深圳地區巖溶高發育地質條件下盾構隧道施工風險及控制研究

段國棟

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，廣東深圳 518000）

1 工程概況

此次主要研究深圳市城市軌道交通16 號線工程三工區龍城中路站—龍平站區間巖溶處理施工。區間線路設計起點為龍城中路，線路出龍城中路站后沿龍平東路敷設，呈東西走向，區間下穿龍崗河后進入龍平站。途經陽光廣場、京業樓、勁嘉龍園印象、盛平橋。龍平西路、龍平東路為深圳市龍崗區東西方向主干道，路面車流量大，交通繁忙。

該區間在YCK19+550.000 設置一聯絡通道、YCK19+963.000 設置一聯絡通道兼泵房。覆土厚度約為9～21.2m。區間坡度為20‰、6.054‰。

采用盾構法進行施工，工程概況線路如圖1所示。

圖1 三工區線路概況圖

2 工程地質條件

2.1 地形地貌及地層巖性

根據區域地質資料，結合此次勘查資料等，確定區間工程地質情況，如表1 所示。

表1 區間工程地質表

2.2 巖土分層及其巖性特征

場地地層巖性較復雜，車站主體結構穿越的地層主要 為1-1 雜填土、5-2-3 粉質黏 土、5-3-1 粉 細砂、5-3-2 中粗砂、31-4-12 微風化灰巖（巖溶強烈發育），車站范圍內存在溶洞；底板所在的地層為31-4-12 微風化灰巖（巖溶強烈發育），局部存在溶洞。

2.3 水文地質情況

地下水是賦存并運移于地下巖土空隙中的水，對盾構隧道施工等地下工程有較大影響。此次勘查觀測到松散巖類孔隙水（1）和裂隙巖溶水（3）。松散巖類孔隙水（1）主要賦存于填土、粉細砂、中粗砂中，以蒸發、側向徑流排泄；裂隙巖溶水（3）主要賦存于石炭系石磴子組灰巖裂隙和溶洞中，以側向徑流、人工開采方式排泄。推薦滲透系數K 值主要參照抽水試驗結果及地區既有的基坑設計經驗值[1]。

2.4 重要管線及建筑物

龍城中路站—龍平路站區間下穿龍崗河及側穿盛平橋橋樁，龍崗河河底設計標高為25.148m，東岸為C25 鋼筋混凝土矩形箱涵，斷面尺寸為4m×3m，西岸截污箱涵為1.2m×1.8m 鋼筋混凝土矩形箱涵，區間軌面高程為7.685m，隧道頂距河底凈距為12.6m，河底位于粉細砂層，隧道位于微風化石灰巖中，區間距盛平橋橋樁最小凈距為4.5m。

2.5 龍龍區間巖溶發育基本條件特征

深圳地區可溶巖為下石發統大塘階石登子組碳酸鹽巖，埋藏于下石炭統大塘階測水組下段砂頁巖之下，按其出露條件可分為埋藏型與覆蓋型兩類。現階段，多已變質為大理巖和白云巖，部分為結晶灰巖，主要在龍崗河、坪山河及其支流斷陷谷地盆地區。

此次巖溶專項和詳勘鉆探過程中，揭露大量溶洞，156 個可溶巖勘探孔有53 個勘探孔揭露到溶洞，見洞隙率33.97%，線巖溶率為0.97%～44.93%，總線巖溶率為4.93%。根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）表6.6.2，巖溶發育等級為強發育，巖溶發育等級和詳勘結果一致。溶洞在物探結果上顯示為波速值低，鉆探上顯示為鉆進快或鉆具自由下落，巖芯可見溶蝕面、充填物等。從鉆探及物探資料分析，溶洞斷面形態極不規則，規模大小不一，部分溶洞呈串珠狀發育，連通性較好，規模較大。

