盾構隧道穿越湘江溶洞區工程風險分析及應對措施探討

黎新亮

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概述

1.1 區間平面概況

長沙市軌道交通3號線阜埠河路站—書院路站區間總長2 658.3 m，越江段長約1 400 m。區間起于阜埠河路站，下穿岳麓科教新村6～7層居民樓，側穿7層天馬學生公寓、5層湖南考試學院，下穿和側穿3～6層晚安家居，側穿10層天麓大酒店，然后橫穿瀟湘中路，下穿湘江西河汊、橘子洲以及湘江東河汊，最后橫穿湘江中路進入書院路站。本區間共設4個聯絡通道，2個區間風井。區間平面如圖1所示。

圖1 阜埠河路站～書院路站區間平面

1.2 工程河段水利工程

目前長沙航電樞紐工程正在建設中，壩址位于湘江下游蔡家洲，距長沙市軌道交通3號線約30 km(圖2)，正常蓄水位初定30～31 m，計劃2014年全部竣工。該水利工程目前已開始蓄水，湘江西河汊已無枯水期。

圖2 軌道交通3號線與長沙航電樞紐工程示意

2 工程地質及水文地質

2.1 工程地質

(1)地質背景

阜埠河路站—書院路站區間屬湘江Ⅰ級階地、河漫灘及河流(床)，擬建區間勘察區內出露的地層主要有第四系(Q)覆蓋層和下伏基巖。其中，第四系覆蓋層包括第四系人工填土、河流相沖積的黏性土、砂、礫、卵石及殘積層;下伏基巖為白堊系戴家坪組(Kd2)砂巖、泥質粉砂巖、礫巖，泥盆系跳馬間組(Dt)砂巖、泥質粉砂巖、泥巖、灰巖、碎裂巖及泥灰巖等。

(2)溶洞發育規律

溶洞發育巖層為中風化灰巖和中風化礫巖，分布里程為右CK15+848.513～右CK16+092.049。中風化灰巖巖性主要為白云質灰巖、灰巖，呈灰白色、灰色，隱晶質結構，中厚層構造，方解石脈充填，風化裂隙較發育，巖體較完整，局部較破碎，巖芯呈塊狀、短柱狀，巖質較硬。中風化礫巖呈棕紅色、紫紅色等，礫狀結構，中厚層狀構造，泥質及鈣質膠結，巖質較軟，裂隙較發育，巖體較破碎，巖芯塊狀、短柱狀，巖質較硬。

(3)溶洞分布形態

巖溶在區間隧道洞身及隧道四周均有分布，見洞率約78%，平均線巖溶率約20.6%。本次勘察在泥盆系石灰巖中共24個鉆孔揭露有溶洞，在白堊系砂礫巖中共12個鉆孔揭露有溶蝕空洞，溶洞及溶蝕空洞分布位置及深度無規律，且大都為多層溶洞或多層溶蝕空洞，呈串珠狀，層數高達12層，洞高最高為22.46 m。

(4)溶洞填充情況及與湘江水聯系情況

大部分溶洞及溶蝕空洞內有充填物(具有充填物的溶洞及溶蝕空洞所占全部溶洞及溶蝕空洞的比例約為72.2%)，充填物大部分為卵石或黏性土夾砂、卵石，飽和，松散～稍密狀，說明溶洞與河流存在水力聯系［1］。

2.2 水文地質

地下水按賦存方式分為第四系松散層孔隙水，層狀基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。

(1)松散層孔隙水:含水層主要包括欠壓實～稍壓實的填土層、沖積砂礫層、卵石層。

(2)層狀基巖裂隙水:層狀基巖裂隙水主要賦存在泥盆系碎屑巖的強風化帶和中風化帶，其賦存條件與巖石風化程度、裂隙發育程度等有關。

(3)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水:碳酸鹽類裂隙溶洞水主要賦存在泥盆系石灰巖中，其富水性和滲透性受巖溶發育程度、連通性、形態、規模大小以及裂隙充填情況等因素影響。

