盾构隧道穿越湘江溶洞区工程风险分析及应对措施探讨

黎新亮

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概述

1.1 区间平面概况

长沙市轨道交通3号线阜埠河路站—书院路站区间总长2 658.3 m，越江段长约1 400 m。区间起于阜埠河路站，下穿岳麓科教新村6～7层居民楼，侧穿7层天马学生公寓、5层湖南考试学院，下穿和侧穿3～6层晚安家居，侧穿10层天麓大酒店，然后横穿潇湘中路，下穿湘江西河汊、橘子洲以及湘江东河汊，最后横穿湘江中路进入书院路站。本区间共设4个联络通道，2个区间风井。区间平面如图1所示。

图1 阜埠河路站～书院路站区间平面

1.2 工程河段水利工程

目前长沙航电枢纽工程正在建设中，坝址位于湘江下游蔡家洲，距长沙市轨道交通3号线约30 km(图2)，正常蓄水位初定30～31 m，计划2014年全部竣工。该水利工程目前已开始蓄水，湘江西河汊已无枯水期。

图2 轨道交通3号线与长沙航电枢纽工程示意

2 工程地质及水文地质

2.1 工程地质

(1)地质背景

阜埠河路站—书院路站区间属湘江Ⅰ级阶地、河漫滩及河流(床)，拟建区间勘察区内出露的地层主要有第四系(Q)覆盖层和下伏基岩。其中，第四系覆盖层包括第四系人工填土、河流相冲积的黏性土、砂、砾、卵石及残积层;下伏基岩为白垩系戴家坪组(Kd2)砂岩、泥质粉砂岩、砾岩，泥盆系跳马间组(Dt)砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、灰岩、碎裂岩及泥灰岩等。

(2)溶洞发育规律

溶洞发育岩层为中风化灰岩和中风化砾岩，分布里程为右CK15+848.513～右CK16+092.049。中风化灰岩岩性主要为白云质灰岩、灰岩，呈灰白色、灰色，隐晶质结构，中厚层构造，方解石脉充填，风化裂隙较发育，岩体较完整，局部较破碎，岩芯呈块状、短柱状，岩质较硬。中风化砾岩呈棕红色、紫红色等，砾状结构，中厚层状构造，泥质及钙质胶结，岩质较软，裂隙较发育，岩体较破碎，岩芯块状、短柱状，岩质较硬。

(3)溶洞分布形态

岩溶在区间隧道洞身及隧道四周均有分布，见洞率约78%，平均线岩溶率约20.6%。本次勘察在泥盆系石灰岩中共24个钻孔揭露有溶洞，在白垩系砂砾岩中共12个钻孔揭露有溶蚀空洞，溶洞及溶蚀空洞分布位置及深度无规律，且大都为多层溶洞或多层溶蚀空洞，呈串珠状，层数高达12层，洞高最高为22.46 m。

(4)溶洞填充情况及与湘江水联系情况

大部分溶洞及溶蚀空洞内有充填物(具有充填物的溶洞及溶蚀空洞所占全部溶洞及溶蚀空洞的比例约为72.2%)，充填物大部分为卵石或黏性土夹砂、卵石，饱和，松散～稍密状，说明溶洞与河流存在水力联系［1］。

