贵阳岩溶地区盾构机配置的几点思考

王春凯，张增峰，杨 波

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司,上海市200125）

0 引言

随着施工工艺和盾构法掘进全套设备的不断发展和完善，盾构法隧道施工不仅能适应大范围的工程地质和水文地质条件，而且也能适应不同用途和断面形状隧道的施工要求，使隧道能够快速、安全而且高度机械化地修建。近二十年来，盾构工法用于建设地铁区间隧道得到了飞速的发展，盾构法从最早的适用于均一软土、软岩地层或砂层及软岩互层的地层条件，到后来的硬岩地层、软硬交互地层等均有应用[1]、[2]。盾构技术在快速发展的同时，也面临诸多困难，尤其是在地质条件较差处，如承压含水层、上软下硬地层、大直径孤石等地层中，对盾构设备的设计、盾构隧道施工均带来挑战。

贵阳市轨道交通3号线一期工程部分区段将是贵阳地区首次盾构工法应用。通过前期对贵阳地区工程地质条件、水文地质条件、周边环境条件等分析，经综合比选，选取了一定长度的区间隧道采用盾构工法实施。

岩溶地区盾构工法应用的案例不多，相对可借鉴的工程经验较少，也有一些工程经验教训[3]、[4]。黎新亮在长沙地铁3号线穿越湘江溶洞区工程中探讨了优化设计方案、合理盾构选型及施工应对措施等控制工程风险[5]。郭志峰、杨育僧等人在工程实例中对岩溶地区岩溶处理、盾构施工技术等方面做了尝试与研究[6]、[7]。乌健通过有限元数值模拟对盾构施工穿越岩溶填充区的力学性能进行研究[8]。

贵阳地区属于典型的喀斯特地貌，岩溶发育程度高，除此之外还遇到其他不良地质条件，如上软下硬、断层破碎大等。在这样的地质条件下，采用盾构工法施工地下区间隧道，面临较多新的问题，其中盾构机设备的配置是盾构施工的关键因素之一。本文结合贵阳地区地质特点，对盾构机设备配置作一定的探讨。

1 贵阳地区工程地质及水文地质

贵阳市位于贵州省中部偏北，地处云贵高原的东斜坡，地形起伏较大，有山地、台地与丘陵，河谷、槽谷和盆地，海拔最高为1 762 m，最低为1 006 m。根据前期贵阳市轨道交通3号线一期工程地质勘察资料，区间隧道穿越的岩层主要为白云岩、灰岩；局部为红粘土、泥岩、砂岩，岩层的饱和抗压强度范围为30 MPa~58 MPa，承载力特征值范围为2 000 MPa~5 000 MPa。

该工程沿线地表水系主要分布有花溪河、南明河、小车河、贯城河、市西河、环溪河（松溪河）等。沿线水系均属乌江水系，呈羽状分布，流域地势西南高，东北低，由于地势高差大，切割强，自然景观垂直变化明显。

地下水按不同介质主要有孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水三种类型，以岩溶水为主，主要为大气降雨通过岩溶漏斗、溶蚀裂隙渗入补给，属潜水，多以岩溶裂隙、管道形式赋存运移，向地势低洼地带迳流排泄。

贵阳地区盾构法区间隧道所遇到的不良地质，除了岩溶之外，还主要有顺层、上软下硬及断层破碎带。部分区间隧道地层存在顺层现象，岩层倾角普遍在15°~50°之间，个别位置岩层倾角在70°~80°之间，岩层分布呈硬夹软现象，在地下水动力、重力等作用下，开挖面易产生顺层剪切滑动。部分区间隧道穿越地层为上软下硬地层，上部为红粘土，下部为中风化白云岩。部分区间隧道穿越断层破碎带，其岩体破碎，强度不均匀，稳定性差，在开挖掘进的过程中对工程存在一定的影响，且有可能是富水通道，存在涌水的可能。

2 贵阳地区岩溶风险

根据对贵阳市轨道交通3号线一期工程初勘资料的梳理，隧道所处岩层主要以白云岩、泥质白云岩、砂糖状白云岩、灰岩等可溶性碳酸盐为主。据钻孔揭露，岩石常见溶隙及溶洞，全线713个钻孔中见溶洞的钻孔60个，钻孔见洞率为8.42%。其中大于1.0 m的溶洞有48个，其余溶洞≤1.0 m，最大溶洞洞高约5.0 m。溶洞主要以充填型为主，充填物为软塑～可塑状黏性土，偶夹灰岩碎块，少量为空溶洞。岩溶发育深度一般在10～20 m，部分超过20 m，岩溶主要沿断面、层面、不整合面发育。

