洪文区间溶洞区盾构施工技术研究

王宏金

（中国水利水电第八工程局有限公司，长沙410000）

1 工程概况

洪山区政府站～文昌路站区间线路自洪山区政府站沿规划线路右转弯向南沿南湖连通渠敷设，穿过书城路，到达文昌路站。

本区间右线全长1287.241m，左线全长1306.305m。本区间采用复合式土压盾构施工，区间隧道埋深11.15～22.35m，线间距13.0～15.2m，线路所在平面的转弯半径的最小值为500m，竖向曲线半径为5000m，最大纵坡为-22‰。

区间场地地形起伏较大，一般地面标高为21.24～29.30m 左右，根据勘探资料显示，工程所在场地为长江三级阶地剥蚀平原区及湖泊堆积平原区。①右线区间隧道主要地层有淤泥质粘土、黏土、粘土夹碎石、中风化粘土岩夹硅质岩、强风化泥岩、中风化石灰岩。在隧道的始发段，地层的主要构成是粘土和强风化的石灰岩；在隧道的中间段，地层的主要构成是中等风化的石灰岩；在隧道的接收段，地层的主要构成是强风化的石灰岩和粘土层。②左线区间隧道主要地层有黏土、粘土夹碎石、中风化粘土岩夹硅质岩、强风化泥岩、中风化石灰岩。在隧道的始发段，地层的主要构成是粘土和强风化的泥岩；在隧道的中间段，地层的主要构成是中等风化的石灰岩（占80%左右）；在隧道的接收段，地层的主要构成是强风化的泥岩和粘土。

地表水主要为南湖湖水及沿线南湖连通渠内湖水。主要是受到降雨和地表的径流水源影响。地下水位和水量受人工及气候影响明显，雨季水量较大，水深变化大。层间水主要赋存于黏土夹碎石层及残积粘性土层中，主要是受到地下水和侧向排泄的影响；层间水赋存环境相对比较封闭，主要接受水平补给与排泄，不同季节对地下水位的影响不显著，水流量一般较小。据观测层间水水位埋深约10.90～22.30m（标高-1.36～10.08m）。基岩的裂隙水通常是赋存在基岩的裂隙（泥岩、砂岩及石英岩）中，补给方式主要由上覆含水层下渗补给。总之，砂岩等硬质岩呈脆性，多具张性裂隙而含少量裂隙水，而黏土岩等软岩节理、裂隙多被泥质充填而水量极贫乏，对施工影响较小。

勘探过程中未发现岩溶水，但不排除雨季地下水位上升后，局部岩溶裂隙水沿裂隙通道或隔水层接触面溢出的可能性（掘进过程中及开仓发现有较大岩溶水）。

根据岩溶专项勘察结果显示，洪山区政府站～文昌路站区间隧道底板位于土岩交界面附近，在初、详勘阶段及岩溶专项勘察共揭露大小溶洞168 个。钻孔遇洞率为63.5%，线岩溶率为12.1%。溶洞高约0.9～12.5m，岩溶形态以溶隙型溶洞为主，多为半～全充填，少量无充填。经物探探明的岩溶异常点115 个，场地岩溶发育程度为强发育。

2 溶洞处理

2.1 溶洞探边及钻孔

①为达到隧道永久结构的承载能力及变形范围的要求，降低施工期间盾构机栽头及突水事件发生的机率，盾构施工前对已发现的溶洞进行地面预注浆处理，根据设计要求对已发现的溶洞进行十字交叉钻孔探边，再进行注浆填充。

②物探（CT）异常的区域采取钻孔验证，在物探异常的区域中心钻1～2 个钻孔来验证。发现存在溶洞则采取注浆处理加固方法；没有发现溶洞时则采取压力注浆方式来填充封孔。

2.2 溶洞注浆

①对于探明的高度范围在1～5m 的岩溶洞穴，无填充、半填充的溶洞，全填充的溶洞（充填物的强度不高）都可以直接用单水泥浆（或水泥砂浆）来进行静压式的灌浆，注浆的时间应该控制为20min，间歇达到6h 以后进行第二次灌浆，第二次注浆采用浓浆，如果在20min 内不起压，停止注浆，间歇达到6h 以后进行第三次注浆，依次类推，直到注浆饱满为止。

②对于溶洞高度大于5m 的特大型溶洞，查明岩溶水平发育情况，上报业主、监理以及勘察和设计等单位，确定具体处理方案。

2.3 注浆效果检查

①检测方法：对溶洞处理采用钻孔取芯来检查灌浆的质量。

表1 盾构主要工作参数表

②检测标准：在溶洞注浆区域随机选取检测点进行钻芯质量检测。检测频率按溶洞处理数20%进行随机抽检，由质检工程师指定位置，布置1～3 个质量检查孔。钻芯取样采用单动双管工艺，钻孔取芯的芯样进行抗压试验，芯样28d 的无侧限抗压强度不低于0.15MPa。

