黎新亮

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程概述

1.1 區(qū)間平面概況

長沙市軌道交通3號線阜埠河路站—書院路站區(qū)間總長2 658.3 m，越江段長約1 400 m。區(qū)間起于阜埠河路站，下穿岳麓科教新村6～7層居民樓，側(cè)穿7層天馬學(xué)生公寓、5層湖南考試學(xué)院，下穿和側(cè)穿3～6層晚安家居，側(cè)穿10層天麓大酒店，然后橫穿瀟湘中路，下穿湘江西河汊、橘子洲以及湘江東河汊，最后橫穿湘江中路進(jìn)入書院路站。本區(qū)間共設(shè)4個聯(lián)絡(luò)通道，2個區(qū)間風(fēng)井。區(qū)間平面如圖1所示。

圖1 阜埠河路站～書院路站區(qū)間平面

1.2 工程河段水利工程

目前長沙航電樞紐工程正在建設(shè)中，壩址位于湘江下游蔡家洲，距長沙市軌道交通3號線約30 km(圖2)，正常蓄水位初定30～31 m，計(jì)劃2014年全部竣工。該水利工程目前已開始蓄水，湘江西河汊已無枯水期。

圖2 軌道交通3號線與長沙航電樞紐工程示意

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

(1)地質(zhì)背景

阜埠河路站—書院路站區(qū)間屬湘江Ⅰ級階地、河漫灘及河流(床)，擬建區(qū)間勘察區(qū)內(nèi)出露的地層主要有第四系(Q)覆蓋層和下伏基巖。其中，第四系覆蓋層包括第四系人工填土、河流相沖積的黏性土、砂、礫、卵石及殘積層;下伏基巖為白堊系戴家坪組(Kd2)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖，泥盆系跳馬間組(Dt)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、灰?guī)r、碎裂巖及泥灰?guī)r等。

(2)溶洞發(fā)育規(guī)律

溶洞發(fā)育巖層為中風(fēng)化灰?guī)r和中風(fēng)化礫巖，分布里程為右CK15+848.513～右CK16+092.049。中風(fēng)化灰?guī)r巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，呈灰白色、灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，方解石脈充填，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，巖體較完整，局部較破碎，巖芯呈塊狀、短柱狀，巖質(zhì)較硬。中風(fēng)化礫巖呈棕紅色、紫紅色等，礫狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)及鈣質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，巖芯塊狀、短柱狀，巖質(zhì)較硬。

(3)溶洞分布形態(tài)

巖溶在區(qū)間隧道洞身及隧道四周均有分布，見洞率約78%，平均線巖溶率約20.6%。本次勘察在泥盆系石灰?guī)r中共24個鉆孔揭露有溶洞，在白堊系砂礫巖中共12個鉆孔揭露有溶蝕空洞，溶洞及溶蝕空洞分布位置及深度無規(guī)律，且大都為多層溶洞或多層溶蝕空洞，呈串珠狀，層數(shù)高達(dá)12層，洞高最高為22.46 m。

(4)溶洞填充情況及與湘江水聯(lián)系情況

大部分溶洞及溶蝕空洞內(nèi)有充填物(具有充填物的溶洞及溶蝕空洞所占全部溶洞及溶蝕空洞的比例約為72.2%)，充填物大部分為卵石或黏性土夾砂、卵石，飽和，松散～稍密狀，說明溶洞與河流存在水力聯(lián)系［1］。

2.2 水文地質(zhì)

地下水按賦存方式分為第四系松散層孔隙水，層狀基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。

(1)松散層孔隙水:含水層主要包括欠壓實(shí)～稍壓實(shí)的填土層、沖積砂礫層、卵石層。

(2)層狀基巖裂隙水:層狀基巖裂隙水主要賦存在泥盆系碎屑巖的強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶，其賦存條件與巖石風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育程度等有關(guān)。

(3)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水:碳酸鹽類裂隙溶洞水主要賦存在泥盆系石灰?guī)r中，其富水性和滲透性受巖溶發(fā)育程度、連通性、形態(tài)、規(guī)模大小以及裂隙充填情況等因素影響。

3 工程風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)區(qū)間穿越溶洞區(qū)風(fēng)險(xiǎn)主要分為前期溶洞處理的風(fēng)險(xiǎn)及盾構(gòu)穿越溶洞施工期間風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)就該兩種風(fēng)險(xiǎn)分析如下。