上述3号线一期工程岩溶发育情况仅从现有钻孔资料的统计获得，具有一定局限性。从贵阳市在建地铁工程的岩溶发育情况来看，仅详勘钻孔的见洞率均超过25%，且在工程建设过程中，遇到未探明的钻孔较多。由此可见，贵阳地区岩溶发育，给施工带来较多的困难。

岩溶对工程的影响主要是地基承载力降低或丧失、隧道围岩等级降低、隧道施工容易产生岩溶顶板塌陷，导致盾构机体下陷或姿态偏差大。当盾构施工遇到充水岩溶管道时，易发生较大涌水，且大量抽排地下水易产生地面塌陷等。

因此必须对岩溶进行处理，结合其他城市盾构隧道处理岩溶的经验[9]~[11]来看，贵阳地区岩溶处理主要从事先探查、穿越过程中处理及穿越过后的后评价。

2.1 事先探查

在施工图详细勘察阶段，除常规的地质钻孔布置外，针对岩溶区段需采用综合物探、钻探等综合的勘探方式，两者相互补充、相互验证，针对物探扫描有异常的区段，应采用加密钻孔的方式进行验证。

在盾构施工阶段，采用超前地质预报的方式对前方岩溶情况进行探查。超前地质预报分别采用地面及洞内两种方式。

2.2 施工阶段处理措施

依据超前地质预报的成果，以岩溶的状况和性质分为溶缝、溶槽、溶管和溶洞。针对不同的溶洞情况采取不同方式进行处理后，盾构再穿越施工。溶洞处理优先采用地面处理方式，针对不同的溶洞情况，采取直接袖阀管注浆、吹砂或投碎石后注浆加固等措施进行填充。若地面没有处理的条件，通过盾构机盾体上预留的超前钻探通道，可对前方发现的溶洞进行注浆处理。

2.3 岩溶段后评价

盾构施工完后，利用盾构管片预留的注浆孔，对岩溶进行复查。若发现溶洞需要处理，利用预留注浆孔打设注浆管进行注浆加固。注浆管采用Φ42钢花管；浆液采用水泥浆（全填充型溶洞）或水泥砂浆（空洞或半填充型溶洞）。注浆施工完后，对注浆孔进行封堵。

3 贵阳岩溶地区盾构机配置

结合贵阳的地质条件和水文条件，对贵阳地区盾构机配置作一定的探讨，主要是考虑盾构机设备对于岩溶、硬岩地层、上软下硬地层、断层破碎带等地质条件的适应性。

3.1 盾构整机方案

盾构整机方案主要有主动铰接方式和被动铰接方式。

主动铰接方式的优点在于主动铰接强制调向力大，易于脱困及姿态控制；能够实现刀盘后退，方便换刀；更有利于实现小曲线转弯，同时利于管片成型。主动铰接方式的缺点在于费用较被动铰接稍高；铰接油缸较大，对设备布置有些影响；实际工程应用相对较少。被动铰接方式的优缺点与主动铰接相对应。

综合其两种整机方案来看，各有优缺点，且对于贵阳地区盾构法区间隧道施工而言均可适用。因此，建议根据贵阳地质特点，结合设备厂家的设备设计经验、施工单位的操作经验，综合比选后确定其整机方案。

3.2 盾构机刀盘及刀具配置

在盾构机的选型方案中，刀盘型式、刀具类型、数量，以及布置方法直接影响到刀具的使用寿命，进而影响整个盾构工程的安全性、经济型及效率[12]、[13]。刀盘从形式上来说主要分为辐条式、面板式，以及两者组合的复合式刀盘。根据该工程地质情况，盾构穿越地层主要为白云岩、灰岩，局部为红粘土、泥岩，盾构机面板建议采用复合式刀盘，以加强对地层的适应性。结合管片结构设计尺寸，刀盘开挖直径建议控制在6 450 mm~6 470 mm，开口率建议控制在35%左右。区间隧道主要穿越岩层为灰岩、白云岩，多为中风化，饱和抗压强度大多不超过60 MPa，沿线地层起伏变化较大，广泛分布有红粘土层。因此刀具配置建议采用滚刀（单刃或双刃）、刮刀结合的刀具配置，滚刀配置数量及间距综合考虑其刀具的破岩能力。

3.3 盾构机富水地层防喷涌

区间隧道施工势必会受岩溶管道水、裂隙水的影响很大，针对富水地层的盾构施工，要求螺旋输送机需有防喷涌设计，以应对施工中的喷涌[14]、[15]。在确保盾构机盾体密封性的前提下，防喷涌主要从盾构前方、盾构后方这两个薄弱点进行设防。盾构后方的防喷涌主要从盾尾刷着手，建议盾尾安装三道密封钢丝刷及二个油脂注入管道，以有效实现盾尾密封。盾构前方防喷涌主要从螺旋输送机着手，螺旋输送机的防喷涌主要手段有以下三种。

