某巖溶地區地鐵隧道施工盾構工法適應性研究

馬振興

摘要：本文以某巖溶地區地鐵隧道工程為背景，論述了巖溶地區地鐵隧道施工盾構工法的適應性、巖溶等不良地質應對措施及周邊環境風險管控措施等，分析了在巖溶地區不同類型盾構機施工地鐵隧道的適應性，并結合工程特點總結了巖溶地區地鐵隧道施工盾構機選型的建議。

關鍵詞：大面積巖溶;盾構選型;軟硬不均;沉降

1.概述

目前，在國內地鐵隧道施工方面，盾構機的使用已非常廣泛。但是，在巖溶地區，尤其是地鐵線路大范圍處于巖溶地層時，采用盾構法施工隧道仍是一大難點。但伴隨城市的快速發展，傳統礦山法施工地鐵隧道存在的施工效率低、施工安全性差、施工環境惡劣、震動擾民等方面問題亟待解決。本文以某巖溶地區地鐵隧道工程為背景，充分結合地質條件及目前盾構設備的設計和制造特點，論證大面積巖溶地質條件下采用盾構法施工地鐵隧道的可行性，并對相應不良地質條件的規避及處理措施進行了分析。

2.地質概況

該地區為典型的“喀斯特”地貌山地城市，地形起伏大，溶丘、洼地、槽谷等多樣地貌構成全市地理的顯著特征，地鐵線網規劃所經區域高達約91%地段處于巖溶發育地段。該地區具有多溶洞，多斷層，巖面起伏大，區域地下水豐富等極為復雜的工程地質條件，造成地鐵工程建設難度極大。

3.盾構法施工主要風險點

在該地區，盾構法施工地鐵隧道主要面臨的問題有：

3.1隧道斷面地質軟硬不均

在巖溶地區，紅黏土廣泛分布，主要為基巖上覆紅黏土和溶洞中充填紅黏土。由于地形地貌及城市環境的限制，隧道橫斷面和縱斷面均可能處于巖體和土體共存的狀態，尤其是隧道斷面上部和下部分布流塑或軟塑狀紅黏土，極易造成盾構機姿態異常和出土量超限，從而導致地面塌陷或其他安全事故。

3.2巖溶

該地區主要為灰巖、白云巖類地層分布廣泛，巖溶發育程度弱、中等、強發育并存，且中等、強發育占比較大。多為第四系覆蓋下的隱伏型巖溶，有溶洞、溶槽、溶隙等，多被紅黏土充填，局部有空的溶洞和巖溶管道。

巖溶地區，尤其是長距離穿越巖溶發育區段，對盾構法施工地鐵隧道的影響，一是在復雜的城市環境下，地質勘察手段局限，無法準確探明巖溶的發育形態、位置等;二是在施工中極易產生出土量超方，造成地面沉降或塌陷;三是隧底的溶洞易引起盾構機“栽頭”，造成盾構掘進姿態大范圍超限，甚至需要“大開挖”來解決。

3.3周邊建（構）筑物的影響

地鐵線路多經過密集居民住宅區、商業中心，且大部分沿既有城市主干道敷設，道路交通繁忙，管線分布雜亂密集。很大程度的限制了地質勘察的工作面，并對盾構施工沉降控制提出了更高的要求。

4.主要風險點應對措施及適應性分析

國內大部分存在巖溶地層的城市，巖溶區段在線路總長中占比較小，多數城市針對巖溶區段主要采用極小間距鉆孔+跨孔CT的方法探明溶洞，鉆孔間距多數達到了5米以內;然后從地面將判別出會對盾構施工產生較大影響的溶洞針對性注漿處置，為后期施工徹底掃除障礙。但是本地區最大的特點是地鐵線路所經巖溶區域高達約91%，若采用上述方法，一是前期地質勘察費用巨大，二是在道路狹窄的山地城市大面積使用跨孔CT，交通疏解難度極大。因此，本地區需探索較為適用的地質探查+設備創新設計+施工控制措施。綜上，本文僅對大面積巖溶地層盾構法施工問題做主要分析論證。

4.1盾構選型分析

巖溶分布規律性差，大小、形態、填充性等采用目前傳統的勘察手段難以準備查明;同時還存在斷層分布較多，地下水豐富且無穩定水位規律，圍巖穩定性差的特點，這些特點決定了盾構選型一定要具備適應這種地層的能力。綜合分析得出如下結論：

