盾構穿越巖溶地層關鍵技術

陳慧冰

中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北 武漢 430074

1 工程概況

1.1 工程簡介

深惠城際五和至坪地段線路長31.817km，全地下敷設；設站共5座，分別為平湖﹑鳳崗﹑大運北﹑龍城（含大鵬支線）﹑坪地，線路為全地下敷設；其中大運北站～龍城站區間長度3481.1m，雙洞隧道，設置管片外徑8.8m，厚度0.4m，環寬1.8m，該區段盾構隧道掘進施工需穿越巖溶高發育區。

1.2 區間巖溶發育情況

大運北站～龍城站區間勘探孔揭露的溶洞總數為284個，洞高0.22～29.50m，平均高度2.98m。大部分溶洞規模較小，溶洞洞高＜2.0m的共有158個，占總數的55.63%；2.0m≤溶洞洞高≤5.0m的共有84個，占總數的29.58%；溶洞洞高＞5.0m的共有42個，占總數的14.79%。統計情況詳見表1《勘探孔揭露溶洞洞高分布情況統計表》。

表1 勘探孔揭露溶洞洞高分布情況統計表

本區間鉆孔揭露的溶洞填充情況無明顯規律，部分有填充物，填充物主要為軟～可塑狀粉質黏土﹑砂土﹑角礫和碎石，另有部分無填充物，本次揭露無填充物的溶洞有13個，約占溶洞總數的0.45%。

區間定測在105個可溶巖勘探孔中，有80個勘探孔揭露到溶洞，鉆孔見洞率76.19%，總線巖溶率為33.2%，巖溶最大垂直高度29.5m，根據《建筑地基基礎設計規范》判定，該區間巖溶為強烈發育[1]。

2 溶洞處理關鍵技術

2.1 盾構隧道巖溶處理基本原則

盾構隧道巖溶處理應遵循以地面處理為主，洞內預留處理措施為輔的原則。由于巖溶地區工程地質條件復雜﹑城區內受交通﹑管線﹑建構筑物的影響，較難全面開展與探明巖溶的發育情況，盾構機選型應充分評估區間巖溶勘探﹑處理情況，必要時需配置盾構機內超前探測儀器與機械設備（小鉆機），具備洞內探測及處理條件。

2.2 盾構隧道巖溶處理范圍

2.2.1 所有發現的土洞必須處理；

2.2.2 隧道結構外放3m范圍內，由地面至隧道底范圍內發現的溶（土）洞均需處理；

2.2.3 隧道結構輪廓線外放5m范圍內，隧道底以下5m以內的溶（土）洞均需處理；

2.2.4 隧道結構輪廓線外放5m范圍內，隧道底以下5～10m范圍內的溶洞，最上層溶洞穩定巖面頂板厚度小于5m或頂板厚跨比小于1的溶洞，需必須進行處理。

2.2.5 處理“串珠狀”溶洞時，當洞體之間的完整基巖層厚度小于0.5m時，下層溶洞也應進行相應處理。

2.2.6 上述原則有交叉范圍時，豎向按照較深的處理原則確定。

2.2.7 鑒于溶（土）洞發育的不確定性，實施過程中若發現非上述處理范圍的特大型溶洞需召開專題會議會同各方研究確定是否處理及相應處理方案，以滿足施工及后期運營安全。

2.3 溶（土）洞處理方法

盾構隧道溶（土）洞主要采取充填﹑注漿加固等措施。

2.3.1 全充填溶（土）洞。采用壓注水泥漿進行加固，注漿壓力從低到高，間歇﹑反復壓漿。

2.3.2 無充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞。對不大于3m的無充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞，可直接采用壓注水泥漿進行充填的同時對原填充物進行注漿加固，注漿壓力從低到高，間歇﹑反復壓漿。

對大于3m小于5m的無充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞，先采用套管間歇式灌注水泥砂漿進行充填，后采用壓注水泥漿[2]。

對大于等于5m的無充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞，可考慮采用套管泵送C15素混凝土進行填充后壓注水泥漿。

圖1 盾構溶洞斜向鉆孔處理斷面示意圖

3 盾構穿越溶巖區施工掘進關鍵技術

3.1 人員組織

項目部將選派有豐富盾構經驗的專業技術人員和專業盾構施工隊伍負責組織施工，確保施工過程安全﹑高效﹑經濟﹑質量合格。

3.2 掘進參數

盾構施工過程中根據已詳勘和補勘的地質資料，分無溶土洞區段和有溶土洞區段分別優化掘進參數控制。采用氣壓輔助模式掘進，土倉內渣位控制在3﹑9點位以下，減少刀具的磨損，降低開倉換刀的頻率，提高施工效率。控制好盾構機的推進速度﹑渣土改良﹑土壓力控制﹑刀盤轉速和扭矩（刀盤轉速1～1.5rpm/min），螺旋機速度﹑盾構機總推力等參數，控制調節好盾構機的姿態，盡量保持按隧道線路掘進，減少糾偏。

