昌進，李鵬飛，曾繁裕

（貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

隨著我國城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展，地鐵成為城市交通的重要組成部分，城市軌道交通建設(shè)速度越來越快。盾構(gòu)法施工具有安全快速的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各大城市地鐵區(qū)間隧道的修建，但針對貴陽特殊的喀斯特地貌和典型的山地城市特征，盾構(gòu)施工中解決不良地質(zhì)條件的問題尤為重要，需運用各種探測手段進行有針對性的風(fēng)險專項設(shè)計和施工。相關(guān)參考文獻中研究分析了一些探測技術(shù)對隧道巖溶區(qū)溶洞精細(xì)化探測研究，并取得了一定的成效。本文以貴陽軌道交通區(qū)間施工為例，對盾構(gòu)法施工過程中聯(lián)合探測技術(shù)進行詳細(xì)研究，提出合理可行的施工方法。

1 工程背景

1.1 工程概況

貴陽軌道交通3號線一期工程董家堰站～中曹司站盾構(gòu)區(qū)間沿花溪大道由南向北敷設(shè)，線路兩側(cè)建（構(gòu)）筑物密集，主要下穿的建（構(gòu)）筑物有花溪十里河灘濕地公園地下停車場、騰龍灣小區(qū)、人行天橋、輸水管道、中曹司下拉槽、貴陽樞紐南西聯(lián)絡(luò)線上下行線鐵路橋等重要建（構(gòu)）筑物。區(qū)間范圍內(nèi)敷設(shè)雨水、污水、電信、電力、給水、燃?xì)獾戎匾芫€。區(qū)間全長2 427.2m，隧道頂埋深范圍為4.8～11.5m，隧道最大縱坡為27.186‰，最小曲線半徑650m[6]。董家堰站—中曹司站區(qū)間平面圖見圖1。

圖1 董家堰站～中曹司站區(qū)間平面圖

1.2 地質(zhì)、水文情況

該區(qū)段處于貴陽向斜北部揚起端近軸黔靈山溶蝕殘丘附近，位于貴陽溶蝕盆地北部，沿線地形地貌類型較為復(fù)雜，主要屬于溶蝕類型的丘峰谷地貌。

通過詳細(xì)勘察，區(qū)間穿越范圍內(nèi)主要為中風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，溶洞較發(fā)育，見洞率為24%，線巖溶率為0.5%，其中大于1.0m 的溶洞有24個，其余溶洞不大于1.0m，最大溶洞高約5.0m。溶洞主要以充填型為主，充填物為軟塑-可塑狀黏性土，偶夾灰?guī)r碎塊。

沿線地下水類型有潛水、基巖裂隙水以及巖溶水。根據(jù)線路地層巖性組合及地下水的賦存特征，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料，沿線以巖溶水為主。區(qū)間沿線范圍內(nèi)巖土體滲透系數(shù)總體較小，變化較大，一般值0.066～0.23m/d，地下水位埋深1.0～3.0m，水位有一定起伏[7]。

2 盾構(gòu)機選型

該區(qū)間地處貴陽喀斯特地貌區(qū)域，周邊環(huán)境復(fù)雜，因此，合理進行盾構(gòu)機選型、確定掘進參數(shù)和選擇輔助工法，對控制巖溶地區(qū)地表變形顯得尤為重要。

2.1 盾構(gòu)機選定

結(jié)合本區(qū)間工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、隧道長度及平縱斷面等設(shè)計參數(shù)、周圍環(huán)境條件、隧道工程籌劃及節(jié)點工期要求、宜用的輔助工法、技術(shù)經(jīng)濟比較等六個主要因素進行盾構(gòu)設(shè)備選型，采用地層滲透系數(shù)法、地層顆粒級配法、水壓法進行綜合評判并邀請專家進行論證，采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)；盾體采用主動鉸接梭形結(jié)構(gòu)設(shè)計，配備超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)、濃漿液膨潤土系統(tǒng)和二次注漿系統(tǒng)。盾構(gòu)機主要掘進參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)機主要掘進參數(shù)

