陳慧冰

中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北 武漢 430074

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

深惠城際五和至坪地段線路長(zhǎng)31.817km，全地下敷設(shè)；設(shè)站共5座，分別為平湖﹑鳳崗﹑大運(yùn)北﹑龍城（含大鵬支線）﹑坪地，線路為全地下敷設(shè)；其中大運(yùn)北站～龍城站區(qū)間長(zhǎng)度3481.1m，雙洞隧道，設(shè)置管片外徑8.8m，厚度0.4m，環(huán)寬1.8m，該區(qū)段盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工需穿越巖溶高發(fā)育區(qū)。

1.2 區(qū)間巖溶發(fā)育情況

大運(yùn)北站～龍城站區(qū)間勘探孔揭露的溶洞總數(shù)為284個(gè)，洞高0.22～29.50m，平均高度2.98m。大部分溶洞規(guī)模較小，溶洞洞高＜2.0m的共有158個(gè)，占總數(shù)的55.63%；2.0m≤溶洞洞高≤5.0m的共有84個(gè)，占總數(shù)的29.58%；溶洞洞高＞5.0m的共有42個(gè)，占總數(shù)的14.79%。統(tǒng)計(jì)情況詳見表1《勘探孔揭露溶洞洞高分布情況統(tǒng)計(jì)表》。

表1 勘探孔揭露溶洞洞高分布情況統(tǒng)計(jì)表

本區(qū)間鉆孔揭露的溶洞填充情況無明顯規(guī)律，部分有填充物，填充物主要為軟～可塑狀粉質(zhì)黏土﹑砂土﹑角礫和碎石，另有部分無填充物，本次揭露無填充物的溶洞有13個(gè)，約占溶洞總數(shù)的0.45%。

區(qū)間定測(cè)在105個(gè)可溶巖勘探孔中，有80個(gè)勘探孔揭露到溶洞，鉆孔見洞率76.19%，總線巖溶率為33.2%，巖溶最大垂直高度29.5m，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》判定，該區(qū)間巖溶為強(qiáng)烈發(fā)育[1]。

2 溶洞處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 盾構(gòu)隧道巖溶處理基本原則

盾構(gòu)隧道巖溶處理應(yīng)遵循以地面處理為主，洞內(nèi)預(yù)留處理措施為輔的原則。由于巖溶地區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜﹑城區(qū)內(nèi)受交通﹑管線﹑建構(gòu)筑物的影響，較難全面開展與探明巖溶的發(fā)育情況，盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)充分評(píng)估區(qū)間巖溶勘探﹑處理情況，必要時(shí)需配置盾構(gòu)機(jī)內(nèi)超前探測(cè)儀器與機(jī)械設(shè)備（小鉆機(jī)），具備洞內(nèi)探測(cè)及處理?xiàng)l件。

2.2 盾構(gòu)隧道巖溶處理范圍

2.2.1 所有發(fā)現(xiàn)的土洞必須處理；

2.2.2 隧道結(jié)構(gòu)外放3m范圍內(nèi)，由地面至隧道底范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的溶（土）洞均需處理；

2.2.3 隧道結(jié)構(gòu)輪廓線外放5m范圍內(nèi)，隧道底以下5m以內(nèi)的溶（土）洞均需處理；

2.2.4 隧道結(jié)構(gòu)輪廓線外放5m范圍內(nèi)，隧道底以下5～10m范圍內(nèi)的溶洞，最上層溶洞穩(wěn)定巖面頂板厚度小于5m或頂板厚跨比小于1的溶洞，需必須進(jìn)行處理。

2.2.5 處理“串珠狀”溶洞時(shí)，當(dāng)洞體之間的完整基巖層厚度小于0.5m時(shí)，下層溶洞也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)處理。

2.2.6 上述原則有交叉范圍時(shí)，豎向按照較深的處理原則確定。

2.2.7 鑒于溶（土）洞發(fā)育的不確定性，實(shí)施過程中若發(fā)現(xiàn)非上述處理范圍的特大型溶洞需召開專題會(huì)議會(huì)同各方研究確定是否處理及相應(yīng)處理方案，以滿足施工及后期運(yùn)營(yíng)安全。

2.3 溶（土）洞處理方法

盾構(gòu)隧道溶（土）洞主要采取充填﹑注漿加固等措施。

2.3.1 全充填溶（土）洞。采用壓注水泥漿進(jìn)行加固，注漿壓力從低到高，間歇﹑反復(fù)壓漿。

2.3.2 無充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞。對(duì)不大于3m的無充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞，可直接采用壓注水泥漿進(jìn)行充填的同時(shí)對(duì)原填充物進(jìn)行注漿加固，注漿壓力從低到高，間歇﹑反復(fù)壓漿。