2.2 水文地质

地下水按赋存方式分为第四系松散层孔隙水，层状基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水。

(1)松散层孔隙水:含水层主要包括欠压实～稍压实的填土层、冲积砂砾层、卵石层。

(2)层状基岩裂隙水:层状基岩裂隙水主要赋存在泥盆系碎屑岩的强风化带和中风化带，其赋存条件与岩石风化程度、裂隙发育程度等有关。

(3)碳酸盐岩类裂隙溶洞水:碳酸盐类裂隙溶洞水主要赋存在泥盆系石灰岩中，其富水性和渗透性受岩溶发育程度、连通性、形态、规模大小以及裂隙充填情况等因素影响。

3 工程风险分析

盾构区间穿越溶洞区风险主要分为前期溶洞处理的风险及盾构穿越溶洞施工期间风险，现就该两种风险分析如下。

(1)前期溶洞处理风险分析

结合本工程实际情况，越江段隧道不可避开溶洞发育区，因此在前期溶洞处理时，溶洞穿越的范围越大，则施工风险越大。其次，此次溶洞处理主要采取江面和地面进行处理，处理方式主要是先探洞，再进行溶洞的填砂、石，然后对填充体进行注浆加固。地面处理主要在橘子洲进行，施工风险较小;江面进行溶洞处理时，湘江水位变化对溶洞处理影响很大，同时江面不同的处理方案，对溶洞处理效果影响很大，从而直接影响后期盾构穿越该溶洞发育区的安全。

(2)盾构穿越溶洞施工期间风险

越江段详勘显示，溶洞发育区与湘江水存在通道联系，如果前期溶洞处理没达到既定设计要求，溶洞加固区存在一些未完全填充加固的空洞，特别是该空洞出现在隧道的下方，则存在盾构机栽头的巨大风险，同时在江底高水压施工情况下，特别是在溶洞区，极易发生突水及突涌风险。

溶洞发育区所在区间全长约2.66 km，设有区间风井，溶洞位于湘江西河汊东侧以及橘子洲西侧，处于越湘江隧道中心地带，盾构穿越该地段需在区间两端盾构始发井、调出井、区间风井以及溶洞区加固施工完成之后进行，施工时机以及施工工期受到一定制约。

4 风险应对措施

4.1 优化线路平面设计

根据地质条件、线路对地块的切割以及对所经区域建筑物的影响、结合其他轨道交通线路的换乘研究和站位选择，研究了白沙路过江方案，劳动路北线过江方案和劳动路中线过江方案，如图3所示。3种过江段线路方案比较见表1。

通过以上分析，本区间推荐采用方案三劳动路中线过江方案，该方案减小了溶洞穿越区域，避开了对湘江东河汊影响，同时避免对湘江一级水源的污染，方案三穿越溶洞区详见图4、图5。

图3 穿湘江方案比较示意

表1 过江段线路方案比较

图4 区间左线地质纵断面

图5 区间右线地质纵断面

4.2 前期溶洞处理风险应对措施

(1)湘江西河汊溶洞处理方案比选

橘子洲下方溶洞处理面积约5 289 m2，湘江西河汊下方溶洞处理面积约3 028 m2。针对湘江西河汊下方溶洞，处理方式分为围堰处理和江面直接处理。两 种处理方式对比如表2所示。

表2 溶洞处理方式对比

通过以上对比可知:江面直接处理较围堰处理施工风险小，受汛期影响较小，但围堰处理较江面直接处理对湘江西河汊环境影响小，尤其是溶洞处理效果及检测效果要好。因此，推荐采用围堰处理。

对于围堰处理可考虑采用钢板桩围堰、筑堤围堰和筑岛施工。3种方案介绍如下。

①钢板桩围堰［2］

结合湘江西河汊工程地质及水文地质，钢板桩如不设内支撑系统，则最大挡水深度为4 m，施工时最高水位为25.2 m。采用12 m长包Ⅳ型拉森式(U型)钢板桩，钢板桩埋入河床底深度为7 m，钢板桩支护方案如图6所示。

图6 钢板桩支护断面(单位:mm)

如考虑施工期间西汊水位为31 m(长沙航电枢纽工程最高蓄水)，挡水高度为8.8 m，则需采用18 m长钢板桩，钢板桩埋入河床底深度为8 m，基坑支护结构采用内支撑体系，内支撑体系为1道 φ609 mm、t=16 mm的钢管支撑。

②筑堤围堰

筑堤围堰需考虑施工期间迎水面留有一定宽度设置安全网以及施工人员能在坝上行走作业，坝面设计宽度为3 m，江面高程31 m。施工流程为先取砂，后运砂枕，最后进行抛枕，抛砂枕时应注意先护底，后筑坝，筑堤围堰剖面详见图7。

③筑岛施工

图7 筑堤围堰剖面(单位:mm)