3.3 渣土改良

巖溶地區盾構在中風化或微風化層中掘進時，刀盤切削的渣土以大小不等的巖塊為主，渣土和易性不好，巖溶里的水通過地層的縫隙和通道及管片壁后通道進入土倉，螺旋機出土造成噴涌。盾構在強風化﹑全風化地層掘進時可通過盾構機的聚合物系統往土倉內加注聚合物添加劑，增加土倉內渣土的黏性，減少噴涌。中風化和微風化地層掘進時可向土倉內加注膨潤土。由于大量噴涌會造成土倉突然卸壓引發事故，可能引起與上部地面水連通﹑地層水位急劇下降﹑開挖面滑落，掘進過程中發生持續噴涌時，應該加強地面的沉降監測[3]。

在巖溶區上軟下硬地層（上部為粉質黏土﹑黏土，下部為中﹑微風化砂巖﹑灰巖和花崗巖時）掘進時，為防止刀盤結泥餅和減少刀具磨損，需向刀盤面盤加注泡沫劑進行渣土改良和潤滑。

3.4 出土量控制

巖溶地層掘進中對于出土量的計算尤為重要，需要對泡沫的用量﹑膨潤土用量﹑刀盤及土倉打水量，土斗殘余量﹑未裝量進行統計，最后得出實際出土量。實際出土量計算時，需詳細分析渣樣成分比例，確定渣土的分散系數，再與理論出土量進行比對，確保掘進不超方。

3.5 盾構機姿態控制

在巖溶區上軟下硬地層掘進時，由于下部地層巖面起伏較大，斷面內出現風化或洞體填充物的處理與周邊巖面差異較大，在此情況下，刀盤工作條件惡化，受力不均，掘進速度不均，姿態不易控制，易出現盾構機頭下垂﹑機頭向上的過量蛇形﹑偏離軸線等情況。在該地層掘進時，盾構機姿態控制是重點。采用1.8m寬的管片，在推進過程中油缸行程控制在1900～2000mm，行程差在0～50mm。防止盾體和盾尾之間形成過大的夾角，造成管片姿態變差。鉸接油缸應減少行程差，控制在30mm以內，行程控制在40～80mm為宜。

水平偏差值﹑高程偏差值﹑滾動角控制要結合推進油缸和鉸接油缸的行程差值，不斷調整各分區油缸推力和總推力，保證盾構機姿態平穩，盾構機每環推進過程姿態變化控制在±5mm以內。

盾構機掘進過程中要根據地質情況隨時對盾構機掘進參數進行調整，盾尾與管片四周間隙盡量要均勻﹑平衡。在糾偏過程中，掘進速度要放慢，糾偏和仰角的調整力度控制在±5mm/m，不得猛糾猛調，避免糾偏時由于單側推進油缸用力過大造成管片破損。

3.6 同步注漿、二次注漿

在巖溶區上軟下硬地層中掘進時易引起地面沉降，掘進過程要適量加大同步注漿量，以最大限度地控制地面沉降，同時通過管片注漿孔，進行二次補注漿填充密實。同步注漿和二次補注漿要注意控制注漿壓力，漿液的初凝時間可以在不堵管的前提下適當提前。同時要根據地面沉降監測情況，及時調整同步注漿量和二次補注漿。特別是掘進過程中有噴涌和超挖的情況發生時，需要重點加大同步注漿量。

3.7 管片拼裝

在施工過程中，要保證管片拼裝質量，控制管片環面和縱面平整度，減少管片錯臺和破損。管片拼裝點位要合理，根據盾構機姿態﹑隧道線路﹑盾尾間隙和推進油缸行程差綜合對管片拼裝點位進行確定。

3.8 管片上浮

在全斷面硬巖﹑上軟下硬地層和富含水地層易造成管片上浮。管片上浮主要原因：掘進時同步注漿不充分，地下水與地面水連通；漿液被水稀釋或管片背后與土倉之間形成匯水通道，導致漿液流失，漿液沒有固結；受振動載荷作用造成漿液離析[4]。

