灰岩与砂层地区盾构施工风险设计与施工应对措施

黄嘉恒

【摘要】下部为灰岩，上部为砂层的地质结构是极易引起地面塌陷，形成地质灾害的地质结构。在该地层中建造地下铁路，施工风险极高。为确保施工与运营期间的安全，必须加强勘查设计与施工措施。

【关键词】灰岩；砂层；盾构

1、工程概况：

广州地铁九号线位于广州市花都区，是国内首条在全灰岩地区地下敷设的地铁线路。从初步勘查显示，九号线沿线大部分地段分布的下伏基岩是石灰岩，灰岩岩溶发育强烈，大部分石灰岩岩面与上覆的第四系含水砂层直接接触，水文地质、工程地质条件非常复杂。通过比选，区间采用盾构法施工。但线路受障碍物、技术条件影响，一旦遇到未探明的溶洞，极有可能短时间内发生盾构机栽头等现象。同时，由于灰岩面起伏较大，部分区段盾构在上部为砂层、中间缺失粘土性隔水层、下部为石灰岩的“上软下硬”地层掘进，容易造成盾构盾构刀具磨损停机、换刀困难，地层沉降难以控制甚至地面塌陷等事故。项目业主在其他线路施工经验基础上充分认识到地铁九号线的施工风险，在勘查设计与施工上，带同参建单位加强措施和管理，最大限度确保了施工安全。

2、勘查设计

2.1 开展了超常规的地质勘探工作

勘查单位按照设计总体的要求，对线路进行了加密详细勘查，分别在线路左右两个各布置了一排钻孔（共4排），线间距较小地段共布置了3排。钻孔间距一般控制在15～20米。完成土建工程招标后，施工单位根据需要对线路进行了补充勘查，最民地段钻孔间距加密到2米。通过高密度的勘查，最大限度地了解溶洞分部、灰岩岩面和砂层情况，为后续溶洞处理和线路敷设设计打下基础。

通过浅层地震、高密度电法、土壤氡气测量等综合物探方法，解析物探成果再采用钻探取芯验证，辅以室内试验、原位测试（标准贯入试验）、抽水试验等综合勘察手段及方法，进一步查明九号线所经区域断裂的发育位置。

采用地下同位素测试技术对地下水的流向流速进行了测试。

2.2 设计

2.2.1 线路埋深的选择

在下部为灰岩，上部为砂层的地层中，隧道深埋或浅埋将有不同的风险。如采用深埋的方式，由于岩溶发育强烈，溶洞见洞率超过50%，盾构掘进需要面对大量的溶洞。由于勘查鉆探仅为“一孔之见”，即使加密了钻孔间距仍会有溶洞未能发现，一旦盾构碰到较大型的溶洞、极有可能出现盾构栽头、隧道变形，对盾构施工是灾难性的事故。另外，处理溶洞的投资亦较大。如采用浅埋的方式，由于灰岩面起伏较大，无规律性，盾构在砂层中掘进仍有可能触碰到灰岩，形成在上软下硬地层中掘进。此时，下部的硬岩使掘进缓慢，期间刀盘对上部砂层的不停扰动，容易引起砂层流失，引起地面塌陷。综合考虑，线路最终采用了浅埋的敷设方式。

2.2.2 溶洞处理

以详堪和业主确认的补堪发现的溶洞为中心，2米间距钻孔进行溶洞处理。结合以往设计、施工经验，在确保安全的情况下节约工程投资，溶洞处理范围为隧道底板以下2米，视具体地层情况隧道外扩1米或3米。溶洞边界采取双液浆封边，溶洞内采用单液浆充填。

3、施工

除施工单位在盾构掘进的推力、土仓压力、扭矩、盾构姿态等控制外，项目业主要求施工及监理单位采取其他措施，加强安全管理。

3.1 做好施工调查报告

在开工前，要求施工单位编制地质补堪报告、周边房屋基础调查报告、周边管线调查报告、周边环境调查报告，报监理部和业主审批。使参建各方充分认识工程实施风险源，提前制定应对措施。

3.2 配置综合工程处理车

为确保盾构掘进期间一旦出现的地陷等险情，业主在合同中明确施工单位须配置综合工程处理车，跟随盾构机掘进向前移动。处理车具备宣传作用，安装警示灯，提醒过往车辆避让风险较大的盾构机头对应的地面位置；车上能放置围蔽栏和雪糕筒，如出现地陷等险情能马上对地陷处进行围蔽；具有提供注浆、钻孔功能，车上布置了发电机、注浆泵、搅拌桶、能储备适量的水泥、水玻璃，如出现地陷，能及时从处理车提供设备、用电和原材料，尽可能缩短处理的准备时间。

3.3 24小时现场值班

由于地面沉陷的不确定性和瞬间性，需要能及时发现才能快速处理。为此，业主要求施工单位安排人员24小时在现场值班，监理部每隔2小时巡视。值班工作明确了责任制，值班人员需要在值班记录填写值班情况，签名，监理员巡视时也需要签名，拍照。

3.4 与管线单位建立联系

区间线路多数沿马路敷设，而马路两侧铺设了煤气、高压电、通信、供水、排数等管线，如路面出现较大沉降甚至地陷，容易造成管线破坏，引发次生事故。为此，项目业主连同参建单位与管线权属、维护单位建立了联动制度。在施工前与管线单位开会，介绍了线路走向，施工可能引发的风险，也通过管线单位向施工单位交底不同地段存在的管线，做好应对措施。施工期间，施工现场存有管线单位负责人的联系电话，一旦出现事故立即通知管线单位，对供水、煤气等较大危险性的管线立即关闭阀门，降低次生事故发生的可能性。

4、总结

在盾构掘进过程中，通过设计的加强和施工的精细管理，虽然出现了几次地陷事故，由于准备充分、且对抢险进行了方案编制和演练，能对地陷及时处理。事故期间未造成次生事故和人员伤亡，最大限度地确保了灰岩与砂层地层中盾构掘进的施工安全。