2.2 影響盾構(gòu)掘進的主要參數(shù)設(shè)定

選擇盾構(gòu)機掘進參數(shù)時應(yīng)考慮的因素，主要包括工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境保護需求和盾構(gòu)機的基本狀況，主要參數(shù)包括土倉壓力、刀盤推進速度、刀盤推力、刀盤轉(zhuǎn)速等。在該區(qū)間施工前充分研究分析地質(zhì)詳勘報告，結(jié)合巖體單軸抗壓強度、隧道埋深、地下水含量等指標(biāo)確定理論掘進參數(shù)；在盾構(gòu)始發(fā)及到達段、不同地質(zhì)條件及地質(zhì)變化段、上軟下硬、巖溶發(fā)育地段、穿越建（構(gòu)）筑物時建立試掘進制度，進一步通過渣土改良情況、出土量控制、監(jiān)控量測等驗證參數(shù)的合理性，從而確定最佳掘進參數(shù)。同時通過控制盾構(gòu)掘進貫入度，做好刀具磨損的控制，通過開倉檢查及換刀以減輕盾構(gòu)機刀具磨損，以控制地表變形[9]。

通過對本區(qū)間3236 環(huán)盾構(gòu)掘進參數(shù)變化統(tǒng)計綜合研究分析?？偨Y(jié)歸納出同類地質(zhì)條件下盾構(gòu)機掘進參數(shù)，可供同類地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工進行參考。幾種工況下盾構(gòu)機主要掘進參數(shù)見表2。

表2 幾種工況下盾構(gòu)機主要掘進參數(shù)

3 聯(lián)合探測技術(shù)應(yīng)用

該盾構(gòu)區(qū)間主要采用洞內(nèi)HSP 超前地質(zhì)探測、洞外勘察鉆孔、地質(zhì)雷達掃描、跨孔CT 等先進的地質(zhì)探測技術(shù)手段，對地表及地質(zhì)巖體聯(lián)合探測研判，互相驗證探測結(jié)果，用于指導(dǎo)盾構(gòu)掘進施工。對潛在地表脫空、溶洞、溶槽等情況提前進行預(yù)注漿加固處理，最大限度地保證盾構(gòu)機順利穿越不良地質(zhì)區(qū)段。

3.1 電磁波CT法（跨孔CT）探測技術(shù)應(yīng)用

本區(qū)間通過利用相鄰兩個地質(zhì)勘察孔進行電磁波CT法探測地質(zhì)圍巖情況。采用EWCTPS軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合地質(zhì)勘察鉆探資料，繪制井間電磁波CT解譯成果圖，并進行地質(zhì)分析解釋。通過對本區(qū)間內(nèi)地質(zhì)電磁波CT探測，共發(fā)現(xiàn)31處巖體破碎區(qū)、19處強溶蝕區(qū)。根據(jù)探測結(jié)果，在盾構(gòu)機施工前對所揭示的溶蝕區(qū)提前預(yù)處理21處。后期通過盾構(gòu)機掘進參數(shù)變化分析及鉆孔驗證，驗證了預(yù)處理效果較好。盾構(gòu)機通過時，地表沉降在-10mm～+8mm 范圍，滿足-30mm～+10mm的控制值。區(qū)間隧道地質(zhì)電磁波CT解譯見圖2。

圖2 區(qū)間隧道地質(zhì)電磁波CT解譯圖

3.2 地質(zhì)雷達掃描探測技術(shù)應(yīng)用

本盾構(gòu)區(qū)間沿線路方向布置3 條測線進行掃描探測，共發(fā)現(xiàn)地表脫空6處，通過預(yù)先注漿處理后，再次進行地質(zhì)雷達掃描，掃描結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域。盾構(gòu)機掘進時，未發(fā)現(xiàn)地表脫空沉降變形現(xiàn)象。該區(qū)間YDK23+625 處地表沉降出現(xiàn)異?！，F(xiàn)場對異常點前后50m范圍內(nèi)地質(zhì)雷達進行掃描探測，檢測結(jié)果顯示：距離地表6～13m 段明顯脫空，13～18m 段繞射波雜亂，土體嚴(yán)重擾動，異常大小約為8m×2m。根據(jù)檢測結(jié)果，及時對所揭示的脫空區(qū)進行了預(yù)注漿回填處理，避免因盾構(gòu)機施工進一步加劇地表沉降風(fēng)險。區(qū)間隧道地質(zhì)雷達掃描圖見圖3。

