盾構隧道穿越泉域強富水灰巖地質掘進控制技術*

朱連臣

(中鐵二十五局集團第五工程有限公司，266100，青島∥高級工程師)

濟南以“泉”聞名于世，趵突泉、五龍潭、珍珠泉、黑虎泉四大泉群交相輝映，七十二名泉星羅棋布。泉城濟南在泉水的潤養下蓬勃發展。與此同時，泉域強富水地質環境也給地下工程建設帶來了極大的挑戰。濟南軌道交通1號線作為泉城首條采用盾構法施工的地鐵線路，承擔著先行先試泉域盾構隧道技術的使命。

目前，對于深圳地鐵復合地層、蘭州地鐵砂卵石地層、成都地鐵富水卵石地層及南寧地鐵軟硬不均地層等典型地質下的盾構施工控制技術已進行了諸多研究[1-2]，但針對泉域強富水巖溶灰巖地質的盾構刀盤、刀具選型，以及掘進參數控制等方面的研究鮮有見之，亟需建立該類特殊地質條件下的盾構施工控制技術。

本文以濟南軌道交通1號線盾構隧道穿越強富水灰巖地質為工程背景，分析了灰巖溶洞物探成像和盾構掘進效率的影響因素，提出了強富水灰巖地質刀具選型與掘進參數控制技術，為后續強富水地質環境的盾構掘進施工及災變防控提供了工程經驗與技術指導。

1 工程概況

1.1 強富水灰巖地質勘察分析

濟南軌道交通1號線王府莊站—大楊站區間在里程K30+460.3—K31+392.2段穿越兩處富水石灰巖基巖上浮段，該段基巖經地質構造運動形成褶皺上抬或出露進入盾構穿越范圍，左線穿越灰巖長度約為725 m，右線穿越灰巖長度約為798 m，共計約1.5 km，基巖為寒武系和奧陶系中風化石灰巖，單軸飽和抗壓強度普遍分布在80 MPa以上，最高強度可達122 MPa。該段地層變化較大，有黏性土地層、上軟下硬復合地層和硬巖地層，地質剖面如圖1所示。該灰巖段受南部山區徑流補給及長期溶蝕影響存在現狀溶洞和破碎帶，巖溶裂隙發育、富水量大、地下水脈絡通達，灰巖裂隙水為承壓水，最大水頭高程在拱頂以上8 m。

圖1 盾構穿越富水灰巖地質剖面圖

王大區間里程K30+510.0—K30+850.0段，地質鉆探揭露溶洞數量較多、尺寸較大；同時，揭露有串珠狀溶洞且灰巖溶蝕現象較嚴重，局部灰巖蜂窩狀、針孔狀溶孔溶隙發育，在長期地下水作用下，溶洞規模可能進一步擴大，巖溶穩定性較差。根據鉆探成果，鉆孔揭露的溶洞總數為129個。其中：小于1 m的溶洞數量為79個，占溶洞總數的61.2%；大于1 m的溶洞數量為50個，占溶洞總數的38.8%；大于2 m的溶洞數量為29個，占溶洞總數的22.5%；大于3 m的溶洞數量為23個，占溶洞總數的17.8%。鉆探揭露無充填型溶洞的鉆孔個數為11個，無充填型溶洞個數為12個。

王大區間灰巖段揭露地下水主要為灰巖裂隙水，水位埋深為11.2～14.6 m。含水層主要為強風化灰巖1層、中風化灰巖2層及灰巖破碎體。該層地下水局部受完整灰巖及上覆粉質黏土層隔擋，具有承壓性。根據現場抽水試驗分析，補給水為巖溶裂隙水，抽水采用100 m3/h泵連續抽水4 h，水位降低0.4 m后，穩定水位不變，地下水補給量大。

1.2 灰巖溶洞地質物探分析

為探明該段地質主要溶洞和導水通道的空間分布，采用高密電阻率法、瞬變電磁、地質雷達法和聲納掃描進行綜合探測，在重點和復雜異常地段進行跨孔電阻率CT(電子計算機斷層掃描)法補充探測和成像，以獲得主要溶洞和導水通道較為詳細的空間分布。其中, 瞬變電磁法工作原理為，利用不接地回線及接地長導線發射一次瞬變電磁場在地下形成感應渦流場，然后采用不接地線圈或接地電極觀測該電磁場的空間和時間分布。