筑岛施工可在筑堤围堰基础上将围堰内水抽干后进行填充，筑岛施工需严格控制对筑岛填充材料的选择，避免对湘江西河汊水源的影响。

3种围堰优缺点及设计方案分析如下。

钢板桩围堰受汛期影响较大，如挡水深度超过4 m，则需增加内支撑系统，对施工机械设备有一定的要求，影响施工进展;筑堤围堰及筑岛施工受汛期影响较小，可根据湘江水位相应调节围堰及筑岛高度。筑岛施工相对筑堤围堰，对环境污染大，但自身稳定性相对筑堤围堰好，且盾构在溶洞区施工时，如遇突发情况，可利用人工岛采取相应补救措施。

通过以上分析，湘江西河汊溶洞处理推荐采用筑堤围堰，并根据实际工程需要，结合筑岛施工。

(2)溶洞处理方案设计

①溶、土洞充填加固处理的范围:盾构隧道侧壁外5 m，底板下10 m，顶部全部处理。具体详见图8。

②溶洞处理的施工步骤:溶、土洞处理与否判断→溶、土洞处理→溶、土洞处理效果检查［3］。

③溶、土洞处理加固主要采用先填充再注浆加固的方法［3］。

a.注浆施工时，应先施做止水、止浆帷幕，将处理范围内溶洞与外界洞体隔离，再处理中间区域。若在周边孔注第一次浆时，注浆量已较多，压力达不到设计要求时，周边孔与中央孔可交替注浆。

b.发现浆液流失严重时添加水玻璃速凝剂，以确保注浆效果。

c.中央区域注浆孔应跳跃施工，以防止跑浆，窜浆现象。

图8 溶、土洞处理范围(单位:mm)

4.3 盾构穿越溶洞施工期间风险应对措施

(1)盾构机选型及设计技术建议

①盾构机选型建议

根据本工程的总体布置、工程地质及水文地质条件、沿线建筑设施及地下管线等环境条件、盾构隧道衬砌结构、施工条件及工期等多方面要求，可供选择的盾构机主要有土压平衡盾构及泥水加压式盾构，两种盾构比较见表4。

表4 盾构选型与相关因素分析

两种盾构理论上均适合本区间的工程地质及水文地质条件，但本区间盾构穿越江底溶洞发育区，且溶洞与湘江水存在通道联系，当溶洞区发生突水及突涌时，如采用土压平衡盾构机，则存在江水倒灌风险。结合本工程实际情况，建议采用泥水加压式盾构机。

②盾构机设计技术建议

结合本工程穿越江底溶洞发育区重难点，针对盾构机设计主要建议如下。

a.需充分研究穿江段工程地质及水文地质，加强刀具和刀盘的设计，针对盾构穿溶洞区应根据注浆加固后的岩体情况进行刀具配备，避免江底换刀。

b.设置可以作为加压环境下作业保护屏障的人仓，与其配套的还有压力环境下专用的破岩设备、刀具拆卸和更换工具，以及有关医疗设施等。

c.增加超前探测系统。可采用德国开发研制的BEAM盾构机隧道掘进实时地质超前预报系统［4］。盾构机通过BEAM系统，能够保持持续的掘进状态，不断进行隧道掌子面前方3倍隧道直径距离的地质情况的探测，自动进行数据采集和地质评估，然后实时显示预报结果，利于现场快速作出判断。

d.增加超前注浆系统。在盾构机中盾部位环向预留超前注浆孔，待盾构掘进至风险点里程或开仓作业需要时可通过超前注浆钻孔设备从洞内超前注浆对盾构前方土体进行加固。超前钻孔安装在管片安装机上，可实现超前钻机前后移动，360°范围内转动。超前钻孔注浆深度可以根据现场实际情况进行调整，最终达到洞内超前注浆加固的效果。

