貴陽喀斯特地區地鐵盾構施工風險及防范措施

莫偉平

（貴陽市城市軌道交通集團有限公司，貴陽 550081）

與傳統的暗挖法相比，盾構法施工在施工安全、工程進度、質量保障、環境保護、投資等方面具有明顯優勢［1]，因此盾構法在隧道施工中得到廣泛應用。與全國其他巖溶區相比，貴陽巖溶區具有地貌變化大、可溶巖分布范圍廣、軟弱夾層分布無規律、巖溶類型齊全、地下水分布復雜等特點。自2019年9月“黔進一號”盾構在貴陽市軌道交通3號線正式掘進以來，已經貫通的多個隧道區間出現不良地質問題。盾構施工存在盾構栽頭、路面塌陷、建（構）筑物沉降、管片整體上浮超限等質量問題和安全風險。

本文對該線皂角井站—太慈橋站盾構區間施工中存在的風險進行分析，結合已施工完成四方河路站—皂角井站盾構區間掘進經驗提出風險控制措施，并給出合適的掘進參數，以供后續施工參考。

1 工程概況

1.1 線路走向

貴陽市軌道交通3 號線（以下簡稱3 號線）南起花溪區桐木嶺站，北至烏當區洛灣站。初步設計線路全長43.03 km，途徑貴陽4個行政區，設計最高運行速度100 km/h，建設期5年。皂角井站—太慈橋站區間（以下簡稱皂太區間）為3 號線第13 個盾構區間。該區間出皂角井站后沿花溪大道中段向北敷設，先后側穿鳳凰灣人行天橋，下穿人民大道接花溪大道上下行匝道橋及人行地道。在即將進入花溪大道北段時切入西北方向住宅區，并側穿滬昆鐵路太慈橋鐵路基礎，然后下穿青山小區等住宅樓群，最終進入太慈橋站。設計長度為1400.945 m，平面最小曲線半徑為340 m。區間隧道最大縱坡坡度為34‰，隧道頂埋深14.0～22.3 m。皂太區間平面如圖1所示。

圖1 皂太區間平面示意

1.2 工程地質水文地質情況

皂太區間穿越地層主要是三疊系下統安順組和大冶組中風化白云巖、石灰巖。中風化白云巖巖石抗壓強度26.09～77.99 MPa，平均值為45.38 MPa，巖體較破碎，裂隙較發育，地下水豐富，易造成刀具崩壞破損、螺栓松動。中風化石灰巖巖石抗壓強度8.6～59.9 MPa，平均值為32.6 MPa，裂隙不發育，含泥量較大，易造成刀盤中心三角區及刀盤糊泥、刀具偏磨、渣土積倉和滯排現象。皂太區間地下水水位埋深0.7～5.8 m，以潛水為主，局部為碳酸鹽巖巖溶水。

2 皂太區間盾構施工中存在的風險

2.1 巖溶發育地層中或破碎帶施工

根據皂太區間初勘資料，該區間共有鉆孔71 個，有14個鉆孔揭示有溶洞，鉆孔遇洞率19.7%。巖溶基本位于厚0.3～17.4 m 的覆土之下，屬淺覆蓋型巖溶，巖溶主要表現為溶隙、溶洞和破碎帶。溶洞主要以充填型和半充填型為主，充填物為軟塑～可塑狀黏性土，偶夾灰巖碎塊。依據DBJ 52/T 099—2020《貴州城市軌道交通巖土工程勘察規范》［2]判定為中等巖溶發育區。

根據以往施工經驗，盾構在該地層掘進施工存在的風險為：①溶洞、空洞在隧道下方，盾構穿越時極易出現盾構栽頭風險；②溶洞、空洞在隧道上方，盾構穿越溶洞時易造成地表嚴重沉降甚至坍塌；③溶洞、空洞在隧道兩側，盾構穿越后易造成管片結構變形；④盾構在溶洞和破碎帶影響區掘進時存在噴涌風險。

2.2 下穿既有鐵路橋

皂太區間隧道側穿滬昆鐵路太慈橋18#—19#橋墩，橋墩基礎為漿砌片石基礎和樁基礎。基礎距盾構隧道最小水平凈距4.4 m，最小垂直凈距9.6 m。根據既有經驗，盾構下穿既有鐵路橋時存在的風險為：因水平凈距較小盾構姿態不好控制，盾構侵入橋樁，甚至嚴重破壞橋樁，從而造成既有線沉降、開裂等。