對(duì)大于3m小于5m的無充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞，先采用套管間歇式灌注水泥砂漿進(jìn)行充填，后采用壓注水泥漿[2]。

對(duì)大于等于5m的無充填溶（土）洞和半充填溶（土）洞，可考慮采用套管泵送C15素混凝土進(jìn)行填充后壓注水泥漿。

圖1 盾構(gòu)溶洞斜向鉆孔處理斷面示意圖

3 盾構(gòu)穿越溶巖區(qū)施工掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 人員組織

項(xiàng)目部將選派有豐富盾構(gòu)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員和專業(yè)盾構(gòu)施工隊(duì)伍負(fù)責(zé)組織施工，確保施工過程安全﹑高效﹑經(jīng)濟(jì)﹑質(zhì)量合格。

3.2 掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)施工過程中根據(jù)已詳勘和補(bǔ)勘的地質(zhì)資料，分無溶土洞區(qū)段和有溶土洞區(qū)段分別優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)控制。采用氣壓輔助模式掘進(jìn)，土倉(cāng)內(nèi)渣位控制在3﹑9點(diǎn)位以下，減少刀具的磨損，降低開倉(cāng)換刀的頻率，提高施工效率?？刂坪枚軜?gòu)機(jī)的推進(jìn)速度﹑渣土改良﹑土壓力控制﹑刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩（刀盤轉(zhuǎn)速1～1.5rpm/min），螺旋機(jī)速度﹑盾構(gòu)機(jī)總推力等參數(shù)，控制調(diào)節(jié)好盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，盡量保持按隧道線路掘進(jìn)，減少糾偏。

3.3 渣土改良

巖溶地區(qū)盾構(gòu)在中風(fēng)化或微風(fēng)化層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤切削的渣土以大小不等的巖塊為主，渣土和易性不好，巖溶里的水通過地層的縫隙和通道及管片壁后通道進(jìn)入土倉(cāng)，螺旋機(jī)出土造成噴涌。盾構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)化﹑全風(fēng)化地層掘進(jìn)時(shí)可通過盾構(gòu)機(jī)的聚合物系統(tǒng)往土倉(cāng)內(nèi)加注聚合物添加劑，增加土倉(cāng)內(nèi)渣土的黏性，減少噴涌。中風(fēng)化和微風(fēng)化地層掘進(jìn)時(shí)可向土倉(cāng)內(nèi)加注膨潤(rùn)土。由于大量噴涌會(huì)造成土倉(cāng)突然卸壓引發(fā)事故，可能引起與上部地面水連通﹑地層水位急劇下降﹑開挖面滑落，掘進(jìn)過程中發(fā)生持續(xù)噴涌時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)地面的沉降監(jiān)測(cè)[3]。

在巖溶區(qū)上軟下硬地層（上部為粉質(zhì)黏土﹑黏土，下部為中﹑微風(fēng)化砂巖﹑灰?guī)r和花崗巖時(shí)）掘進(jìn)時(shí)，為防止刀盤結(jié)泥餅和減少刀具磨損，需向刀盤面盤加注泡沫劑進(jìn)行渣土改良和潤(rùn)滑。

3.4 出土量控制

巖溶地層掘進(jìn)中對(duì)于出土量的計(jì)算尤為重要，需要對(duì)泡沫的用量﹑膨潤(rùn)土用量﹑刀盤及土倉(cāng)打水量，土斗殘余量﹑未裝量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后得出實(shí)際出土量。實(shí)際出土量計(jì)算時(shí)，需詳細(xì)分析渣樣成分比例，確定渣土的分散系數(shù)，再與理論出土量進(jìn)行比對(duì)，確保掘進(jìn)不超方。

3.5 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

在巖溶區(qū)上軟下硬地層掘進(jìn)時(shí)，由于下部地層巖面起伏較大，斷面內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)化或洞體填充物的處理與周邊巖面差異較大，在此情況下，刀盤工作條件惡化，受力不均，掘進(jìn)速度不均，姿態(tài)不易控制，易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)頭下垂﹑機(jī)頭向上的過量蛇形﹑偏離軸線等情況。在該地層掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制是重點(diǎn)。采用1.8m寬的管片，在推進(jìn)過程中油缸行程控制在1900～2000mm，行程差在0～50mm。防止盾體和盾尾之間形成過大的夾角，造成管片姿態(tài)變差。鉸接油缸應(yīng)減少行程差，控制在30mm以內(nèi)，行程控制在40～80mm為宜。