瞬變電磁成像圖如圖2所示。由圖2 a)可知，該剖面有2處低阻異常(虛線橢圓圈區域)，根據初勘時的鉆孔剖面圖分析，這2處低阻異常都處于灰巖段且在水位以下，低阻異常深度為13～40 m，寬度為40～165 m，推斷為由基巖裂隙發育引起。由圖2 b)可知，該剖面有2處低阻異常，根據初勘時的鉆孔剖面圖分析，這2處低阻異常都處于灰巖段且在水位以下，低阻異常深度為16～40 m，寬度為17～140 m，推斷為由基巖裂隙發育引起。由圖2 c)可知，該剖面有1處低阻異常，根據初勘時的鉆孔剖面圖分析，此處低阻異常均處于灰巖段且在水位以下，低阻異常深度為19～40 m，寬度為180 m左右，推斷為由基巖裂隙發育引起。

圖2 瞬變電磁成像圖Fig.2 Transient electromagnetic imaging

由現場3條具有代表性的瞬變電磁測線物探成像(見圖2)推斷分析可知：

1) 區間巖溶非常發育，發育深度大多數在15 m以下，與隧道埋深范圍重合較大，主要巖溶與破碎帶(見圖2中的虛線橢圓圈區域)對隧道施工影響較大，存在溶洞等重大地質風險源，擬建隧道與溶洞等風險源相互存在一定水力聯系。

2) 探測范圍內存在一條導水巖溶破碎帶，主要位于隧道區間中間部位，基本呈東西向發育，對區間施工影響較大。

3) 對于探測圈定的低阻異常區域，施工過程中應給予重視，必要情況下應采取控制措施，以避免溶洞等地質災害事故的發生。

2 強富水灰巖盾構掘進效率影響分析

1) 灰巖強度高，單軸抗壓強度大于80 MPa，顯著影響刀具磨損及掘進效率。根據加密鉆探試驗數據，灰巖天然單軸飽和抗壓強度普遍分布大于80 MPa，最高強度可達122 MPa，盾構掘進速度由原來的平均10.0 mm/min降低至5.0 mm/min，掘進速度約為2.4 m/d。

由于巖石強度變化較大、灰巖強度高，刀盤、刀具磨損嚴重，如圖3所示。刀具壽命嚴重降低，而導致換刀頻繁，第二段灰巖掘進30環已兩次換刀，換刀周期僅約20 m，一般每次換刀耗費時間約3～4 d，且該段裂隙水豐富，開挖面涌水突泥，換刀風險較高。開倉刀具檢查頻率由原設計的40環/次調整至3環/次，開倉檢查和更換刀具占用了大量時間。換刀計劃改為24 m一次，顯著降低盾構掘進效率。

圖3 刀具磨損情況Fig.3 Tool wear state

圖4 開挖面涌水突泥照片Fig.4 Pictures of gushing water and mud in excavation face

2) 盾構開挖面涌水突泥，土壓平衡不易控制，導致掘進困難。在盾構掘進時，土壓力艙內土體透水性大，級配不良，從螺旋機出口處發生涌水、噴泥等噴涌現象，如圖4所示。噴涌現象嚴重影響正常施工排土和壓力艙土壓平衡，掘進風險劇增，易引發地表沉降與塌陷以及管片漏水等施工病害。

3) 裂隙水量大，螺旋機噴涌嚴重，排水、清渣占用大量時間。盾構機在中風化灰巖段掘進過程中，地層裂隙水補給量大，螺旋機噴涌嚴重，渣土變為泥漿，如圖5所示。渣土外運困難、效率降低，由原來的4斗/環增加至7斗/環，額外消耗大量排水、清渣時間，每掘進1環額外消耗8 h的清渣時間，占有效工作時間的36%，嚴重影響施工效率。同時，裂隙水高速流動沖刷背后同步漿液，導致填充不密實，嚴重影響了隧道防水質量，需進行大量二次注漿補充，造成了施工成本及施工時間的增加。

