超大直徑盾構機穿越巖溶區施工技術研究

張建容

摘 要：超大直徑盾構機主要面向長跨越、高要求的隧道工程，與傳統隧道施工方法進行對比，具有施工安全可靠、效率高、質量好、環保要求嚴格等顯著優勢，是巖溶區隧道施工的首選方案之一。由此，根據南京某過江隧道工程施工內容來分析超大直徑盾構機穿越巖溶區施工技術，明確技術應用要點的基礎上全方位管控巖溶區域存在的各類施工管控問題，充分發揮當前工程的綜合經濟效益。

關鍵詞：超大直徑；盾構機；巖溶區

中圖分類號：U445.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）05-0040-03

1 超大直徑盾構機在巖溶區的施工優勢

隨著城市地下工程建設的不斷推進，越來越多的城市開始采用超大直徑盾構機技術來進行穿越巖溶區的隧道施工，其具有以下3個優勢。

第一，超大直徑盾構機可以突破難度較大的地層。由于巖溶地區地下空洞較多，隧道穿越的地質條件復雜，通常使用傳統掘進方法難以突破，而超大直徑盾構機可以通過施工時，調整掘進參數、改變注漿方式等手段來靈活應對不同的地質條件，獲得更好的穿越效果。

第二，超大直徑盾構機的安全性較高，施工效率更快。由于巖溶地區的巖溶溶蝕形成了地下空洞，使用傳統隧道掘進方法在鉆洞或者掘進過程中經常會出現垮落風險，使用超大直徑盾構機可以有效地減少這類安全隱患，并可以在較短的時間內完成較長的隧道施工。

第三，與傳統掘進方式相比，超大直徑盾構機在穿越巖溶區施工時，碎屑、煙氣、噪聲等環境污染物大大減少，對當地環境影響較小，可以有效保護地質環境和生態環境[1]。

2 超大直徑盾構機穿越巖溶區的項目工程概況

該隧道在前期設計當中盾構段長度管控在3 km，管內徑13.3 m，外徑14.5 m，若想要將超大直徑泥水盾構機應用到其中提高施工效益，則要在正式推進挖掘工作之前設置一定的預留區域。當前工程在推進當中存在一段水下施工，水下施工段內巖層結構分布相對復雜，進而強調盾構機穿越階段的方向管控以及巖層穩定性管控效益。圖1為隧道縱斷面示意圖，圖2為隧道橫斷面示意圖。

從各項數據上來看，當前工程隧道內地質結構相對復雜，巖層分布不均的同時巖層所屬類型穩定性較弱，并且對巖層周邊進行調研還可以發現，是處在發育狀態下的溶洞。這一巖層分布特性在增加施工難度的同時，也為施工流程的安全管控工作帶來了較多的難題。從數據監測結果上來看，當前施工區域內灰巖中的洞穴出現率為27.3%，溶洞的高度在0.2～4.4 m。并且盾構機主要行進方向上途經大量地表建筑物，綜合施工環境更為復雜。盾構機底部存在較大溶洞，溶洞的大小不一且位置難以確定，這將增加施工的困難和風險，容易出現盾構機栽頭、整體下沉等嚴重問題，加上巖溶發育地段往往與斷裂帶相互疊加，增加了地下水流動的復雜性，水的滲透和沖刷的可能性增大，因此對盾構機工程提出更高的要求。

通過詳細的勘探和調查工作，使用地質勘探技術，如地震勘探、地下水位監測等，了解地下情況，尤其是溶洞的位置和大小。此次施工采用注漿填充加固方法，但是施工中還存在強度差異性，使得掘進過程中容易出現盾構機刀具崩齒、偏磨，對盾構機的損耗較大。如果隧道軸線方向存在未處理的溶洞空腔，施工過程中的地層擾動可能會增加周邊土體坍塌的風險，使得地表建筑物受到較大威脅。因此還需要施工單位能夠提高重視，加強對施工人員的培訓與教育，使其可以在施工過程中必須時刻保持警惕，嚴格按照相關規范操作，確保施工安全順利進行，并且要進行地表沉降監測、應力監測等，可以及時發現和評估地表沉降情況，采取必要的補救措施[2]。

3 超大直徑盾構機穿越巖溶區施工技術應用要點

3.1 施工準備

在制定施工方案之前，對過江隧道的巖溶地層進行詳細的地質勘察與預測，確定地質條件，洞室穩定性和地下水變化等參數，以便在施工過程中采取適當的措施，并根據過江隧道的實際情況，選擇合適的超大直徑盾構機，考慮盾構機的適應性和性能，以確保施工的順利進行。對于過江隧道這樣的大型隧道工程，施工組織和安全管理非常重要，還需要考慮人員組織、施工時間安排、施工工藝流程等因素，確保施工過程中的安全措施得以落實，最大限度地減少事故風險[3]。

3.2 盾構機選型

3.2.1 主驅動伸縮擺動功能實現

在主驅動配置18個可伸縮油缸（伸縮量400 mm），使得盾構機的刀盤具有相對移動的能力，以此不僅可以滿足巖溶地層刀具更換的安全、高效，還可用于極端情況下刀盤脫困。該功能保證了盾構機在施工過程中能夠靈活應對地質條件的變化，提高施工的安全性和效率[4]。

