某岩溶地区地铁隧道施工盾构工法适应性研究

马振兴

摘要：本文以某岩溶地区地铁隧道工程为背景，论述了岩溶地区地铁隧道施工盾构工法的适应性、岩溶等不良地质应对措施及周边环境风险管控措施等，分析了在岩溶地区不同类型盾构机施工地铁隧道的适应性，并结合工程特点总结了岩溶地区地铁隧道施工盾构机选型的建议。

关键词：大面积岩溶;盾构选型;软硬不均;沉降

1.概述

目前，在国内地铁隧道施工方面，盾构机的使用已非常广泛。但是，在岩溶地区，尤其是地铁线路大范围处于岩溶地层时，采用盾构法施工隧道仍是一大难点。但伴随城市的快速发展，传统矿山法施工地铁隧道存在的施工效率低、施工安全性差、施工环境恶劣、震动扰民等方面问题亟待解决。本文以某岩溶地区地铁隧道工程为背景，充分结合地质条件及目前盾构设备的设计和制造特点，论证大面积岩溶地质条件下采用盾构法施工地铁隧道的可行性，并对相应不良地质条件的规避及处理措施进行了分析。

2.地质概况

该地区为典型的“喀斯特”地貌山地城市，地形起伏大，溶丘、洼地、槽谷等多样地貌构成全市地理的显著特征，地铁线网规划所经区域高达约91%地段处于岩溶发育地段。该地区具有多溶洞，多断层，岩面起伏大，区域地下水丰富等极为复杂的工程地质条件，造成地铁工程建设难度极大。

3.盾构法施工主要风险点

在该地区，盾构法施工地铁隧道主要面临的问题有：

3.1隧道断面地质软硬不均

在岩溶地区，红黏土广泛分布，主要为基岩上覆红黏土和溶洞中充填红黏土。由于地形地貌及城市环境的限制，隧道横断面和纵断面均可能处于岩体和土体共存的状态，尤其是隧道断面上部和下部分布流塑或软塑状红黏土，极易造成盾构机姿态异常和出土量超限，从而导致地面塌陷或其他安全事故。

3.2岩溶

该地区主要为灰岩、白云岩类地层分布广泛，岩溶发育程度弱、中等、强发育并存，且中等、强发育占比较大。多为第四系覆盖下的隐伏型岩溶，有溶洞、溶槽、溶隙等，多被红黏土充填，局部有空的溶洞和岩溶管道。

岩溶地区，尤其是长距离穿越岩溶发育区段，对盾构法施工地铁隧道的影响，一是在复杂的城市环境下，地质勘察手段局限，无法准确探明岩溶的发育形态、位置等;二是在施工中极易产生出土量超方，造成地面沉降或塌陷;三是隧底的溶洞易引起盾构机“栽头”，造成盾构掘进姿态大范围超限，甚至需要“大开挖”来解决。

3.3周边建（构）筑物的影响

地铁线路多经过密集居民住宅区、商业中心，且大部分沿既有城市主干道敷设，道路交通繁忙，管线分布杂乱密集。很大程度的限制了地质勘察的工作面，并对盾构施工沉降控制提出了更高的要求。

4.主要风险点应对措施及适应性分析

国内大部分存在岩溶地层的城市，岩溶区段在线路总长中占比较小，多数城市针对岩溶区段主要采用极小间距钻孔+跨孔CT的方法探明溶洞，钻孔间距多数达到了5米以内;然后从地面将判别出会对盾构施工产生较大影响的溶洞针对性注浆处置，为后期施工彻底扫除障碍。但是本地区最大的特点是地铁线路所经岩溶区域高达约91%，若采用上述方法，一是前期地质勘察费用巨大，二是在道路狭窄的山地城市大面积使用跨孔CT，交通疏解难度极大。因此，本地区需探索较为适用的地质探查+设备创新设计+施工控制措施。综上，本文仅对大面积岩溶地层盾构法施工问题做主要分析论证。

4.1盾构选型分析

岩溶分布规律性差，大小、形态、填充性等采用目前传统的勘察手段难以准备查明;同时还存在断层分布较多，地下水丰富且无稳定水位规律，围岩稳定性差的特点，这些特点决定了盾构选型一定要具备适应这种地层的能力。综合分析得出如下结论：

