洪文區間溶洞區盾構施工技術研究

王宏金

（中國水利水電第八工程局有限公司，長沙410000）

1 工程概況

洪山區政府站～文昌路站區間線路自洪山區政府站沿規劃線路右轉彎向南沿南湖連通渠敷設，穿過書城路，到達文昌路站。

本區間右線全長1287.241m，左線全長1306.305m。本區間采用復合式土壓盾構施工，區間隧道埋深11.15～22.35m，線間距13.0～15.2m，線路所在平面的轉彎半徑的最小值為500m，豎向曲線半徑為5000m，最大縱坡為-22‰。

區間場地地形起伏較大，一般地面標高為21.24～29.30m 左右，根據勘探資料顯示，工程所在場地為長江三級階地剝蝕平原區及湖泊堆積平原區。①右線區間隧道主要地層有淤泥質粘土、黏土、粘土夾碎石、中風化粘土巖夾硅質巖、強風化泥巖、中風化石灰巖。在隧道的始發段，地層的主要構成是粘土和強風化的石灰巖；在隧道的中間段，地層的主要構成是中等風化的石灰巖；在隧道的接收段，地層的主要構成是強風化的石灰巖和粘土層。②左線區間隧道主要地層有黏土、粘土夾碎石、中風化粘土巖夾硅質巖、強風化泥巖、中風化石灰巖。在隧道的始發段，地層的主要構成是粘土和強風化的泥巖；在隧道的中間段，地層的主要構成是中等風化的石灰巖（占80%左右）；在隧道的接收段，地層的主要構成是強風化的泥巖和粘土。

地表水主要為南湖湖水及沿線南湖連通渠內湖水。主要是受到降雨和地表的徑流水源影響。地下水位和水量受人工及氣候影響明顯，雨季水量較大，水深變化大。層間水主要賦存于黏土夾碎石層及殘積粘性土層中，主要是受到地下水和側向排泄的影響；層間水賦存環境相對比較封閉，主要接受水平補給與排泄，不同季節對地下水位的影響不顯著，水流量一般較小。據觀測層間水水位埋深約10.90～22.30m（標高-1.36～10.08m）。基巖的裂隙水通常是賦存在基巖的裂隙（泥巖、砂巖及石英巖）中，補給方式主要由上覆含水層下滲補給。總之，砂巖等硬質巖呈脆性，多具張性裂隙而含少量裂隙水，而黏土巖等軟巖節理、裂隙多被泥質充填而水量極貧乏，對施工影響較小。

勘探過程中未發現巖溶水，但不排除雨季地下水位上升后，局部巖溶裂隙水沿裂隙通道或隔水層接觸面溢出的可能性（掘進過程中及開倉發現有較大巖溶水）。

根據巖溶專項勘察結果顯示，洪山區政府站～文昌路站區間隧道底板位于土巖交界面附近，在初、詳勘階段及巖溶專項勘察共揭露大小溶洞168 個。鉆孔遇洞率為63.5%，線巖溶率為12.1%。溶洞高約0.9～12.5m，巖溶形態以溶隙型溶洞為主，多為半～全充填，少量無充填。經物探探明的巖溶異常點115 個，場地巖溶發育程度為強發育。

2 溶洞處理

2.1 溶洞探邊及鉆孔

①為達到隧道永久結構的承載能力及變形范圍的要求，降低施工期間盾構機栽頭及突水事件發生的機率，盾構施工前對已發現的溶洞進行地面預注漿處理，根據設計要求對已發現的溶洞進行十字交叉鉆孔探邊，再進行注漿填充。

②物探（CT）異常的區域采取鉆孔驗證，在物探異常的區域中心鉆1～2 個鉆孔來驗證。發現存在溶洞則采取注漿處理加固方法；沒有發現溶洞時則采取壓力注漿方式來填充封孔。