圖5 螺旋機噴涌與排水照片Fig.5 Pictures of screw machine spouting and draining

4) 渣土含水量大，出渣處置與外運困難。盾構機采用的立式渣漿泵僅能抽出沉渣表部浮漿及細渣，底部沉渣仍需人工清理。隧道內大量地下水通過土斗傾倒進渣土池，需要耗費大量人力、物力和時間來處置渣土，影響了渣土外運效率，對掘進連續性具有一定的影響。另外，一般渣土場不接受石渣，且其環保、揚塵等環境要求較高，影響渣土外運，導致渣土存放占用大量場地。

3 高強度灰巖地質刀具選型及優化

刀盤、刀具是盾構掘進的核心部件，其地質條件的適應性將直接決定盾構掘進效率與開挖面穩定性，需根據具體地質環境及施工條件進行針對性的刀盤布置與刀具選型[3-4]。

3.1 刀盤刀具選型

針對強富水灰巖地質的單軸飽和抗壓強度在80～122 MPa、填充性溶洞發育、灰巖局部破碎、巖溶裂隙水豐富等特點，刀盤設計采用四輻條+四面板復合式刀盤，支撐方式為中間支撐。刀盤直徑為6 680 mm，并可實現正反雙向旋轉出碴。刀盤中心設計有中心回轉接頭，可向開挖艙及刀盤中心注入渣土改良劑。刀盤各部分設有耐磨保護措施，并設有磨損檢測7處，刀盤背部設計有主動攪拌棒。刀盤和刀具配置如圖6所示，可拆卸式刀具均可從刀盤背部進行更換。

圖6 復合式刀盤配置圖Fig.6 Configuration diagram of compound cutter plate

盾構機在該段灰巖地質掘進中發現：①盾構掘進效率較低，正常掘進僅1～2環/d；②刀具磨損嚴重，換刀頻次增加，功效降低；③開倉換刀造成盾構停機，引起灰巖裂隙水突涌和螺旋機噴涌，進一步加劇了施工難度，且排水、清渣消耗大量時間；④若盾尾排水、清渣不干凈，將影響管片的拼裝質量。

3.2 刀具磨損分析

在盾構穿越高強度灰巖地質的過程中，對滾刀磨損進行開倉檢查發現：①中心滾刀和單刃滾刀出現不同程度的偏磨、崩刃及刀圈脫落等現象，中心滾刀整體磨損較為嚴重；②邊緣部分刀具雖磨損量較為正常，也未出現嚴重崩刃現象，但普遍出現刀圈松動，與刀軸發生位移，已無法繼續使用。

分析刀具磨損與掌子面的破巖情況表明，較多刀具磨損并非由掘進巖層時造成的，而是由掉落的切刀或刀盤上的金屬構件與正常刀具相互磨損造成的。因此，開倉檢查發現切刀或刀盤上金屬構件脫落時，應立即將其取出，以免掉落破壞正常刀具而形成惡性循環。

3.3 刀具優化

針對上述盾構掘進刀盤磨損及突涌水等問題，需對刀盤、刀具進行進一步優化改進。由于灰巖強度高達122 MPa，為增加刀具的抗沖擊能力，將原刀盤的普通滾刀改為一體式滾刀，將刃寬由原來的24 mm減小至19 mm；刀圈底部加厚并調整刀具材質，刀具中心采用楔形鑲齒滾刀以提高刀具韌性。同時，刀盤增加耐磨格柵，滾刀、齒刀可互換，以提高盾構機在強富水灰巖地層中的適應性，在減少換刀頻次的同時提升掘進效率。刀具優化如圖7所示。

圖7 刀具優化改進照片Fig.7 Pictures of cutter tool optimization and adaptation

刀具優化后，在堅硬灰巖地質中的破巖效果明顯有所增強，如圖8所示。由圖8可知，盾構掘進速度由0～2.0 mm/min提升至3.0～5.4 mm/min。掘進效率穩定在2～3環/d，提高了約170%，刀具磨損和崩刃情況有所減少，換刀頻率有所降低，由此可見，優化刀具后取得了良好的應用效果。