（1）需采用帶護盾的封閉式掘進機，同時具有土壓平衡或泥水平衡系統及防止涌水突泥的能力，以此來解決圍巖穩定性差，地下水豐富及斷層破碎帶可能帶來的工程風險。

（2）需具備帶壓換刀的條件，解決硬巖掘進、軟硬不均地層掘進刀具磨損較快無法在常壓換刀的區段更換刀具的問題。

（3）需具備洞內超前地質預報及溶洞處理裝置來解決大面積巖溶地區地面地質勘察及巖溶處理局限性問題，使施工階段地質預報可以達到連續性，全里程覆蓋。

經綜合比選，本地區應采用復合式土壓或泥水平衡盾構機。

4.2復合式土壓或泥水平衡盾構機比選

根據本地區的實際情況，以及當前國內外盾構技術發展的現狀對兩種類型盾構適應性分析如下：

（1）從地層適應性、線路條件、沉降控制角度，泥水平衡盾構和土壓平衡盾構均可滿足要求。

（2）因土壓平衡盾構不需要單獨配備泥水處理系統，且開挖出的土體可直接外運，所以在場地占用、環境保護和后配套系統投入方面土壓平衡盾構較泥水平衡盾構有很大優勢。

（3）在半填充、空溶洞及節理裂隙、斷層破碎地帶，泥水平衡盾構極易發生跑漿失壓，因此原本在沉降控制方面占據優勢的泥水平衡盾構機無法充分發揮。

（4）在設備超前地質預報及洞內溶洞處置系統針對性改造方面，土壓平衡盾構機更具有可行性和實際操作空間。

綜上所述，該地區優先選用復合式土壓平衡型盾構。

4.3主要風險點應對措施

大面積巖溶地層盾構施工方面，無法已有方式，所以該地區需綜合投資、工期、安全等方面的因素，摸索一套適用于大面積、長距離巖溶地層盾構施工的保障措施。

結合該地區特點，分析當地物探、鉆探等大量既有基礎資料后，認為該地區應采用地面+洞內有效結合的探查和處置措施。

（1）地面探查措施：

該地區巖性以灰巖、白云巖為主，其次為泥質灰巖、泥質白云巖、砂巖、泥巖、頁巖等。經考察分析認為，該地區城市交通繁忙的區段可采用抗干擾能力較強的微動探測、大探深地質雷達措施對盾構區間進行全覆蓋探察，初步劃分巖溶發育程度，再根據劃分的區段，在強發育地段可采用10-15米間距在隧道中線實施跨孔CT，在中等和弱發育地段可采用20米左右間距在線路中線實施跨孔CT，鉆孔深度以達到探明隧底5米以內的溶洞為準。

（2）洞內探查措施：

首先，盾構機可配備HSP聲波反射法超前地質預報系統，HSP聲波反射法超前地質預報系統原理為采用滾刀破巖震動作為探測震源，結合地面探查的地質資料，可實現對掌子面前方巖層完整性和含水特性的實時評價。

其次，盾構機設計時在盾體上可布置超前鉆預留通道，通道前端開口于盾體外圓，外開口與開挖洞壁和盾體外圓間的環形空間相連通。艙壁上前后對應預留超前鉆通道，并與刀盤上的超前鉆預留通道前后對應，鉆頭可到達前方開挖面進行鉆探。同時，在管片拼裝機后部的連接橋架位置安裝超前鉆機。洞內超前鉆探的鉆桿角度，上方、側邊按10?外插角設置，底部按13?外插角設置，鉆探深度約30m，隔4環～6環循環打設。在后配套臺車上配置超前鉆注漿系統。

采用上述綜合手段后，基本可以避免盾構在掘進時遇到3米以上規模的溶洞，且對于隧底5米以內的溶洞進行探明處理，從而保障建設期及運營期的安全。

5.結束語

巖溶地區盾構施工需積累集地質、水文、物探、機械設計制造、風險管控等多方面經驗，在大面積巖溶地層，應結合自身地質和環境等特點總結一套適用的方式方法。通過地質探查、巖溶處置及設備改造的一系列針對性措施，開展該地區大面積巖溶地層地鐵隧道的施工。但土壓平衡盾構機采用的物探設備超前地質預報系統準確性和超前鉆孔的鉆探進度方面還不夠成熟和穩定，還需進一步積累和研究。

參考文獻

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