盾構隧道穿越高強度強富水灰巖上浮段工程風險分析及應對措施

吳 鎮

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

盾構法以其安全系數高、掘進速度快、對地面交通環境干擾小等優點廣泛應用于城市地鐵隧道工程建設，但諸如上軟下硬地層、強富水巖石段及巖溶發育區等復雜地質條件對盾構機的應用也提出新的挑戰。譚忠盛、鄧彬、馮立君、 李光耀、李俊偉等[1-5]通過研究盾構選型、刀盤刀具布置、掘進參數及掘進模式和渣土改良技術等手段解決上軟下硬地層中盾構施工難題。除采用上述手段，朱宏海[6]提出地面預注漿加固上部軟弱地層、預裂爆破處理下部硬巖等輔助措施控制地表變形沉降。李茂文、尤顯明、楊書江等[7-9]通過選擇適宜的掘進模式、掘進參數和刀具管理，解決了盾構穿越長、短距離硬巖中存在的刀具磨損嚴重、管片錯臺等問題。錢莊、桂林、張合青、楊育僧[10-13]對廣州地鐵溶洞處理措施進行研究，黎新亮、馬福東[14-15]對盾構穿越湘江下巖溶區江面處理方案進行介紹。通過上述幾個方面研究，取得了一批有價值的成果，并積累了一定經驗。考慮到地下工程的復雜性及特殊性，土巖結合面上覆土層、硬巖中裂隙發育及地下水情況、溶洞發育形態不同，其處理措施及施工技術差異也較大。以濟南軌道交通R1號線王府莊站—大楊莊站區間盾構穿越灰巖上浮段為研究背景，針對本工程中存在土巖交界面、高強度強富水灰巖、巖溶發育區等特點，分析穿越上浮段存在的主要風險，并提出針對性處理措施，保證了盾構的順利穿越，為其他類似工程提供設計思路及施工經驗。

1 工程概況

濟南市軌道交通R1號線王府莊站—大楊莊站區間線路出王府莊站后沿劉長山路向東走行，先后下穿京臺高速公路、京滬高鐵后向北轉至黨楊路，沿黨楊路向北相繼下穿陡溝橋、臘山河后到達大楊莊站。

王府莊站—大楊莊站區間全長3 754 m，隧道采用盾構法施工。為滿足區間通風需求，在中部設區間風井1座，風井采用明挖法施工。區間風井—大楊莊站段，隧道長度約2 033 m。該段地層分布巖溶發育灰巖，采用2臺復合式土壓平衡盾構機施工，盾構隧道管片內徑為5.8 m，外徑為6.4 m，厚度為0.3 m。王府莊站—大楊莊站區間總平面見圖1。

圖1 王府莊站—大楊莊站區間總平面

2 工程地質及水文地質條件

根據詳勘及施工勘察報告，區間風井—大楊莊站段揭露有2個基巖上浮段，左線隧道穿巖長度約725 m，右線隧道穿巖長度約798 m。區間風井—大楊莊站段區間地質縱剖面見圖2。

圖2 區間風井—大楊莊站段區間地質縱剖面

2.1 工程地質條件

灰巖段場地范圍內土層劃分為人工堆積層(Q4ml)、第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)、第四上更新統沖洪積層(Q3al+pl)、奧陶系灰巖(O1m)四大類。其中①1雜填土屬人工堆積層(Q4ml)，⑦黃土、⑧粉質黏土屬第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)，⑩粉質黏土屬第四上更新統沖洪積層(Q3al+pl)、2中風化石灰巖、灰巖破碎體2-2層屬奧陶系灰巖(O1m)。石灰巖中局部揭露有灰巖破碎體2-2。

2.2 巖溶發育特征

勘察揭露灰巖段存在巖溶發育，巖溶形態主要為溶洞和溶蝕裂隙。溶洞最大洞高為13.2 m，洞高大于3 m的溶洞13個，占總數的17.8%。隧道洞身、上部及下部均有溶洞分布，分布的個數分別為65，29，35個。溶洞多為充填型溶洞，局部見小規模的無充填型溶洞。充填型溶洞主要以黏性土和碎石充填，充填較密實。可溶性巖石多處位于地下水水位以下，長期承受地下水侵蝕作用，具備巖溶發育條件。

在里程K30+510～K30+850段(第一基巖段)，揭露灰巖的57個鉆孔中，有37個孔揭露到溶洞，鉆孔見洞率64.9%，線巖溶率達15.9%，巖溶發育程度為中等～強發育。在里程K30+850～K31+400段(第二基巖段)，揭露灰巖的88個鉆孔中，有34個孔揭露到溶洞，鉆孔見洞率38.6%，線巖溶率達2.5%。巖溶發育程度為微弱～中等發育。