圖3 區(qū)間隧道地質(zhì)雷達掃描圖

3.3 洞內(nèi)HSP反射波法地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)盾構(gòu)機掘進施工的特點，利用盾構(gòu)機掘進時刀盤切割巖石所產(chǎn)生的彈性波信號作為HSP 反射法預(yù)報激發(fā)信號，在隧道內(nèi)進行空間陣列式數(shù)據(jù)采集，并通過繞射掃描偏移疊加成像技術(shù)進行反演解釋，揭示掌子面前方圍巖情況。按照盾構(gòu)機每掘進60m采集一次掌子面前方100m 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行處理分析，遇到特殊地質(zhì)區(qū)段，加密采集頻率，用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。HSP地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 HSP地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)流程圖

在右線盾構(gòu)掌子面YDK23+871 段前方100m 范圍內(nèi)采集的原始波形曲線進行數(shù)據(jù)處理分析，繪制該區(qū)段HSP反射波法探測反演分析成果圖。探測范圍內(nèi)存在多處異常反射區(qū)。其中，YDK23+855—YDK23+847 及YDK23+832—YDK23+826 段存在較強反射異常，分析判定為圍巖溶蝕裂隙發(fā)育，巖體破碎，異常核心區(qū)域存在發(fā)育巖溶，完整性和穩(wěn)定性差；YDK23+871—YDK23+868 及YDK23+811 段存在弱反射異常，分析判定為異常段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖較破碎。通過實際鉆孔驗證及開倉檢查驗證了溶蝕裂隙的存在。在掘進過程中，及時調(diào)整上述段掘進參數(shù)及出渣量，并加強地面沉降監(jiān)測，未發(fā)生地表沉降預(yù)警情況。

3.4 天然微動探測技術(shù)應(yīng)用

該區(qū)間左線盾構(gòu)機掘進至ZDK23+770 處，發(fā)現(xiàn)土壓突然異常升高至1.73bar，出土量達到115m3。隨后，ZDK23+800—ZDK23+850 段（刀盤前方30m）地表局部發(fā)生下沉現(xiàn)象，下沉量達10.5cm，部分瀝青面層破損，導(dǎo)致花溪大道臨時封閉一條車道。為及時消除隱患，立即停止掘進，通過地質(zhì)雷達掃描、天然源微動探測法和鉆孔驗證方式進行地表脫空和溶洞探查。對地表脫空部位進行注漿回填。完畢后，通過天然源微動探測法對回填效果進行驗證。

現(xiàn)場采用剖面臺陣布置方式進行微動信號采集，在地表冒漿處布置一條微動面波剖面，剖面長50m，共11個測點，點間距5m，道間距2m，利用實際微動信號中提取的瑞雷波頻散曲線反演得到地下視橫波速度信息。

通過視橫波速度剖面反映出該段地表至地下20m范圍內(nèi)介質(zhì)的視橫波速度的大小及變化情況。共發(fā)現(xiàn)兩處低速異常區(qū)，分別在ZDK23+805—ZDK23+813、ZDK23+826—ZDK23+833 兩段，均為溶蝕凹槽，且ZDK23+805—ZDK23+813 段溶槽呈高角度向下延伸，是由于溶蝕裂隙帶部分填充物流失導(dǎo)致?，F(xiàn)場應(yīng)急處置后，通過第二次微動探測結(jié)果顯示該區(qū)域視橫波速度變化均勻，未見明顯低速異常區(qū)域，表明溶蝕裂隙帶已完全充填，地表變形得到了有效控制。

4 盾構(gòu)施工過程中的四階段管理方法

根據(jù)地表的特點及聯(lián)合探測結(jié)果，結(jié)合盾構(gòu)施工沉降規(guī)律及周邊地質(zhì)情況分析，將穿越過程按地表影響范圍分不同階段進行沉降變形控制，針對各階段結(jié)構(gòu)沉降量控制指標(biāo)，制定相應(yīng)的控制措施。

從刀盤進入地表影響范圍內(nèi)前5d 或臨近60m 為第一個階段控制。該階段根據(jù)地表聯(lián)合探測結(jié)果，及時調(diào)整土倉平衡壓力，控制前期沉降變形。如果出現(xiàn)沉降量過大，立即采取提高土倉壓力，減小掘進速度和控制出土量等措施加以控制沉降變形。

