貴陽巖溶地區盾構機配置的幾點思考

王春凱，張增峰，楊 波

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司,上海市200125）

0 引言

隨著施工工藝和盾構法掘進全套設備的不斷發展和完善，盾構法隧道施工不僅能適應大范圍的工程地質和水文地質條件，而且也能適應不同用途和斷面形狀隧道的施工要求，使隧道能夠快速、安全而且高度機械化地修建。近二十年來，盾構工法用于建設地鐵區間隧道得到了飛速的發展，盾構法從最早的適用于均一軟土、軟巖地層或砂層及軟巖互層的地層條件，到后來的硬巖地層、軟硬交互地層等均有應用[1]、[2]。盾構技術在快速發展的同時，也面臨諸多困難，尤其是在地質條件較差處，如承壓含水層、上軟下硬地層、大直徑孤石等地層中，對盾構設備的設計、盾構隧道施工均帶來挑戰。

貴陽市軌道交通3號線一期工程部分區段將是貴陽地區首次盾構工法應用。通過前期對貴陽地區工程地質條件、水文地質條件、周邊環境條件等分析，經綜合比選，選取了一定長度的區間隧道采用盾構工法實施。

巖溶地區盾構工法應用的案例不多，相對可借鑒的工程經驗較少，也有一些工程經驗教訓[3]、[4]。黎新亮在長沙地鐵3號線穿越湘江溶洞區工程中探討了優化設計方案、合理盾構選型及施工應對措施等控制工程風險[5]。郭志峰、楊育僧等人在工程實例中對巖溶地區巖溶處理、盾構施工技術等方面做了嘗試與研究[6]、[7]。烏健通過有限元數值模擬對盾構施工穿越巖溶填充區的力學性能進行研究[8]。

貴陽地區屬于典型的喀斯特地貌，巖溶發育程度高，除此之外還遇到其他不良地質條件，如上軟下硬、斷層破碎大等。在這樣的地質條件下，采用盾構工法施工地下區間隧道，面臨較多新的問題，其中盾構機設備的配置是盾構施工的關鍵因素之一。本文結合貴陽地區地質特點，對盾構機設備配置作一定的探討。

1 貴陽地區工程地質及水文地質

貴陽市位于貴州省中部偏北，地處云貴高原的東斜坡，地形起伏較大，有山地、臺地與丘陵，河谷、槽谷和盆地，海拔最高為1 762 m，最低為1 006 m。根據前期貴陽市軌道交通3號線一期工程地質勘察資料，區間隧道穿越的巖層主要為白云巖、灰巖；局部為紅粘土、泥巖、砂巖，巖層的飽和抗壓強度范圍為30 MPa~58 MPa，承載力特征值范圍為2 000 MPa~5 000 MPa。

該工程沿線地表水系主要分布有花溪河、南明河、小車河、貫城河、市西河、環溪河（松溪河）等。沿線水系均屬烏江水系，呈羽狀分布，流域地勢西南高，東北低，由于地勢高差大，切割強，自然景觀垂直變化明顯。

地下水按不同介質主要有孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水三種類型，以巖溶水為主，主要為大氣降雨通過巖溶漏斗、溶蝕裂隙滲入補給，屬潛水，多以巖溶裂隙、管道形式賦存運移，向地勢低洼地帶逕流排泄。

貴陽地區盾構法區間隧道所遇到的不良地質，除了巖溶之外，還主要有順層、上軟下硬及斷層破碎帶。部分區間隧道地層存在順層現象，巖層傾角普遍在15°~50°之間，個別位置巖層傾角在70°~80°之間，巖層分布呈硬夾軟現象，在地下水動力、重力等作用下，開挖面易產生順層剪切滑動。部分區間隧道穿越地層為上軟下硬地層，上部為紅粘土，下部為中風化白云巖。部分區間隧道穿越斷層破碎帶，其巖體破碎，強度不均勻，穩定性差，在開挖掘進的過程中對工程存在一定的影響，且有可能是富水通道，存在涌水的可能。

2 貴陽地區巖溶風險

根據對貴陽市軌道交通3號線一期工程初勘資料的梳理，隧道所處巖層主要以白云巖、泥質白云巖、砂糖狀白云巖、灰巖等可溶性碳酸鹽為主。據鉆孔揭露，巖石常見溶隙及溶洞，全線713個鉆孔中見溶洞的鉆孔60個，鉆孔見洞率為8.42%。其中大于1.0 m的溶洞有48個，其余溶洞≤1.0 m，最大溶洞洞高約5.0 m。溶洞主要以充填型為主，充填物為軟塑～可塑狀黏性土，偶夾灰巖碎塊，少量為空溶洞。巖溶發育深度一般在10～20 m，部分超過20 m，巖溶主要沿斷面、層面、不整合面發育。

