洞的最小高度；C₁为第一段lnN-lnh直线在纵轴上的截距；D₁为第一段lnN-lnh直线的斜率；C_i为第i段lnN-lnh直线在纵轴上的截距；D_i为第i段lnN-lnh直线的斜率；H₁为第一段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；H₂为第二段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；H_i为第i段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；H_i+1为第i+1段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；A为由钻孔划分的若干矩形中探测到溶洞部分矩形面积之和；n为lnN-lnh直线所划分的段数；公式中各参数的上标均为指数。

由第二步地质钻孔结果得：H₁＝0.2，H₂＝1.6，H_max＝17.2，A＝1359m²；

由第三步确定溶洞估计模型的斜率常数得：D₁＝0.27，D₂＝0.15；

代入上式，得溶洞体积：V＝2192.0m³。

2)对于隧道沿线已注浆的区段，用上述方法计算溶洞体积V₁＝2083.7m³，并记录实际注浆量V_r＝2292.1m³，计算溶洞注浆量系数α＝V_r/V₁＝2292.1/2083.7＝1.1；

3)用上述得到的溶洞体积注浆量系数确定溶洞填充注浆量V_p＝αV₂＝αV＝1.1×2192.0＝2411.2m³。

本发明能够有效确定地铁隧道沿线区域覆盖型岩溶地区溶洞体积，结果可靠；施工操作简单，方法简便；对地面分布建(构)筑物复杂的工程条件具有良好的适应性；给覆盖型岩溶地区盾构施工的前期溶洞处理带来了极大的便利；填补了覆盖型岩溶地区溶洞确定方法的空白，打开了目前覆盖型岩溶地区溶洞体积无法进行确定的不良局面。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步、施工现场地质勘测，确定本区域是否分布覆盖型岩溶，若确定有覆盖型岩溶进行第二步；

第二步、根据地质钻孔的钻探结果，确定隧道沿线溶洞的分布情况；

第三步、确定溶洞分布规律的分形参数；

根据溶洞的分布情况，绘制以高度h的自然对数lnh为横坐标、大于该高度的溶洞个数N的自然对数lnN为纵坐标的关系图，确定溶洞体积确定模型的截距常数C_i和斜率常数D_i；

第四步、根据分形参数确定溶洞体积，并根据现场注浆量确定溶洞注浆量系数，确定现场区域溶洞注浆量；

第三步中，具体为：

1)用尺寸计算数量的分形方法确定溶洞体积模型即数量-尺寸模型如下：

N＝Ch^-D，

式中：h为溶洞高度；N为高度不小于h的溶洞总数；D为斜率常数；C为截距常数，其值等于溶洞高度最小时的地质钻孔数；

对上式两边取对数，得到lnN与lnC的线性关系表达式：

lnN＝-Dlnh+lnC；

2)绘制以lnh为横坐标、以lnN为纵坐标的关系图，并进行线性拟合；关系图中的线性分布看作是以lnh为横坐标、以lnN为纵坐标、斜率为-D、在y轴上的截距为lnC的直线；

当lnh和lnN的点所做出的直线不能用一条直线来描述lnh和lnN的关系时，采用分段直线来表示，相应的C变成C_i、D变为D_i，此处i为多段直线的序号。

2.根据权利要求1所述的一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，其特征在于，第四步中，具体为：

1)假设：N与h之间为连续型函数关系N＝Ch^-D、单个溶洞体积为abh，a、b为相应溶洞矩形的边长，则分布在[N，N+dN]区间范围内的溶洞体积为dV＝abh×dN，于是溶洞总体积为：

其中：d为微分符号；

对上式进行微分变换、积分，并代入截距常数C_i和斜率常数D_i，得到确定溶洞体积的表达式；其过程如下：

式中：N_max为溶洞的最大数量；N_min为溶洞的最小数量；h_max为溶洞的最大高度；h_min为溶洞的最小高度；C₁为第一段lnN-lnh直线在纵轴上的截距；D₁为第一段lnN-lnh直线的斜率；C_i为第i段lnN-lnh直线在纵轴上的截距；D_i为第i段lnN-lnh直线的斜率；H₁为第一段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；H₂为第二段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；H_i为第i段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；H_i+1为第i+1段lnN-lnh直线的左端点对应的h值；A为由钻孔划分的若干矩形中探测到溶洞部分矩形面积之和；n为lnN-lnh直线所划分的段数；公式中各参数的上标均为指数；

