盾构穿越岩溶地层关键技术

陈慧冰

中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北 武汉 430074

1 工程概况

1.1 工程简介

深惠城际五和至坪地段线路长31.817km，全地下敷设；设站共5座，分别为平湖﹑凤岗﹑大运北﹑龙城（含大鹏支线）﹑坪地，线路为全地下敷设；其中大运北站～龙城站区间长度3481.1m，双洞隧道，设置管片外径8.8m，厚度0.4m，环宽1.8m，该区段盾构隧道掘进施工需穿越岩溶高发育区。

1.2 区间岩溶发育情况

大运北站～龙城站区间勘探孔揭露的溶洞总数为284个，洞高0.22～29.50m，平均高度2.98m。大部分溶洞规模较小，溶洞洞高＜2.0m的共有158个，占总数的55.63%；2.0m≤溶洞洞高≤5.0m的共有84个，占总数的29.58%；溶洞洞高＞5.0m的共有42个，占总数的14.79%。统计情况详见表1《勘探孔揭露溶洞洞高分布情况统计表》。

表1 勘探孔揭露溶洞洞高分布情况统计表

本区间钻孔揭露的溶洞填充情况无明显规律，部分有填充物，填充物主要为软～可塑状粉质黏土﹑砂土﹑角砾和碎石，另有部分无填充物，本次揭露无填充物的溶洞有13个，约占溶洞总数的0.45%。

区间定测在105个可溶岩勘探孔中，有80个勘探孔揭露到溶洞，钻孔见洞率76.19%，总线岩溶率为33.2%，岩溶最大垂直高度29.5m，根据《建筑地基基础设计规范》判定，该区间岩溶为强烈发育[1]。

2 溶洞处理关键技术

2.1 盾构隧道岩溶处理基本原则

盾构隧道岩溶处理应遵循以地面处理为主，洞内预留处理措施为辅的原则。由于岩溶地区工程地质条件复杂﹑城区内受交通﹑管线﹑建构筑物的影响，较难全面开展与探明岩溶的发育情况，盾构机选型应充分评估区间岩溶勘探﹑处理情况，必要时需配置盾构机内超前探测仪器与机械设备（小钻机），具备洞内探测及处理条件。

2.2 盾构隧道岩溶处理范围

2.2.1 所有发现的土洞必须处理；

2.2.2 隧道结构外放3m范围内，由地面至隧道底范围内发现的溶（土）洞均需处理；

2.2.3 隧道结构轮廓线外放5m范围内，隧道底以下5m以内的溶（土）洞均需处理；

2.2.4 隧道结构轮廓线外放5m范围内，隧道底以下5～10m范围内的溶洞，最上层溶洞稳定岩面顶板厚度小于5m或顶板厚跨比小于1的溶洞，需必须进行处理。

2.2.5 处理“串珠状”溶洞时，当洞体之间的完整基岩层厚度小于0.5m时，下层溶洞也应进行相应处理。

2.2.6 上述原则有交叉范围时，竖向按照较深的处理原则确定。

2.2.7 鉴于溶（土）洞发育的不确定性，实施过程中若发现非上述处理范围的特大型溶洞需召开专题会议会同各方研究确定是否处理及相应处理方案，以满足施工及后期运营安全。

2.3 溶（土）洞处理方法

盾构隧道溶（土）洞主要采取充填﹑注浆加固等措施。

2.3.1 全充填溶（土）洞。采用压注水泥浆进行加固，注浆压力从低到高，间歇﹑反复压浆。

2.3.2 无充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞。对不大于3m的无充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞，可直接采用压注水泥浆进行充填的同时对原填充物进行注浆加固，注浆压力从低到高，间歇﹑反复压浆。

对大于3m小于5m的无充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞，先采用套管间歇式灌注水泥砂浆进行充填，后采用压注水泥浆[2]。

对大于等于5m的无充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞，可考虑采用套管泵送C15素混凝土进行填充后压注水泥浆。

图1 盾构溶洞斜向钻孔处理断面示意图

3 盾构穿越溶岩区施工掘进关键技术

3.1 人员组织

项目部将选派有丰富盾构经验的专业技术人员和专业盾构施工队伍负责组织施工，确保施工过程安全﹑高效﹑经济﹑质量合格。

3.2 掘进参数

盾构施工过程中根据已详勘和补勘的地质资料，分无溶土洞区段和有溶土洞区段分别优化掘进参数控制。采用气压辅助模式掘进，土仓内渣位控制在3﹑9点位以下，减少刀具的磨损，降低开仓换刀的频率，提高施工效率。控制好盾构机的推进速度﹑渣土改良﹑土压力控制﹑刀盘转速和扭矩（刀盘转速1～1.5rpm/min），螺旋机速度﹑盾构机总推力等参数，控制调节好盾构机的姿态，尽量保持按隧道线路掘进，减少纠偏。