上述3號線一期工程巖溶發育情況僅從現有鉆孔資料的統計獲得，具有一定局限性。從貴陽市在建地鐵工程的巖溶發育情況來看，僅詳勘鉆孔的見洞率均超過25%，且在工程建設過程中，遇到未探明的鉆孔較多。由此可見，貴陽地區巖溶發育，給施工帶來較多的困難。

巖溶對工程的影響主要是地基承載力降低或喪失、隧道圍巖等級降低、隧道施工容易產生巖溶頂板塌陷，導致盾構機體下陷或姿態偏差大。當盾構施工遇到充水巖溶管道時，易發生較大涌水，且大量抽排地下水易產生地面塌陷等。

因此必須對巖溶進行處理，結合其他城市盾構隧道處理巖溶的經驗[9]~[11]來看，貴陽地區巖溶處理主要從事先探查、穿越過程中處理及穿越過后的后評價。

2.1 事先探查

在施工圖詳細勘察階段，除常規的地質鉆孔布置外，針對巖溶區段需采用綜合物探、鉆探等綜合的勘探方式，兩者相互補充、相互驗證，針對物探掃描有異常的區段，應采用加密鉆孔的方式進行驗證。

在盾構施工階段，采用超前地質預報的方式對前方巖溶情況進行探查。超前地質預報分別采用地面及洞內兩種方式。

2.2 施工階段處理措施

依據超前地質預報的成果，以巖溶的狀況和性質分為溶縫、溶槽、溶管和溶洞。針對不同的溶洞情況采取不同方式進行處理后，盾構再穿越施工。溶洞處理優先采用地面處理方式，針對不同的溶洞情況，采取直接袖閥管注漿、吹砂或投碎石后注漿加固等措施進行填充。若地面沒有處理的條件，通過盾構機盾體上預留的超前鉆探通道，可對前方發現的溶洞進行注漿處理。

2.3 巖溶段后評價

盾構施工完后，利用盾構管片預留的注漿孔，對巖溶進行復查。若發現溶洞需要處理，利用預留注漿孔打設注漿管進行注漿加固。注漿管采用Φ42鋼花管；漿液采用水泥漿（全填充型溶洞）或水泥砂漿（空洞或半填充型溶洞）。注漿施工完后，對注漿孔進行封堵。

3 貴陽巖溶地區盾構機配置

結合貴陽的地質條件和水文條件，對貴陽地區盾構機配置作一定的探討，主要是考慮盾構機設備對于巖溶、硬巖地層、上軟下硬地層、斷層破碎帶等地質條件的適應性。

3.1 盾構整機方案

盾構整機方案主要有主動鉸接方式和被動鉸接方式。

主動鉸接方式的優點在于主動鉸接強制調向力大，易于脫困及姿態控制；能夠實現刀盤后退，方便換刀；更有利于實現小曲線轉彎，同時利于管片成型。主動鉸接方式的缺點在于費用較被動鉸接稍高；鉸接油缸較大，對設備布置有些影響；實際工程應用相對較少。被動鉸接方式的優缺點與主動鉸接相對應。

綜合其兩種整機方案來看，各有優缺點，且對于貴陽地區盾構法區間隧道施工而言均可適用。因此，建議根據貴陽地質特點，結合設備廠家的設備設計經驗、施工單位的操作經驗，綜合比選后確定其整機方案。

3.2 盾構機刀盤及刀具配置

在盾構機的選型方案中，刀盤型式、刀具類型、數量，以及布置方法直接影響到刀具的使用壽命，進而影響整個盾構工程的安全性、經濟型及效率[12]、[13]。刀盤從形式上來說主要分為輻條式、面板式，以及兩者組合的復合式刀盤。根據該工程地質情況，盾構穿越地層主要為白云巖、灰巖，局部為紅粘土、泥巖，盾構機面板建議采用復合式刀盤，以加強對地層的適應性。結合管片結構設計尺寸，刀盤開挖直徑建議控制在6 450 mm~6 470 mm，開口率建議控制在35%左右。區間隧道主要穿越巖層為灰巖、白云巖，多為中風化，飽和抗壓強度大多不超過60 MPa，沿線地層起伏變化較大，廣泛分布有紅粘土層。因此刀具配置建議采用滾刀（單刃或雙刃）、刮刀結合的刀具配置，滾刀配置數量及間距綜合考慮其刀具的破巖能力。

3.3 盾構機富水地層防噴涌

區間隧道施工勢必會受巖溶管道水、裂隙水的影響很大，針對富水地層的盾構施工，要求螺旋輸送機需有防噴涌設計，以應對施工中的噴涌[14]、[15]。在確保盾構機盾體密封性的前提下，防噴涌主要從盾構前方、盾構后方這兩個薄弱點進行設防。盾構后方的防噴涌主要從盾尾刷著手，建議盾尾安裝三道密封鋼絲刷及二個油脂注入管道，以有效實現盾尾密封。盾構前方防噴涌主要從螺旋輸送機著手，螺旋輸送機的防噴涌主要手段有以下三種。