水平偏差值﹑高程偏差值﹑滾動(dòng)角控制要結(jié)合推進(jìn)油缸和鉸接油缸的行程差值，不斷調(diào)整各分區(qū)油缸推力和總推力，保證盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)，盾構(gòu)機(jī)每環(huán)推進(jìn)過程姿態(tài)變化控制在±5mm以內(nèi)。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中要根據(jù)地質(zhì)情況隨時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，盾尾與管片四周間隙盡量要均勻﹑平衡。在糾偏過程中，掘進(jìn)速度要放慢，糾偏和仰角的調(diào)整力度控制在±5mm/m，不得猛糾猛調(diào)，避免糾偏時(shí)由于單側(cè)推進(jìn)油缸用力過大造成管片破損。

3.6 同步注漿、二次注漿

在巖溶區(qū)上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)易引起地面沉降，掘進(jìn)過程要適量加大同步注漿量，以最大限度地控制地面沉降，同時(shí)通過管片注漿孔，進(jìn)行二次補(bǔ)注漿填充密實(shí)。同步注漿和二次補(bǔ)注漿要注意控制注漿壓力，漿液的初凝時(shí)間可以在不堵管的前提下適當(dāng)提前。同時(shí)要根據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)調(diào)整同步注漿量和二次補(bǔ)注漿。特別是掘進(jìn)過程中有噴涌和超挖的情況發(fā)生時(shí)，需要重點(diǎn)加大同步注漿量。

3.7 管片拼裝

在施工過程中，要保證管片拼裝質(zhì)量，控制管片環(huán)面和縱面平整度，減少管片錯(cuò)臺(tái)和破損。管片拼裝點(diǎn)位要合理，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)﹑隧道線路﹑盾尾間隙和推進(jìn)油缸行程差綜合對(duì)管片拼裝點(diǎn)位進(jìn)行確定。

3.8 管片上浮

在全斷面硬巖﹑上軟下硬地層和富含水地層易造成管片上浮。管片上浮主要原因：掘進(jìn)時(shí)同步注漿不充分，地下水與地面水連通；漿液被水稀釋或管片背后與土倉(cāng)之間形成匯水通道，導(dǎo)致漿液流失，漿液沒有固結(jié)；受振動(dòng)載荷作用造成漿液離析[4]。

控制措施：采用雙液進(jìn)行同步注漿，調(diào)整漿液的配合比，縮短初凝時(shí)間，試配早強(qiáng)砂漿。保證注漿量，達(dá)到填充飽滿。當(dāng)管片脫出盾尾后及時(shí)進(jìn)行背后二次雙液漿注漿，保證管片背后的空隙得到有效填充，將管片穩(wěn)定下來。管片出現(xiàn)上浮后，及時(shí)在相應(yīng)位置打開管片背后注漿孔放掉地下水，進(jìn)行二次注漿。土倉(cāng)內(nèi)加強(qiáng)渣土改良，防止噴涌。采用隧道上方垂直跟蹤和管片背后注漿。盾構(gòu)機(jī)機(jī)姿態(tài)可以根據(jù)管片上浮量比設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档汀?/p>

盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程出渣口位置要經(jīng)常檢測(cè)有害氣體的含量，確保施工設(shè)備及人身安全。施工過程如開倉(cāng)檢查刀盤刀具和掌子面情況，則需按照進(jìn)倉(cāng)作業(yè)的相關(guān)規(guī)定和施工專項(xiàng)方案進(jìn)行操作。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中做好盾構(gòu)機(jī)和相關(guān)配套設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)，避免盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)，保障設(shè)備的連續(xù)作業(yè)。盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，加強(qiáng)地面巡查。出現(xiàn)冒漿﹑冒泡時(shí)及時(shí)進(jìn)行處置，暫停泡沫的注入和控制注漿壓力﹑注漿量，及時(shí)進(jìn)行封堵。

4 巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)難點(diǎn)及處理措施

4.1 針對(duì)巖溶區(qū)刀具磨損的應(yīng)對(duì)措施

盡管在盾構(gòu)施工前對(duì)探明的溶洞進(jìn)行預(yù)處理，但該地層溶洞發(fā)育，部分溶洞可能未被探明。因此盾構(gòu)機(jī)在巖溶地層掘進(jìn)，容易造成滾刀刀刃的崩裂和刮刀螺栓的剪切破壞。掘進(jìn)過程中處理措施如下。

4.1.1 施工過程采用氣壓輔助模式掘進(jìn)，降低土倉(cāng)內(nèi)渣位，減少土倉(cāng)內(nèi)渣土對(duì)刀具的磨損，降低刀盤扭矩，減少總推力。