圖8 刀具優化前后掘進速度對比

4 巖溶灰巖地質盾構掘進參數控制

王大區間在76環至221環盾構穿越巖溶區灰巖基巖上浮段，對盾構掘進總推力、刀盤扭矩、同步注漿量、掘進出土量、土倉壓力、掘進速度等關鍵掘進參數[5-6]進行實時監測，其參數分布如圖9所示。

由圖9的盾構掘進參數分布可知：

1) 穿越灰巖地質的盾構總推力分布范圍為6 100～10 900 kN，集中分布于8 000～10 000 kN，部分參數跳躍波動較大。這是由于刀盤掘進至巖溶溶洞，溶洞多為黏性土填充或半填充，地質軟硬不均，尤其在串珠狀溶洞處參數跳動較為明顯。

2) 刀盤扭矩分布范圍為1 600～3 100 kN·m，比進入灰巖段之前的黃土、黏土中的掘進扭矩增大200～500 kN·m，這主要是由于灰巖抗壓與抗剪強度較大，刀盤與開挖面巖層間的摩擦力較大，需配合注入膨潤土潤滑。在210環至220環的刀具扭矩較大，這是由于該段灰巖剛度較大，單軸抗壓強度達到80 MPa以上。

圖9 盾構掘進關鍵參數監測圖Fig.9 Diagram of shield tunneling key parameters monitoring

3) 穿越灰巖段的同步注漿量主要分布在4.4～5.8 m3/環，注漿量主要根據地質巖溶發育情況產生一定的波動，在溶洞發育或巖溶水較大處的注漿量較大，注漿速度應與掘進速度相匹配，采用注漿壓力和注漿量雙指標控制，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。根據詳細勘探資料，在溶洞較為發育的區域，先進行地面鉆孔注漿加固，再進行同步注漿處理；在巖溶水豐富區域，應控制注漿材料的膠凝時間，通過現場試驗調整配比并加入促凝劑，可以獲得早期強度，保證良好的注漿效果。

4) 盾構掘進出土量控制在50.0～57.0 m3/環，在巖溶水豐富地段，巖溶裂隙水補給量大，螺旋機發生噴涌現象，渣土變為泥漿，導致外運困難，且消耗了大量排水及清渣時間，因此要加強渣土改良，以確保盾構掘進正常出渣并控制地層變形。

5) 灰巖段盾構掘進過程中，土倉壓力波動較大，主要分布范圍為5～30 kPa，土倉壓力較小是由于開挖面巖層自穩性較高，下部土倉壓力明顯大于上部土倉壓力。

6) 盾構在灰巖中掘進速度緩慢，一般維持在12.0～30.0 mm/min，明顯低于土層中的掘進效率，刀盤磨損較為嚴重，這主要是由于灰巖強度較高，需控制較小的貫入度以便于切削巖層。掘進速度必須與地表隆陷控制、出土量、開挖面土壓平衡及同步注漿等相協調。

5 結論

1) 濟南軌道交通1號線是濟南首條盾構法施工的地鐵線路，承擔著先行先試巖溶地質盾構施工技術的使命，分析強富水灰巖地質盾構掘進影響因素，并制定科學可行的控制技術，對類似地質環境盾構施工及災害防控意義重大。

2) 針對強富水灰巖地質巖石強度高、填充性溶洞發育、灰巖局部破碎、巖溶裂隙水豐富等特點，確定了盾構機刀盤、刀具配置，并結合現場刀具磨損情況對刀具進行優化改進。

3) 制定盾構穿越富水灰巖地質關鍵掘進參數控制范圍，盾構總推力波動跳躍，這主要是由于刀盤掘進至巖溶溶洞、地質軟硬不均所造成的。穿越灰巖段同步注漿量應控制在5.0～5.8 m3/環，在溶洞發育區域，應先進行地面注漿加固，在巖溶水豐富區域，應控制注漿材料的膠凝時間。