淺談超大直徑盾構機穿越巖溶區施工技術

摘要：地質條件是盾構過江隧道建設和運營安全的重要影響因素，對復雜地質條件的充分合理應對，則是盾構過江隧道安全建設的重中之重。在各種復雜地質中，巖溶地層對盾構施工影響尤大，極易造成盾構機栽頭、地面塌陷等嚴重危害。以南京某過江隧道工程為依托，介紹、總結了超大直徑盾構機為穿越長江巖溶區復雜地質時，在設備關鍵部件選型、巖溶區探測、洞內外預處理、掘進參數控制等方面采取的措施，通過這些針對性措施，確保了盾構機安全高效穿越巖溶區。

關鍵詞：超大直徑盾構；巖溶區；施工技術

1" "工程概況

南京某過江隧道設計為雙向六車道城市快速路，設計時速80km/h，盾構段長約3km，管內徑13.3m，外徑14.5m。兩條隧道均采用超大直徑泥水盾構機進行掘進施工，其左、右線盾構機開挖直徑分別為15.07m、15.03m。本工程下穿長江主江，盾構隧道依次穿越砂土層、軟弱不均地層、破碎帶、巖溶地層及全斷面硬巖地層。本文主要介紹、總結該工程穿越巖溶區時所采取的針對性措施。

本工程長距離穿越軟弱不均地層，于江南段上岸后進入巖溶區，其巖溶區范圍：左線里程ZK2+050～ZK2+537，長487m；右線里程YK2+060～ZK2+513，長453m。該區域與長江等地表水體、地下水的水力聯系較好，巖溶水水位埋深7.8～41.2m，水位7.55～14.99m，水位變化較大。隧道縱斷面如圖1所示。隧道橫斷面如圖2所示。

隧道范圍內分布揭露灰巖、角礫狀灰巖，溶洞較發育，圍巖中分布較多的溶洞、溶蝕裂隙、斷層破碎帶。灰巖中見洞率為27.3％，單孔巖溶率為2.6％～19.7％；角礫狀灰巖中見洞率為22.7％，單孔巖溶率為1.3％～7.5％；溶洞高度0.2～4.4m不等，一般為可塑-硬塑狀粉質黏土充填，含風化巖塊，部分為空洞。該區域盾構軸線上方存在道路、風景區、水廠泵房、垃圾站、學校及居民區等眾多建構筑物，地面條件較復雜。巖溶區地質縱斷面如圖3所示。

2" "施工重難點及存在風險

若盾構機底部存在較大溶洞，對盾構施工而言風險巨大，可能導致盾構機栽頭、整體下沉等風險。溶洞大小不一，位置不易確定，穿越巖溶時與斷裂帶疊加，且斷裂帶與地表水聯系很好，易造成掌子面坍塌的風險，且溶洞多位于承壓水層，施工風險大。

巖溶發育地段采用注漿填充加固，盾構開挖掌子面為注漿加固體與中風化角礫狀灰巖或灰巖等復合地層，強度差異性較大，形成軟硬不均地層，掘進過程中容易導致盾構機刀具崩齒、偏磨。同時盾構掘進姿態控制困難，易引起盾構施工軸線偏離設計方向，盾構掘進控制難度大。

隧道軸線上方存在多棟建構筑物，受此影響，該區域不具備地面勘探及處理條件，巖溶發育狀態未知。若隧道軸線方向存在未處理的溶洞空腔，施工時地層會受到擾動，極易使得周邊土體坍塌，導致地表沉降，進而對既有建構筑物產生危害。

巖溶發育地段需進行地質詳勘、溶洞注漿等諸多鉆孔任務，鉆孔數量極大。若封孔質量存在問題，將會導致地面與盾構開挖掌子面連通，進而導致盾構掘進冒漿，不易保壓。

3" "總體施工方案

在建設前期，針對盾構在巖溶區掘進施工的重難點及存在風險，項目有針對性的采取多種措施，以確保盾構機安全高效穿越巖溶區。在設備選型上，確保盾構機具備主驅動伸縮擺動功能，配裝滾刀旋轉監測系統、刀具及刀盤磨損監測系統、滾刀載荷系統、開挖倉伸縮攝像頭等多種設備。