(1)前期溶洞處理風(fēng)險(xiǎn)分析

結(jié)合本工程實(shí)際情況，越江段隧道不可避開溶洞發(fā)育區(qū)，因此在前期溶洞處理時，溶洞穿越的范圍越大，則施工風(fēng)險(xiǎn)越大。其次，此次溶洞處理主要采取江面和地面進(jìn)行處理，處理方式主要是先探洞，再進(jìn)行溶洞的填砂、石，然后對填充體進(jìn)行注漿加固。地面處理主要在橘子洲進(jìn)行，施工風(fēng)險(xiǎn)較小;江面進(jìn)行溶洞處理時，湘江水位變化對溶洞處理影響很大，同時江面不同的處理方案，對溶洞處理效果影響很大，從而直接影響后期盾構(gòu)穿越該溶洞發(fā)育區(qū)的安全。

(2)盾構(gòu)穿越溶洞施工期間風(fēng)險(xiǎn)

越江段詳勘顯示，溶洞發(fā)育區(qū)與湘江水存在通道聯(lián)系，如果前期溶洞處理沒達(dá)到既定設(shè)計(jì)要求，溶洞加固區(qū)存在一些未完全填充加固的空洞，特別是該空洞出現(xiàn)在隧道的下方，則存在盾構(gòu)機(jī)栽頭的巨大風(fēng)險(xiǎn)，同時在江底高水壓施工情況下，特別是在溶洞區(qū)，極易發(fā)生突水及突涌風(fēng)險(xiǎn)。

溶洞發(fā)育區(qū)所在區(qū)間全長約2.66 km，設(shè)有區(qū)間風(fēng)井，溶洞位于湘江西河汊東側(cè)以及橘子洲西側(cè)，處于越湘江隧道中心地帶，盾構(gòu)穿越該地段需在區(qū)間兩端盾構(gòu)始發(fā)井、調(diào)出井、區(qū)間風(fēng)井以及溶洞區(qū)加固施工完成之后進(jìn)行，施工時機(jī)以及施工工期受到一定制約。

4 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施

4.1 優(yōu)化線路平面設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)條件、線路對地塊的切割以及對所經(jīng)區(qū)域建筑物的影響、結(jié)合其他軌道交通線路的換乘研究和站位選擇，研究了白沙路過江方案，勞動路北線過江方案和勞動路中線過江方案，如圖3所示。3種過江段線路方案比較見表1。

通過以上分析，本區(qū)間推薦采用方案三勞動路中線過江方案，該方案減小了溶洞穿越區(qū)域，避開了對湘江東河汊影響，同時避免對湘江一級水源的污染，方案三穿越溶洞區(qū)詳見圖4、圖5。

圖3 穿湘江方案比較示意

表1 過江段線路方案比較

圖4 區(qū)間左線地質(zhì)縱斷面

圖5 區(qū)間右線地質(zhì)縱斷面

4.2 前期溶洞處理風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施

(1)湘江西河汊溶洞處理方案比選

橘子洲下方溶洞處理面積約5 289 m2，湘江西河汊下方溶洞處理面積約3 028 m2。針對湘江西河汊下方溶洞，處理方式分為圍堰處理和江面直接處理。兩 種處理方式對比如表2所示。

表2 溶洞處理方式對比

通過以上對比可知:江面直接處理較圍堰處理施工風(fēng)險(xiǎn)小，受汛期影響較小，但圍堰處理較江面直接處理對湘江西河汊環(huán)境影響小，尤其是溶洞處理效果及檢測效果要好。因此，推薦采用圍堰處理。

對于圍堰處理可考慮采用鋼板樁圍堰、筑堤圍堰和筑島施工。3種方案介紹如下。

①鋼板樁圍堰［2］

結(jié)合湘江西河汊工程地質(zhì)及水文地質(zhì)，鋼板樁如不設(shè)內(nèi)支撐系統(tǒng)，則最大擋水深度為4 m，施工時最高水位為25.2 m。采用12 m長包Ⅳ型拉森式(U型)鋼板樁，鋼板樁埋入河床底深度為7 m，鋼板樁支護(hù)方案如圖6所示。

圖6 鋼板樁支護(hù)斷面(單位:mm)

如考慮施工期間西汊水位為31 m(長沙航電樞紐工程最高蓄水)，擋水高度為8.8 m，則需采用18 m長鋼板樁，鋼板樁埋入河床底深度為8 m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用內(nèi)支撐體系，內(nèi)支撐體系為1道 φ609 mm、t=16 mm的鋼管支撐。