3.2.2 刀具系列系統配置

需配置適合巖溶地層的刀具系列系統，刀具的選擇應綜合考慮地質條件、巖石強度和破碎性等因素，并進行針對性的調整，以提高刀具的壽命和開挖效率。例如滾刀載荷系統，通過可視面板顯示滾刀上的負載，可準確的反應刀具的受力狀態，從而大大提高施工的安全性。

3.2.3 開挖倉伸縮攝像頭配置

巖溶區溶洞、斷層、裂隙等特殊地質較為復雜，通過配置伸縮攝像頭可以實時監測開挖面的情況，包括地質災害風險的預警、地質結構和地下水情況等，確保施工的安全性和穩定性。一般攝像頭最大工作壓力為1 MPa，可進行360°旋轉。

3.2.4 超前鉆探及注漿系統

巖溶地層中可能存在不穩定巖體、溶洞等地質風險，為了充分了解地質情況并及時采取應對措施，盾構機應配置超前鉆探及注漿系統。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25 m[5]。

3.3 地面預處理

3.3.1 巖溶分布探測

巖溶分布探測需要采用跨孔電阻率CT法和跨孔彈性波CT法兩種方式對巖溶區進行探測，其中跨孔電阻率CT法是通過埋設電極和傳感器，利用電流通過巖溶層進行測量，來獲取巖溶地層電阻率分布情況。電阻率的變化可以反映不同地質層的存在，進而判斷巖溶區的分布情況。跨孔彈性波CT法是通過布設傳聲器和震源，發送彈性波信號，通過接收信號的傳播時間和振幅變化，反演巖層的聲波速度和密度，進而推斷巖溶地層的情況。在此次工程中，通過探測可以發現，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[6]。

3.3.2 地面注漿處理

在具體的技術應用與管控方面，工程管理方可將地面鉆孔鋼花管注漿這類方式整合到其中，充分發揮盾構機械應用成效的基礎上減少盾構機在運行當中遇到的各類阻礙性問題。由此要對盾構機行進方向以及臨近施工區域的各類巖溶區域展開對應的故處理，平面管控方面則要根據前期處理方案，以梅花形為基準開挖孔洞，配合隧道施工需求推進注漿流程。之后根據隧道軸線走向以及施工區域周邊巖層條件來向外延展7.5 m，垂直隧道軸線方向：隧道平面以上7.5 m，隧底基面向下延伸15 m。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∶0.5[7]。

3.3.3 鉆孔封堵

在進行鉆孔封堵時，需要采取一系列的施工措施以確保封堵效果和施工質量。先根據洞穴或溶洞的位置、大小和分布等因素，合理布置鉆孔位置和孔距，以確保封堵效果，然后使用注漿設備將封堵材料注入鉆孔中，實現地下空洞的封堵。在注漿過程中，需根據地質條件和封堵需求，調整注漿材料的比例和注漿壓力[8]。

3.4 盾構施工

3.4.1 盾構機姿態控制

采用精確的傳感器和儀器，對盾構機的姿態、位置和位移等參數進行實時監測和測量。這些參數的數據可用于控制盾構機的運動和速度，調整開挖方向，最大程度地避免地質風險和隧道崩塌等安全事故。在具體作業中，應該使盾構機相對于軸線為抬頭狀態[9]。

3.4.2 超前注漿

選擇適宜的注漿材料，常見的注漿材料包括水泥漿、高嶺土漿和有機膠體等，通過鉆孔設備在盾構機前方的巖層或地質層進行鉆孔，以便注入封固材料，然后利用注漿泵將注漿材料注入鉆孔中，填充空隙和裂隙，形成穩定的封固體。同時控制注漿的壓力和流量，保證注漿效果[10]。

4 結束語

巖溶地區地下空洞多、地層不穩定、巖溶水位變化大，因此必須通過合適的技術手段解決這些問題，確保盾構施工的安全、高效進行。依照工程實際推進效果來明確盾構機型號篩選方案，調控地面預處理細節的基礎上優化前期設計階段當中的各項數值管控方案，全方位發揮超大直徑盾構在工程當中應用成效的基礎上解決施工當中存在的各類質量問題。

參考文獻

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[2] 李寧.淺談超大直徑盾構機穿越巖溶區施工技術[J].工程機械與維修，2023（1）：76-79.

[3] 劉福昌，林鳳，馬云鶴.超大直徑盾構隧道首次穿越巖溶區[N].中國鐵道建筑報，2021-11-02（001）.

[4] 陳述明，王偉，董昌領，等.我國自主研制超大直徑盾構機掘進破千米[N].中國工業報，2020-11-13（001）.

[5] 楊雪冬.不同巖溶條件下盾構隧道受力數值模擬研究[J].遼寧省交通高等專科學校學報，2022（6）：13-16.

[6] 金鳳.國內實現超大直徑盾構穿越巖溶區[N].科技日報， 2021-11-01（002）.

[7] 葉宇航，羅旭，劉健美，等.巖溶區大直徑盾構隧道下穿機場飛行區不停航施工建設方案[J].城市軌道交通研究，2024，27 （01）：269-275.

[8] 王余良.巖溶區雙模式盾構下穿建筑群的施工風險控制[J].建筑機械化，2017，38（06）：53-54.

[9] 楊永魁，張建.巖溶發育區盾構法施工技術探討[J].現代城市軌道交通，2021（S1）：66-70.

[10] 唐冬云，陳培帥，黃威.盾構隧道巖溶地層處理及掘進施工控制技術研究[J].中國水運（下半月），2018（8）：215-216.