針對具備地面處理條件的區段，在盾構掘進前，利用物探方式探明巖溶發育情況，并在地面鉆孔注漿進行預處理。針對由于建構筑物等不具備地面物探及預處理的區段，專門配備TST地震波超前預報系統，在洞內對前方土體進行預探，并配備超前鉆探及注漿系統，在洞內對前方溶洞進行處理。

在掘進過程中，實時調整掘進參數，并采用特制單液漿進行同步注漿，確保盾構施工質量。嚴格按照要求對所用鉆孔進行封堵，確保封孔密實有效，同時嚴格控制同步注漿壓力，以免由于注漿壓力過高而頂破覆土。

4" "巖溶區盾構施工技術

4.1" "盾構機選型

4.1.1" "主驅動伸縮擺動功能實現

針對在巖溶復雜地層容易存在塌方以及卡住刀盤的問題，主驅動配置18個可伸縮油缸（伸縮量400mm）。通過調節油缸行程不僅可使刀盤脫離掌子面，保證巖溶地層換刀安全、高效，還可用于極端情況下刀盤脫困。主驅動伸縮功能實現如圖4所示。

4.1.2" "刀具系列系統配置

針對在巖溶復雜地層中刀具易崩齒、偏磨的問題，盾構機配備了滾刀旋轉監測系統、刀具及刀盤磨損監測系統，以便實時掌握刀具磨損情況，及時對磨損嚴重或工作狀態異常的刀具進行更換，提高了換刀及掘進效率。配備了滾刀載荷系統，通過可視面板顯示滾刀上的負載，可準確的反應掌子面的狀態，提高安全性和生產率，將風險降到最低。

4.1.3" "開挖倉伸縮攝像頭配置

盾構機配備了開挖倉伸縮攝像頭，攝像頭最大工作壓力為1MPa，可進行360°旋轉。在巖溶地層掘進過程中，能夠對刀盤及掌子面進行觀察。開挖倉可伸縮攝像頭如圖5所示。

4.1.4" "超前鉆探及注漿系統

盾構機配備了超前鉆探設備和配套的接口（環向共18處），在施工過程中可對工作面前方地層進行探明，實現超前地質預報以及超前注漿的功能。鉆機安裝在盾構機拼裝機后部橋架上，鉆桿可實現0°、8°、12°等3種角度的延伸，水平鉆探距離至少可達25m。超前鉆探如圖6所示。

4.2" "地面預處理措施

4.2.1" "巖溶分布探測

利用左右線隧道兩側已有的4排防護孔，采用跨孔電阻率CT法與跨孔彈性波CT法兩種方式對巖溶區進行探測。于防護孔平面位置，沿隧道兩側輪廓線外擴4.5m，每條隧道各有2排防護孔，孔間距為3m。每隔12m選取一個防護孔作為探測孔。探測鉆孔及測線布置如圖7所示。

4.2.2" "巖溶探測結果

整個區域內巖溶發育面積及范圍較大，根據巖溶區探測結果及鉆孔過程中的取芯情況，巖溶發育的位置相對集中，可以分為4個主要的巖溶發育區。主要巖溶區域分布如圖8所示。

北部灰巖區域為一大型巖溶發育區所處位置，整個區域內僅有南側小部分區域為巖體較為完整的區域，其余區域均為巖溶發育區域，樁號范圍為ZK2+420～ZK2+537。

中部角礫狀灰巖地區內也包含有一大型巖溶發育區。該發育區位于該區域中間偏東的位置，即為右線大部分區域以及部分左線區域。該區域內巖溶發育情況較為復雜，并且面積范圍相對較大，巖溶發育區的樁號范圍為ZK2+237～ZK2+332。

南部灰巖地區在大部分區域內均為巖體較完整區域，地質情況較好，僅有南側部分區域因與 f11 斷層相交，面積相對較小。

f11 斷層以南區域也為一大型巖溶發育區，區域邊界為 f11 斷層，巖溶發育程度以及巖體破碎程度都較高。巖溶區域的樁號范圍為YK2+060～YK2+102。

4.2.3" "地面注漿處理

采用地面鉆孔鋼花管注漿的方式，在盾構機掘進前對巖溶區進行處理。平面上，在隧道開挖范圍內按照梅花形布孔；隧道兩側利用間隔3m的防護孔進行注漿施工。隧道軸線方向：以隧道左右線兩側外輪廓線為基準，分別各向外延伸7.5m；垂直隧道軸線方向：隧道平面以上7.5m，隧底基面向下延伸15m。注漿材料采用水灰比1：1的42.5級普通硅酸鹽水泥漿，漿液比重為1.52。注漿縱斷面如圖9所示。注漿孔平面布置如圖10所示。

