岩溶地区地铁盾构隧道设计风险控制

李文彪

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

由于岩溶地区岩溶和溶洞分布具有不确定性，且不易准确勘察，给结构施工和后期运营安全带来难以预见的风险，因此加强岩溶发育地区城市地铁隧道设计风险控制，对减小工程实施难度，确保工程安全至关重要。盾构法施工因为施工速度快，对周边环境影响小，通常被作为设计推荐的施工方法。岩溶发育给地铁盾构隧道带来较大的工程风险与施工难度，本文就城市地铁隧道如何设计风险控制进行全面分析。

2 岩溶地区地铁盾构隧道建设工程风险辨识

地铁盾构隧道施工与运营过程中溶(土)洞在附加荷载或振动作用下会引起涌水突泥、地基变形坍塌、地面过大沉降，并造成建(构)筑物变形倒塌及周边管线爆裂等，给地铁盾构隧道施工和运营安全带来安全隐患。岩溶地区盾构隧道建设除存在很大的工程安全风险外，其处理费用往往难以有效控制，存在较大投资预算风险;同时由于岩溶处理效果难以控制，处理措施与技术参数需要在实施过程中不断调整完善，因此还存在较大工期风险。根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》相关要求，综合考虑岩溶对隧道工程的影响，盾构法城市地铁岩溶隧道一般可定为一级风险源。

3 岩溶地区地铁盾构隧道设计风险控制

3.1 盾构隧道设计方案要点

1)岩溶地区盾构隧道建设一般遵循尽量避让的原则。2)应在满足地铁使用功能前提下充分考虑地层特点和岩溶发育情况对隧道的影响，综合比较区间隧道与相邻车站的使用功能要求、工程风险、施工难度、经济性后，确定岩溶地区线路的平、纵断面方案。根据隧道施工方法特点合理确定隧道的埋深，并尽量避免将隧道设置在岩土分界线附近。3)应根据盾构法和岩溶发育特点采取有效措施对岩溶进行处理，以降低工程风险和施工难度。同时，还应综合考虑岩溶工程风险与其他工程风险之间的相互关系与影响。4)岩溶地区隧道工程设计方案与岩溶处理方案应进行专家咨询与论证，以尽量减小各项工程风险。

3.2 设计对勘察要求

设计宜结合岩溶可能对盾构隧道施工与地铁运营的不利影响，根据工程特点对地质勘察提出采取地质调查、大地钻探及物探等手段探明岩溶发育规律、空间分布、溶洞顶板结构、岩溶连通性、岩溶水与地表(下)水之关系以及环境效应等问题开展系统研究的相关要求。设计应认真研读岩溶地区勘察报告，提出存在异议的地方供各方讨论，勘察单位需对各参建单位提出的疑问进行解释，以加深设计单位对于岩溶对工程影响的认识。

3.3 岩溶处理目的

1)确保隧道施工期间隧道结构安全和人员安全;2)防止地面塌陷和过大沉降，影响周边重要建(构)筑物安全;3)满足隧道永久结构的承载力、变形、防水要求，预防岩溶进一步发展，减小后期运营风险。

3.4 盾构隧道岩溶处理方案

3.4.1 岩溶处理范围

岩溶处理的范围应综合考虑隧道施工对溶(土)洞的影响和溶(土)洞坍塌后对隧道施工与隧道结构的危害进行确定，受影响因素主要有施工方法、岩溶发育规模与大小、洞室稳定性、岩溶水情况等。部分城市地铁在结合地质条件与岩溶发育特点后，对岩溶处理的范围进行了适当的优化并进行专家论证，无锡地铁2号线岩溶主要位于隧道下方且溶腔普遍较小，岩溶处理范围为“隧道向两侧外放5 m后，隧道底板以下有大于2 m厚的可塑、可塑～硬塑粘土层和粉质粘土隔水层，其下方溶洞顶板(中风化、微风化灰岩)厚度大于1 m的岩溶原则上可不作地面处理，对溶腔较大(洞高较大)的岩溶需要加密钻孔探测其边界后再酌情处理”。

3.4.2 岩溶处理原则

1)岩溶处理采取地面超前处理和洞内处理相结合的方法，应尽量探明发育于隧道影响范围内的岩溶并进行地面处理后再进行盾构隧道施工通过。2)岩溶处理前应进行地质补充勘察工作，以进一步探明岩溶发育情况，岩溶处理注浆应尽量利用已有的地质钻孔。3)若填充物为全填充的可塑、硬塑粉质粘土，且承载力特征值大于160 kPa或标贯大于15击时可不进行处理。