2.2 溶洞注漿

①對于探明的高度范圍在1～5m 的巖溶洞穴，無填充、半填充的溶洞，全填充的溶洞（充填物的強度不高）都可以直接用單水泥漿（或水泥砂漿）來進行靜壓式的灌漿，注漿的時間應該控制為20min，間歇達到6h 以后進行第二次灌漿，第二次注漿采用濃漿，如果在20min 內不起壓，停止注漿，間歇達到6h 以后進行第三次注漿，依次類推，直到注漿飽滿為止。

②對于溶洞高度大于5m 的特大型溶洞，查明巖溶水平發育情況，上報業主、監理以及勘察和設計等單位，確定具體處理方案。

2.3 注漿效果檢查

①檢測方法：對溶洞處理采用鉆孔取芯來檢查灌漿的質量。

表1 盾構主要工作參數表

②檢測標準：在溶洞注漿區域隨機選取檢測點進行鉆芯質量檢測。檢測頻率按溶洞處理數20%進行隨機抽檢，由質檢工程師指定位置，布置1～3 個質量檢查孔。鉆芯取樣采用單動雙管工藝，鉆孔取芯的芯樣進行抗壓試驗，芯樣28d 的無側限抗壓強度不低于0.15MPa。

③經鉆孔取芯檢測發現，取芯率達到80%，強度均大于0.15MPa，注漿效果明顯。

2.4 注漿孔封堵處理

為保證盾構施工安全，全部的注漿孔和檢查孔在注漿結束后應緊接著進行灌漿封孔，所有灌漿孔及檢查孔等均應嚴格地進行封孔處理，灌漿封孔的方法采用“壓力灌漿封孔法”，所用的漿液應是水灰配比是0.5:1 的濃水泥漿。

3 盾構施工

洪文區間盾構施工，選用中國鐵建重工制造的D6400土壓平衡盾構機，從文昌路站始發。

3.1 盾構掘進參數的選擇

根據洪文區間地質的具體情況，中風化石灰巖巖溶段主要掘進參數見表1，在盾構掘進過程中依據不同的地層特點持續對掘進的參數值進行優化，從而保證盾構掘進能夠達到最優。

掘進參數的選取說明：

3.1.1 正面平衡壓力

主要受刀盤前方水土壓力的影響，通常以刀盤中心位置水土壓力大小為準，按經驗公式P1=k0γh 計算。

式中：P1：土的壓力（含地下水），單位為kN/m2；

k0：土的靜止側壓力系數；

γ：土的平均容重，單位為kN/m3；

h：刀盤的中心位置的埋深，單位為m。

盾構在掘進工程中可以參考以上的方法來算出平衡壓力（即土倉壓力）的設定值，初次可按 1.03～1.10P1 設定。本區間巖溶段埋深16～21m，且隧道范圍大分部為石灰巖地層，掌子面較穩定，土倉壓力設置在1.0～1.8bar。

3.1.2 總推力

千斤頂所受的總推力要稍大于掘進過程中盾構機受到的阻力，且應當比盾構機承受的額定的最大推力要小，根據本區間前100 環巖溶地層的掘進參數統計，推力設置在1500～2500t 之間時扭矩在控制范圍內，盾構掘進的速度范圍在10mm/min 到30mm/min 之間。

3.1.3 刀盤扭矩和轉速。

本區間正常掘進時，刀盤承受的扭矩為 2000～3500kN·m，局部地層軟硬不均達到4000kN·m 以上，導致刀盤卡停現象，當工作時的扭矩值達到了最大扭矩值時，刀盤將停止轉動。由于本區間巖溶強發育地層為上軟下硬地層，且巖石面起伏較大，若刀盤旋轉過快，將導致刀具刀圈容易崩裂，所以為防止刀具刀圈崩裂損壞，刀盤轉速宜控制在 0.8～1.0rpm。

3.1.4 掘進速度

主要是依據土層地質情況確定，通常巖石地層推進的速度最好控制為10～20mm/min 之間，巖溶段局部紅黏土地層可達到20～40mm/min，下穿地面建筑物的時候，依據所監測的數據合理調整盾構推進的速度。