③经钻孔取芯检测发现，取芯率达到80%，强度均大于0.15MPa，注浆效果明显。

2.4 注浆孔封堵处理

为保证盾构施工安全，全部的注浆孔和检查孔在注浆结束后应紧接着进行灌浆封孔，所有灌浆孔及检查孔等均应严格地进行封孔处理，灌浆封孔的方法采用“压力灌浆封孔法”，所用的浆液应是水灰配比是0.5:1 的浓水泥浆。

3 盾构施工

洪文区间盾构施工，选用中国铁建重工制造的D6400土压平衡盾构机，从文昌路站始发。

3.1 盾构掘进参数的选择

根据洪文区间地质的具体情况，中风化石灰岩岩溶段主要掘进参数见表1，在盾构掘进过程中依据不同的地层特点持续对掘进的参数值进行优化，从而保证盾构掘进能够达到最优。

掘进参数的选取说明：

3.1.1 正面平衡压力

主要受刀盘前方水土压力的影响，通常以刀盘中心位置水土压力大小为准，按经验公式P1=k0γh 计算。

式中：P1：土的压力（含地下水），单位为kN/m2；

k0：土的静止侧压力系数；

γ：土的平均容重，单位为kN/m3；

h：刀盘的中心位置的埋深，单位为m。

盾构在掘进工程中可以参考以上的方法来算出平衡压力（即土仓压力）的设定值，初次可按 1.03～1.10P1 设定。本区间岩溶段埋深16～21m，且隧道范围大分部为石灰岩地层，掌子面较稳定，土仓压力设置在1.0～1.8bar。

3.1.2 总推力

千斤顶所受的总推力要稍大于掘进过程中盾构机受到的阻力，且应当比盾构机承受的额定的最大推力要小，根据本区间前100 环岩溶地层的掘进参数统计，推力设置在1500～2500t 之间时扭矩在控制范围内，盾构掘进的速度范围在10mm/min 到30mm/min 之间。

3.1.3 刀盘扭矩和转速。

本区间正常掘进时，刀盘承受的扭矩为 2000～3500kN·m，局部地层软硬不均达到4000kN·m 以上，导致刀盘卡停现象，当工作时的扭矩值达到了最大扭矩值时，刀盘将停止转动。由于本区间岩溶强发育地层为上软下硬地层，且岩石面起伏较大，若刀盘旋转过快，将导致刀具刀圈容易崩裂，所以为防止刀具刀圈崩裂损坏，刀盘转速宜控制在 0.8～1.0rpm。

3.1.4 掘进速度

主要是依据土层地质情况确定，通常岩石地层推进的速度最好控制为10～20mm/min 之间，岩溶段局部红黏土地层可达到20～40mm/min，下穿地面建筑物的时候，依据所监测的数据合理调整盾构推进的速度。

3.1.5 螺旋输送机扭矩及转速

符合转速及扭矩的相关曲线，转速为0.1～11.4r/min，最大的扭矩值是55.8kN·m。在保持盾构掘进的速度一定时，主要是通过改变螺旋输送机转速的大小，来改变出土量的多少，最终使土仓压力保持平衡。

3.1.6 出渣量控制

根据本盾构机开挖直径计算的理论出土量为：

Q=6.44×6.44×3.14×1.5×130%/4=63.48m3，但由于本区间中风化石灰岩岩溶段地下水丰富，掘进过程中地下水将地层中红黏土带出，导致螺旋机喷涌重，为控制掌子面超挖导致地表沉降，出渣量控制在72～84m3，并在螺旋机喷涌的情况下通过膨润土罐向土仓添加高分子聚合物改良渣土，减小螺旋机的喷涌。

3.1.7 盾构隧道中心线和地面沉降的控制

盾构隧道中心线控制与设计轴线的偏离在±50mm 以内，地面的沉降（隆起）值控制在-30mm 到+10mm 之间。在盾构掘进时及时的调整掘进的相关参数，并通过试验段，初步的确定盾构掘进的施工参数的基准值及调整范围，做到多调，微调，不积累误差到警界值。

3.2 盾构方向及姿态控制

①刀盘停止时操作顺序相反。在启动前及停机时，控制旋钮必须归到零位，防止启动时扭矩突然加大，造成机械和刀盘损伤。②盾构机在纠偏的时候应该缓慢的进行，不宜过急，每环水平及竖直方向纠偏量一般不大于5mm。③正确进行盾构管片拼装点位选择，确保盾构管片拼装满足要求，以保证盾构管片的端面尽量和设计的掘进方向垂直。根据管片的制作工艺，管片最大楔形量为40mm，每环最大调整千斤顶行程40mm，盾构机姿态水平或竖直量不超过50mm。

3.3 同步注浆和二次注浆

为了及时的充填介于管片和地层之间的环状缝隙，预防地面发生沉降，稳固管片的结构，在管片的背后采取同步注浆措施。如同步注浆量不足，采取二次注浆进行弥补。同步注浆所需的材料、浆液的合适配比、注浆的适宜参数、施工的最佳工艺等都需要通过工程现场地质与环境条件的试验来确定。