2.3 水文地質條件

勘察揭露中風化石灰巖段地下水主要為灰巖裂隙巖溶水和潛水。灰巖裂隙巖溶水含水層主要為2中風化灰巖層及2-2灰巖破碎體層，水位埋深11.2～14.6 m。灰巖破碎裂隙及溶洞溶隙的存在給該層地下水提供了儲水條件及運輸通道。該層地下水局部受完整灰巖及上覆粉質黏土層隔擋，具承壓性。潛水含水層主要為⑧粉質黏土層及⑩粉質黏土層，水位埋深約12.5 m。

3 工程風險分析

3.1 土巖交界面工程風險分析

左右線隧道穿土巖交界面處，隧道覆土厚度約為8.6 m。盾構上部主要穿越的土層為⑧粉質黏土、⑩粉質黏土層，其標貫擊數均大于10，下部穿越的地層為2中風化石灰巖，其單軸飽和抗壓強度分布在34～83 MPa，屬典型的上軟下硬地層。隧道上方管線主要有：1根400 mm×100 mm路燈銅管(埋深0.81 m)，1根給水綜合φ500 mm鑄鐵管(埋深1.2 m)，1根φ325 mm天然氣鋼管(埋深0.75 m)，1根φ800 mm雨水管(混凝土管，埋深2.2 m)、1根φ400 mm混凝土污水管(埋深2.65 m)。

盾構穿土巖交界面施工風險如下。

(1)掘進過程中盾構切削工作面土體，上部軟土體容易進入土倉，下部巖層不易破碎，地面容易產生沉降和塌陷，盾構掘進姿態難以控制。

(2)隧道上方管線敷設密集，地層沉降會導致管線發生變形，特別是給水綜合管對變形控制要求極為嚴格，管道一旦發生沉降斷裂，會產生次生災害。

(3)掘進過程中刀具在軟硬不均地層中做周期性碰撞，下部硬巖部分對刀具的沖擊力較大，容易造成局部刀具受力超載，刀盤和軸承受偏心荷載作用，容易產生破損。

3.2 高強度富水灰巖段工程風險分析

(1)中風化石灰巖段單軸天然抗壓強度分布在39～89 MPa，單軸飽和抗壓強度分布在34～83 MPa，強度極高(圖3)，盾構掘進過程中存在刀具磨損嚴重，換刀頻繁，盾構機姿態難以控制等問題。

圖3 盾構開倉換刀掌子面巖石情況

(2)灰巖裂隙巖溶水具承壓性，另外現場盾構換刀過程中揭露石灰巖中含有一些輸水通道(圖4)。根據施工單位抽水情況，該層地下水含水量較大，抽水降深較小。盾構掘進過程中，地下水流入土倉，與土倉中的碎石混合后在螺旋輸送機難以形成“土塞效應”，容易出現噴涌、涌渣等現象，嚴重影響施工工效。

圖4 盾構換刀開倉揭露石灰巖中輸水通道

3.3 穿越巖溶區工程風險分析

(1)盾構掘進過程中，若大型溶洞出現在盾構機下方，極易產生栽頭現象；溶洞中含有大量承壓巖溶水，致使刀盤前方容易發生突水、突泥。

(2)運營期車輛振動引發上方溶洞坍塌進而引起地表坍塌或激發管片下方溶洞坍塌，導致列車運行存在風險。

(3)巖溶水的存在引發溶洞繼續發育，對地鐵長期運營造成威脅。

4 風險控制措施

4.1 盾構選型

石灰巖段地質條件復雜，盾構選型時應充分考慮地層條件，通過分析選用復合式土壓平衡盾構，相關技術參數及要求如下。

(1)主要技術參數

盾構機整機長度約85 m，主機長8.4 m，盾構機開挖直徑為6.68 m；刀盤最大轉速為3.15 r/min；最大推力40 860 kN；盾構機總質量約500 t。刀盤主驅動型式為液壓驅動，最大扭矩為7 070 kN·m，脫困扭矩為8 610 kN·m。盾構機應具備敞開式、半敞開式和土壓平衡式3種掘進模式，現場施工根據地層、地下水情況選用不同掘進模式。

(2)刀盤形式

刀盤結構形式為復合式，開口率為40%，質量約70 t。

(3)刀具布置

刀盤配備中心滾刀4把，單刃滾刀33把，邊刮刀8把，切刀40把，保徑刀8把，焊接撕裂刀23把，仿形刀1把。滾刀伸出量為187.7 mm，切刀高度135 mm，邊刮刀高度140 mm，撕裂刀高度155 mm，保徑刀高度70 mm，仿形刀的行程為20 mm。