（1）需采用带护盾的封闭式掘进机，同时具有土压平衡或泥水平衡系统及防止涌水突泥的能力，以此来解决围岩稳定性差，地下水丰富及断层破碎带可能带来的工程风险。

（2）需具备带压换刀的条件，解决硬岩掘进、软硬不均地层掘进刀具磨损较快无法在常压换刀的区段更换刀具的问题。

（3）需具备洞内超前地质预报及溶洞处理装置来解决大面积岩溶地区地面地质勘察及岩溶处理局限性问题，使施工阶段地质预报可以达到连续性，全里程覆盖。

经综合比选，本地区应采用复合式土压或泥水平衡盾构机。

4.2复合式土压或泥水平衡盾构机比选

根据本地区的实际情况，以及当前国内外盾构技术发展的现状对两种类型盾构适应性分析如下：

（1）从地层适应性、线路条件、沉降控制角度，泥水平衡盾构和土压平衡盾构均可满足要求。

（2）因土压平衡盾构不需要单独配备泥水处理系统，且开挖出的土体可直接外运，所以在场地占用、环境保护和后配套系统投入方面土压平衡盾构较泥水平衡盾构有很大优势。

（3）在半填充、空溶洞及节理裂隙、断层破碎地带，泥水平衡盾构极易发生跑浆失压，因此原本在沉降控制方面占据优势的泥水平衡盾构机无法充分发挥。

（4）在设备超前地质预报及洞内溶洞处置系统针对性改造方面，土压平衡盾构机更具有可行性和实际操作空间。

综上所述，该地区优先选用复合式土压平衡型盾构。

4.3主要风险点应对措施

大面积岩溶地层盾构施工方面，无法已有方式，所以该地区需综合投資、工期、安全等方面的因素，摸索一套适用于大面积、长距离岩溶地层盾构施工的保障措施。

结合该地区特点，分析当地物探、钻探等大量既有基础资料后，认为该地区应采用地面+洞内有效结合的探查和处置措施。

（1）地面探查措施：

该地区岩性以灰岩、白云岩为主，其次为泥质灰岩、泥质白云岩、砂岩、泥岩、页岩等。经考察分析认为，该地区城市交通繁忙的区段可采用抗干扰能力较强的微动探测、大探深地质雷达措施对盾构区间进行全覆盖探察，初步划分岩溶发育程度，再根据划分的区段，在强发育地段可采用10-15米间距在隧道中线实施跨孔CT，在中等和弱发育地段可采用20米左右间距在线路中线实施跨孔CT，钻孔深度以达到探明隧底5米以内的溶洞为准。

（2）洞内探查措施：

首先，盾构机可配备HSP声波反射法超前地质预报系统，HSP声波反射法超前地质预报系统原理为采用滚刀破岩震动作为探测震源，结合地面探查的地质资料，可实现对掌子面前方岩层完整性和含水特性的实时评价。

其次，盾构机设计时在盾体上可布置超前钻预留通道，通道前端开口于盾体外圆，外开口与开挖洞壁和盾体外圆间的环形空间相连通。舱壁上前后对应预留超前钻通道，并与刀盘上的超前钻预留通道前后对应，钻头可到达前方开挖面进行钻探。同时，在管片拼装机后部的连接桥架位置安装超前钻机。洞内超前钻探的钻杆角度，上方、侧边按10?外插角设置，底部按13?外插角设置，钻探深度约30m，隔4环～6环循环打设。在后配套台车上配置超前钻注浆系统。

采用上述综合手段后，基本可以避免盾构在掘进时遇到3米以上规模的溶洞，且对于隧底5米以内的溶洞进行探明处理，从而保障建设期及运营期的安全。

5.结束语

岩溶地区盾构施工需积累集地质、水文、物探、机械设计制造、风险管控等多方面经验，在大面积岩溶地层，应结合自身地质和环境等特点总结一套适用的方式方法。通过地质探查、岩溶处置及设备改造的一系列针对性措施，开展该地区大面积岩溶地层地铁隧道的施工。但土压平衡盾构机采用的物探设备超前地质预报系统准确性和超前钻孔的钻探进度方面还不够成熟和稳定，还需进一步积累和研究。

参考文献

[1] 李苍松，谷婷，丁建芳，等. 适合于TBM施工的HSP声波反射法地质超前预报[C]//第八届全国工程地质大会论文集.上海：中国地质学会，2008： 111-115.

[2] 李苍松.长大岩溶隧道施工地质预报方法综述[C]//中国交通土建工程学术暨建设成果论文集.成都：中国铁道学会，2003.