灰巖與砂層地區盾構施工風險設計與施工應對措施

黃嘉恒

【摘要】下部為灰巖，上部為砂層的地質結構是極易引起地面塌陷，形成地質災害的地質結構。在該地層中建造地下鐵路，施工風險極高。為確保施工與運營期間的安全，必須加強勘查設計與施工措施。

【關鍵詞】灰巖；砂層；盾構

1、工程概況：

廣州地鐵九號線位于廣州市花都區，是國內首條在全灰巖地區地下敷設的地鐵線路。從初步勘查顯示，九號線沿線大部分地段分布的下伏基巖是石灰巖，灰巖巖溶發育強烈，大部分石灰巖巖面與上覆的第四系含水砂層直接接觸，水文地質、工程地質條件非常復雜。通過比選，區間采用盾構法施工。但線路受障礙物、技術條件影響，一旦遇到未探明的溶洞，極有可能短時間內發生盾構機栽頭等現象。同時，由于灰巖面起伏較大，部分區段盾構在上部為砂層、中間缺失粘土性隔水層、下部為石灰巖的“上軟下硬”地層掘進，容易造成盾構盾構刀具磨損停機、換刀困難，地層沉降難以控制甚至地面塌陷等事故。項目業主在其他線路施工經驗基礎上充分認識到地鐵九號線的施工風險，在勘查設計與施工上，帶同參建單位加強措施和管理，最大限度確保了施工安全。

2、勘查設計

2.1 開展了超常規的地質勘探工作

勘查單位按照設計總體的要求，對線路進行了加密詳細勘查，分別在線路左右兩個各布置了一排鉆孔（共4排），線間距較小地段共布置了3排。鉆孔間距一般控制在15～20米。完成土建工程招標后，施工單位根據需要對線路進行了補充勘查，最民地段鉆孔間距加密到2米。通過高密度的勘查，最大限度地了解溶洞分部、灰巖巖面和砂層情況，為后續溶洞處理和線路敷設設計打下基礎。

通過淺層地震、高密度電法、土壤氡氣測量等綜合物探方法，解析物探成果再采用鉆探取芯驗證，輔以室內試驗、原位測試（標準貫入試驗）、抽水試驗等綜合勘察手段及方法，進一步查明九號線所經區域斷裂的發育位置。

采用地下同位素測試技術對地下水的流向流速進行了測試。

2.2 設計

2.2.1 線路埋深的選擇

在下部為灰巖，上部為砂層的地層中，隧道深埋或淺埋將有不同的風險。如采用深埋的方式，由于巖溶發育強烈，溶洞見洞率超過50%，盾構掘進需要面對大量的溶洞。由于勘查鉆探僅為“一孔之見”，即使加密了鉆孔間距仍會有溶洞未能發現，一旦盾構碰到較大型的溶洞、極有可能出現盾構栽頭、隧道變形，對盾構施工是災難性的事故。另外，處理溶洞的投資亦較大。如采用淺埋的方式，由于灰巖面起伏較大，無規律性，盾構在砂層中掘進仍有可能觸碰到灰巖，形成在上軟下硬地層中掘進。此時，下部的硬巖使掘進緩慢，期間刀盤對上部砂層的不停擾動，容易引起砂層流失，引起地面塌陷。綜合考慮，線路最終采用了淺埋的敷設方式。

2.2.2 溶洞處理

以詳堪和業主確認的補堪發現的溶洞為中心，2米間距鉆孔進行溶洞處理。結合以往設計、施工經驗，在確保安全的情況下節約工程投資，溶洞處理范圍為隧道底板以下2米，視具體地層情況隧道外擴1米或3米。溶洞邊界采取雙液漿封邊，溶洞內采用單液漿充填。

3、施工

除施工單位在盾構掘進的推力、土倉壓力、扭矩、盾構姿態等控制外，項目業主要求施工及監理單位采取其他措施，加強安全管理。

3.1 做好施工調查報告

在開工前，要求施工單位編制地質補堪報告、周邊房屋基礎調查報告、周邊管線調查報告、周邊環境調查報告，報監理部和業主審批。使參建各方充分認識工程實施風險源，提前制定應對措施。

3.2 配置綜合工程處理車

為確保盾構掘進期間一旦出現的地陷等險情，業主在合同中明確施工單位須配置綜合工程處理車，跟隨盾構機掘進向前移動。處理車具備宣傳作用，安裝警示燈，提醒過往車輛避讓風險較大的盾構機頭對應的地面位置；車上能放置圍蔽欄和雪糕筒，如出現地陷等險情能馬上對地陷處進行圍蔽；具有提供注漿、鉆孔功能，車上布置了發電機、注漿泵、攪拌桶、能儲備適量的水泥、水玻璃，如出現地陷，能及時從處理車提供設備、用電和原材料，盡可能縮短處理的準備時間。

3.3 24小時現場值班

由于地面沉陷的不確定性和瞬間性，需要能及時發現才能快速處理。為此，業主要求施工單位安排人員24小時在現場值班，監理部每隔2小時巡視。值班工作明確了責任制，值班人員需要在值班記錄填寫值班情況，簽名，監理員巡視時也需要簽名，拍照。

3.4 與管線單位建立聯系

區間線路多數沿馬路敷設，而馬路兩側鋪設了煤氣、高壓電、通信、供水、排數等管線，如路面出現較大沉降甚至地陷，容易造成管線破壞，引發次生事故。為此，項目業主連同參建單位與管線權屬、維護單位建立了聯動制度。在施工前與管線單位開會，介紹了線路走向，施工可能引發的風險，也通過管線單位向施工單位交底不同地段存在的管線，做好應對措施。施工期間，施工現場存有管線單位負責人的聯系電話，一旦出現事故立即通知管線單位，對供水、煤氣等較大危險性的管線立即關閉閥門，降低次生事故發生的可能性。

4、總結

在盾構掘進過程中，通過設計的加強和施工的精細管理，雖然出現了幾次地陷事故，由于準備充分、且對搶險進行了方案編制和演練，能對地陷及時處理。事故期間未造成次生事故和人員傷亡，最大限度地確保了灰巖與砂層地層中盾構掘進的施工安全。