(4)主要技術要求

①盾構機選型時，增加盾構機土倉內強排水系統，輔助盾構在掌子面穩定灰巖地層中進行強排水開倉檢查刀具。

②盾構機組裝時，做好對刀盤上刀具、泡沫管路等附屬結構的保護，避免在富水灰巖地層中出現破損修復困難。

③針對不同強度的灰巖地層，及時調整刀具刃寬、刀圈硬度、刀圈尺寸和刀具類型；針對全斷面硬巖，中心刀宜選用鑲齒合金刀具，正面刀刀圈尺寸和刃寬略小于邊緣刀，邊緣刀韌性大于正面刀，正面刀硬度大于邊緣刀。

④確保刀盤刀箱整體性，避免高強度灰巖掘進中因刀具受沖擊載荷過大，造成刀盤出現振幅過大的現象，從而降低破巖效率，同時引起局部諧振傳遞至盾體內部，影響導向系統的精度。

4.2 土巖交界面風險控制措施

(1)盾構掘進過程中采用全土壓平衡模式，保證土倉壓力與外部水土壓力平衡，減少地表沉降及上方管線變形。

(2)適當降低刀盤的轉速和貫入度，使得刀具對下部硬巖的沖擊力小于允許沖擊荷載，刀盤的轉速控制在1～1.2 r/min，貫入度控制在5～10 mm/r，若刀盤仍存在較大振動可進一步降低上述參數。

(3)重點做好渣土改良，提高渣土的和易性，選用泡沫劑對渣土進行改良，必要時采用分散劑，預防因渣土置換過慢導致刀盤結泥餅。

(4)控制推進油缸總推力，降低刀具與巖面軸向力，減小刀盤及土倉壁對渣土的擠壓力，減少倉內發熱量。

(5)根據地質情況合理調整盾體掘進姿態，當上軟下硬時，盾體較設計線路呈低頭姿態，反之呈上揚姿態。姿態的調整應隨軟硬面積比的變化而提前做出調整。

4.3 高強度強富水灰巖段風險控制措施

(1)地層處理

①盾構施工前，對富水灰巖段進行加密補充勘查，重點對灰巖裂隙、溶洞溶腔、地下暗河、輸水通道排查清楚，對地下水流速、流量有一定掌握，必要時可選用綜合物探方法繪制更詳細的地質剖析圖。

②針對探明的地下輸水通道及大的灰巖裂隙，進行地表注射聚氨酯堵水處理，進而防止影響盾構施工安全、成型隧道質量和地鐵運營安全。

③穿越石灰巖線路縱斷面處于15.8‰下坡段，施工過程中應做好同步注漿和二次補強注漿，保證注漿質量，從而切斷盾構后方水源補給。

(2)盾構掘進模式及參數

①中風化石灰巖段自穩定性較好，但考慮到石灰巖中裂隙水水量較大，為防止地下水進入土倉，引起水土流失，盾構掘進模式采用半敞開模式，土倉內渣土約占1/3，施工過程中向土倉內注入壓縮性空氣進行輔助開挖。

②控制螺旋機轉速和螺旋機出渣口開度，使螺旋機后部有渣土，形成局部土塞，降低螺旋機噴涌程度。進一步改造皮帶機防漏渣設施，提升其排渣能力。

③控制盾構機掘進速度和油缸推力。盾構刀盤的轉速控制在1～1.2 r/min，貫入度控制在5～10 mm/r，掘進速度控制在5～12 mm/min，盾構推力控制在14 000～17 000 kN。

(3)渣土改良

由于石灰巖段強度較高、水量較大，盾構掘進過程中刀具磨損嚴重，且刀具溫度較高。應向刀盤面、土倉內注入膨潤土，既可以起到降低刀具溫度的作用，也可增加渣土和易性，減少渣土對刀具的摩擦，延長刀具使用壽命，同時可以防止螺旋出土器噴涌現象產生。

4.4 巖溶區風險控制措施

(1)溶洞處理范圍及處理原則(圖5)

圖7 溶洞處理措施示意

圖5 溶洞處理范圍示意(單位：mm)

根據補勘、施工勘察報告，首先確定溶洞與隧道的位置關系，考慮到建設期盾構施工風險及運營期巖溶發育，溶洞的處理范圍及原則如下。

①隧道上部的溶洞均需處理，硬塑性黏土(標貫擊數>18)全充填的溶洞不需處理。

②隧道洞身范圍內以軟塑黏土全充填(標貫擊數<10)、碎石土全充填或未充填的溶洞需進行處理，以可塑性黏土全充填(標貫擊數>10)的溶洞不需處理。

③隧道底板下1倍洞徑(6.4 m)范圍內的溶洞需進行處理，硬塑性黏土(標貫擊數>18)全充填的溶洞不需處理。

④隧道兩側溶洞處理范圍為隧道輪廓線外5 m，該范圍內以軟塑黏土充填(標貫擊數<10)、碎石土充填或未充填的溶洞需進行處理，以可塑黏土充填(標貫擊數>10)的溶洞不需處理。