②筑堤圍堰

筑堤圍堰需考慮施工期間迎水面留有一定寬度設(shè)置安全網(wǎng)以及施工人員能在壩上行走作業(yè)，壩面設(shè)計(jì)寬度為3 m，江面高程31 m。施工流程為先取砂，后運(yùn)砂枕，最后進(jìn)行拋枕，拋砂枕時應(yīng)注意先護(hù)底，后筑壩，筑堤圍堰剖面詳見圖7。

③筑島施工

圖7 筑堤圍堰剖面(單位:mm)

筑島施工可在筑堤圍堰基礎(chǔ)上將圍堰內(nèi)水抽干后進(jìn)行填充，筑島施工需嚴(yán)格控制對筑島填充材料的選擇，避免對湘江西河汊水源的影響。

3種圍堰優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案分析如下。

鋼板樁圍堰受汛期影響較大，如擋水深度超過4 m，則需增加內(nèi)支撐系統(tǒng)，對施工機(jī)械設(shè)備有一定的要求，影響施工進(jìn)展;筑堤圍堰及筑島施工受汛期影響較小，可根據(jù)湘江水位相應(yīng)調(diào)節(jié)圍堰及筑島高度。筑島施工相對筑堤圍堰，對環(huán)境污染大，但自身穩(wěn)定性相對筑堤圍堰好，且盾構(gòu)在溶洞區(qū)施工時，如遇突發(fā)情況，可利用人工島采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。

通過以上分析，湘江西河汊溶洞處理推薦采用筑堤圍堰，并根據(jù)實(shí)際工程需要，結(jié)合筑島施工。

(2)溶洞處理方案設(shè)計(jì)

①溶、土洞充填加固處理的范圍:盾構(gòu)隧道側(cè)壁外5 m，底板下10 m，頂部全部處理。具體詳見圖8。

②溶洞處理的施工步驟:溶、土洞處理與否判斷→溶、土洞處理→溶、土洞處理效果檢查［3］。

③溶、土洞處理加固主要采用先填充再注漿加固的方法［3］。

a.注漿施工時，應(yīng)先施做止水、止?jié){帷幕，將處理范圍內(nèi)溶洞與外界洞體隔離，再處理中間區(qū)域。若在周邊孔注第一次漿時，注漿量已較多，壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時，周邊孔與中央孔可交替注漿。

b.發(fā)現(xiàn)漿液流失嚴(yán)重時添加水玻璃速凝劑，以確保注漿效果。

c.中央?yún)^(qū)域注漿孔應(yīng)跳躍施工，以防止跑漿，竄漿現(xiàn)象。

圖8 溶、土洞處理范圍(單位:mm)

4.3 盾構(gòu)穿越溶洞施工期間風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施

(1)盾構(gòu)機(jī)選型及設(shè)計(jì)技術(shù)建議

①盾構(gòu)機(jī)選型建議

根據(jù)本工程的總體布置、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、沿線建筑設(shè)施及地下管線等環(huán)境條件、盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)、施工條件及工期等多方面要求，可供選擇的盾構(gòu)機(jī)主要有土壓平衡盾構(gòu)及泥水加壓式盾構(gòu)，兩種盾構(gòu)比較見表4。

表4 盾構(gòu)選型與相關(guān)因素分析

兩種盾構(gòu)理論上均適合本區(qū)間的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，但本區(qū)間盾構(gòu)穿越江底溶洞發(fā)育區(qū)，且溶洞與湘江水存在通道聯(lián)系，當(dāng)溶洞區(qū)發(fā)生突水及突涌時，如采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，則存在江水倒灌風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合本工程實(shí)際情況，建議采用泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)。

②盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)建議

結(jié)合本工程穿越江底溶洞發(fā)育區(qū)重難點(diǎn)，針對盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)主要建議如下。

a.需充分研究穿江段工程地質(zhì)及水文地質(zhì)，加強(qiáng)刀具和刀盤的設(shè)計(jì)，針對盾構(gòu)穿溶洞區(qū)應(yīng)根據(jù)注漿加固后的巖體情況進(jìn)行刀具配備，避免江底換刀。

b.設(shè)置可以作為加壓環(huán)境下作業(yè)保護(hù)屏障的人倉，與其配套的還有壓力環(huán)境下專用的破巖設(shè)備、刀具拆卸和更換工具，以及有關(guān)醫(yī)療設(shè)施等。

c.增加超前探測系統(tǒng)?？刹捎玫聡_發(fā)研制的BEAM盾構(gòu)機(jī)隧道掘進(jìn)實(shí)時地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)［4］。盾構(gòu)機(jī)通過BEAM系統(tǒng)，能夠保持持續(xù)的掘進(jìn)狀態(tài)，不斷進(jìn)行隧道掌子面前方3倍隧道直徑距離的地質(zhì)情況的探測，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和地質(zhì)評估，然后實(shí)時顯示預(yù)報(bào)結(jié)果，利于現(xiàn)場快速作出判斷。

d.增加超前注漿系統(tǒng)。在盾構(gòu)機(jī)中盾部位環(huán)向預(yù)留超前注漿孔，待盾構(gòu)掘進(jìn)至風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)里程或開倉作業(yè)需要時可通過超前注漿鉆孔設(shè)備從洞內(nèi)超前注漿對盾構(gòu)前方土體進(jìn)行加固。超前鉆孔安裝在管片安裝機(jī)上，可實(shí)現(xiàn)超前鉆機(jī)前后移動，360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。超前鉆孔注漿深度可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到洞內(nèi)超前注漿加固的效果。

(2)盾構(gòu)穿越溶洞區(qū)施工措施

根據(jù)目前勘察報(bào)告，橘子洲及湘江西河汊存在溶洞，盾構(gòu)施工穿越溶洞區(qū)風(fēng)險(xiǎn)比較大。施工時應(yīng)注意做好以下幾點(diǎn)。

①技術(shù)措施

a.施工前采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，如CT探測［5］，TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)［6］或 BEAM 系統(tǒng)。對地質(zhì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級劃分，在不同等級地段，結(jié)合地質(zhì)情況合理采用不同的物探及超前預(yù)報(bào)方法對工作面前方的地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報(bào)。根據(jù)超前預(yù)報(bào)結(jié)果，如遇溶洞區(qū)填充不密實(shí)或注漿加固未達(dá)標(biāo)地段，采用江面補(bǔ)漿及洞內(nèi)超前加固等方法進(jìn)行處理。

b.加強(qiáng)刀具的管理與合理配置;合理選擇掘進(jìn)模式，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù);嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài);加強(qiáng)土改良與管理［7］。

c.加強(qiáng)管片背襯注漿:采用同步注漿和二次補(bǔ)充注漿相結(jié)合的方式，同步注漿采用水泥砂漿，二次補(bǔ)充注漿采用水泥－水玻璃雙液漿。根據(jù)工程地質(zhì)條件，合理調(diào)整與控制注漿壓力和注漿量。

②完善日常檢查排查工作

建立值班表和巡視制度，組織相關(guān)施工人員組成工程風(fēng)險(xiǎn)控制小組，定期巡視重點(diǎn)部位。對施工中的重點(diǎn)部位進(jìn)行全程監(jiān)控和定期檢查;對可能發(fā)生事故隱患的其他部位加強(qiáng)檢查，落實(shí)整改措施，及時消除隱患。

③加強(qiáng)施工人員專業(yè)培訓(xùn)

針對江底施工人員應(yīng)制定專業(yè)的培訓(xùn)計(jì)劃，確保施工人員具備專業(yè)的施工技能，尤其是應(yīng)對突發(fā)情況的能力。

④做好溶洞段施工應(yīng)急預(yù)案。對巖溶發(fā)育，且溶洞段地下水具有承壓性質(zhì)，含水量豐富，注漿未必能阻止溶洞地下水滲漏，極易發(fā)生涌水突泥或地表塌陷等情況，為此施工前必須做好應(yīng)急和處理預(yù)案。

(3)溶洞區(qū)施工工期風(fēng)險(xiǎn)控制

本區(qū)間總長2.66 km，越江段(含橘子洲)隧道長1.4 km，穿溶洞區(qū)長約0.24 km。根據(jù)工程籌劃安排，從書院路站始發(fā)，阜埠河路站吊出。施工場地占用書院路和阜埠河路部分道路。本區(qū)間施工推進(jìn)總工期約為22個月(考慮交叉施工，見圖9)，施工工期長，為保證盾構(gòu)在溶洞區(qū)順利施工，有以下建議。