3.1.5 螺旋輸送機扭矩及轉速

符合轉速及扭矩的相關曲線，轉速為0.1～11.4r/min，最大的扭矩值是55.8kN·m。在保持盾構掘進的速度一定時，主要是通過改變螺旋輸送機轉速的大小，來改變出土量的多少，最終使土倉壓力保持平衡。

3.1.6 出渣量控制

根據本盾構機開挖直徑計算的理論出土量為：

Q=6.44×6.44×3.14×1.5×130%/4=63.48m3，但由于本區間中風化石灰巖巖溶段地下水豐富，掘進過程中地下水將地層中紅黏土帶出，導致螺旋機噴涌重，為控制掌子面超挖導致地表沉降，出渣量控制在72～84m3，并在螺旋機噴涌的情況下通過膨潤土罐向土倉添加高分子聚合物改良渣土，減小螺旋機的噴涌。

3.1.7 盾構隧道中心線和地面沉降的控制

盾構隧道中心線控制與設計軸線的偏離在±50mm 以內，地面的沉降（隆起）值控制在-30mm 到+10mm 之間。在盾構掘進時及時的調整掘進的相關參數，并通過試驗段，初步的確定盾構掘進的施工參數的基準值及調整范圍，做到多調，微調，不積累誤差到警界值。

3.2 盾構方向及姿態控制

①刀盤停止時操作順序相反。在啟動前及停機時，控制旋鈕必須歸到零位，防止啟動時扭矩突然加大，造成機械和刀盤損傷。②盾構機在糾偏的時候應該緩慢的進行，不宜過急，每環水平及豎直方向糾偏量一般不大于5mm。③正確進行盾構管片拼裝點位選擇，確保盾構管片拼裝滿足要求，以保證盾構管片的端面盡量和設計的掘進方向垂直。根據管片的制作工藝，管片最大楔形量為40mm，每環最大調整千斤頂行程40mm，盾構機姿態水平或豎直量不超過50mm。

3.3 同步注漿和二次注漿

為了及時的充填介于管片和地層之間的環狀縫隙，預防地面發生沉降，穩固管片的結構，在管片的背后采取同步注漿措施。如同步注漿量不足，采取二次注漿進行彌補。同步注漿所需的材料、漿液的合適配比、注漿的適宜參數、施工的最佳工藝等都需要通過工程現場地質與環境條件的試驗來確定。

3.3.1 漿液配比

①同步注漿所用的漿液配比，本工程采用的漿液為水泥砂漿，配合比見表2。

表 2 漿液配比 （kg/m3）

注漿漿液稠度為9～11cm。

②二次注漿的漿液配比。

二次注漿時注漿材料的選擇以及漿液間比例的選擇需要依據具體的地層地質情況來決定，本區間為巖溶強發育地層，溶洞及溶溝溶槽較多，盾構掘進時雖然增加了同步的注漿水泥漿量，但仍有溶洞未充填滿現象，所以為保證隧道后期的成型質量及防水質量，對拖出6#臺車的管片進行二次注漿，盾構二次注漿采用水泥漿液，特殊地段采用雙液漿，雙液漿凝固時間控制在30s 以內，其配比見表3。

表3 液漿配比表

3.3.2 注漿參數

①注漿壓力為了保證盾構掘進出現的環向的縫隙充填密實，保證管片的結構不會因為注漿而出現形變和破壞，注漿的壓力一般控制在1.1～1.2 倍的靜止水土壓力，即0.2～0.4MPa。