2.3 盾構小半徑曲線掘進下穿密集建筑物

盾構的極限轉彎半徑為250 m。盾構始發后沿花溪大道掘進，然后以340 m 小曲線轉彎半徑左轉下穿綠洲便捷酒店、車水路小區、升華汽配城、青山路老舊密集住宅平房、青山小區等住宅樓群。存在的風險為：①盾構姿態及管片變形不易控制，掘進過程中容易出現管片錯臺、破損、滲透水現象；②盾構進入房屋密集的居民區，建筑物可能會沉降、傾斜，甚至倒塌。

2.4 硬巖中長距離掘進

皂太區間隧道全斷面穿越中風化白云巖、石灰巖，存在以下風險：①不僅盾構刀具磨損嚴重，而且可造成刀盤磨損甚至損壞，致使掘進效率降低、換刀次數增加、工期滯后；②刀具磨損后盾構姿態較難控制，造成管片錯臺、破損。

2.5 下穿河流施工

皂太區間隧道下穿小車河。小車河寬約14 m，水深約3 m，河底距隧道頂板約5～7 m。該區段穿越的地層主要為中風化白云巖，局部有強溶蝕區和破碎帶，盾構通過時存在溶蝕區或破碎帶與小車河連通，導致大量涌水的風險。

2.6 富水巖溶區施工

盾構在地下水豐富的巖溶區掘進時管片脫離盾尾后經常出現整體上浮，特別是在破碎又富水的巖溶地層中管片上浮現象更明顯，而管片上浮導致的管片錯臺或管片連接薄弱處開裂、滲漏水等問題嚴重影響隧道施工和后期維護安全。

2.7 盾構選型不當和適應性不足

盾構選型不當和適應性不足會造成掘進速度慢、刀具磨損嚴重、卡盾等風險。

3 盾構施工的風險防控措施

3.1 巖溶發育地層中施工風險防控措施

①通過補勘、詳勘孔進行物探，對發現的不良地質區域使用超前鉆注一體機進行注漿加固處理；②洞內采用HSP（Horizontal Sound Probing）超前地質預報系統［3-4]核實地質情況；③合理控制掘進參數。及時總結區間前100 環的盾構施工參數，同時根據類似地質條件下盾構施工經驗選擇合適的掘進參數；④管片脫出盾尾后及時進行二次注漿和加注封水環，防止管片上浮和噴涌現象的發生；⑤做好掘進過程中的監控量測。

3.2 盾構下穿鐵路橋、建（構）筑物風險防控措施

①制定下穿方案，提前與產權單位辦理下穿手續；②在穿越鐵路橋段安裝預埋注漿孔襯砌環；③穿越前設置試驗段，優化施工參數；④盾構穿越鐵路橋、建（構）筑物前做好盾構和刀具維修保養工作。

3.3 盾構小半徑曲線段掘進風險防控措施

①盾構掘進過程中加強推進軸線的控制，將預偏量控制在20～40 mm。根據推進軸線情況進行局部超挖。②嚴格控制盾構的姿態，盡可能控制每次糾偏的幅度，堅持“勤監測、勤糾偏、小糾偏”的原則，蛇形糾偏量每環不大于6 mm。③適當提高每環同步砂漿注漿量，保證注漿飽滿。

3.4 盾構在硬巖中長距離掘進風險防控措施

①盾構始發選用質量好的刀具，在刀盤正面選用耐磨性高、破巖能力強的鑲齒單刃和雙刃滾刀，在刀盤起弧區選用抗沖擊效果好的光圓單刃滾刀，并確保單把滾刀能承受250 kN 的沖擊荷載，啟動扭矩23～25 N·m。②對盾構刀盤和刀具進行耐磨加固處理，通過刀具設計和材質的增強，進一步提高其耐磨性和適應性。③盾構掘進過程中每0.5 h 在螺旋輸送機出土口測量渣土溫度。正常掘進時渣土溫度在25～32 ℃，超過32 ℃要適度降低掘進速度，渣土溫度超過36 ℃時要停機開倉檢查更換損壞的刀具。

3.5 盾構下穿小車河風險防控措施

①通過補充地質鉆孔和跨孔彈性波成像技術進行物探，進一步查清穿河段的地質條件和覆土厚度；②下穿時向土倉內注入泡沫劑、膨潤土、高分子聚合物等提高渣土的流動性和止水性，避免因地下水壓力過大發生涌水突泥現象；③掘進過程中加強盾尾密封油脂的注入、中盾與盾尾鉸接處的密封檢查，及時調節密封壓板螺栓，保證密封效果；④下穿時適當調整同步注漿漿液配比，縮短漿液凝膠時間，必要時可通過管片預留注漿孔及時進行二次注漿。