3 工程風險分析

盾構區間穿越溶洞區風險主要分為前期溶洞處理的風險及盾構穿越溶洞施工期間風險，現就該兩種風險分析如下。

(1)前期溶洞處理風險分析

結合本工程實際情況，越江段隧道不可避開溶洞發育區，因此在前期溶洞處理時，溶洞穿越的范圍越大，則施工風險越大。其次，此次溶洞處理主要采取江面和地面進行處理，處理方式主要是先探洞，再進行溶洞的填砂、石，然后對填充體進行注漿加固。地面處理主要在橘子洲進行，施工風險較小;江面進行溶洞處理時，湘江水位變化對溶洞處理影響很大，同時江面不同的處理方案，對溶洞處理效果影響很大，從而直接影響后期盾構穿越該溶洞發育區的安全。

(2)盾構穿越溶洞施工期間風險

越江段詳勘顯示，溶洞發育區與湘江水存在通道聯系，如果前期溶洞處理沒達到既定設計要求，溶洞加固區存在一些未完全填充加固的空洞，特別是該空洞出現在隧道的下方，則存在盾構機栽頭的巨大風險，同時在江底高水壓施工情況下，特別是在溶洞區，極易發生突水及突涌風險。

溶洞發育區所在區間全長約2.66 km，設有區間風井，溶洞位于湘江西河汊東側以及橘子洲西側，處于越湘江隧道中心地帶，盾構穿越該地段需在區間兩端盾構始發井、調出井、區間風井以及溶洞區加固施工完成之后進行，施工時機以及施工工期受到一定制約。

4 風險應對措施

4.1 優化線路平面設計

根據地質條件、線路對地塊的切割以及對所經區域建筑物的影響、結合其他軌道交通線路的換乘研究和站位選擇，研究了白沙路過江方案，勞動路北線過江方案和勞動路中線過江方案，如圖3所示。3種過江段線路方案比較見表1。

通過以上分析，本區間推薦采用方案三勞動路中線過江方案，該方案減小了溶洞穿越區域，避開了對湘江東河汊影響，同時避免對湘江一級水源的污染，方案三穿越溶洞區詳見圖4、圖5。

圖3 穿湘江方案比較示意

表1 過江段線路方案比較

圖4 區間左線地質縱斷面

圖5 區間右線地質縱斷面

4.2 前期溶洞處理風險應對措施

(1)湘江西河汊溶洞處理方案比選

橘子洲下方溶洞處理面積約5 289 m2，湘江西河汊下方溶洞處理面積約3 028 m2。針對湘江西河汊下方溶洞，處理方式分為圍堰處理和江面直接處理。兩 種處理方式對比如表2所示。

表2 溶洞處理方式對比

通過以上對比可知:江面直接處理較圍堰處理施工風險小，受汛期影響較小，但圍堰處理較江面直接處理對湘江西河汊環境影響小，尤其是溶洞處理效果及檢測效果要好。因此，推薦采用圍堰處理。

對于圍堰處理可考慮采用鋼板樁圍堰、筑堤圍堰和筑島施工。3種方案介紹如下。

①鋼板樁圍堰［2］

結合湘江西河汊工程地質及水文地質，鋼板樁如不設內支撐系統，則最大擋水深度為4 m，施工時最高水位為25.2 m。采用12 m長包Ⅳ型拉森式(U型)鋼板樁，鋼板樁埋入河床底深度為7 m，鋼板樁支護方案如圖6所示。

圖6 鋼板樁支護斷面(單位:mm)

如考慮施工期間西汊水位為31 m(長沙航電樞紐工程最高蓄水)，擋水高度為8.8 m，則需采用18 m長鋼板樁，鋼板樁埋入河床底深度為8 m，基坑支護結構采用內支撐體系，內支撐體系為1道 φ609 mm、t=16 mm的鋼管支撐。

②筑堤圍堰

筑堤圍堰需考慮施工期間迎水面留有一定寬度設置安全網以及施工人員能在壩上行走作業，壩面設計寬度為3 m，江面高程31 m。施工流程為先取砂，后運砂枕，最后進行拋枕，拋砂枕時應注意先護底，后筑壩，筑堤圍堰剖面詳見圖7。