從刀盤進入地表影響范圍為第二個階段控制。該階段主要利用同步注漿及地表超前注漿加固進行控制，確保管片和周圍土體間隙填充密實、飽滿。一旦出現(xiàn)沉降量過大的情況，立即停止掘進，穩(wěn)定土倉壓力，進行同步補注漿處理。同時進一步驗證地表聯(lián)合探測處理結(jié)果。當(dāng)沉降監(jiān)測值滿足要求后，方可進行下一環(huán)掘進。

穿越地表影響范圍完成5d 內(nèi)且盾尾拖出5 環(huán)管片為第三個階段控制。該階段主要通過管片二次注漿及地表補注漿加固進行控制。二次注漿以壓力控制為主，同時根據(jù)監(jiān)測情況及時進行調(diào)整。若沉降值過大或未趨于穩(wěn)定時，必須停止掘進，分析原因并采取有效的控制措施。當(dāng)沉降監(jiān)測值滿足要求后方可復(fù)推。

穿越地表影響范圍完成5d 后且盾構(gòu)機完全通過為第四個階段控制。此階段主要采用地表地質(zhì)雷達掃描+天然微動探測等先進的地質(zhì)探測技術(shù)，對沉降值不能滿足控制值要求的地表及地質(zhì)巖體進行探測判斷。根據(jù)探測結(jié)果對沉降量區(qū)域進行點對點的跟蹤注漿加固，直至地表監(jiān)測值滿足要求為止。

通過對該區(qū)間穿越建（構(gòu)）筑物分四階段進行控制，地表及建（構(gòu)）筑物變形得到有效控制，取得了良好效果。

5 結(jié)論

貴陽軌道交通3號線董家堰站—中曹司站盾構(gòu)區(qū)間于2020年11月開始盾構(gòu)始發(fā)，于2021年12月完成到達接收，施工過程中，對洞內(nèi)HSP超前地質(zhì)探測和洞外勘查鉆孔+地質(zhì)雷達掃描+跨孔CT+天然源微動探測等先進的地質(zhì)探測技術(shù)進行嘗試，盡可能消除地表異常區(qū)，有效地抑制了地表變形，確保盾構(gòu)機順利掘進，充分驗證了貴陽巖溶地區(qū)盾構(gòu)法施工對控制地層變形的可行性和可靠性。為貴陽地區(qū)后續(xù)盾構(gòu)施工積累寶貴經(jīng)驗，極大地提高了貴陽地區(qū)隧道施工機械化施工水平。在施工過程中總結(jié)了以下幾點，供后續(xù)同類工程參考和借鑒：

（1）施工前，應(yīng)對巖土勘察報告仔細(xì)研究分析，根據(jù)巖土特征判斷在擬建工程范圍內(nèi)是否會存在巖溶發(fā)育情況，運用各種探測手段進行有針對性的風(fēng)險專項設(shè)計。

（2）應(yīng)對鄰近建（構(gòu)）筑物及地下重要管線進行調(diào)查評估，特別是對盾構(gòu)區(qū)間施工影響較大的結(jié)構(gòu)需要核查準(zhǔn)確，以確保施工方案的可實施性；并在穿越建（構(gòu)）筑物前進行試驗段施工，提前模擬穿越是有必要的，為盾構(gòu)穿越施工提供安全保證。

（3）在喀斯特地區(qū)進行盾構(gòu)施工，刀具磨損是在所難免的，要嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進貫入度；并有計劃地選擇停機開倉換刀位置，不同的地質(zhì)條件采取的換刀措施也不同，施工前要在直接開倉換刀、地層預(yù)加固換刀、降水加固后換刀、開挖或利用豎井換刀、壓縮空氣下?lián)Q刀等幾種方法間做好選擇，并經(jīng)過專家論證后實施，有利于盾構(gòu)機在特殊地質(zhì)中平穩(wěn)掘進。

（4）根據(jù)圍巖變化，及時做好渣土改良、同步注漿、二次注漿、監(jiān)控量測等工作也是不可忽視的。還要建立洞內(nèi)外聯(lián)動機制，早發(fā)現(xiàn)、早處置。