3 盾構區間施工風險評估及控制

3.1 施工風險

首先，位于隧道底的部分溶洞，其填充物為淤泥和松散細砂，具有強度較低、易變形、穩定性較差、承載力很低等特點，若未對其進行處理，可能導致盾構機突陷等意外事故。其次，多數溶洞呈串珠狀分布于隧道工作面，且隧道頂的部分溶洞受區域地形地貌及地層巖性等影響，其填充物為淤泥、砂層和黏土，其強度較低、易變性和穩定性較差、承載力較低，而隧道底為中、微風化石灰巖，其強度及穩定性較好、承載力較大，是典型的上軟下硬地層。由于溶洞夾板為巖層，難以形成土壓平衡掘進模式，可能造成拱頂坍塌、工作面土體流失以及地表沉降等。最后，溶洞填充物和灰巖地層承載力差別較大，可能造成不同地層之間的差異沉降，影響地鐵正常運營，甚至可能導致安全事故的發生[2]。

3.2 巖溶鉆孔風險評估及控制

3.2.1 風險點基本狀況

經專業評估，巖溶鉆孔風險為Ⅰ級，主要包括以下幾點：第一，鉆孔位置存在地下管線；第二，鉆孔時鉆桿吊裝用鋼絲繩老化，鉆桿滑墜傷人；第三，鉆孔時鉆機水管接頭老化，接口崩開傷人。

3.2.2 主要控制措施

第一，施工人員應探查各種地下管線，對影響巖溶鉆孔施工的地下管線進行遷改或加固處理，并使用洛陽鏟進行鉆孔位置探溝開挖，發現存在地下管線則適當調整鉆孔位置或者進行斜孔施工；第二，現場技術員聯合安全員每天對鉆機設備進行安全檢查，若發現問題應及時停工并督促隊伍整改，整改完畢后再恢復施工。經預測，采取措施后，殘余風險等級為Ⅳ級。

3.3 巖溶注漿風險評估及控制

3.3.1 風險點基本狀況

經專業評估，巖溶注漿風險為Ⅰ級，主要包括以下幾點：第一，注漿漿液、注漿管、止漿塞等注漿材料選擇不當；第二，注漿工藝不當、設備不滿足工藝要求或不按照注漿程序施工；第三，注漿效果未達到結束標準，檢查手段不足等；第四，漿液配比不當，注漿壓力控制過大或過小；第五，監控量測測點不足、數據有誤、反饋不及時；第六，由于注漿引起周邊建筑變形或管線沉降。

3.3.2 主要控制措施

第一，綜合考慮注漿工藝、施工方法等選擇合適的注漿材料；第二，根據注漿工藝選擇合適的注漿設備，嚴格按照注漿程序施工；第三，現場試驗采用合適的漿液配合比、注漿壓力等參數；第四，全部注漿孔達到注漿結束標準時方可結束注漿，并根據檢查孔情況決定是否需要補充注漿；第五，做好監控量測工作，在鉆孔注漿前埋深監測點并記錄初始數據，注漿過程中加強監測；第六，加強對周邊地面的巡視，包括檢查是否有漏漿、地面下沉、隆起等現象。經預測，采取措施后，殘余風險等級為Ⅳ級。

3.4 工藝流程

巖溶處理施工工藝如圖2 所示。

圖2 巖溶處理施工工藝框圖

4 復雜（不良）地質條件下具體施工方法

4.1 上軟下硬地質條件下施工方法

4.1.1 盾構機掘進技術

在上軟下硬地層，應視地面環境選擇掘進模式，并及時把握換刀時機，以降低風險。若盾構機為高轉速，則盾構機震動大，遇硬巖盾構機的刀圈會馬上崩斷。因此，建議過微風化灰巖地層盾構機的驅動模式應為高轉速低扭矩模式。

4.1.2 盾構機姿態糾偏方法

根據DDJ 系統顯示數據，通過調整各分區千斤頂的壓力及刀盤轉向調整盾構機的姿態。若硬巖段盾構機滾動角過大，可通過反轉刀盤減小；若盾構機豎直下偏，則應提高下部千斤頂的壓力，反之亦然。若水平向右偏，則應提高右側分區的千斤頂壓力。同時，盾構機姿態糾偏應該結合實際情況，并遵循滾動角過大以及豎直方向和水平方向控制的具體原則。