4.1.2 在地層穩(wěn)定﹑圍巖均勻，力學(xué)性質(zhì)好位置主動(dòng)開倉(cāng)檢查更換刀具，避免在巖溶發(fā)育位置更換刀具，降低開倉(cāng)換刀的施工風(fēng)險(xiǎn)。

4.1.3 下穿風(fēng)險(xiǎn)源前，選擇合適位置對(duì)刀具進(jìn)行全面檢查更換，避免在風(fēng)險(xiǎn)源位置開倉(cāng)換刀。

4.1.4 如需在不穩(wěn)地層進(jìn)行換刀，必須帶壓換刀或?qū)Q刀點(diǎn)進(jìn)行加固，加固可采用地面注漿加固或洞內(nèi)超前注漿加固。

4.1.5 帶壓開倉(cāng)時(shí)，由于區(qū)間巖溶發(fā)育劇烈，帶壓開倉(cāng)之前需采用厚漿﹑衡盾泥或膨潤(rùn)土泥漿填倉(cāng)，在開挖面形成一道穩(wěn)定泥膜。

4.1.6 在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)推力增大，扭矩波動(dòng)較大，速度降低，掘進(jìn)參數(shù)異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)開倉(cāng)檢查刀具，避免因個(gè)別刀具的損壞引起周邊刀具破壞甚至磨損刀盤。

4.1.7 根據(jù)區(qū)間巖溶發(fā)育和地質(zhì)情況，合理選擇優(yōu)質(zhì)刀具，可選擇19寸合金滾刀，增大刀軸的抗壓能力。

4.2 針對(duì)巖溶區(qū)掘進(jìn)超方開挖易坍塌的應(yīng)對(duì)措施

由于巖溶地層溶洞發(fā)育，部分溶洞填充物主要為黏性土夾灰?guī)r碎塊﹑細(xì)砂夾少量黏性土及巖塊等。盾構(gòu)掘進(jìn)過程，遇到未探明的溶洞或溶洞注漿加固效果不良，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)地層，溶洞土體﹑碎塊不斷坍塌至土倉(cāng)，造成出渣超方，從而引起地面下沉甚至坍塌。應(yīng)對(duì)措施如下：

4.2.1 首先根據(jù)地層松散系數(shù)﹑土斗殘余量﹑土倉(cāng)渣位﹑門吊稱重等盡可能準(zhǔn)確的計(jì)算出當(dāng)環(huán)出土量和超方量，為后續(xù)處理工作提供依據(jù)。

4.2.2 增加厚漿注入系統(tǒng)，拌制優(yōu)質(zhì)的厚漿經(jīng)盾體徑向孔向盾體外周注入，用以填充超方引起的空洞和建筑間隙。

4.2.3 加強(qiáng)盾尾同步注漿和二次補(bǔ)漿﹑止水環(huán)箍施做，根據(jù)詳細(xì)記錄的超方點(diǎn)和超方量以雙倍以上的注漿量和注漿壓力雙重控制補(bǔ)漿。

4.2.4 對(duì)超方點(diǎn)地表利用后退式注漿設(shè)備進(jìn)行下桿補(bǔ)注漿，主要目的是探知地表下方是否脫空﹑是否有溶槽和溶溝聯(lián)通地表和掘進(jìn)掌子面。

4.2.5 對(duì)區(qū)間地表進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描和隧道進(jìn)行CT掃描，確認(rèn)是否存在松散層和脫空層，并視情況針對(duì)性補(bǔ)注漿，實(shí)現(xiàn)真正的消除隱患。

4.2.6 加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)，沉降數(shù)據(jù)異常及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理。

5 結(jié)束語

若巖溶處理的難度很大且十分復(fù)雜，需要因地制宜的設(shè)計(jì)和選擇合理的施工方法。根據(jù)各地工程施工經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)仔細(xì)研究地質(zhì)情況，了解巖層性質(zhì)和巖溶發(fā)展。發(fā)現(xiàn)巖溶時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)勘，了解巖溶范圍，根據(jù)不同情況采用相應(yīng)處理措施，盾構(gòu)隧道巖溶處理應(yīng)遵循“以地面﹑機(jī)（盾構(gòu)機(jī)）內(nèi)預(yù)處理相結(jié)合為主，洞內(nèi)預(yù)留措施處理為輔”的原則，精細(xì)化施工，加強(qiáng)質(zhì)量檢測(cè)工作，確保地鐵施工及運(yùn)營(yíng)安全。