3.3.1 浆液配比

①同步注浆所用的浆液配比，本工程采用的浆液为水泥砂浆，配合比见表2。

表 2 浆液配比 （kg/m3）

注浆浆液稠度为9～11cm。

②二次注浆的浆液配比。

二次注浆时注浆材料的选择以及浆液间比例的选择需要依据具体的地层地质情况来决定，本区间为岩溶强发育地层，溶洞及溶沟溶槽较多，盾构掘进时虽然增加了同步的注浆水泥浆量，但仍有溶洞未充填满现象，所以为保证隧道后期的成型质量及防水质量，对拖出6#台车的管片进行二次注浆，盾构二次注浆采用水泥浆液，特殊地段采用双液浆，双液浆凝固时间控制在30s 以内，其配比见表3。

表3 液浆配比表

3.3.2 注浆参数

①注浆压力为了保证盾构掘进出现的环向的缝隙充填密实，保证管片的结构不会因为注浆而出现形变和破坏，注浆的压力一般控制在1.1～1.2 倍的静止水土压力，即0.2～0.4MPa。

②注浆量。

注浆量：Q=V·λ

λ—指注浆率。

V—盾构法施工产生的间隙（m3）。

V=π（D2-d2）L/4

D—指盾构时的切削外径（m）（其中削切外径6.44m）。

d—指预制的管片的外径（m）（其中预制管片外径6.2m）。

L—回填时注浆段的长度即为预制管片的每一环的长度（其中预制管片的每一环的宽度为1.5m）。按照上述公式可以出：

Q=（6.44-6.2×3.14×1.5×（130～180%）/4=4.64～6.43m3

即平均 Q=5.53m3/环（1.5m）。

③注浆的速度同步注浆速度要和掘进的速度保持一致，一般以千斤顶行程为1500mm 时注完浆液为宜。

④注浆完成标准采用注浆压力和注浆量双指标控制，注浆压力达到设计压力，注浆量达到设计值的85%以上。

3.3.3 注浆注意事项

①注浆工序前需要拟定好详细准确的注浆工序作业操作指导书，同时进行注浆的浆液配合比试验，确定出适合现场地质情况的注浆用材料和浆液的配合比。

②成立专业注浆小组负责注浆技术工作。

③制订出详细完善的注浆工序的施工组织设计以及质量把控的要点，严格的按照工序进行注浆作业。

④安排专人来负责，注浆孔编号、注浆量、压力做详细记录，及时绘制P（注浆的压力）-Q（注浆的量）-t（注浆的时间）曲线，保证注浆的速度与掘进的速度一致，检查注浆的效果，并根据反馈对下一次的注浆作业进行有效指导。

⑤依据洞内的管片产生的衬砌变形量以及地面变形量等监控测量数据，进而修正和优化注浆工序的施工参数与施工的工艺。

⑥确保注浆系统连续运作，注浆材料应足够储量，材料供应及时。

⑦注浆后，注浆管路、设备应进行及时清洗。清洗时的膨润土浆液应有足够的浓度，避免因浓度太小而造成注浆管路堵塞。

3.3.4 二次注浆

注浆量不足造成环形间隙充填不够，使结构与地层变形不能得到有效控制或变形危及地面建筑物、或存在地下水渗漏区段。如发现有注浆不足的地方，可通过管片中部的注浆孔对管片背后进行二次注浆。二次注浆量由现场试验确定，以压力控制为标准，压力控制在0.2～0.4MPa。

4 盾构施工中异常情况的处理

4.1 注浆孔未封堵不严密

由于大部分注浆孔位于南湖连通渠，注浆时水位较高，导致部分钻孔封孔未封堵严密，盾构机通过时出现刀盘土仓与南湖连通渠贯通的现象，导致连通渠水倒灌至刀盘土仓内，使渣土含水量增加，螺旋机喷涌严重，影响盾构施工安全和效率。

处理方法：从水面抛投棉被和砂袋，封堵住注浆孔，盾构通过后在隧道内进行水泥-水玻璃双液注浆，彻底堵住水的来源，确保隧道的施工质量。

4.2 遇到未处理的溶洞

通过物探（CT）和钻探未发现的溶洞多为较小溶洞，根据《溶洞处理专项方案》专家评审意见，专家要求盾构机通过后再进行洞内二次注浆及地面注浆处理，盾构掘进时加大同步注浆量及二次注浆量。

5 结语

洪山区政府站～文昌路区间岩溶区盾构施工过程中遇到的问题，有以下几点值得借鉴：

①在前期岩溶处理过程中必须加强地质加密补勘。

②溶洞处理钻孔封堵不严，会导致探孔与刀盘掌子面连通，土仓无法保压影响盾构掘进及开仓换刀，连通渠水通过探孔倒灌至掌子面导致土仓内水量增大，螺旋机喷涌严重等现象；为防止盾构施工出现类似现象，加强注浆质量及注浆孔封堵质量等。

③楔形齿滚刀较普通滚刀更适合上软下硬的岩溶强发育地层，避免反复更换刀具，提高盾构施工工效。

④采用高分子聚合物改良渣土效果较好，改善螺旋机喷涌，减小盾尾的清渣量，提高掘进效率。

⑤加大同步注浆及二次注浆后，成型后管片渗漏水较少，防止地面塌陷。