③筑島施工

圖7 筑堤圍堰剖面(單位:mm)

筑島施工可在筑堤圍堰基礎上將圍堰內水抽干后進行填充，筑島施工需嚴格控制對筑島填充材料的選擇，避免對湘江西河汊水源的影響。

3種圍堰優缺點及設計方案分析如下。

鋼板樁圍堰受汛期影響較大，如擋水深度超過4 m，則需增加內支撐系統，對施工機械設備有一定的要求，影響施工進展;筑堤圍堰及筑島施工受汛期影響較小，可根據湘江水位相應調節圍堰及筑島高度。筑島施工相對筑堤圍堰，對環境污染大，但自身穩定性相對筑堤圍堰好，且盾構在溶洞區施工時，如遇突發情況，可利用人工島采取相應補救措施。

通過以上分析，湘江西河汊溶洞處理推薦采用筑堤圍堰，并根據實際工程需要，結合筑島施工。

(2)溶洞處理方案設計

①溶、土洞充填加固處理的范圍:盾構隧道側壁外5 m，底板下10 m，頂部全部處理。具體詳見圖8。

②溶洞處理的施工步驟:溶、土洞處理與否判斷→溶、土洞處理→溶、土洞處理效果檢查［3］。

③溶、土洞處理加固主要采用先填充再注漿加固的方法［3］。

a.注漿施工時，應先施做止水、止漿帷幕，將處理范圍內溶洞與外界洞體隔離，再處理中間區域。若在周邊孔注第一次漿時，注漿量已較多，壓力達不到設計要求時，周邊孔與中央孔可交替注漿。

b.發現漿液流失嚴重時添加水玻璃速凝劑，以確保注漿效果。

c.中央區域注漿孔應跳躍施工，以防止跑漿，竄漿現象。

圖8 溶、土洞處理范圍(單位:mm)

4.3 盾構穿越溶洞施工期間風險應對措施

(1)盾構機選型及設計技術建議

①盾構機選型建議

根據本工程的總體布置、工程地質及水文地質條件、沿線建筑設施及地下管線等環境條件、盾構隧道襯砌結構、施工條件及工期等多方面要求，可供選擇的盾構機主要有土壓平衡盾構及泥水加壓式盾構，兩種盾構比較見表4。

表4 盾構選型與相關因素分析

兩種盾構理論上均適合本區間的工程地質及水文地質條件，但本區間盾構穿越江底溶洞發育區，且溶洞與湘江水存在通道聯系，當溶洞區發生突水及突涌時，如采用土壓平衡盾構機，則存在江水倒灌風險。結合本工程實際情況，建議采用泥水加壓式盾構機。

②盾構機設計技術建議

結合本工程穿越江底溶洞發育區重難點，針對盾構機設計主要建議如下。

a.需充分研究穿江段工程地質及水文地質，加強刀具和刀盤的設計，針對盾構穿溶洞區應根據注漿加固后的巖體情況進行刀具配備，避免江底換刀。

b.設置可以作為加壓環境下作業保護屏障的人倉，與其配套的還有壓力環境下專用的破巖設備、刀具拆卸和更換工具，以及有關醫療設施等。

c.增加超前探測系統。可采用德國開發研制的BEAM盾構機隧道掘進實時地質超前預報系統［4］。盾構機通過BEAM系統，能夠保持持續的掘進狀態，不斷進行隧道掌子面前方3倍隧道直徑距離的地質情況的探測，自動進行數據采集和地質評估，然后實時顯示預報結果，利于現場快速作出判斷。

d.增加超前注漿系統。在盾構機中盾部位環向預留超前注漿孔，待盾構掘進至風險點里程或開倉作業需要時可通過超前注漿鉆孔設備從洞內超前注漿對盾構前方土體進行加固。超前鉆孔安裝在管片安裝機上，可實現超前鉆機前后移動，360°范圍內轉動。超前鉆孔注漿深度可以根據現場實際情況進行調整，最終達到洞內超前注漿加固的效果。