3.3 渣土改良

岩溶地区盾构在中风化或微风化层中掘进时，刀盘切削的渣土以大小不等的岩块为主，渣土和易性不好，岩溶里的水通过地层的缝隙和通道及管片壁后通道进入土仓，螺旋机出土造成喷涌。盾构在强风化﹑全风化地层掘进时可通过盾构机的聚合物系统往土仓内加注聚合物添加剂，增加土仓内渣土的黏性，减少喷涌。中风化和微风化地层掘进时可向土仓内加注膨润土。由于大量喷涌会造成土仓突然卸压引发事故，可能引起与上部地面水连通﹑地层水位急剧下降﹑开挖面滑落，掘进过程中发生持续喷涌时，应该加强地面的沉降监测[3]。

在岩溶区上软下硬地层（上部为粉质黏土﹑黏土，下部为中﹑微风化砂岩﹑灰岩和花岗岩时）掘进时，为防止刀盘结泥饼和减少刀具磨损，需向刀盘面盘加注泡沫剂进行渣土改良和润滑。

3.4 出土量控制

岩溶地层掘进中对于出土量的计算尤为重要，需要对泡沫的用量﹑膨润土用量﹑刀盘及土仓打水量，土斗残余量﹑未装量进行统计，最后得出实际出土量。实际出土量计算时，需详细分析渣样成分比例，确定渣土的分散系数，再与理论出土量进行比对，确保掘进不超方。

3.5 盾构机姿态控制

在岩溶区上软下硬地层掘进时，由于下部地层岩面起伏较大，断面内出现风化或洞体填充物的处理与周边岩面差异较大，在此情况下，刀盘工作条件恶化，受力不均，掘进速度不均，姿态不易控制，易出现盾构机头下垂﹑机头向上的过量蛇形﹑偏离轴线等情况。在该地层掘进时，盾构机姿态控制是重点。采用1.8m宽的管片，在推进过程中油缸行程控制在1900～2000mm，行程差在0～50mm。防止盾体和盾尾之间形成过大的夹角，造成管片姿态变差。铰接油缸应减少行程差，控制在30mm以内，行程控制在40～80mm为宜。

水平偏差值﹑高程偏差值﹑滚动角控制要结合推进油缸和铰接油缸的行程差值，不断调整各分区油缸推力和总推力，保证盾构机姿态平稳，盾构机每环推进过程姿态变化控制在±5mm以内。

盾构机掘进过程中要根据地质情况随时对盾构机掘进参数进行调整，盾尾与管片四周间隙尽量要均匀﹑平衡。在纠偏过程中，掘进速度要放慢，纠偏和仰角的调整力度控制在±5mm/m，不得猛纠猛调，避免纠偏时由于单侧推进油缸用力过大造成管片破损。

3.6 同步注浆、二次注浆

在岩溶区上软下硬地层中掘进时易引起地面沉降，掘进过程要适量加大同步注浆量，以最大限度地控制地面沉降，同时通过管片注浆孔，进行二次补注浆填充密实。同步注浆和二次补注浆要注意控制注浆压力，浆液的初凝时间可以在不堵管的前提下适当提前。同时要根据地面沉降监测情况，及时调整同步注浆量和二次补注浆。特别是掘进过程中有喷涌和超挖的情况发生时，需要重点加大同步注浆量。

3.7 管片拼装

在施工过程中，要保证管片拼装质量，控制管片环面和纵面平整度，减少管片错台和破损。管片拼装点位要合理，根据盾构机姿态﹑隧道线路﹑盾尾间隙和推进油缸行程差综合对管片拼装点位进行确定。

3.8 管片上浮

在全断面硬岩﹑上软下硬地层和富含水地层易造成管片上浮。管片上浮主要原因：掘进时同步注浆不充分，地下水与地面水连通；浆液被水稀释或管片背后与土仓之间形成汇水通道，导致浆液流失，浆液没有固结；受振动载荷作用造成浆液离析[4]。