3.3.1 安裝保壓泵碴裝置

保壓泵碴裝置理論上可實現帶壓出碴，防止出碴時的噴涌，但實際應用中可能出現頻繁堵管現象，堵管處理較為困難，影響掘進效率。

3.3.2 安裝雙級螺旋輸送機

從理論上分析雙級螺旋輸送機大大加強了土塞效應，加大了螺旋輸送機碴土抗水壓的能力，但雙螺旋輸送機影響螺旋輸送機的后退操作，當需要檢修螺旋輸送機時較為困難。

3.3.3 單螺旋輸送機+雙閘門設計+聚合物改良+預留保壓泵接口

采用雙閘門的設計，當發生噴涌時可同時關閉雙閘門，配以聚合物改良渣土性能，加強螺旋輸送機的防噴涌能力，同時在螺旋輸送機預留了保壓泵接口，可加裝保壓泵，采用多種手段綜合處理防噴涌，但聚合物改良渣土費用較高。建議采用單螺旋輸送機+雙閘門設計+聚合物改良+預留保壓泵接口方案，加強盾構防噴涌措施，確保工程安全。

3.4 盾構機巖溶處理配置

貴陽地區針對巖溶地區的特點，主要采取超前地質預報和巖溶處理措施。目前針對巖溶地區所采取的洞內措施主要為利用盾構機的超前地質鉆進行超前鉆探和洞內注漿。故從盾構機設備角度而言，如何確保超前鉆機布置和注漿設備配備是關鍵。

超前鉆機分為正面超前鉆機和周邊環向超前鉆機。在盾構機設計時，需考慮超前鉆機布置對于盾構機的油缸、主機、鉸接系統等的影響，提前預留超前鉆的通道，并做好超前鉆預留通道與外界的密封裝置。在盾構機的動力設計中，統籌考慮鉆機的驅動動力。超前鉆機的布置應盡量均勻排布，鉆機的位置應便于施工操作。

后配套臺車上配置超前鉆液壓泵站、儲漿罐、砂漿泵、高壓水泵、鉆探控制記錄儀器等設備，在需要的時候可通過超前鉆及上述注漿設備進行洞內注漿。

3.5 盾構機防結泥餅

在盾構機推進過程中，因貴陽地區地層起伏變化大，當盾構推進遇到復合地層、斷層破碎帶或夾有泥質軟巖的情況，刀盤面易結泥餅，會加大盾構掘進時的刀盤扭矩，影響盾構正常掘進。從盾構機設備角度而言，防結泥餅情況主要從以下措施進行改善：

（1）確保一定的開口率，且開口均勻，有較大中心開口；

（2）配備土倉高壓水沖刷系統，需要時可進行前方結泥餅的沖刷；

（3）刀盤面板預留注入泡沫通道，當出現結泥餅現象時，可及時加注泡沫進行渣土改良，改善前方土體流塑性。

3.6 盾構機防卡盾

盾構隧道穿越巖石地層，若盾構機姿態控制不好，易出現卡盾，盾構處理較為困難。從盾構機設備角度而言，防卡盾主要從以下措施進行改善：

（1）盾構機設計時，需要考慮一定的主機脫困及主機后退能力；

（2）盾構機的盾體可設計成梭型結構，利于主機順利通過；

（3）在盾殼上配備殼體潤滑孔，通過困難地段可注入膨潤土，減少盾殼摩阻力。

4 結語

貴陽地區將首次采用盾構法施工地下區間隧道。本文通過對貴陽地區工程地質條件、水文地質條件進行分析，對貴陽巖溶地區盾構機的配置提出思考及建議。主要得到以下結論：

（1）盾構整機方案可采用主動鉸接方式或被動鉸接方式。

（2）盾構機面板建議采用復合式刀盤，刀盤開挖直徑建議控制在6 450 mm~6 470 mm，開口率建議控制在35%左右。

（3）刀具配置建議采用滾刀、刮刀結合的刀具配置。

（4）盾構機采用單螺旋輸送機+雙閘門設計+聚合物改良+預留保壓泵接口方案，盾尾安裝三道密封鋼絲刷，以滿足盾構防噴涌的要求。

（5）盾構機配置超前鉆機及注漿設備，并預留超前鉆通道及密封裝置，以滿足盾構機在巖溶地區進行超前地質鉆探及洞內注漿的要求。

（6）配備一定開孔率，配備土倉高壓水沖刷系統，刀盤面板預留注入泡沫通道，以防備結泥餅現象。

（7）將盾構機盾體設計成梭型結構，在盾殼上配備殼體潤滑孔，以便需要時注入膨潤土減摩，并設計主機脫困及后退能力，以防止卡盾。