②注漿量。

注漿量：Q=V·λ

λ—指注漿率。

V—盾構法施工產生的間隙（m3）。

V=π（D2-d2）L/4

D—指盾構時的切削外徑（m）（其中削切外徑6.44m）。

d—指預制的管片的外徑（m）（其中預制管片外徑6.2m）。

L—回填時注漿段的長度即為預制管片的每一環的長度（其中預制管片的每一環的寬度為1.5m）。按照上述公式可以出：

Q=（6.44-6.2×3.14×1.5×（130～180%）/4=4.64～6.43m3

即平均 Q=5.53m3/環（1.5m）。

③注漿的速度同步注漿速度要和掘進的速度保持一致，一般以千斤頂行程為1500mm 時注完漿液為宜。

④注漿完成標準采用注漿壓力和注漿量雙指標控制，注漿壓力達到設計壓力，注漿量達到設計值的85%以上。

3.3.3 注漿注意事項

①注漿工序前需要擬定好詳細準確的注漿工序作業操作指導書，同時進行注漿的漿液配合比試驗，確定出適合現場地質情況的注漿用材料和漿液的配合比。

②成立專業注漿小組負責注漿技術工作。

③制訂出詳細完善的注漿工序的施工組織設計以及質量把控的要點，嚴格的按照工序進行注漿作業。

④安排專人來負責，注漿孔編號、注漿量、壓力做詳細記錄，及時繪制P（注漿的壓力）-Q（注漿的量）-t（注漿的時間）曲線，保證注漿的速度與掘進的速度一致，檢查注漿的效果，并根據反饋對下一次的注漿作業進行有效指導。

⑤依據洞內的管片產生的襯砌變形量以及地面變形量等監控測量數據，進而修正和優化注漿工序的施工參數與施工的工藝。

⑥確保注漿系統連續運作，注漿材料應足夠儲量，材料供應及時。

⑦注漿后，注漿管路、設備應進行及時清洗。清洗時的膨潤土漿液應有足夠的濃度，避免因濃度太小而造成注漿管路堵塞。

3.3.4 二次注漿

注漿量不足造成環形間隙充填不夠，使結構與地層變形不能得到有效控制或變形危及地面建筑物、或存在地下水滲漏區段。如發現有注漿不足的地方，可通過管片中部的注漿孔對管片背后進行二次注漿。二次注漿量由現場試驗確定，以壓力控制為標準，壓力控制在0.2～0.4MPa。

4 盾構施工中異常情況的處理

4.1 注漿孔未封堵不嚴密

由于大部分注漿孔位于南湖連通渠，注漿時水位較高，導致部分鉆孔封孔未封堵嚴密，盾構機通過時出現刀盤土倉與南湖連通渠貫通的現象，導致連通渠水倒灌至刀盤土倉內，使渣土含水量增加，螺旋機噴涌嚴重，影響盾構施工安全和效率。

處理方法：從水面拋投棉被和砂袋，封堵住注漿孔，盾構通過后在隧道內進行水泥-水玻璃雙液注漿，徹底堵住水的來源，確保隧道的施工質量。

4.2 遇到未處理的溶洞

通過物探（CT）和鉆探未發現的溶洞多為較小溶洞，根據《溶洞處理專項方案》專家評審意見，專家要求盾構機通過后再進行洞內二次注漿及地面注漿處理，盾構掘進時加大同步注漿量及二次注漿量。

5 結語

洪山區政府站～文昌路區間巖溶區盾構施工過程中遇到的問題，有以下幾點值得借鑒：

①在前期巖溶處理過程中必須加強地質加密補勘。

②溶洞處理鉆孔封堵不嚴，會導致探孔與刀盤掌子面連通，土倉無法保壓影響盾構掘進及開倉換刀，連通渠水通過探孔倒灌至掌子面導致土倉內水量增大，螺旋機噴涌嚴重等現象；為防止盾構施工出現類似現象，加強注漿質量及注漿孔封堵質量等。

③楔形齒滾刀較普通滾刀更適合上軟下硬的巖溶強發育地層，避免反復更換刀具，提高盾構施工工效。

④采用高分子聚合物改良渣土效果較好，改善螺旋機噴涌，減小盾尾的清渣量，提高掘進效率。

⑤加大同步注漿及二次注漿后，成型后管片滲漏水較少，防止地面塌陷。