2)对于隧道沿线已注浆的区段，用上述溶洞体积的表达式计算溶洞体积V₁，并记录实际注浆量V_r，计算溶洞注浆量系数α＝V_r/V₁；

3)对于隧道沿线未注浆的区段，用上述溶洞体积的表达式计算溶洞体积V₂，并用上述得到的溶洞体积注浆量系数确定溶洞注浆量V_p＝αV₂。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，其特征在于，所述第一步，具体为：

1)通过钻孔取土的方法对需要加固的区域进行土层划分，随后获取施工现场土样进行室内常规土工试验，得到施工现场土层划分信息和地质信息，并绘制土层的物理力学性质图；

2)在探测区域内进行地质钻探，钻孔沿探测区域均匀分布，钻孔深度根据所需探测深度确定；

3)根据1)、2)结果，确定本区域是否分布覆盖型岩溶。

4.根据权利要求3所述的一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，其特征在于，第一步的1)中：

所述的获取施工现场土样，是指：根据勘察规范和项目技术要求确定取土深度，用厚壁取土设备从地面至该深度取土，用于做室内常规土工试验，取土量根据试件量确定，每层土不少于三个试件。

5.根据权利要求3所述的一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，其特征在于，所述的室内常规土工试验，是指：内摩擦角和粘聚力试验，静止侧土压力试验，含水量测定试验，密度试验，粒度分析试验；其中：

所述内摩擦角和粘聚力试验，是指：根据三轴试验仪的技术参数把土样制成一定直径和高度的圆柱体试件，每层土不少于三个试件；试验时，首先将圆柱体试件用橡皮膜包裹住并放入三轴试验仪中，施加围压σ′₃，使土样排水固结；然后保持围压σ′₃不变，施加轴向偏应力σ′₁-σ′₃，直到试件剪切破坏为止；重复上述过程，改变σ′₃，得到多个破坏摩尔圆，再根据摩尔-库伦破坏准则确定破坏包络线，破坏包络线的斜率和在纵轴上的截距分别称为内摩擦角和粘聚力；

所述静止侧土压力试验，是指：在三轴试验中，施加轴向压力σ₁，同时增加侧向压力σ₃，使试样不发生侧向变形，根据测得的轴向压力σ₁、侧向压力σ₃和孔隙水压力u，计算静止侧土压力系数K₀：K₀＝(σ₁-u)/(σ₃-u)；

所述含水量测定试验，是指：通过烘干土样得到土样的含水量；

所述密度试验，是指：通过环刀法密度试验方法测得各土层的湿密度，并计算相应的重度；

所述粒度分析试验，是指：采用激光粒度仪对取回的土样进行粒度分析试验，得到其颗粒组成，并制成颗粒粒径分布图。

6.根据权利要求3所述的一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，其特征在于，第一步的2)中：

所述的钻孔沿探测区域均匀分布，是指：在水平方向上，地质钻孔垂直隧道轴线方向的间距为固定值a，沿隧道轴线方向的间距为固定值b；

所述的探测深度根据岩土工程勘察规范和项目技术要求确定。

7.根据权利要求1-2任一项所述的一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，其特征在于，第二步中，根据地质钻孔的分布情况，将探测区域划分为以钻孔位置为几何中心的若干相同矩形，根据钻孔的钻探结果，确定溶洞分布的水平投影面积、溶洞高度及溶洞数量。

8.根据权利要求7所述的一种岩溶地层中盾构隧道沿线溶洞填充注浆量确定方法，其特征在于，所述第二步，具体为：

1)溶洞分布的水平投影面积，为探测区域内相应探测到溶洞的钻孔区域所划分的矩形部分面积，其中单个溶洞水平投影面积按下列公式确定：

A_j＝ab

式中：A_j为单个溶洞水平投影面积，j为探测到溶洞的钻孔区域的编号；a、b为相应溶洞矩形的边长，即分别为地质钻孔垂直隧道轴线方向的间距和沿隧道轴线方向的间距；

2)根据钻孔的钻探结果，得出相应钻孔的溶洞高度h_j，即溶洞高度的实测值。

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