①提前進(jìn)行阜埠河路站—書院路站區(qū)間東、西岸區(qū)間風(fēng)井以及阜埠河路站大里程端和書院路小里程端端頭井施工，確保盾構(gòu)順利始發(fā)以及在區(qū)間風(fēng)井順利過站。

②湘江西河汊溶洞處理受湘江水位影響很大，應(yīng)制定詳細(xì)的施工計(jì)劃，確保溶洞處理順利完成。

③提前做好協(xié)調(diào)工作，如溶洞處理需征用橘子洲以及占用湘江西河汊部分水域，需提前和相關(guān)部門進(jìn)行協(xié)調(diào)。

圖9 盾構(gòu)推進(jìn)示意

4 結(jié)論及建議

通過對長沙地鐵3號線盾構(gòu)隧道穿越江底溶洞區(qū)前期溶洞處理風(fēng)險(xiǎn)和后期盾構(gòu)穿越溶洞區(qū)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，分別從線路平面設(shè)置，江面圍堰選擇，江底溶洞處理設(shè)計(jì)，盾構(gòu)機(jī)選型，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)以及施工工期進(jìn)行探討，提出了相應(yīng)總結(jié)及建議。

(1)通過對線路平面設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，選擇勞動路中線過江方案，該方案減少了溶洞處理范圍，從而降低了溶洞前期處理及后期施工風(fēng)險(xiǎn)，同時降低了工程造價，避免了對湘江一級水源的污染以及對規(guī)劃勞動路隧道施工影響。

(2)通過對湘江西河汊溶洞處理方式進(jìn)行比選，建議采用江面圍堰處理，以減小對湘江西河汊環(huán)境影響，同時便于溶洞處理以及溶洞處理效果檢測，從而減小后期盾構(gòu)穿越溶洞區(qū)的施工風(fēng)險(xiǎn)。

(3)結(jié)合江底溶洞發(fā)育規(guī)律、分布形態(tài)、填充情況以及與湘江水聯(lián)系情況，并參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，提出了溶洞處理范圍以及處理措施方案。

(4)結(jié)合溶洞區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)，本區(qū)間建議采用泥水加壓式盾構(gòu)進(jìn)行施工，同時對于盾構(gòu)設(shè)計(jì)建議增加超前地質(zhì)探測系統(tǒng)及超前注漿加固系統(tǒng)，以減小盾構(gòu)穿溶洞區(qū)施工風(fēng)險(xiǎn)。

(5)由于本區(qū)間線路較長，施工難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高，對于盾構(gòu)始發(fā)井、吊出井、區(qū)間風(fēng)井以及溶洞處理需制定詳細(xì)的工程籌劃，同時需做好施工前期征地、租地等協(xié)調(diào)工作，以確保盾構(gòu)區(qū)間順利施工。

［1］彭柏興，雷金山，程斌，李凱.湘江隧道巖溶發(fā)育規(guī)律及其風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010(18):429-433.

［2］羅萬錄.深水基礎(chǔ)用鋼板樁圍堰計(jì)算分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(4):74-77.

［3］曲強(qiáng).溶土洞對地鐵施工、運(yùn)營的影響及治理措施［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(10):68-71.

［4］Thomas Kopp.BEAM系統(tǒng)在高速鐵路隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［C］∥2006中國高速鐵路隧道國際技術(shù)交流會論文集，2006:582-588.

［5］劉瑞琪.城市巖溶區(qū)地鐵隧道的溶洞超前探測及處治技術(shù)［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，25(2):43-46.

［6］張成平，張頂立，葉英，駱建軍.高壓富水巖溶隧道注漿機(jī)理及作用效果分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009(5):997-1002.

［7］陳建.地鐵隧道穿越溶洞的施工處理技術(shù)［J］.城市軌道交通研究，2005(6):52-55.

［8］孫鈞.臺海隧道工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.隧道建設(shè)，2009(29):258-262.

［9］劉招偉，張民慶，王樹仁.巖溶隧道災(zāi)變預(yù)測與處治技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［10］李廣濤.廣州地鐵三號線北延段巖溶處理設(shè)計(jì)［J］.隧道建設(shè)，2009(2):61.

［11］廖景.地鐵盾構(gòu)區(qū)間巖溶處理［J］.廣東土木與建筑，2011(11):25-28.

［12］魏玉省，呂劍英.巖溶地層中盾構(gòu)隧道修建技術(shù)［J］.西部探礦工程，2012(2):195-203.