4.2.4" "鉆孔封堵

嚴格按照要求對所用鉆孔進行封堵，嚴查封孔質量，確保封孔密實有效。掘進時，安排專人24h巡視，如出現地面冒漿現象，及時上報，調整掘進參數，進行封堵。嚴格控制同步注漿壓力，最大不得超過0.8MPa，同時嚴格控制切口水壓波動范圍。

4.3" "超前預報系統

由于地面構筑物阻礙， ZK2+186～ZK2+234、YK2+435～

YK2+395及YK2+248～YK2+148段未進行地面勘探，巖溶狀態未知。故在掘進過程中，以管片的二次注漿孔作為安裝孔位，利用TST超前預報技術及系統預測前方的不良地質體及隱伏的重大地質問題，即采用三維地震波法觀測系統，對掘進面前方地質構造進行預報，預測前方圍巖完整性，判斷前方圍巖軟硬情況。若發現前方存在未處理巖溶，則利用超前鉆探及注漿系統進行處理。地震波法超前預報技術原理如圖11所示。

4.4" "盾構機掘進參數調整

在巖溶地層中，盾構掘進采取“小推力、中轉速”模式推進，推進速度≤5mm/min，刀盤轉速為0.9～1.15min，總推力≤120000kN，切口壓力根據埋深確定，最大不得超過0.5MPa。

4.5" "盾構機姿態控制

充分利用VMT導向系統控制盾構機的掘進方向，密切關注盾構掘進參數軸線姿態，發現軸線偏移量超限，依據偏移方向趨勢調整分區千斤頂推力，及時均勻糾偏。盡可能使盾構機相對于軸線為抬頭狀態，但盾構機軸線與設計軸線的夾角應控制在0～4mm/m內。

若盾構線路偏離設計線路，遵循“長距離，緩糾偏”的原則，對盾構姿態進行調整。糾偏過程中將推進速度降低至5mm/min左右，每環盾構姿態改變量控制在5mm以內，防止糾偏過急使盾尾擠壓已拼裝管片。千斤頂推力應控制在30MPa以下，防止管片局部破碎。糾偏過程中勤測盾尾間隙，防止盾尾間隙過大或過小。

4.6" "同步注漿

同步注漿管采用八用八備管路，在盾尾處左右對稱布置。其漿液為特制水泥砂漿，該漿材具有結石率高、結石體強度高、耐久性好的特點，配比如表1所示。將本區域注漿壓量控制在36～40m3，注漿壓力控制在0.5～0.7MPa。

4.7" "監控量測

由于本工程在巖溶區下穿眾多地面建構筑物及地下管線，為確保掘進施工及上方環境安全，除在隧道推進方向上，沿軸線每50m布置一個沉降監測斷面的常規監測外，還針對管線及地面建構筑物進行專項監測。

在隧道軸線上方兩側30m范圍內的地下管線上，設置沉降監測點。當地下管線位于主要影響區時，沉降監測點布設間距為5～15m；位于一般影響區時，沉降監測點布設間距為15～25m。

在隧道軸線上方兩側30m范圍內涉及的所有建構筑物，以每幢建筑物為單元，在墻角、立柱或外墻中間合適位置設置監測點。同時30m以外延伸的墻、柱參考規范要求布設監測點。

監測頻率根據開挖面距量測斷面前后距離確定；＜2D時，1次/天；＜5D時，1次/2天；≥5D時，1次/周。D為盾構機開挖直徑，本工程按照15m考慮。

5" "結語

該工程在巖溶區采取的系列措施，大大提高了盾構機掘進效率，日均掘進達3m，且根據監測數據顯示，盾構下穿巖溶區時，地表最大變形量為-2.5mm，可基本忽略盾構機掘進對地表產生的影響。其左、右線超大直徑盾構機分別于2021年7月23日及2022年1月6日成功安全高效地穿越了巖溶區。綜上所述，通過盾構機選型、地面預處理及掘進參數調整等一系列措施，能夠有效解決超大直徑盾構穿越巖溶區時易哉頭、掌子面易坍塌、掘進控制難度大及易造成地面沉降等問題，可為今后類似施工情況提供借鑒。

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