3.6 地下水豐富的巖溶區施工風險防控措施

針對存在的管片上浮風險提出措施：①管片脫離盾尾后，從管片預留注漿孔開孔放水降低水壓；②掘進過程中將盾構垂直姿態控制在-50～-40 mm，以抵消管片上浮量；③采用AB 料雙液注漿系統，將同步注漿漿液初凝時間從原來4.0 h 控制為0.5 h，減少地下水對管片上浮的影響。

管片上浮風險防控效果見圖2。從圖2（a）可以看出：四方河路站—皂角井站區間左線掘進過程中盾尾脫出后管片比拼裝完時上浮20～35 mm。從圖2（b）可以看出：通過使用AB 料雙液注漿系統注漿，增大每環同步注漿量、縮短漿液初凝時間后管片上浮情況得到很好控制。管片最大上浮量為19 mm，平均上浮量在12 mm左右，基本杜絕了管片上浮。

圖2 管片上浮風險防控效果

3.7 盾構選型不當和適應性不足風險防控措施

①盾構的選型要求。根據貴陽巖溶區特點和施工經驗［5-7]，盾構選用復合式土壓平衡盾構，盾構總推力不小于4×104kN，主驅動采用液壓馬達驅動，主驅動額定扭矩不小于6000 kN·m，脫困扭矩7200 kN·m，最大轉速不低于3 r/min。盾構采用主動鉸接系統，并配置換刀撐靴。該盾構具有可靠性強、驅動推力大、不容易卡盾等優點。②刀盤和刀具的選擇。針對貴陽地區地質特點和其他地區施工經驗［8-10]，盾構刀盤采用6主梁6 副梁結構復合式刀盤，刀具選用18 寸滾刀，正面刀間距不大于80 mm。刀盤整體開口率34%。刀盤配備：18 寸中心雙刃滾刀6 把，刀間距90 mm；18 寸單刃滾刀35 把，刀間距75 mm；刮刀43 把，邊刮刀12 把，超挖刀1把。③盾構主驅動的選擇。主軸承密封采用外側4 道+內側3 道唇形密封方案，滿足富水地層的使用要求。主驅動由8 組馬達驅動，由4 臺315 kW 液壓泵提供動力，預留1臺液壓馬達安裝位置，能夠滿足中風化白云巖、石灰巖地層長距離掘進要求，并具有較大扭矩儲備。

4 盾構合理掘進參數的確定及信息化施工

4.1 盾構合理掘進參數的確定

為確定貴陽喀斯特巖溶地區盾構施工的合理參數，統計了已施工完成四皂盾構區間類似地層中刀具磨損時的掘進參數，結果見表1。其中，除了第267 環刀盤轉速為1.7 r/min，其他環刀盤轉速均為1.5 r/min。

表1 四皂區間刀具磨損時的盾構掘進參數

由表1 可以看出：推進油缸總推力在11 × 103～15×103kN變化，刀盤扭矩最大值超過2.5×103kN·m，推進速度在15 mm/min 以下時單刃或雙刃滾刀出現磨損、崩刃等情況；推進油缸總推力在10 × 103kN 以下，刀盤扭矩最大值大于等于3× 103kN·m時中心滾刀區出現刀盤糊泥等情況。

通過對已施工完成四皂區間掘進參數的分析可得：刀盤轉速控制在1.5 r/min，扭矩控制在2.0×103～2.5×103kN·m，總推力控制在11 × 103～13 × 103kN，推進速度控制在15～20 mm/min 時刀具損壞程度最小，經濟效益最高。

4.2 盾構信息化施工

盾構通過數據線將施工動態信息實時反饋給地面控制中心，從而實現對施工的動態管理。地面控制中心配置大數據系統或盾構云系統。盾構始發前在大數據系統內錄入區間軸線、高程、地面建（構）筑物位置、風險源等詳細信息。在盾構掘進過程中實時監控盾構掘進參數，辨別風險源，提出合理化建議。

5 結語

本文以貴陽軌道交通3號線皂角井站—太慈橋站區間盾構施工為例，詳細介紹了巖溶發育地層中或破碎帶施工、下穿鐵路橋、盾構小半徑曲線掘進下穿密集建筑物、硬巖中長距離掘進、下穿河流施工、富水巖溶區施工、盾構選型不當和適應性不足8 種喀斯特巖溶區盾構施工存在的風險，并針對施工中可能出現的質量和安全問題提出了相應的防控措施。

通過分析已完成盾構區間及類似地層中的掘進參數，給出了適合中風化白云巖和石灰巖巖溶地層的掘進參數。通過信息化施工可實現對掘進過程的實時監測和動態管理，進一步提升施工質量和安全管理水平。