(2)盾构穿越溶洞区施工措施

根据目前勘察报告，橘子洲及湘江西河汊存在溶洞，盾构施工穿越溶洞区风险比较大。施工时应注意做好以下几点。

①技术措施

a.施工前采用综合超前地质预报方法，如CT探测［5］，TSP 超前地质预报系统［6］或 BEAM 系统。对地质进行风险等级划分，在不同等级地段，结合地质情况合理采用不同的物探及超前预报方法对工作面前方的地质进行预报。根据超前预报结果，如遇溶洞区填充不密实或注浆加固未达标地段，采用江面补浆及洞内超前加固等方法进行处理。

b.加强刀具的管理与合理配置;合理选择掘进模式，严格控制掘进参数;严格控制盾构姿态;加强土改良与管理［7］。

c.加强管片背衬注浆:采用同步注浆和二次补充注浆相结合的方式，同步注浆采用水泥砂浆，二次补充注浆采用水泥－水玻璃双液浆。根据工程地质条件，合理调整与控制注浆压力和注浆量。

②完善日常检查排查工作

建立值班表和巡视制度，组织相关施工人员组成工程风险控制小组，定期巡视重点部位。对施工中的重点部位进行全程监控和定期检查;对可能发生事故隐患的其他部位加强检查，落实整改措施，及时消除隐患。

③加强施工人员专业培训

针对江底施工人员应制定专业的培训计划，确保施工人员具备专业的施工技能，尤其是应对突发情况的能力。

④做好溶洞段施工应急预案。对岩溶发育，且溶洞段地下水具有承压性质，含水量丰富，注浆未必能阻止溶洞地下水渗漏，极易发生涌水突泥或地表塌陷等情况，为此施工前必须做好应急和处理预案。

(3)溶洞区施工工期风险控制

本区间总长2.66 km，越江段(含橘子洲)隧道长1.4 km，穿溶洞区长约0.24 km。根据工程筹划安排，从书院路站始发，阜埠河路站吊出。施工场地占用书院路和阜埠河路部分道路。本区间施工推进总工期约为22个月(考虑交叉施工，见图9)，施工工期长，为保证盾构在溶洞区顺利施工，有以下建议。

①提前进行阜埠河路站—书院路站区间东、西岸区间风井以及阜埠河路站大里程端和书院路小里程端端头井施工，确保盾构顺利始发以及在区间风井顺利过站。

②湘江西河汊溶洞处理受湘江水位影响很大，应制定详细的施工计划，确保溶洞处理顺利完成。

③提前做好协调工作，如溶洞处理需征用橘子洲以及占用湘江西河汊部分水域，需提前和相关部门进行协调。

图9 盾构推进示意

4 结论及建议

通过对长沙地铁3号线盾构隧道穿越江底溶洞区前期溶洞处理风险和后期盾构穿越溶洞区风险进行分析，分别从线路平面设置，江面围堰选择，江底溶洞处理设计，盾构机选型，盾构机设计以及施工工期进行探讨，提出了相应总结及建议。

(1)通过对线路平面设置进行优化，选择劳动路中线过江方案，该方案减少了溶洞处理范围，从而降低了溶洞前期处理及后期施工风险，同时降低了工程造价，避免了对湘江一级水源的污染以及对规划劳动路隧道施工影响。

(2)通过对湘江西河汊溶洞处理方式进行比选，建议采用江面围堰处理，以减小对湘江西河汊环境影响，同时便于溶洞处理以及溶洞处理效果检测，从而减小后期盾构穿越溶洞区的施工风险。

(3)结合江底溶洞发育规律、分布形态、填充情况以及与湘江水联系情况，并参考相关工程经验，提出了溶洞处理范围以及处理措施方案。

(4)结合溶洞区工程地质和水文地质，本区间建议采用泥水加压式盾构进行施工，同时对于盾构设计建议增加超前地质探测系统及超前注浆加固系统，以减小盾构穿溶洞区施工风险。

(5)由于本区间线路较长，施工难度大，施工风险高，对于盾构始发井、吊出井、区间风井以及溶洞处理需制定详细的工程筹划，同时需做好施工前期征地、租地等协调工作，以确保盾构区间顺利施工。

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