控制措施：采用雙液進行同步注漿，調整漿液的配合比，縮短初凝時間，試配早強砂漿。保證注漿量，達到填充飽滿。當管片脫出盾尾后及時進行背后二次雙液漿注漿，保證管片背后的空隙得到有效填充，將管片穩定下來。管片出現上浮后，及時在相應位置打開管片背后注漿孔放掉地下水，進行二次注漿。土倉內加強渣土改良，防止噴涌。采用隧道上方垂直跟蹤和管片背后注漿。盾構機機姿態可以根據管片上浮量比設計軸線進行適當的降低。

盾構掘進施工過程出渣口位置要經常檢測有害氣體的含量，確保施工設備及人身安全。施工過程如開倉檢查刀盤刀具和掌子面情況，則需按照進倉作業的相關規定和施工專項方案進行操作。

盾構掘進過程中做好盾構機和相關配套設備的日常維護保養，避免盾構長時間的停機，保障設備的連續作業。盾構掘進施工過程中，加強地面巡查。出現冒漿﹑冒泡時及時進行處置，暫停泡沫的注入和控制注漿壓力﹑注漿量，及時進行封堵。

4 巖溶區盾構掘進難點及處理措施

4.1 針對巖溶區刀具磨損的應對措施

盡管在盾構施工前對探明的溶洞進行預處理，但該地層溶洞發育，部分溶洞可能未被探明。因此盾構機在巖溶地層掘進，容易造成滾刀刀刃的崩裂和刮刀螺栓的剪切破壞。掘進過程中處理措施如下。

4.1.1 施工過程采用氣壓輔助模式掘進，降低土倉內渣位，減少土倉內渣土對刀具的磨損，降低刀盤扭矩，減少總推力。

4.1.2 在地層穩定﹑圍巖均勻，力學性質好位置主動開倉檢查更換刀具，避免在巖溶發育位置更換刀具，降低開倉換刀的施工風險。

4.1.3 下穿風險源前，選擇合適位置對刀具進行全面檢查更換，避免在風險源位置開倉換刀。

4.1.4 如需在不穩地層進行換刀，必須帶壓換刀或對換刀點進行加固，加固可采用地面注漿加固或洞內超前注漿加固。

4.1.5 帶壓開倉時，由于區間巖溶發育劇烈，帶壓開倉之前需采用厚漿﹑衡盾泥或膨潤土泥漿填倉，在開挖面形成一道穩定泥膜。

4.1.6 在掘進過程中出現推力增大，扭矩波動較大，速度降低，掘進參數異常時，應及時開倉檢查刀具，避免因個別刀具的損壞引起周邊刀具破壞甚至磨損刀盤。

4.1.7 根據區間巖溶發育和地質情況，合理選擇優質刀具，可選擇19寸合金滾刀，增大刀軸的抗壓能力。

4.2 針對巖溶區掘進超方開挖易坍塌的應對措施

由于巖溶地層溶洞發育，部分溶洞填充物主要為黏性土夾灰巖碎塊﹑細砂夾少量黏性土及巖塊等。盾構掘進過程，遇到未探明的溶洞或溶洞注漿加固效果不良，刀盤轉動擾動地層，溶洞土體﹑碎塊不斷坍塌至土倉，造成出渣超方，從而引起地面下沉甚至坍塌。應對措施如下：

4.2.1 首先根據地層松散系數﹑土斗殘余量﹑土倉渣位﹑門吊稱重等盡可能準確的計算出當環出土量和超方量，為后續處理工作提供依據。

4.2.2 增加厚漿注入系統，拌制優質的厚漿經盾體徑向孔向盾體外周注入，用以填充超方引起的空洞和建筑間隙。

4.2.3 加強盾尾同步注漿和二次補漿﹑止水環箍施做，根據詳細記錄的超方點和超方量以雙倍以上的注漿量和注漿壓力雙重控制補漿。

4.2.4 對超方點地表利用后退式注漿設備進行下桿補注漿，主要目的是探知地表下方是否脫空﹑是否有溶槽和溶溝聯通地表和掘進掌子面。

4.2.5 對區間地表進行地質雷達掃描和隧道進行CT掃描，確認是否存在松散層和脫空層，并視情況針對性補注漿，實現真正的消除隱患。

4.2.6 加強地表監測，沉降數據異常及時進行應急處理。

5 結束語

若巖溶處理的難度很大且十分復雜，需要因地制宜的設計和選擇合理的施工方法。根據各地工程施工經驗，應仔細研究地質情況，了解巖層性質和巖溶發展。發現巖溶時，應及時進行補勘，了解巖溶范圍，根據不同情況采用相應處理措施，盾構隧道巖溶處理應遵循“以地面﹑機（盾構機）內預處理相結合為主，洞內預留措施處理為輔”的原則，精細化施工，加強質量檢測工作，確保地鐵施工及運營安全。