(2)溶洞處理措施

①在探測有溶洞的地方加密鉆孔，鉆孔間距2.5 m×2.5 m，進一步查清和了解溶洞的具體位置、大小、充填物性質及地下水情況，加密鉆孔可兼做注漿孔。溶洞加密探孔布置示意見圖6。

圖6 溶洞加密探孔打設示意(單位：mm)

②對于全填充溶洞處理(需要處理的溶洞)采用水泥漿進行填充加固。見圖7(a)。

③對于洞徑<2 m的無填充溶洞和半填充溶洞，可采用水泥漿液進行壓力注漿。對洞徑>2 m的無填充溶洞和半填充溶洞，先采用吹砂處理，后采用注入水泥漿液加固的方法。見圖7(b)、圖7(c)。

④對于洞徑>4 m的特大型無填充溶洞，可考慮先投碎石，后采用注入水泥漿液進行加固。見圖7(c)。

⑤在管片結構上預留巖溶處理專用孔，用于處理隧道掘進過程中新發現的溶洞，以及隧道后期發生沉降超限或異常的地段。沿線路縱向每10環管片進行洞內補充鉆探，鉆孔深度為隧底1倍洞徑。根據鉆探結果，對隧底進行注漿填充，保證運營安全。巖溶處理專用孔示意見圖8。

圖8 巖溶處理專用孔示意(單位：mm)

⑥針對溶洞邊界部分超出加固范圍內的大型溶洞，為減少漿液流失，保證注漿效果，對加固范圍外邊緣3 m范圍內的溶腔體采用水泥-水玻璃雙液漿進行加固，形成止漿巖壁后，處理示意見圖5，內部的溶腔體針對充填類型采用上述第②③④種措施進行加固處理。

(3)溶洞處理檢測

①溶洞處理施工完畢之后，對處理區內進行抽芯檢測試驗，檢測充填密實情況，查看注漿體是否連續并做抗壓試驗，要求無側限抗壓強度不小于0.2 MPa。

②檢測原則和數量:采用抽芯鉆來檢查溶洞的充盈程度，要求洞內全填充，達不到要求應補充注漿;按1%注漿孔數進行抽查，每個溶洞檢測數量不少于1個檢測孔。

(4)溶洞注漿參數

水泥水玻璃雙液漿：水泥漿與水玻璃體積比mC∶mS=1∶(0.5～1)，水玻璃濃度為35Be′，模數m=2.4～2.8。水泥漿水灰比為1∶1.2。

注漿壓力控制在0.4～0.8 MPa，袖閥管和注漿芯管下到洞底或洞底以下0.2～ 0.3 m，從洞底往上壓注水泥漿，當注漿壓力達到1.0 MPa，吸漿量1～2 L/min、穩壓 10 min可終止注漿。施工時注漿參數可根據現場試驗進行調整。

5 結論

(1)穿越土巖交界面處，地表及管線沉降可通過采取全土壓平衡掘進模式、降低刀盤轉速、降低油缸推力和刀盤扭矩，渣土改良技術等手段得以控制。通過類似地層初步設定盾構掘進參數，掘進過程中根據監控量測結果進行動態調整。現場監測數據顯示，地表最大沉降值為6.39 mm，管線的最大沉降值為1.24 mm，遠小于地表沉降30 mm、管線沉降10 mm的控制指標。

(2)針對高強度富水灰巖段，通過盾構設備配置的選擇、合理的刀具布置、控制刀盤轉速及貫入度等手段，順利實現高強度灰巖段掘進；通過采取盾構后方注漿堵水、半敞開式掘進模式、渣土改良技術來減少螺旋輸送機涌水、涌渣現象。同時，對皮帶機防漏渣設施進行改造，提高其輸送渣土能力，保證了施工工效。

(3)溶洞處理應根據溶洞位置、大小、充填物狀況選用針對性處理措施，處理標準按照“隧道上下方嚴于隧道左右兩側及洞身”原則執行。處理范圍內的溶洞不需全部處理，根據溶洞充填物性質及標貫擊數確定是否進行加固處理。

(4)對常規管片結構預留注漿孔設置進行改進，該孔具備鉆探驗證、處理施工期及運營期新發現溶洞等功能，為巖溶區盾構隧道結構安全提供了進一步的保障。