3.4.3 地面超前处理

1)地面超前处理方案。岩溶地面超前处理以钻孔注浆填充为主，在地面超前处理前需要根据已有地质资料对钻孔进行加密，广州地铁3号线，5号线及南京地铁3号线岩溶发育区补充钻孔加密后纵向间距一般为5 m～10 m。若某钻孔揭示有岩溶且需要进行处理，则以该钻孔为中心沿垂直隧道方向由内至外间隔2 m～3 m施作一排岩溶探查孔，直至基本找到岩溶边界。然后，沿平行隧道方向间隔2 m～3 m施作岩溶探查孔直至基本找到洞体边界为止。岩溶地面处理主要采用钻孔注浆填充，若岩溶为有限边界则以揭示岩溶的最外排钻孔作为最外排注浆孔，若垂直于隧道方向在岩溶处理范围内未找到洞体边界，在安全限界附近钻孔然后采用速凝型浆液注浆控制注浆处理边界，以有效控制注浆的范围与注浆量。2)岩溶注浆处理控制要点。岩溶地面填充注浆可采用花管注浆与袖阀管注浆，采用花管注浆应设置止浆塞。注浆施工时应采取措施保证浆液在有效的高度范围内进行填充和扩散。一般情况下先注周边孔再注中间孔，周边孔采用速凝型浆液，中间孔采用普通水泥浆或水泥砂浆。每处岩溶处理前应进行注浆试验，并及时调整注浆参数，注浆效果达到要求后再进行大范围的使用。注浆采取间歇式注浆，进行多次注浆，每次注浆间隔6 h～10 h。对于周边孔以相对小压力、多次数、较大量控制，注浆压力0.2 MPa～1.0 MPa，注浆3次 ～5次;中间孔注浆压力0.5 MPa～2.0 MPa，注浆3 次 ～5次。

3.4.4 盾构隧道岩溶洞内处理

在管片底部标准块各增加2个预留注浆孔，新增预留注浆孔构造同吊装孔。盾构通过后在不影响正常掘进的情况下或监测显示隧道沉降、变形较大时，通过预埋注浆孔和管片吊装孔采用风钻钻孔以进一步探查是否仍然存在发育于隧道下方的岩溶。洞内钻孔揭示有岩溶时，采用钢花管注浆对岩溶进行填充处理;对未揭示有岩溶发育的钻孔，应及时采用水泥浆进行封堵。注浆过程中应注意压力控制，加强监测，防止压力过大造成管片发生过大变形或开裂。管片预留注浆孔布置图见图1。

图1 管片预留注浆孔布置图

3.4.5 岩溶注浆处理效果判断

应综合考虑注浆压力、注浆量与地面反应等因素判断是否需要结束注浆，注浆施工过程中若地面出现冒浆、冒水与地面隆起等现象，在排除未按照工艺要求进行施工等原因后，也可作为结束注浆的参考条件。在结束注浆后，需对岩溶处理效果进行钻孔取芯验证，查看注浆体是否连续，要求洞内全填充，在钻进过程中无明显掉钻，钻进过程中在溶腔填充范围内无明显的漏水与漏浆，达不到要求应补充注浆。同时应进行原位标准贯入试验，处理后溶(土)洞填充物标贯值应不小于15击，其承载力特征值不小于160 kPa。

3.4.6 加强岩溶地区盾构隧道风险设计交底与施工配合

施工前设计人员应就岩溶地区盾构隧道设计与岩溶处理方案对施工单位进行交底，交底时应强调岩溶工程风险及可能引起的环境风险。制定重大风险预警控制指标与监测要求并进行交底，要求施工过程中加强对周边重要建(构)筑物、地下管线、地面的沉降变形监测与巡视。

同时还需参与制定岩溶地区盾构隧道施工注意事项及事故应急技术处置方案，配合可能发生的事故进度进行重大风险沟通与交流，参与建设单位风险管理，指导审查事故单位风险管理方案、处置措施与应急预案，协调实施现场施工风险跟踪管理。应根据现场施工反馈信息，对盾构隧道设计与岩溶处理方案进行必要的调整。

4 结语

我国可溶性岩分布广、面积大，岩溶将对城市地铁盾构隧道建设带来很大的建设难度与工程风险。岩溶地区盾构隧道工程作为重大风险源需引起建设各方的高度重视，在设计过程中加强风险控制可有效降低工程风险，同时也需要施工过程加强施工质量控制与工程管理。

［1］《工程地质手册》编委会.工程地质手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1992.

［2］GB 50652-2011，城市轨道交通地下工程建设风险管理规范［S］.

［3］江苏省水文地质工程勘察院，江苏省地质工程勘察院.南京地铁3号线滨江路站——五塘村站沿线岩溶发育物探成果报告［R］.南京大学地球科学与工程学院，2011.

［4］桂 林.广州地铁五号线岩溶盾构隧道工程技术研究［J］.桂林工程学院学报，2008(3):24-25.

［5］李广涛.广州地铁三号线北延段岩溶处理设计［J］.隧道建设，2009(1):61-63.

［6］曹 越，杨红军.盾构施工过程风险分析与控制［J］.山西建筑，2011，37(9):185-186.