4.2 全斷面微風化石灰巖地層處理及掘進技術

第一，掘進中應根據需要適當使用泡沫、膨潤土，如遇連續掘進且地下水較少的情況，應適當加水改良渣土，以便螺旋輸送機排土。第二，刀具在硬巖中掘進磨損較大，因此應準備足夠的刀具，并及時檢查和更換刀具。對于刀具磨損程度的掌握，可以通過例行檢查以及施工參數的變化判斷。第三，盾構機在硬巖中掘進時，應控制好姿態，避免頻繁糾偏，防止滾刀受力不均勻而導致局部滾刀變形損壞。第四，在全斷面硬巖掘進中，主要以高轉速、低扭矩、低推力、欠土壓、慢速度為原則。掘進過程中，需要選擇合理的掘進總推力、刀盤轉速、扭矩等掘進參數。例如，掘進推力是影響刀具磨損的直接參數，推力過小影響掘進進程及施工進度，推力過大會使滾刀軸承受擠壓產生變形，最終可能因不堪重載造成滾刀刀圈破損。第五，在硬巖中掘進，應盡可能選用敞開（欠土壓）模式進行。第六，在硬巖中掘進，應采取連續掘進，及時、足量注漿，并保證注漿質量，以防止隧道管片上浮。

4.3 盾構穿越巖溶地層掘進方法

第一，為了防止巖溶鉆孔和巖溶注漿風險，在施工前需要對施工區域地質狀況進行認真勘查，全面了解區域地層巖性、水文地質、重要管線及建筑物等，以便對其中的巖溶區域和高風險溶洞進行注漿加固，并對重要管線及建筑物采取遷改或者拆除的處理措施，最大限度地減少對施工造成影響。第二，為了保證施工的順利進行，在施工前需要對施工中可能出現的狀況進行預測及評估，全面分析施工中可能出現的不利事件以及影響因素，并做好相應的應急預案，將其對隧道施工造成的不利影響降至最低。同時，為了保證在出現鉆孔塌陷或者突水事故時能夠及時合理應對，需做好施工前的材料準備工作，以便在出現問題時有序開展各項搶險與加固處理措施。第三，在地鐵隧道盾構穿越巖溶施工過程中，為了避免鉆孔和投砂孔的注漿漿液溢出，需要保證注漿加固的施工質量。同時，在注漿作業完成后，需要對注漿孔進行封填與密實處理。需注意，應采用先進的施工設備和施工技術對鉆孔和投砂孔密閉，以保障地鐵隧道后續施工作業的安全性。

4.4 施工監測內容及范圍

灌漿施工過程中，由于受灌漿壓力影響，可能出現地面上抬，使混凝土路面或建筑物發生變形、開裂等危害現象，或使地下管線發生變形、損壞。因此，應在巖溶注漿施工期間進行監測，以隨時掌握和了解地下管線或建筑物的變形和位移情況，優化設計參數及施工方法，指導施工的安全進行。

監控測點應布置在路面或建筑物表面，并在每次固結灌漿前、灌漿后及灌漿過程中采用水準儀及全站儀對影響范圍內的測點進行一次監測。具體監測內容及范圍如下：第一，為確保溶洞處理施工過程中周邊環境安全，應在施工過程中對溶洞處理70m 范圍內建筑物進行施工監測，以監測溶洞施工過程中對建筑物的影響程度。每天上午、下午進行兩次監測，如有預警情況，應加密監測。第二，現場施工過程中，間隔20m 挖一處探溝，對管線位置再次進行確認，并對位置坐標進行測量取點，繪制成圖紙，同時在管線上布置監測觀察點，每天進行上午、下午兩次監測，如有預警情況，應加密監測。第三，鉆孔完成后，為了全面、及時地了解地下水位情況，每個溶洞應根據投影面積大小選取1～2 孔作為地下水位監測孔，并根據相關規范具體要求及專項施工監測方案，安裝水位監測管，每天進行上午、下午兩次監測，如有預警情況，應加密監測。

5 結語

綜上所述，文章通過針對巖溶地區的地質特點及盾構施工問題，分析盾構區間施工風險評估，指出如何處理盾構施工過程中施工風險的控制措施，對深圳市城市軌道交通16 號線工程三工區龍城中路站—龍平站區間巖溶處理施工提出建議，形成一套具有工程指導性的方案，為巖溶高發育地質條件下盾構隧道施工的安全性提供有力保障。