3.3.1 安装保压泵碴装置

保压泵碴装置理论上可实现带压出碴，防止出碴时的喷涌，但实际应用中可能出现频繁堵管现象，堵管处理较为困难，影响掘进效率。

3.3.2 安装双级螺旋输送机

从理论上分析双级螺旋输送机大大加强了土塞效应，加大了螺旋输送机碴土抗水压的能力，但双螺旋输送机影响螺旋输送机的后退操作，当需要检修螺旋输送机时较为困难。

3.3.3 单螺旋输送机+双闸门设计+聚合物改良+预留保压泵接口

采用双闸门的设计，当发生喷涌时可同时关闭双闸门，配以聚合物改良渣土性能，加强螺旋输送机的防喷涌能力，同时在螺旋输送机预留了保压泵接口，可加装保压泵，采用多种手段综合处理防喷涌，但聚合物改良渣土费用较高。建议采用单螺旋输送机+双闸门设计+聚合物改良+预留保压泵接口方案，加强盾构防喷涌措施，确保工程安全。

3.4 盾构机岩溶处理配置

贵阳地区针对岩溶地区的特点，主要采取超前地质预报和岩溶处理措施。目前针对岩溶地区所采取的洞内措施主要为利用盾构机的超前地质钻进行超前钻探和洞内注浆。故从盾构机设备角度而言，如何确保超前钻机布置和注浆设备配备是关键。

超前钻机分为正面超前钻机和周边环向超前钻机。在盾构机设计时，需考虑超前钻机布置对于盾构机的油缸、主机、铰接系统等的影响，提前预留超前钻的通道，并做好超前钻预留通道与外界的密封装置。在盾构机的动力设计中，统筹考虑钻机的驱动动力。超前钻机的布置应尽量均匀排布，钻机的位置应便于施工操作。

后配套台车上配置超前钻液压泵站、储浆罐、砂浆泵、高压水泵、钻探控制记录仪器等设备，在需要的时候可通过超前钻及上述注浆设备进行洞内注浆。

3.5 盾构机防结泥饼

在盾构机推进过程中，因贵阳地区地层起伏变化大，当盾构推进遇到复合地层、断层破碎带或夹有泥质软岩的情况，刀盘面易结泥饼，会加大盾构掘进时的刀盘扭矩，影响盾构正常掘进。从盾构机设备角度而言，防结泥饼情况主要从以下措施进行改善：

（1）确保一定的开口率，且开口均匀，有较大中心开口；

（2）配备土仓高压水冲刷系统，需要时可进行前方结泥饼的冲刷；

（3）刀盘面板预留注入泡沫通道，当出现结泥饼现象时，可及时加注泡沫进行渣土改良，改善前方土体流塑性。

3.6 盾构机防卡盾

盾构隧道穿越岩石地层，若盾构机姿态控制不好，易出现卡盾，盾构处理较为困难。从盾构机设备角度而言，防卡盾主要从以下措施进行改善：

（1）盾构机设计时，需要考虑一定的主机脱困及主机后退能力；

（2）盾构机的盾体可设计成梭型结构，利于主机顺利通过；

（3）在盾壳上配备壳体润滑孔，通过困难地段可注入膨润土，减少盾壳摩阻力。

4 结语

贵阳地区将首次采用盾构法施工地下区间隧道。本文通过对贵阳地区工程地质条件、水文地质条件进行分析，对贵阳岩溶地区盾构机的配置提出思考及建议。主要得到以下结论：

（1）盾构整机方案可采用主动铰接方式或被动铰接方式。

（2）盾构机面板建议采用复合式刀盘，刀盘开挖直径建议控制在6 450 mm~6 470 mm，开口率建议控制在35%左右。

（3）刀具配置建议采用滚刀、刮刀结合的刀具配置。

（4）盾构机采用单螺旋输送机+双闸门设计+聚合物改良+预留保压泵接口方案，盾尾安装三道密封钢丝刷，以满足盾构防喷涌的要求。

（5）盾构机配置超前钻机及注浆设备，并预留超前钻通道及密封装置，以满足盾构机在岩溶地区进行超前地质钻探及洞内注浆的要求。

（6）配备一定开孔率，配备土仓高压水冲刷系统，刀盘面板预留注入泡沫通道，以防备结泥饼现象。

（7）将盾构机盾体设计成梭型结构，在盾壳上配备壳体润滑孔，以便需要时注入膨润土减摩，并设计主机脱困及后退能力，以防止卡盾。