控制措施：采用双液进行同步注浆，调整浆液的配合比，缩短初凝时间，试配早强砂浆。保证注浆量，达到填充饱满。当管片脱出盾尾后及时进行背后二次双液浆注浆，保证管片背后的空隙得到有效填充，将管片稳定下来。管片出现上浮后，及时在相应位置打开管片背后注浆孔放掉地下水，进行二次注浆。土仓内加强渣土改良，防止喷涌。采用隧道上方垂直跟踪和管片背后注浆。盾构机机姿态可以根据管片上浮量比设计轴线进行适当的降低。

盾构掘进施工过程出渣口位置要经常检测有害气体的含量，确保施工设备及人身安全。施工过程如开仓检查刀盘刀具和掌子面情况，则需按照进仓作业的相关规定和施工专项方案进行操作。

盾构掘进过程中做好盾构机和相关配套设备的日常维护保养，避免盾构长时间的停机，保障设备的连续作业。盾构掘进施工过程中，加强地面巡查。出现冒浆﹑冒泡时及时进行处置，暂停泡沫的注入和控制注浆压力﹑注浆量，及时进行封堵。

4 岩溶区盾构掘进难点及处理措施

4.1 针对岩溶区刀具磨损的应对措施

尽管在盾构施工前对探明的溶洞进行预处理，但该地层溶洞发育，部分溶洞可能未被探明。因此盾构机在岩溶地层掘进，容易造成滚刀刀刃的崩裂和刮刀螺栓的剪切破坏。掘进过程中处理措施如下。

4.1.1 施工过程采用气压辅助模式掘进，降低土仓内渣位，减少土仓内渣土对刀具的磨损，降低刀盘扭矩，减少总推力。

4.1.2 在地层稳定﹑围岩均匀，力学性质好位置主动开仓检查更换刀具，避免在岩溶发育位置更换刀具，降低开仓换刀的施工风险。

4.1.3 下穿风险源前，选择合适位置对刀具进行全面检查更换，避免在风险源位置开仓换刀。

4.1.4 如需在不稳地层进行换刀，必须带压换刀或对换刀点进行加固，加固可采用地面注浆加固或洞内超前注浆加固。

4.1.5 带压开仓时，由于区间岩溶发育剧烈，带压开仓之前需采用厚浆﹑衡盾泥或膨润土泥浆填仓，在开挖面形成一道稳定泥膜。

4.1.6 在掘进过程中出现推力增大，扭矩波动较大，速度降低，掘进参数异常时，应及时开仓检查刀具，避免因个别刀具的损坏引起周边刀具破坏甚至磨损刀盘。

4.1.7 根据区间岩溶发育和地质情况，合理选择优质刀具，可选择19寸合金滚刀，增大刀轴的抗压能力。

4.2 针对岩溶区掘进超方开挖易坍塌的应对措施

由于岩溶地层溶洞发育，部分溶洞填充物主要为黏性土夹灰岩碎块﹑细砂夹少量黏性土及岩块等。盾构掘进过程，遇到未探明的溶洞或溶洞注浆加固效果不良，刀盘转动扰动地层，溶洞土体﹑碎块不断坍塌至土仓，造成出渣超方，从而引起地面下沉甚至坍塌。应对措施如下：

4.2.1 首先根据地层松散系数﹑土斗残余量﹑土仓渣位﹑门吊称重等尽可能准确的计算出当环出土量和超方量，为后续处理工作提供依据。

4.2.2 增加厚浆注入系统，拌制优质的厚浆经盾体径向孔向盾体外周注入，用以填充超方引起的空洞和建筑间隙。

4.2.3 加强盾尾同步注浆和二次补浆﹑止水环箍施做，根据详细记录的超方点和超方量以双倍以上的注浆量和注浆压力双重控制补浆。

4.2.4 对超方点地表利用后退式注浆设备进行下杆补注浆，主要目的是探知地表下方是否脱空﹑是否有溶槽和溶沟联通地表和掘进掌子面。

4.2.5 对区间地表进行地质雷达扫描和隧道进行CT扫描，确认是否存在松散层和脱空层，并视情况针对性补注浆，实现真正的消除隐患。

4.2.6 加强地表监测，沉降数据异常及时进行应急处理。

5 结束语

若岩溶处理的难度很大且十分复杂，需要因地制宜的设计和选择合理的施工方法。根据各地工程施工经验，应仔细研究地质情况，了解岩层性质和岩溶发展。发现岩溶时，应及时进行补勘，了解岩溶范围，根据不同情况采用相应处理措施，盾构隧道岩溶处理应遵循“以地面﹑机（盾构机）内预处理相结合为主，洞内预留措施处理为辅”的原则，精细化施工，加强质量检测工作，确保地铁施工及运营安全。