(2)盾構穿越溶洞區施工措施

根據目前勘察報告，橘子洲及湘江西河汊存在溶洞，盾構施工穿越溶洞區風險比較大。施工時應注意做好以下幾點。

①技術措施

a.施工前采用綜合超前地質預報方法，如CT探測［5］，TSP 超前地質預報系統［6］或 BEAM 系統。對地質進行風險等級劃分，在不同等級地段，結合地質情況合理采用不同的物探及超前預報方法對工作面前方的地質進行預報。根據超前預報結果，如遇溶洞區填充不密實或注漿加固未達標地段，采用江面補漿及洞內超前加固等方法進行處理。

b.加強刀具的管理與合理配置;合理選擇掘進模式，嚴格控制掘進參數;嚴格控制盾構姿態;加強土改良與管理［7］。

c.加強管片背襯注漿:采用同步注漿和二次補充注漿相結合的方式，同步注漿采用水泥砂漿，二次補充注漿采用水泥－水玻璃雙液漿。根據工程地質條件，合理調整與控制注漿壓力和注漿量。

②完善日常檢查排查工作

建立值班表和巡視制度，組織相關施工人員組成工程風險控制小組，定期巡視重點部位。對施工中的重點部位進行全程監控和定期檢查;對可能發生事故隱患的其他部位加強檢查，落實整改措施，及時消除隱患。

③加強施工人員專業培訓

針對江底施工人員應制定專業的培訓計劃，確保施工人員具備專業的施工技能，尤其是應對突發情況的能力。

④做好溶洞段施工應急預案。對巖溶發育，且溶洞段地下水具有承壓性質，含水量豐富，注漿未必能阻止溶洞地下水滲漏，極易發生涌水突泥或地表塌陷等情況，為此施工前必須做好應急和處理預案。

(3)溶洞區施工工期風險控制

本區間總長2.66 km，越江段(含橘子洲)隧道長1.4 km，穿溶洞區長約0.24 km。根據工程籌劃安排，從書院路站始發，阜埠河路站吊出。施工場地占用書院路和阜埠河路部分道路。本區間施工推進總工期約為22個月(考慮交叉施工，見圖9)，施工工期長，為保證盾構在溶洞區順利施工，有以下建議。

①提前進行阜埠河路站—書院路站區間東、西岸區間風井以及阜埠河路站大里程端和書院路小里程端端頭井施工，確保盾構順利始發以及在區間風井順利過站。

②湘江西河汊溶洞處理受湘江水位影響很大，應制定詳細的施工計劃，確保溶洞處理順利完成。

③提前做好協調工作，如溶洞處理需征用橘子洲以及占用湘江西河汊部分水域，需提前和相關部門進行協調。

圖9 盾構推進示意

4 結論及建議

通過對長沙地鐵3號線盾構隧道穿越江底溶洞區前期溶洞處理風險和后期盾構穿越溶洞區風險進行分析，分別從線路平面設置，江面圍堰選擇，江底溶洞處理設計，盾構機選型，盾構機設計以及施工工期進行探討，提出了相應總結及建議。

(1)通過對線路平面設置進行優化，選擇勞動路中線過江方案，該方案減少了溶洞處理范圍，從而降低了溶洞前期處理及后期施工風險，同時降低了工程造價，避免了對湘江一級水源的污染以及對規劃勞動路隧道施工影響。

(2)通過對湘江西河汊溶洞處理方式進行比選，建議采用江面圍堰處理，以減小對湘江西河汊環境影響，同時便于溶洞處理以及溶洞處理效果檢測，從而減小后期盾構穿越溶洞區的施工風險。

(3)結合江底溶洞發育規律、分布形態、填充情況以及與湘江水聯系情況，并參考相關工程經驗，提出了溶洞處理范圍以及處理措施方案。

(4)結合溶洞區工程地質和水文地質，本區間建議采用泥水加壓式盾構進行施工，同時對于盾構設計建議增加超前地質探測系統及超前注漿加固系統，以減小盾構穿溶洞區施工風險。

(5)由于本區間線路較長，施工難度大，施工風險高，對于盾構始發井、吊出井、區間風井以及溶洞處理需制定詳細的工程籌劃，同時需做好施工前期征地、租地等協調工作，以確保盾構區間順利施工。

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